聚乙烯醇黏合劑對(duì)噴墨打印質(zhì)量的影響

聚乙烯醇黏合劑對(duì)噴墨打印質(zhì)量的影響

該項(xiàng)研究的目的是闡明聚乙烯醇作為黏合劑，在涂層和孔隙結(jié)構(gòu)形成中的控制作用，以及其對(duì)高速噴墨圖像的形成所帶來的影響。結(jié)果表明：顏料的類型和黏合劑的用量對(duì)孔洞結(jié)構(gòu)的形成有重要作用；聚乙烯醇能夠轉(zhuǎn)移到顏料孔隙內(nèi)，而且由于聚乙烯醇的膨脹作用，使其能堵塞直徑大約是30 nm的孔隙，這主要取決于黏合劑的用量；對(duì)紙張光學(xué)性能的影響因素，不僅僅是涂層，最重要的是相關(guān)的打印密度；但是，當(dāng)考慮油墨滲透時(shí)，涂層本身的性質(zhì)將起主導(dǎo)作用。

在印刷高速商業(yè)化的過程中，水性油墨的使用不斷增加，這對(duì)紙張表面的親水性和吸水性都提出了要求。這也就迫切需要研發(fā)一種以控制噴墨印刷性能為特征的基礎(chǔ)涂料。然而對(duì)于顏料和相應(yīng)噴墨打印紙涂料與黏合劑的相互作用，以及其對(duì)涂層孔隙結(jié)構(gòu)的作用，并沒有引起人們的高度重視。

對(duì)于有色涂料使用噴墨方式進(jìn)行印刷，聚乙烯醇（PVA）是一種應(yīng)用十分普遍的黏合劑，其具有很強(qiáng)的黏合染料的能力，在與水結(jié)合時(shí)能增加其潤脹能力。有研究發(fā)現(xiàn)，用PVA不僅能抑制油墨分散，并且在用TOF-SIMS分析PVA層時(shí)發(fā)現(xiàn)色料的集中面是均勻的。其次，黏合劑種類對(duì)噴墨打印密度以及其流出成形有影響，然而目前還沒有黏合劑在Versamark VX 5000e的噴墨打印質(zhì)量成形的潤脹趨勢的研究。

本研究主要目的是要解釋：（1）PVA在多孔CaCO3涂料層中，作為潤脹型黏合劑的作用；（2）多孔性以及孔隙直徑在噴墨成形過程的作用；（3）PVA涂層在高速噴墨印刷過程中對(duì)顏料基涂料成形的影響。

1 材料和方法

1.1 涂層的組成和涂層試驗(yàn)

CaCO3顏料。根據(jù)不同的粒徑和比表面積來選擇CaCO3顏料。表1顯示了按顏料粒徑和顏料比表面積的分類情況（MCC表示改性碳酸鈣）。

表1 按顏料粒子的直徑和顏料比表面積的分類情況

所選擇的涂料黏合劑是PVA，其水解度是（87.7±1.0）%，相對(duì)分子質(zhì)量為 204 000 g/mol。

首先研究了純顏料的性能。由公式計(jì)算得出在玻璃盤中的顏料餅和100 g/m2的涂料層。這些顏料餅是用Teflon模型鑄成的，在23℃下進(jìn)行干燥。玻璃盤被用夾距為100～500 μm的刮刀涂布器涂布制成涂層。

原材料（GCC、PCC和MCC）的粒徑由其沉積作用或者采用激光分散法進(jìn)行測定。涂料含PVA為10%時(shí)，pH和Z電位也會(huì)影響涂料的顏色。所有顏料帶有正電性，這能夠吸引帶負(fù)電的油墨染料，從而防止其透印，同時(shí)也會(huì)使顏料和色料在涂料表面聚集，并達(dá)到最大密度。電荷的相互作用也能保證油墨在水中的牢固性。

用Si-oil孔隙率儀吸收來測定孔隙結(jié)構(gòu)的液體攝取量。在油的吸收過程中，顏料餅在Si-oil中停留1 h，分別測量顏料餅的初始質(zhì)量和Si-oil飽和質(zhì)量。在常壓下，油墨吸收多孔性的定義是涂料餅吸收的Si-oil體積，除以涂料層的總體積，然后乘以吸收的Si-oil體積。

孔隙的體積和分布通常用水銀孔隙率儀測量，采用Pore-Comp校正來說明擴(kuò)張透度計(jì)、水銀柱和簡單的骨料所產(chǎn)生的壓力，通常被稱作彈性體積系數(shù)。涂料隨著黏合劑用量的變化，其產(chǎn)生的壓力在140～440 Pa之間變化。采用鍍膜玻璃盤，是將盤子放在洗脫液中用TLC分析，即洗脫液流動(dòng)一定距離所需的時(shí)間。涂料層的光學(xué)性能用洗脫液攝取量和距離的函數(shù)關(guān)系來表示，比如，不透明度根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)2471：2008來測定。鍍膜玻璃盤后面的一些吸墨紙板用作最后一層涂料。

