熱升華轉(zhuǎn)印紙涂層干燥及打印油墨干燥速率研究

童樹(shù)華　李雙曉　孟　育

(浙江金昌特種紙股份有限公司,浙江龍游,324400)

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熱升華轉(zhuǎn)印紙涂層干燥及打印油墨干燥速率研究

童樹(shù)華李雙曉孟育

(浙江金昌特種紙股份有限公司,浙江龍游,324400)

摘要：熱升華轉(zhuǎn)印紙承載熱升華轉(zhuǎn)印油墨印刷的文字或圖案,并在受熱、加壓的條件下將文字或圖案轉(zhuǎn)移到承載物上。轉(zhuǎn)印紙均勻、高品質(zhì)的涂層表面是獲得良好轉(zhuǎn)印效果的基礎(chǔ)。本文研究了影響熱升華轉(zhuǎn)印紙涂層及打印油墨干燥速率和轉(zhuǎn)印效果的因素。結(jié)果表明,揮發(fā)性兩性溶劑的加入可提高涂布紙涂層的干燥速率,自制高陽(yáng)離子度聚合物和大孔容SiO2氣凝膠的加入能大大縮短打印后熱升華油墨的干燥時(shí)間,并獲得較好的轉(zhuǎn)印效果。

關(guān)鍵詞：熱升華轉(zhuǎn)印紙；涂層；干燥；油墨

熱升華轉(zhuǎn)印技術(shù)是利用噴墨打印機(jī)或激光打印機(jī)將熱升華轉(zhuǎn)印油墨以文字或圖案的形式打印于熱升華轉(zhuǎn)印紙上,再用熱轉(zhuǎn)印機(jī)在一定的溫度和壓力下將圖案轉(zhuǎn)移到承載物體的過(guò)程[1-2]。通常根據(jù)不同花紋、圖案的要求,利用彩色打印機(jī)自動(dòng)配色系統(tǒng)將調(diào)配好的熱升華轉(zhuǎn)印油墨打印于涂布后的熱升華轉(zhuǎn)印紙上,待油墨干燥后,再將待印染織物和熱升華轉(zhuǎn)印紙緊密貼合在一起放入熱轉(zhuǎn)印機(jī)中,于200～240℃溫度下壓合20～30 s,即可獲得良好的轉(zhuǎn)印效果[3- 4]。熱升華轉(zhuǎn)印技術(shù)操作簡(jiǎn)單,適用范圍廣,同時(shí)又能滿足多樣化、個(gè)性化要求,因而發(fā)展迅速,已廣泛應(yīng)用到服飾、箱包、瓷器、電子產(chǎn)品等商品上[5]。

然而,由于不同色彩油墨的差異以及印刷效果和熱轉(zhuǎn)移率的不同,往往導(dǎo)致終端產(chǎn)品圖案或花紋存在色差、失真等問(wèn)題。本文研究了影響熱升華轉(zhuǎn)印效果的因素及其相應(yīng)的解決方法。

1實(shí)驗(yàn)

1.1原料

羧甲基纖維素鈉(CMC)：超低黏度、高取代度CMC，取代度1.0～1.1，相對(duì)分子質(zhì)量2.5萬(wàn)～28萬(wàn)，BT-1，杭州奧通化工有限公司生產(chǎn);低黏度、低取代度CMC，取代度0.5～0.6，相對(duì)分子質(zhì)量3.5萬(wàn)～3.7萬(wàn)，NX-30，江陰市恒達(dá)化工有限公司生產(chǎn);高黏度、高取代度CMC，取代度0.9～1.0，相對(duì)分子質(zhì)量5.2萬(wàn)～5.5萬(wàn)，X-100，向陽(yáng)纖維素有限公司生產(chǎn)。

熱升華轉(zhuǎn)印紙?jiān)垼赫憬鸩胤N紙股份有限公司生產(chǎn),定量95 g/m2,厚度0.100～0.110 mm,縱向抗張強(qiáng)度4.0～4.5 kN/m,Cobb值20～25 g/m2。

自制高陽(yáng)離子度聚合物：將杭州銀湖化工有限公司生產(chǎn)的酰胺類單體A和季銨鹽類單體B，按照一定的摩爾比在一定條件下制備高陽(yáng)離子度聚合物[6]。采用自制高陽(yáng)離子度聚合物作為熱升華轉(zhuǎn)印紙涂料添加劑,通過(guò)高密度的陽(yáng)離子電荷吸附陰離子型熱升華轉(zhuǎn)印油墨,從而加快打印后油墨的干燥速率。

