纸张性能对喷墨印刷质量的影响规律研究

张便芝，刘 忠

（中国轻工业造纸与生物质精炼重点实验室，天津市制浆造纸重点实验室，天津科技大学轻工科学与工程学院，天津300457）

喷墨印刷是一种非接触式的数字印刷方式，通过热气泡或压电将油墨从微细的喷嘴以墨滴的形式喷射而出，墨滴附着在承印材料的表面，从而形成稳定的影像。 喷墨印刷是结合了高质量、高速度和低噪音的单色或彩色图文的印刷技术。 为了使印刷品具有较高的印刷密度和丰富的阶调层次，一般要求所使用的油墨与承印物相匹配，或者承印物的性能要与油墨相适应，以保证良好的印刷质量。 所以，一般情况下，喷墨印刷系统的油墨和承印材料都是成套使用的。

印品质量直接取决于承印物的品质，即纸张的品质[1]。 华南理工大学陈广学等[1-2]对喷墨印刷纸进行评价，研究发现影响喷墨印刷品相对反差的最重要因素为纸张白度和光泽度，纸张定量和厚度的影响较小。 内蒙古工业大学冯龙等[3]进行喷墨打印纸主要性能实验，比较得出结论：在喷墨印刷中，吸墨性较好且白度较高的纸张能够更好地保存图像。 辽宁省新闻出版学校王绅等[4]对纸张各类参数进行量化表征并研究了表达色彩转移效果的色域体积，研究发现纸张白度和光泽度与色域体积呈正相关特性，其中白度对增大色域体积更具有影响力。 山东轻工业学院李春艳等[5]在研究喷墨打印中纸张性能对印品光泽度影响过程中发现，定量与印品光泽度呈正相关，且纸张光泽度与印品光泽度高度相关。

综上可知，纸张性能对于喷墨印刷印品质量有直接影响。 本文选取纸张作为研究对象，从纸张表面特性定量、白度、纸张光泽度及纸张光滑度出发，选择印品阶调层次变化、相对反差以及印品光泽度作为判断各表面特性对喷墨印刷品质量的影响规律及现象，以便于研究如何得到更高质量的喷墨印刷品。

1 实验

1.1 材料

在纸张白度、光泽度、平滑度和定量上有明显差别的5 种可适用于喷墨打印的纸，分别用1#、2#、3#、4#、5#表示。

1.2 设备

ESPON Stylus Pro 7600 型数字喷墨打印机，爱普生（中国）有限公司；BSM220.4 型电子分析天平，上海卓精电子科技有限公司；ZB-A 型色度仪，杭州纸邦自动化技术有限公司；DCP-PHY10K 型电脑测控平滑度仪， 四川长江造纸仪器有限责任公司；MULTI GLOSS 268 Plus 型光泽度仪，日本美能达公司；X-Rite518 型分光密度仪，美国爱色丽公司。

1.3 实验步骤

首先，分别测量5 个纸样的定量、白度、平滑度、光泽度，利用Adobe Illustrator 软件设计CMYK 四色梯尺。 在数字喷墨打样机上对5 种纸分别进行打印输出， 用分光密度仪对打印输出的四色梯尺进行实地密度、网点面积以及相对反差的测试，记录各阶调处的网点面积，用所得数据作图，分析纸张性能对喷墨印刷阶调、相对反差以及印品光泽度的影响规律，并分析纸张各性能对其影响的相关系数。

1.4 实验数据的统计分析

数据分析采用Origin Pro8.632-bits； 对数据采用最小二乘法进行线性拟合。

2 结果与讨论

2.1 纸张表面性能测量与阶调复制效果

测得纸张定量、白度、平滑度、光泽度如表1 所示。 由于纸张涂布方式和涂布结构的不同， 纸张的各种性能指标也是不同的，其中1#、4#具有较高的定量和平滑度，3#、5#在白度方面差异较大，1#、2#具有较高的光泽度，5#的光泽度最低。

表1 纸张表面性能测试

对印品各网点面积的密度用分光密度仪进行测试， 获得各色油墨印刷密度等数据并通过Origin 绘制图表， 观察印品阶调层次的变化规律。 由于纸张的性质不同，印品的阶调层次也会发生变化，亮调、中间调和暗调的色彩再现也会有差异。由表2 可知：从亮调到中间调， 各类纸的阶调密度变化都不是很明显，但2#、4#纸在1%的网点处各色印刷密度均为0，出现了亮调层次丢失现象。从中间调到暗调区域，阶调密度开始有明显的变化。在各类纸张的印品中，均为青墨的实地密度最高，品红油墨次之，黄墨的实地密度最小， 青墨印品的效果最好， 阶调层次最清晰， 相较于其它颜色更适合于研究纸张性能对色彩再现及相对反差等的影响。1#和3#纸相比于其他三类纸的亮调、暗调、中间调层次变化最明显，色彩再现比较细腻， 印刷效果最好；5#纸的是实地密度最低，阶调层次变化最小，印品质量较于其他最差，印刷样品效果不理想。