KCL實(shí)驗(yàn)涂布機(jī)用于傳統(tǒng)原紙大范圍的涂布，而這些傳統(tǒng)原紙通常被用于生產(chǎn)定量為53 g/m2的銅版紙。印刷原紙首先要進(jìn)行預(yù)涂布，以便最上層的涂層能阻止油墨滲透到紙張中。用薄膜涂布機(jī)中，預(yù)涂在紙張的兩面涂布量為7 g/m2。事實(shí)上，在短期的應(yīng)用時(shí)，研究的涂布量是8 g/m2。預(yù)涂使用100%的GCC和12%的丁苯膠乳以及0.6%的羧甲基纖維素。最上面涂布層的配方如表2所示。涂布速度為1 800 m/min，并且最后涂布的含水量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%。

表2 最上面涂布層的配方 w/%

本研究對(duì)在噴墨成形過程中單獨(dú)使用的顏料的作用進(jìn)行了研究，以便能夠詳細(xì)地說明顏料和黏合劑結(jié)合使用時(shí)的相互作用情況。在這種情況下，本實(shí)驗(yàn)采用涂布機(jī)KCL SAUKKO，使用噴墨器和刀片進(jìn)行涂布。涂層是用圖1中2個(gè)紅外干燥器進(jìn)行干燥。

圖1 KCL SAUKKO裝置圖

網(wǎng)子的運(yùn)行速度是900 m/min，在實(shí)驗(yàn)涂布中使用相同的紙樣。基于本實(shí)驗(yàn)方案，選用PVA為黏合劑，其用量為10%。該用量能夠達(dá)到商業(yè)所需求的強(qiáng)度和抗塵性能。生產(chǎn)涂層的結(jié)果圖如表3所示。

表3 涂料涂層的結(jié)構(gòu)圖解

單一涂層并沒有達(dá)到涂層涂布量為10 g/m2的目標(biāo)。同時(shí)，由于低固含量和低黏度的涂料顏色限制了涂層的厚度，因此，必須使用2次相同的涂料顏色。

使用Parker-Print Surf（壓力為20 kPa）測量與測定涂布紙的空氣滲透率。根據(jù)ISO 2471：2008標(biāo)準(zhǔn)測定不透明度，根據(jù)ISO 9416測定光散射系數(shù)。涂布紙的表面張力用IGT根據(jù)ISO 3783用中等黏度油進(jìn)行測量。染料的吸收時(shí)間用DIGAT測定。帶負(fù)電荷堿性染料的油墨使用量是8 g/m2。涂料層的表面結(jié)構(gòu)采用SEM進(jìn)行表征。

1.2 噴墨印刷表面實(shí)驗(yàn)

噴墨印刷在VX 5000e上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這種連續(xù)噴墨技術(shù)能夠產(chǎn)生噴墨液滴。油墨就是堿性染料，并且其主要的稀釋劑是水。油墨的表面張力，基于不同顏色的顏料時(shí)在一個(gè)很小的范圍內(nèi)（51～55）變化，黏度為1～2 mPa·s。打印速度是100 m/min，并且烘缸和干燥熱空氣溫度分別設(shè)置為80℃和100℃。

印刷表面的打印密度采用Gretag Macbeth D 196測量。照相機(jī)和掃描系統(tǒng)被用來分析其滲色，就流動(dòng)距離而言是從正常顏色邊界開始的。在攝像系統(tǒng)中，打印出來、用成像相機(jī)拍攝的圖片，是用來界定噴射邊界，并且構(gòu)建了一個(gè)橫向的灰度級(jí)剖面。通常的寬度邊界的測量是2個(gè)點(diǎn)（A到B）的距離。點(diǎn)A是橫表面的成像，其比暗區(qū)域亮10%，B點(diǎn)比給定背景暗10%。黑色表面灰度值為254，并且在打印之前都為未打印的紙張調(diào)整為170。正常邊緣寬度表示噴墨的距離。邊緣寬度值越小，表示噴射線越明顯。在掃描儀系統(tǒng)中，分別使用了愛普生Perfection V 700和2 400 dpi分辨率的鏡頭?；叶戎涤孟嗤霓k法用影像分析系統(tǒng)定義點(diǎn)A和點(diǎn)B，但是現(xiàn)在A比最暗區(qū)域亮15%，B點(diǎn)比背景暗15%?；叶戎涤删?xì)的攝像系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在這些方法中，光學(xué)性能不同就會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的不同。用掃描系統(tǒng)分析打印產(chǎn)品的斑點(diǎn)。印刷表面是用300 dpi分辨率的愛普生Expression 1680 Pro掃描儀進(jìn)行掃描。掃描的數(shù)值用波浪轉(zhuǎn)化（wavelet transform）來進(jìn)行處理。油墨顏色吸收通過LRWhite樹脂嵌入打印表面來分析。嵌入的樣品放在冰箱里以防止染料被弄臟，再用光學(xué)顯微鏡來進(jìn)行觀察橫剖面。