大孔容SiO2氣凝膠,TYZ-500E型，山西天一納米材料科技有限公司生產(chǎn),孔容積1.8 mL/g、比表面積500 m2/kg、吸油值320 g/100 g。因其表面羥基含量較高,且這些密集的微孔網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的吸附能力,因此能夠大幅度地提高油墨干燥速率和圖片打印質(zhì)量[7]。

其他助劑：為了提高涂布后紙張涂層的干燥速率,在配置涂料時(shí)選用一種具有一定揮發(fā)速率和反應(yīng)適性的兩性溶劑(美國(guó)陶氏DOW)部分取代溶劑水,從而提高涂布車(chē)速。單面涂布后,紙張翹曲比較厲害,通過(guò)添加聚醚類有機(jī)物改善紙張的翹曲變形。其中,兩性溶劑的結(jié)構(gòu)通式為R—OCH2CH2OH。

實(shí)驗(yàn)所用油墨為黑色熱升華轉(zhuǎn)印專用油墨。

1.2儀器及設(shè)備

Epson Stylus Photo R230彩色打印機(jī),NDJ-1旋轉(zhuǎn)黏度計(jì),RD-310A反射密度儀,熱升華轉(zhuǎn)印機(jī)等。

1.3實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)的基本流程包括配料、涂布、烘干、印刷、轉(zhuǎn)印,其中熱升華轉(zhuǎn)印的基本原理如圖1所示。

圖1　熱升華轉(zhuǎn)移技術(shù)原理圖

加熱頭提供熱量,通過(guò)加熱層將熱量傳導(dǎo)于顏料涂層,當(dāng)涂層溫度升高到油墨中顏料或染料組分的升華點(diǎn)時(shí),熱升華轉(zhuǎn)印油墨逐漸脫離涂層的束縛轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的織物上。本實(shí)驗(yàn)以熱升華轉(zhuǎn)印紙?jiān)垶檩d體,原紙表面涂布一層涂料,再利用彩色噴墨打印機(jī)將圖案打印于紙張表面,待油墨干燥后將紙張平整地放于熱轉(zhuǎn)印機(jī)內(nèi),將織物放于熱轉(zhuǎn)印紙下方,于220～240℃溫度下壓合30 s,即可實(shí)現(xiàn)圖案向織物的良好轉(zhuǎn)移。

2結(jié)果與討論

2.1CMC類型對(duì)涂層干燥時(shí)間的影響

CMC是熱升華轉(zhuǎn)印紙涂料的主要成分之一。由于CMC溶于水后具有一定的黏度和膨脹性,涂布后具有一定的成膜性,因此涂布時(shí)CMC能夠以涂層的形式停留在紙張表面。此外,由于CMC涂層濕潤(rùn)后溶脹率較大,而這種溶脹既有利于熱升華油墨被涂層表面吸收,又可阻止油墨向紙張纖維內(nèi)滲透,所以能有效地提高熱升華轉(zhuǎn)印油墨的轉(zhuǎn)印率。通常情況下,CMC的相對(duì)分子質(zhì)量越大,溶于水后的黏度越高,分子內(nèi)官能團(tuán)與水分子作用力越強(qiáng),從而保水值越高[8]。而高相對(duì)分子質(zhì)量的CMC用作涂料時(shí),往往會(huì)因?yàn)橥苛橡ざ冗^(guò)大造成涂層的流變性惡化、涂層覆蓋率降低以及涂布均勻性變差等問(wèn)題。為了避免產(chǎn)生上述問(wèn)題,通常采用降低涂料濃度的辦法控制黏度,但這樣會(huì)延長(zhǎng)紙張干燥時(shí)間,影響生產(chǎn)效率。不同類型CMC的黏度隨濃度的變化趨勢(shì)如表1所示。

表1　不同類型CMC的黏度變化

由表1可見(jiàn),高黏度、高取代度的CMC在濃度較低的情況下黏度已經(jīng)很高,通過(guò)提高固含量來(lái)減小涂料中整體水分含量的方法難以實(shí)施。然而,超低黏度、高取代度的改性CMC[9-10],濃度20%時(shí)黏度只有500 mPa·s,涂料具有較好的流動(dòng)性和覆蓋率,轉(zhuǎn)印效果也比較理想。