表2 不同试样喷墨印品的阶调

2.2 最小二乘法线性拟合原理

为了研究自变量x(纸张性能)与因变量y(印刷相对反差)之间的关系，并获得其相关性，根据最小二乘法的原理， 被测量真值的最佳值能够使每次测量偏差的平方和为最小值[6]，即

利用其公式原理获得拟合直线y=a+bx，其中a、b 为两个待定参数， 可根据5 组测量值对其进行估计，且估值应使下式取最小值。

计算整理得到

由此整理获得最佳线性回归方程y=a+bx。 r 表示两个变量函数与拟合直线的符合程度， 即拟合曲线的相关系数，其中r 的值越接近于1，则实验数据更加密集分布在直线附近， 可使得拟合曲线更有价值与意义[7]。 残差平方和RSS 是指每个数据点与回归直线上相应位置的残差的平方之和， 表示随机误差的效应，其值越小则拟合程度越好。

2.3 纸张性能对相对反差的影响

相对反差即印刷对比度， 在印刷术语中被定义为实地与特定网目调值的积分密度之差同实地密度的比值，它用来确定打样和印刷标准给墨量，即图像的实地密度与图像中调至暗调的某点网点积分密度的差值同实地密度的比值， 简称K 值[8]，同时也是判断图像阶调、 实地密度是否能够忠实于原稿的重要参数。 表面上，K 值是调节图像色调的重要参数；实际上，它不但可以控制打样或印刷供给量，而且可以控制整条阶调复制曲线。 一般来说，K 值越大越好。 K 值越大，色调变化越明显，再现的层次就越丰富， 暗调区域的细节就越好；K 值越小，画面整体就会显得越沉闷，画面变得浓重，暗调层次损失越严重， 此时亮调和中间调的网点受到的影响可能会小一些， 所能再现的层次就越少。各类纸色块的相对反差如表3 所示。由表3 可知，K 值由大到小的顺序即纸张再现阶调层次的优劣顺序为4#、1#、2#、3#、5#。

表3 印品的相对反差

纸张特性是影响相对反差的重要因素，而定量、白度、光泽度、平滑度是纸张最常见且最具代表性的特性，无疑会对印品的相对反差产生影响。经实验发现， 纸张特性与相对反差之间的影响确实是不容忽视的， 不同特性对相对反差的影响程度有一定的差别， 并且有些特性之间还会相互影响。 具体可通过Origin 软件绘制图表并分析这些特性对相对反差的影响及相互影响，得到线性回归方程、残差平方和及相关系数如图1 所示。

纸张定量是指1 平方米纸或纸板的质量， 是最基本的性能指标， 其数值以及均一性影响着纸张的各项性能指标。 由图1（a）可知，纸张定量会对印品相对反差产生一定的影响， 两者之间的相关系数为0.83577，相关性较大，且拟合较好，由其趋势线可看出，在一定范围内，纸张定量越高，印品相对反差越大，印品所能再现的阶调层次就越多，中间调和暗调层次越丰富， 印样也就越清晰， 印品质量相对越好；纸张定量越低，印品相对反差小，印品阶调层次越少，暗调区域偏模糊，印品质量越差。

纸张白度是指纸张的亮度， 表示纸张的表面反射光的能力， 一般情况下纸张反射率较小则白度更低。 由图1（b）可看出，印品相对反差受到纸张白度影响，纸张白度与相对反差的相关系数为0.50751，具有一定的相关性，但相关性较小。由图1 中的预测趋势线可知，纸张白度越高，相对反差也会相应有所提高，尤其是当纸张白度很小时，其对相对反差的影响会很大，此时的相对反差也会很小，印刷色差小，色域差别大， 对颜色再现和阶调复制会有很大的负作用，严重影响了印品的质量。

平滑度是纸张印刷适性中重要的参数之一，它表示了纸张表面的平整光滑程度[9]。 由图1(c)可知，纸张平滑度与印品相对反差有着密切的联系， 相关系数为0.91249，拟合程度较高，由预测趋势线可以看出，纸张平滑度越高，印品相对反差越大，油墨在纸张上越能更好地铺展，色调层次更丰富，同时，图文可以更清晰、 更饱满地在纸张上呈现， 印品质量好；反之，纸张平滑度越小，印品反差越低，往往会使印品的墨色发花，图文层次感变差，印品质量变差。