2 結(jié)果

2.1 PVA和涂料層的孔隙形成

本研究采用涂層餅材料來研究涂料層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，并最小限度地減小測定涂布餅帶來的與涂布紙測定存在的差異。用Si-oil吸收來分析涂料餅的吸收量。正如預(yù)期的那樣，用這種方法進(jìn)行測量，隨著黏合劑用量的增加，孔隙率降低。黏合劑用量為10%時(shí)，粒徑較小的MCC和PCC微粒顏料的孔隙率處于同一水平上。粒徑較大的涂料能產(chǎn)生最高的孔隙率。這也說明了微粒聚集的特征。圖2為顏料餅的吸收性能與PVA黏合劑的關(guān)系（用Si-oil吸收方法測量所得）。

當(dāng)考慮原紙的影響和涂料層用量時(shí)，涂料層的孔隙率可以用水銀柱計(jì)算獲得。涂料層累積增加的孔隙體積如圖3所示（黏合劑用量為10%時(shí)，用水銀孔隙率儀測量）。

由圖3可見，大粒徑的PCC涂層產(chǎn)生最大的孔隙體積，并且有更多的大孔隙出現(xiàn)。而GCC和小粒徑的MCC中產(chǎn)生最小的孔隙體積。

Si-oil孔隙率儀和水銀孔隙率儀測量結(jié)果有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，見圖4（黏合劑用量為10%時(shí)，用水銀孔隙率儀測量）。

圖2 顏料餅的吸收性能與PVA黏合劑的關(guān)系

圖3 累積孔隙體積分布與孔隙大小的關(guān)系

用水銀孔隙率儀在高壓下進(jìn)行分析時(shí)，其結(jié)果會(huì)有略微的不同。因?yàn)樗y流入最后階段的壓力，能夠有效地固定住作為多孔材料的任何彈性組分。聚合物，尤其是黏合劑要承受這樣的壓縮作用，結(jié)果就是在壓力增加和降低時(shí)，滲入和擠出曲線之間出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。這個(gè)彈性區(qū)域斜度的大小，是由膨脹系數(shù)決定的并與其相關(guān)，它表示了材料的可壓縮體積。涂布紙的膨脹系數(shù)是基于大粒徑PCC使用量為10%時(shí)，PVA在壓力30 600 MPa；或者是基于小粒徑PCC使用量也是10%時(shí)，PVA在壓力22 000 MPa下進(jìn)行測量。這意味著使用大粒徑PCC比使用小粒徑PCC時(shí)，紙張能夠抵制來自于涂料成分產(chǎn)生的更大壓力。這也反映了就顏料微粒聚集和孔隙大小方面的聚合物分布。細(xì)小顏料具有較大的比表面積，需要能夠?yàn)橥苛咸峁└嗑酆衔铮òǚ稚┑姆N類和數(shù)量。

圖4 Si-oil孔隙率儀和水銀孔隙率儀測量結(jié)果的關(guān)系

由粒徑較小的MCC和PCC與黏合劑所制顏料餅有非常相似的Si-oil吸收容積，如圖4所示。但是當(dāng)用水銀孔隙率儀進(jìn)行分析時(shí)，它們的孔隙率有很大的不同。由此可以推知，黏合劑趨向于消除孔隙中的通道或者是孔隙相互之間的聯(lián)系。

通常，累積水銀侵入的一階導(dǎo)數(shù)的曲線，能反映孔隙大小的分布。這一描述盡管受到相等長度的毛細(xì)纖維束的限制，但是對(duì)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還是比較有用的?？梢钥闯?，PCC涂層結(jié)構(gòu)只有在20～60 nm范圍內(nèi)存在極細(xì)的孔隙；相反的，MCC涂料層既有小孔隙又有大孔隙，表明MCC結(jié)構(gòu)有內(nèi)部微?？紫逗拖嗷ブg結(jié)合的孔隙。另外，10%的PVA用量所降低MCC涂層結(jié)構(gòu)的孔隙體積比降低PCC孔隙體積要多。MCC顏料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)峰值的突然降低，說明了PVA已經(jīng)充滿了內(nèi)部孔隙，見圖5。

2.2 不同顏料性能在液體內(nèi)部流動(dòng)的作用

用薄層色譜分析法分析流過純顏料結(jié)構(gòu)的孔隙網(wǎng)絡(luò)。液體流過多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的長時(shí)間歷程，是用表面濕強(qiáng)抵抗?jié)B透率來定義。愈大的滲透率，圍繞在滲透通道周圍就有愈多的細(xì)孔結(jié)構(gòu)，在給定時(shí)間內(nèi)流過的距離就愈長。用最多孔隙的顏料所做成的涂料，具有最長的水流動(dòng)距離。圖6顯示了在沒有使用黏合劑時(shí)，采用色譜分析在玻璃盤子上形成的薄顏料涂層中水/乙醇（50%/50%）的流動(dòng)時(shí)間。