低黏度、高取代度CMC不但可以提高涂料的固含量,還可有效地防止墨水滲透。從基材電性角度分析：CMC屬于陰離子型聚合物,高取代度意味著羧甲基化程度高,電荷密度高。木漿纖維的多糖尾酸中往往含有羧基、磺酸基,故纖維表面帶負(fù)電[11]。由于電性相同,涂布后涂料能夠停留在紙張表面而不是滲透到紙張纖維內(nèi)部,有利于后續(xù)工段的熱升華轉(zhuǎn)印。同理,熱升華轉(zhuǎn)印墨水也是陰離子型。故選用超低黏度、高取代度的CMC為涂料的主要成膜物質(zhì),既能提高涂料的使用濃度,以利于提高生產(chǎn)效率,又能通過(guò)較大的靜電排斥作用防止油墨滲入紙張纖維內(nèi)部,以利于提高轉(zhuǎn)印率。

2.2揮發(fā)性兩性溶劑對(duì)涂層干燥時(shí)間的影響

雖然通過(guò)提高涂料固含量的方法可以有效地提高涂層干燥速率,但由于CMC的強(qiáng)極性,溶于水后與水分子形成氫鍵,結(jié)合牢度較強(qiáng),不利于紙張?jiān)诤娴乐械膹氐赘稍镆约败?chē)速的提高[12]。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)添加一種揮發(fā)性兩性溶劑部分取代水作為溶劑,一方面其密度略小于水,在相同的涂料濃度下可以降低系統(tǒng)黏度；另一方面,因其具有一定的揮發(fā)性,在干燥過(guò)程中可以結(jié)合一定量的水分子脫離涂料束縛而提高紙張干燥速率。

圖2所示為在相同涂布量下,手工涂布熱升華轉(zhuǎn)印紙于105℃烘箱中涂層的干燥時(shí)間隨兩性溶劑用量的變化情況。由圖2可以看出，涂層干燥時(shí)間隨兩性溶劑用量的增大而減小,當(dāng)兩性溶劑用量從5%增加到10%時(shí),涂層干燥時(shí)間由89 s降低至60 s,降低了32.6%；當(dāng)兩性溶劑用量從10%增加到15%時(shí),涂層干燥時(shí)間由60 s降低為48 s,僅降低了20%。

圖2　兩性溶劑用量對(duì)涂層干燥時(shí)間的影響

兩性溶劑部分取代溶劑水,雖然可以提高涂層干燥速率,但隨著兩性溶劑用量的加大,成本也會(huì)隨之提高。因此綜合生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本等諸多因素考慮,兩性溶劑的用量為10%效果最佳。

2.3高陽(yáng)離子度聚合物對(duì)油墨干燥時(shí)間的影響

通過(guò)選用超低黏度、高取代度的CMC,配合揮發(fā)性兩性溶劑部分取代溶劑水可以達(dá)到較快的干燥效果,預(yù)計(jì)車(chē)速可由原來(lái)的20 m/min提高到40 m/min。涂布后熱升華轉(zhuǎn)印紙印刷時(shí)油墨的干燥速率以及印刷后紙張圖案向織物轉(zhuǎn)移率是決定涂布質(zhì)量和轉(zhuǎn)印紙價(jià)格的兩個(gè)重要因素。

由于涂層帶負(fù)電,印刷時(shí)陰離子型的熱升華轉(zhuǎn)印油墨受到CMC涂膜的阻擋,以停留在涂層為主,這也是后續(xù)良好的熱升華轉(zhuǎn)印效果的基礎(chǔ)。然而,由于油墨與涂層的電荷極性相同,所以油墨滲入涂層的速率比較慢。換句話說(shuō),印刷后,油墨的干燥以油墨溶劑的揮發(fā)和滲入紙張涂層兩種方式為主。在揮發(fā)速率一定的前提下,油墨滲入涂層的速率快慢直接決定印刷的干燥速率,顯然,陰離子型CMC作為涂層,其靜電排斥作用并不利于油墨的干燥。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，通過(guò)添加自制高陽(yáng)離子度聚合物對(duì)涂層的表面電荷進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以及利用大孔容SiO2氣凝膠的高吸附性,可以大幅度提高熱升華轉(zhuǎn)印油墨的干燥速率。