纸张光泽度是指纸张表面方向性选择反射的性质， 关系到印刷品图像色彩的鲜艳程度以及立体感[10]。观察图1(d)可知，纸张光泽度会对印品相对反差产生影响，两者的相关系数为0.76217，相关性较大。根据预测趋势直线可看出，纸张光泽度越高，印品相对反差越大，暗调和中间调的层次会被拉开一些，阶调层次越丰富，细节再现越细腻，印品质量越好；纸张光泽度越低，相对反差K 值越小，画面越偏黑、偏深、偏闷，暗调缺乏层次的变化，暗调细节不能很好地再现，网点增大严重，图像不清晰，阶调层次越少，印品质量越差。

图1 纸张定量、白度、平滑度、光泽度与相对反差的相关性

2.4 纸张性能对喷墨印刷印品光泽度的影响

在喷墨印刷过程中，油墨转移到纸张表面后，会将纸面的凹凸点填充。 印刷品光泽主要与印品墨膜表面对光的镜面反射有关， 而喷墨印刷属于非接触印刷，墨膜表面的反射主要与纸张的性质有关。

印品光泽度数据如表4 所示，五种纸的印品光泽度有较大差异，1#、2#、4#纸的印品有较高的光泽度，3#纸的印品光泽度相对较低，5#纸的印品光泽度则非常低。而由表1 得知1#、4#纸有较高的定量、平滑度和光泽度，5#纸的平滑度、光泽度和白度较低，可以看出纸张的特性对印品的光泽度有一定的影响。

表4 实验试样的印品光泽度

由图2（a）可知：纸张定量与印品光泽度有着直接的联系， 两者变化趋势基本相同， 其相关性为0.79401，相关性较大，且成正相关。 印品光泽度随纸张定量的增加而增加，但在低定量阶段，纸张定量增加时，印品光泽度的增长趋势较缓慢。

由图2（b）可知：纸张白度对印品光泽度有一定的影响，两者相关系数为0.71467，两者具有一定的相关性。 当白度过高时，两者变化趋势相反，印品光泽度随纸张白度增加而降低，两者呈负相关；但当纸张白度降到一定数值时，印品光泽度也随之降低，而且降低的幅度迅速增大。 所以，要想使印品具有好的光泽度，应将纸张的白度控制在合适的范围内，不宜过低或过高。

由图2（c）可知：印品光泽度与纸张平滑度呈正相关，相关系数为0.50298，相关系数较低，相关性较差。 平滑度高的纸张，有利于形成均匀的墨膜，墨膜展平后才能产生镜面反射，印品的光泽度会随之升高；如果纸张表面粗糙，平滑度差，油墨印上后，印迹墨膜就会高低不平，对光只能形成漫反射，印刷品的光泽度就会很差[13]。因此，要选择较高平滑度的纸张，才能得到高光泽度的印刷品。

由图2（d）可知：纸张本身的光泽度和印刷品的光泽度有直接的联系， 其相关系数为0.97539，具有极大相关性，两者的变化趋势几乎重合，成正相关。 在一定程度上可以认为，纸张的光泽度决定着印刷品的光泽度，若纸张具有较好的光泽度，则墨膜的反射率也会提高， 即印刷品的光泽度会随纸张本身的光泽度的提高而增加。 因此，在实际印刷过程中， 若要求印品光泽度较高则需要选择具有高光泽度的纸张。

图2 纸张定量、白度、平滑度、光泽度与印品光泽度的关系

3 结论

通过绘制阶调复制曲线细致地分析了5 类不同纸张的印刷复制效果， 结合数据和图表分析手段全面分析了喷墨印刷过程中各类纸张性能(定量、白度、 平滑度及光泽度) 与印刷样品的质量评价指标(相对反差和印品光泽度)的相关性、变化规律及重要程度。 结果表明，纸张性能中的定量、白度、平滑度和光泽度都是影响印品阶调层次和印品光泽度的重要因素。 影响印品阶调的因素按相关系数从大到小排列为纸张平滑度、纸张定量、纸张光泽度、纸张白度。 影响印品光泽度的因素按相关系数由大到小排列为纸张光泽度、纸张定量、纸张白度、纸张平滑度， 且纸张光泽度和纸张平滑度与印品光泽度呈高度正相关。 因此，在喷墨印刷生产过程中，应该根据不同印刷需求对影响因素加以控制， 以稳定产品质量，更好地适应印刷，得到高质量的印刷品。