圖5 MCC小和PCC小的累積孔隙體積和孔隙大小的分布曲線

圖6 水/乙醇（50%/50%）在薄顏料涂層中的流動(dòng)時(shí)間

大粒徑MCC和大粒徑PCC顏料，其大小和內(nèi)部顏料的孔隙數(shù)量非常相似，但是MCC有比較少的內(nèi)部微?？紫?，從而很少的大孔隙就能夠具有滲透能力，如圖6所示。GCC和小粒徑的MCC涂層有非常相似的流動(dòng)能力，其流動(dòng)距離很短是因?yàn)槿狈B透能力。然而令人奇怪的是，在小粒徑PCC顏料結(jié)構(gòu)里，液體流動(dòng)的距離比其他的顏料都長。當(dāng)看成純精細(xì)孔結(jié)構(gòu)時(shí)，這是不能發(fā)生的，但是小粒徑PCC顏料所制成的樣品結(jié)構(gòu)中有大量的裂縫，這就使在顏料層里的滲透流動(dòng)更加有效。這種影響不僅僅是一種固有的微粒聚集，而且反映了顏料層形成過程的收縮現(xiàn)象。如果顏料是用來傳送液體，那么這些裂縫是非常有用的。這個(gè)結(jié)果表明，含有較多孔隙體積比含較少孔隙的顏料在傳送液體時(shí)更有效。

2.3 紙張表面的涂層結(jié)構(gòu)

2.3.1 黏合劑的作用

黏合劑用量較高時(shí)能增加涂布紙的表面強(qiáng)度，如圖7。

圖7 用IGT測得涂布紙的表面張力

當(dāng)黏合劑用量為7%時(shí)，小粒徑PCC比大粒徑PCC具有略高的表面強(qiáng)度。這是因?yàn)閮?nèi)部結(jié)構(gòu)的滲透能力的不同決定了黏合劑的損耗水平，這適用于吸收劑底層。2 m/s的表面強(qiáng)度是以在測試短暫時(shí)間內(nèi)黏性油從涂布紙攝取的速度定義。這要足夠的高來確保涂布紙底層的黏合以及防止噴墨過程中的吸塵。

這項(xiàng)研究的目的是為了闡明PVA作為黏合劑在涂層和孔隙結(jié)構(gòu)的形成過程中的控制作用，以及它是如何影響高速噴墨圖像的形成的。結(jié)果表明，顏料的類型和黏合劑的用量對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的形成有重要作用。研究中，PVA能夠轉(zhuǎn)移到顏料毛孔內(nèi)，而且PVA的膨脹能堵塞直徑大約是30 nm的毛孔，但是這取決于黏合劑的用量。整張紙的光學(xué)性能，不只是涂層，最重要的是相關(guān)打印密度。但是，當(dāng)考慮到油墨滲透時(shí)涂層本身的性質(zhì)起主導(dǎo)作用。

圖8表明了孔隙直徑在0～0.1 μm范圍內(nèi)，黏合劑用量對(duì)30～50 nm的孔隙體積減少的影響。

黏合劑用量對(duì)30～50 nm的孔隙體積減少影響的主要原因是由于毛細(xì)管力驅(qū)動(dòng)的吸附。

用DIGAT設(shè)備觀測到，進(jìn)入放在玻璃上的薄涂層的吸附速度隨著黏合劑用量的增加而變慢，見圖9（在不同CaCO3顏料研究中，根據(jù)表面強(qiáng)度與油墨吸附速度所選擇的PVA的用量是10%，青色染料的涂層為8 g/m2）。

圖8 黏合劑用量對(duì)30～50 nm的孔隙體積減少的影響

圖9 黏合劑用量對(duì)吸附時(shí)間的影響

在PCC粒徑較大的情況下，黏合劑的用量對(duì)打印密度的作用非常微小，見圖10。

但是，當(dāng)黏合劑的用量為7%時(shí)，顏料由大粒徑PCC變?yōu)樾×絇CC，能顯著增加打印密度。因此，在這樣的黏合劑水平和這樣短的吸附時(shí)間內(nèi)，黏合劑的膨脹不能堵塞較大的孔隙。較大粒徑PCC的結(jié)構(gòu)決定了這種情況下著色劑的運(yùn)送和傳遞。

較高的黏合劑用量造成了滲透量的顯著增加。分別含有12%和30%PVA的涂料產(chǎn)生最寬的滲透距離（圖10）。有趣的是，滲透并沒有隨著黏合劑量的增加而無限地增加，但是不平穩(wěn)，說明孔隙體積的損失很可能受PVA膨脹本性的抵抗，即一旦有足夠的PVA就會(huì)有吸附和保水的能力。其他的解釋可從油墨量出發(fā)。在印刷中油墨量可以降低至只有220 ms的吸附時(shí)間，這個(gè)時(shí)間對(duì)于防止?jié)B透也是足夠短的。時(shí)間延誤的作用將在后面討論。