2.3.1高陽(yáng)離子度聚合物的制備工藝

單體A均聚物具有良好的成膜性,單體B均聚物具有較高的陽(yáng)離子度,單體A和單體B按照7∶3的摩爾比制備的高陽(yáng)離子度聚合物用于熱升華轉(zhuǎn)印紙,可以明顯提高印刷后油墨的干燥速率,其具體制備工藝如圖3所示。

圖3　高陽(yáng)離子度聚合物的制備流程圖

按照以上工藝制備的高陽(yáng)離子度聚合物具有較低的單體殘留率,較高的陽(yáng)離子電荷密度,良好的流動(dòng)性和存放穩(wěn)定性。

2.3.2大孔容SiO2氣凝膠、高陽(yáng)離子度聚合物對(duì)油墨干燥時(shí)間的影響

圖4為大孔容SiO2氣凝膠用量對(duì)油墨干燥時(shí)間的影響。從圖4可以看出,加入大孔容SiO2氣凝膠能夠明顯提高油墨的干燥速率,隨著其用量(相對(duì)于CMC粉劑)的不斷增大,油墨的干燥速率逐漸提高。這是由于大孔容SiO2氣凝膠表面羥基及其自身大孔容對(duì)熱升華油墨的吸附和容納能力都要高于高分子材料。但隨著大孔容SiO2氣凝膠用量的增大(大于3%后),轉(zhuǎn)印時(shí)逐漸出現(xiàn)洇墨的現(xiàn)象,宏觀表現(xiàn)為熱轉(zhuǎn)印紙涂層面轉(zhuǎn)印后出現(xiàn)隨機(jī)分布的小墨斑點(diǎn),這可能是SiO2對(duì)油墨的束縛力大于熱轉(zhuǎn)印時(shí)油墨受熱升華的逃逸力所致。故綜合考慮油墨干燥時(shí)間、轉(zhuǎn)印效果及生產(chǎn)成本等因素,大孔容SiO2氣凝膠的用量為2%～3%最恰當(dāng)。

圖4　大孔容SiO2氣凝膠用量對(duì)油墨干燥速率的影響

當(dāng)大孔容SiO2氣凝膠用量為2%時(shí),高陽(yáng)離子度聚合物的用量對(duì)油墨干燥時(shí)間的影響見(jiàn)圖5。

圖5　高陽(yáng)離子度聚合物用量對(duì)油墨干燥速率的影響

高陽(yáng)離子度聚合物的加入之所以能夠提高油墨的干燥速率,主要是對(duì)油墨異性電荷的吸附作用。然而,隨著加入比例的增大,轉(zhuǎn)印效果會(huì)明顯變差,這可能是由于高陽(yáng)離子度聚合物傾向于向紙張纖維內(nèi)部擴(kuò)散所致。綜合考慮,大孔容SiO2氣凝膠的用量為2%時(shí),高陽(yáng)離子度聚合物的用量為10%最合適。

需要注意的是,陽(yáng)離子聚合物必須能在高溫(低于油墨升華溫度)下降解,否則不利于熱轉(zhuǎn)印油墨升華,轉(zhuǎn)移率將大幅度降低。

2.4不同紙樣熱轉(zhuǎn)印效果對(duì)比

目前,熱升華轉(zhuǎn)移印花紙已經(jīng)具有廣闊的市場(chǎng),江蘇某紙品有限公司生產(chǎn)的熱升華轉(zhuǎn)印紙?jiān)趪?guó)內(nèi)一直處于領(lǐng)先地位,還有部分需要從美國(guó)進(jìn)口。本實(shí)驗(yàn)以滌綸布為載體,對(duì)比黑色油墨打印在不同廠家生產(chǎn)的熱升華轉(zhuǎn)印紙上繼而轉(zhuǎn)印到滌綸布的熱轉(zhuǎn)移效果。

江蘇某廠生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)熱升華轉(zhuǎn)印紙(國(guó)產(chǎn)紙樣)、美國(guó)進(jìn)口熱升華轉(zhuǎn)印紙(進(jìn)口紙樣)、金澤紙品熱升華轉(zhuǎn)印紙(金澤紙樣)和改進(jìn)后熱升華轉(zhuǎn)印紙(即本實(shí)驗(yàn)研究的紙樣,簡(jiǎn)稱實(shí)驗(yàn)紙樣)轉(zhuǎn)印后滌綸布以及在紙張上的印刷效果如圖6所示。肉眼觀察可以發(fā)現(xiàn),改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)紙樣轉(zhuǎn)印效果略優(yōu)于國(guó)產(chǎn)紙樣和進(jìn)口紙樣。