2.3.2 色素的作用

圖10 在PCC表面的基于染料的油墨的印刷密度與深色距離關(guān)于PVA用量的函數(shù)

圖11顯示了涂料中PVA用量為10%、由5種不同顏料生產(chǎn)的涂布紙時(shí)，水銀侵入后的累積孔隙體積（涂料已經(jīng)部分滲入到原紙結(jié)構(gòu)內(nèi)部）。

圖11 進(jìn)入涂布紙孔隙中水銀的累積量

在1～10 μm范圍內(nèi)，所有的涂布紙都具有比涂布原紙更低的孔隙體積。

圖12顯示了涂料中PVA用量為10%時(shí)，所研究的涂料孔隙尺寸分布曲線（原紙的值已經(jīng)從結(jié)果中除去）。

一般來說，紙中涂料的孔隙尺寸分布反映了涂層的主要特性和薄層的色譜特性。大粒徑MCC、大粒徑PCC和小粒徑PCC涂料都具有較小的孔隙，直徑在20～40 nm之間。而GCC和小粒徑MCC中含有的小孔隙就比較少。含有2個(gè)大的直徑為2.7 μm的顏料粒子的涂料（如大粒徑MCC和大粒徑PCC）有同樣數(shù)量的比較小的孔隙。GCC涂料主要含有直徑為0.1～0.3 μm的孔隙，而大粒徑PCC則有最大直徑的孔隙，即1.0～1.3 μm。大粒徑MCC和大粒徑PCC都既有小孔隙也有大孔隙。小粒徑的PCC涂料只有小尺寸的孔隙。

涂布紙對(duì)大粒徑PCC顏料的吸附速度最快，大粒徑MCC、大粒徑PCC和小粒徑PCC等3種顏料的吸附速度都較快。吸附最慢的是GCC，見圖13（青色染料的涂層為8 g/m2）。

這些數(shù)據(jù)很好地反映了毛細(xì)管引力和滲透性的相對(duì)要求。毛細(xì)管吸引力是由超細(xì)的孔隙和由涂料的滲透引起的液體轉(zhuǎn)移所提供的。

圖13 氣體滲透率對(duì)于吸附速度的影響

紙中涂層結(jié)構(gòu)打印密度最高值來自于小粒徑PCC，最低值來自大粒徑MCC；同時(shí)，大粒徑 MCC和大粒徑PCC涂料具有最低的滲透值，見圖14。

圖14 涂布顏料類型對(duì)于染料的打印密度和滲色（距離由攝像系統(tǒng)測得）的影響

3 討論

3.1 PVA膨脹的影響

基于水銀多孔性結(jié)果，假定PVA黏合劑能夠進(jìn)入或者越過連接孔，并且可以存在于較大的粒子孔隙之間，這正如前人研究中所假定的那樣。只要孔隙度的水平足夠高，任何黏合劑和油墨液相的相互作用都變得相當(dāng)重要，不但是孔隙體積的結(jié)構(gòu)改性而且液體通過聚合物網(wǎng)絡(luò)的稀釋都影響著PVA的膨脹。

實(shí)驗(yàn)對(duì)黏合劑膨脹對(duì)于孔隙作用進(jìn)行了理論計(jì)算。首先，假定黏合劑在孔壁上形成均勻?qū)?，并且層的厚度取決于顏料的比表面積（比表面積越低，黏合劑層越厚）。同時(shí)簡化了孔隙的幾何結(jié)構(gòu)，黏合劑在相當(dāng)于毛細(xì)管的圓形內(nèi)表面形成均勻?qū)?。這樣，可以計(jì)算黏合劑膨脹過程中孔隙入口面積的變化。

PVA是親水性黏合劑。圖15顯示了隨著時(shí)間的增加PVA膜吸水而不吸收非極性正己烷的情況。

圖15 PVA的吸附量對(duì)時(shí)間的函數(shù)

由圖15可見，當(dāng)暴露在青色染料型油墨中5 s后，PVA膜有29.2%發(fā)生膨脹，這個(gè)值將在下面的計(jì)算中用到。

當(dāng)涂布量是1 g，PVA的相對(duì)密度是1.26 g/cm3，5 s之后PVA膜膨脹了29.2%（青色染料，顏料的比表面積是10 m2/g），其計(jì)算結(jié)果如圖16所示。

在圖16中，孔隙體積和黏合劑的用量分別表示水銀多孔性和涂料配方。左邊的第1條線是，當(dāng)只有顏料時(shí)所形成涂層結(jié)構(gòu)的孔隙面積。向涂料中添加10%的黏合劑導(dǎo)致孔隙直徑減小，這是由于PVA層的吸收作用。當(dāng)黏合劑有29.2%膨脹時(shí)孔隙直徑的關(guān)閉長度增加至24 nm。這可能導(dǎo)致孔隙的完全堵塞，但一般會(huì)減小孔隙的尺寸，而且當(dāng)黏合劑被集中在孔節(jié)點(diǎn)處時(shí)，結(jié)構(gòu)上就少了連接點(diǎn)。黏合劑的用量越多，黏合劑膜越厚，當(dāng)然膨脹也會(huì)增加。膨脹增加的同時(shí)也會(huì)影響內(nèi)部粒子的孔隙。這意味這些孔隙發(fā)揮作用，主要是依靠黏合劑膨脹所帶來的單純有效的液體吸收。

圖16 PVA膨脹作用的理論計(jì)算

所以理論上，黏合劑的膨脹能夠通過關(guān)閉較小孔隙來影響噴墨的吸收速度。表4顯示了在噴墨打印機(jī)中時(shí)間延誤的程度。

表4 在噴墨打印機(jī)中時(shí)間延誤的程度 s

在速度為100 m/min時(shí)，第1個(gè)噴嘴和開始干燥之間的延遲是2.6 s，離最后的干燥時(shí)間是3.8 s。這主要是因?yàn)榭紤]到黏合劑膨脹的5 s是在同一個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)。當(dāng)液體只有較短的時(shí)間來影響?zhàn)ず蟿r(shí)，其膨脹的作用會(huì)達(dá)到最小，因此可以假設(shè)在較高印刷速度下膨脹的作用較小，但并不會(huì)完全消失。因此，即使在高速下，在噴墨印刷過程中也會(huì)發(fā)生向聚合物網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散的現(xiàn)象。

PVA如何與不同類型的碳酸鈣產(chǎn)生協(xié)同作用？

從光學(xué)的觀點(diǎn)來講，由于小粒徑PCC顏料粒子太精細(xì)，以至于不能有效地產(chǎn)生光散射，在這個(gè)意義上來講，顏料是光學(xué)不活潑的，見圖17（PVA用量為10%）。

圖17 玻璃板上涂層的不透明度

根據(jù)kubelka-munk理論，直徑在光的波長（0.1～1 μm）順序內(nèi)的粒子能嚴(yán)重影響光散射。小粒徑PCC涂層的不透明度和光散射系數(shù)仍然很小（因?yàn)轭伭系某叽绾苄?，僅20～30 nm）。這個(gè)結(jié)果與以前的研究結(jié)果一致。在玻璃板上其他顏料有非常相似的不透明度。

整張紙的光學(xué)性質(zhì)控制打印密度的形成。小粒徑PCC有光學(xué)惰性，然而其他顏料強(qiáng)烈影響光的散射和打印密度的水平，見圖18（相關(guān)系數(shù)：黑色-0.943，青色 -0.950）。

圖18 光散射系數(shù)對(duì)打印密度的影響

整張紙的孔隙體積和打印密度之間的相關(guān)系數(shù)在-0.904～-0.949范圍內(nèi)，而單獨(dú)涂層的孔隙體積和打印密度之間的相關(guān)系數(shù)只是-0.050～-0.217。因此，整張紙的結(jié)構(gòu)也影響打印密度，而不只是涂層。這當(dāng)然依靠原紙的性質(zhì)，但是如果有光干擾會(huì)影響背景光而使打印密度降低，特別是基于染料油墨的滲透。

如果考慮在許多新的高速噴墨設(shè)備中用到的基于顏料的油墨的情況，較細(xì)的油墨粒子之間會(huì)選擇性地排除油墨顏料，通過這種方式著色劑會(huì)被集中在粒子之間的滲水結(jié)構(gòu)，如粒子孔隙內(nèi)。因此，依靠目前的PVA量，無論是填滿孔隙之間還是孔隙之內(nèi)，都可以預(yù)測到一個(gè)較大的油墨顏料向原紙底層的轉(zhuǎn)移，或者較好地抵抗油墨顏料，如達(dá)到好的抵抗油墨顏料，滲透性就會(huì)降低。在較為封閉的情況下，油墨顏料會(huì)形成濾餅，而這會(huì)導(dǎo)致滲透性的降低。因此，整張紙結(jié)構(gòu)的性質(zhì)對(duì)于決定打印密度大小的作用取決于滲透水平。

在這些試驗(yàn)中，特種涂料應(yīng)用于預(yù)涂布的紙，著色劑在涂層內(nèi)而不向原紙內(nèi)部滲透，見圖19。

圖19 基于染料的油墨印刷表面的橫截面

但是，包括大粒徑MCC在內(nèi)的著色劑在涂層內(nèi)的分布相對(duì)來說是比較均勻的，大粒徑MCC顏料的陽離子性質(zhì)決定了其固定著色劑的方式與陰離子與涂布所用的GCC有明顯的不同。這說明：（1）用來固定著色劑表面積是不夠的；（2）油墨沒有達(dá)到顏料所需要的陽離子性質(zhì)；（3）由于涂層滲水而不能為著色劑提供表面接觸。較細(xì)的顏料有輕微的檢出濃度梯度，這反映了減少的內(nèi)部孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的滲透性。

圖20顯示了橫截面吸收了青色墨水的PVA所形成的膜（在30 s的時(shí)間內(nèi)約有20 μm厚的膜沉積到青色油墨上）。

圖20 基于青色染料的油墨進(jìn)入PVA膜的橫截面

圖20表明，30 s的吸附時(shí)間之后油墨的著色劑能滲入黏合劑膜內(nèi)，但不完全。因此，著色劑可以和水一起擴(kuò)散到PVA層內(nèi)。這個(gè)結(jié)果與前人研究的情況一致。在涂層結(jié)構(gòu)中，著色劑的分布非常均勻，這說明PVA覆蓋了顏料和著色劑。因此，當(dāng)PVA用作黏合劑時(shí)，顏料的類型與電荷密度的大小對(duì)著色劑的位置基本沒有影響。

但是，實(shí)驗(yàn)觀察到油墨的滲透距離取決于涂層的孔隙體積而不是整張紙的孔隙體積。這就證實(shí)了這種涂層構(gòu)造油墨不向原紙內(nèi)轉(zhuǎn)移。表5說明涂層的多孔性結(jié)構(gòu)易于滲透。

表5 滲色距離和孔隙結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系

另外，表面能的增加也會(huì)減少滲透距離。如果對(duì)基于染料的油墨和基于顏料的油墨，2種油墨的滲透結(jié)果進(jìn)行比較，基于顏料的油墨的滲透距離較小，因?yàn)闉V餅的形成阻止了其橫向轉(zhuǎn)移。但是，必須想到的一點(diǎn)是，涂層的滲透特性與原紙結(jié)構(gòu)的相互影響。

含有較大孔隙的大粒徑MCC和大粒徑PCC涂料有相似數(shù)量和尺寸的精細(xì)孔隙。但是在雙峰分布的大尺寸面積（粒子間的孔隙）中，大粒徑PCC有大約直徑是1.2 μm的孔隙，而大粒徑MCC粒子間的孔隙較小，只有0.8 μm。PCC較大的孔隙有利于油墨較快地滲入涂層結(jié)構(gòu)中，因此很少發(fā)生滲色現(xiàn)象。另外，黏合劑的膨脹對(duì)MCC顏料涂層的影響比對(duì)PCC的影響更大。因?yàn)镸CC顏料的比表面積較小，所以MCC涂層中黏合劑層的厚度較大。

圖21顯示了所研究的涂層表面的滲色情況（滲色由高分辨率的照相機(jī)測得）。

圖21 所研究的涂層表面的滲色情況

PVA的膨脹現(xiàn)象相對(duì)于其他類型的顏料，有較少的超小孔隙，對(duì)GCC和小粒徑MCC的涂料有強(qiáng)烈影響。由于小粒徑MCC確實(shí)有一些比GCC較小的孔隙，所以膨脹會(huì)影響這些孔隙而使它們失效，但滲色值確實(shí)很相似。

對(duì)小粒徑MCC和小粒徑PCC涂料進(jìn)行比較，其多孔性很相似，但小粒徑PCC有較多很小的孔隙。小粒徑MCC涂層吸收油墨的速度明顯比小粒徑PCC慢。在油墨吸附過程中黏合劑的膨脹會(huì)堵塞孔隙。在中等孔隙度區(qū)域，有較小孔隙的涂層不易發(fā)生滲色。這說明滲色作用可以根據(jù)表面速度進(jìn)行定義。

網(wǎng)部干燥會(huì)加速噴墨干燥過程，并且影響油墨滲透的程度。但是，目前流行烘干機(jī)的一個(gè)較為重要的方面，也就是當(dāng)熱軋印刷紙沒有裂口和暴露在新的環(huán)境系下時(shí)網(wǎng)部的行為，即以后的烘干效果。當(dāng)剝離印刷輥之后紙的印刷質(zhì)量應(yīng)該仍然很高。此外，如果在進(jìn)入復(fù)卷之前油墨沒有充分干燥，油墨就會(huì)轉(zhuǎn)移到紙頁背部，透印問題就會(huì)變得非常明顯。

3.2 黏合劑用量的影響

通過改變PVA的用量，研究了大粒徑PCC和小粒徑PCC顏料。所有的打印密度結(jié)果彼此非常接近，氣體滲透率是PVA用量的函數(shù)，見圖22。

圖22 打印密度與氣體滲透率之間的關(guān)系

圖23顯示了印刷紙的橫截面（不同含量PVA的涂料，并且PVA和青色染料一起使用）。

圖23 不同含量PVA的涂料的印刷紙橫截面圖像

在PVA用量為7%條件下，油墨在涂層內(nèi)分布而且涂料并沒有向原紙內(nèi)滲透。當(dāng)涂層中PVA用量為30%時(shí)，有較多的著色劑集中在涂層的頂層。但是，著色劑能進(jìn)入原紙是由于涂層的裂縫，這在減小打印密度同時(shí)會(huì)增加小范圍內(nèi)的斑點(diǎn)值，見圖24。

圖24 青色油墨印刷表面的斑點(diǎn)

所有紙的光散射結(jié)果彼此非常接近。因此，由此得出了不同的顏料有不同的光散射性質(zhì)，在這一點(diǎn)上整張紙的性質(zhì)是顯性的。

需要再次說明的是，滲色距離是由精細(xì)孔隙涂層特性決定的。因此，毋庸置疑的是，當(dāng)涂層中黏合劑的含量最低時(shí)其滲色距離最小，較高的黏合劑用量會(huì)增加滲色，見圖25（滲色距離由掃描儀系統(tǒng)測量，吸附時(shí)間由DIGAT測量，8 g/m2青色染料）。

圖25 滲色距離與吸附時(shí)間成反比

圖26顯示了PVA用量對(duì)氣體滲透率的影響（青色染料的涂層為8 g/m2）。

由圖26可見，當(dāng)黏合劑用量從7%增加至12%時(shí)，其吸附時(shí)間逐漸增加。但是，當(dāng)黏合劑的用量分別為30%和12%時(shí)，其吸附時(shí)間卻是相同的。這些結(jié)果同前人的研究結(jié)果相似。當(dāng)黏合劑用量較低時(shí)，油墨主要依靠毛細(xì)管力進(jìn)入涂層。當(dāng)黏合劑的量為30%時(shí)，較小的毛細(xì)管已經(jīng)被堵塞，主要的液體轉(zhuǎn)移機(jī)制是靠黏合劑層的擴(kuò)散。但是，一旦PVA的用量達(dá)到一定的界限值，對(duì)于每種具體的顏料，擴(kuò)散將占主導(dǎo)地位并且有一個(gè)恒定的吸附速度。涂料中黏合劑膨脹的界限值應(yīng)該是12%。

圖26 PVA用量對(duì)氣體滲透率的影響

另一方面，關(guān)于PVA用量為30%時(shí)產(chǎn)生的涂層，其主要問題是涂層的分布。圖27的SEM圖像顯示了含有30%PVA的涂層分布是不均勻的，并且黏合劑已經(jīng)結(jié)塊，類似于膜一樣的層。結(jié)果分析可見，在其膜層內(nèi)洞的分布清晰可見。

圖27 含有30%PVA的大粒徑PCC顏料涂層的掃描電鏡圖

雖然，增加PVA的用量能堵塞涂層結(jié)構(gòu)，但是在較高的PVA含量情況下，與可溶性黏合劑形成的收縮能導(dǎo)致不均勻的涂層結(jié)構(gòu)，而這一點(diǎn)會(huì)反映在印刷紙的質(zhì)量惡化上。

4 結(jié)論

決定液體油墨滲入多孔性噴墨涂層結(jié)構(gòu)中的主要控制參數(shù)是毛細(xì)管力和滲透性，它們分別與較小孔隙，以及較大的相互關(guān)聯(lián)的孔隙有關(guān)。即使是在中等的多孔涂層結(jié)構(gòu)中，也能實(shí)現(xiàn)油墨的較快吸收，這是因?yàn)橥繉又杏性S多納米尺寸的孔隙。

PVA在涂料中的作用是綜合的，不僅表現(xiàn)在與孔隙結(jié)構(gòu)的改性有關(guān)，而且影響通過擴(kuò)散而引起的液體吸收。在擴(kuò)散過程中PVA會(huì)發(fā)生膨脹。雖然由PVA的膨脹引起的液體吸收的體積在較低用量的黏合劑水平下比較小，但它卻控制著油墨與顏料表面的相互作用，隨著黏合劑用量的增加使得較小孔隙的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。以染料油墨為主的著色劑在涂層結(jié)構(gòu)中的分布似乎更加均勻，這是因?yàn)镻VA覆蓋了顏料的表面，同時(shí)掩蔽了顏料表面的陽離子電荷。染料隨著水性液體進(jìn)入PVA的表面層。即使在高的印刷速度下也能發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散過程對(duì)印刷效果的影響，雖然干燥時(shí)間越短，所包含的液體體積越小。膨脹的黏合劑容易進(jìn)入多孔顏料的內(nèi)部孔隙。

涂層通過油墨的吸附速度和體積容量與印刷質(zhì)量相互聯(lián)系在一起。在涂層表面油墨的吸附越慢，意味著著色劑有更多的時(shí)間混合在一起，以及滲色問題更明顯。涂層的表面能量也會(huì)影響著色劑的行為。

整張涂布紙的光學(xué)性質(zhì)決定了實(shí)際的打印密度。這是因?yàn)閲娔繉宇伭系墓馍⑸錆摿^低，所以原紙與涂層的光學(xué)活性會(huì)呈現(xiàn)明顯的對(duì)比。

（天之驕子 編譯）