圖6　不同紙樣熱轉(zhuǎn)印效果圖

不同紙樣轉(zhuǎn)移效果、測(cè)定結(jié)果如表2所示,其中相對(duì)密度是指滌綸布上黑色轉(zhuǎn)印區(qū)域相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)白板的色彩密度。在印刷、轉(zhuǎn)印條件完全一致的前提下,相對(duì)密度越大說(shuō)明熱升華油墨由紙張向滌綸布的轉(zhuǎn)移越充分。色相是色彩的首要特征,是區(qū)別各種不同色彩的最準(zhǔn)確指標(biāo)。如果色相偏差較大,則會(huì)出現(xiàn)一系列質(zhì)量問(wèn)題,如印刷制品難以保證色彩一致性、色彩失真、色調(diào)不飽和等[13]。

表2　不同紙樣的轉(zhuǎn)移效果對(duì)比

從表2可以看出,實(shí)驗(yàn)紙樣印刷后油墨的干燥速率最快,較金澤紙樣提高了35%；相對(duì)密度和進(jìn)口紙樣相當(dāng),說(shuō)明轉(zhuǎn)印效果可以與進(jìn)口紙樣相媲美；色相偏差介于國(guó)產(chǎn)紙樣和進(jìn)口紙樣之間,色相亮度、飽和度、反射率均較好。

2.5不同紙樣涂層結(jié)構(gòu)分析

圖7所示為不同紙樣涂層的掃描電鏡(SEM)圖。

圖7　不同紙樣涂層的SEM圖(×500)

從圖7可以看出,進(jìn)口紙樣無(wú)機(jī)填料的含量最少,且分散性好,無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象。由于涂料和木漿纖維均不導(dǎo)電,國(guó)產(chǎn)紙樣纖維交織分布最清晰。據(jù)此推測(cè),國(guó)產(chǎn)紙樣的涂布量最小,進(jìn)口紙樣次之,金澤紙樣和實(shí)驗(yàn)紙樣最大。

3結(jié)論

3.1本研究主要分析了影響熱升華轉(zhuǎn)印紙涂層及油墨干燥速率的因素。通過(guò)提高涂料固含量和加入揮發(fā)性兩性溶劑可以有效地提高涂層的干燥速率。

3.2選用超低黏度、高取代度羧甲基纖維素鈉(CMC)替代高黏度、高取代度的CMC,可以增加涂料濃度,提高涂層干燥速率,且不影響熱轉(zhuǎn)印效果。

3.3高陽(yáng)離子度聚合物與大孔容SiO2氣凝膠的加入可以有效地提高印刷后油墨的干燥速率,顯著縮短油墨干燥時(shí)間,并獲得良好的轉(zhuǎn)印效果。

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(責(zé)任編輯：劉振華)·集塵袋紙·

Study on the Drying Rates of Coating Layer of the Sublimation Transfer Paper and the Sublimation Ink

TONG Shu-hua*LI Shuang-xiaoMENG yu

(ZhejiangJinchangPaperCo.,Ltd.,Longyou,ZhejiangProvince, 324400) (*E-mail: 313970767@qq.com)

Abstract：The sublimation transfer printing paper has been used as the intermediate on which the texts or pictures were printed using sublimation-transfer-ink. Under heating and pressurizing condition, the sublimation transfer ink was forced to transfer from paper surface to specific objects. The quality of sublimation transfer paper was determined by the uniform and high-quality coating layer. In this paper, the influences of coating process on drying rate of the coated paper and sublimation result were discussed. The results showed that, the coating materials containing amphoteric solvent were beneficial for drying rate of the coated layer, the drying rate of the sublimation ink and the sublimation transfer effect were improved by the addition of polymer with high cationic degree and the SiO2 filler with high pore volume．

Key words：sublimation transfer printing paper; coating layer; drying; ink

中圖分類號(hào)：TS762

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.03.004

收稿日期：2015-10- 08(修改稿)

作者簡(jiǎn)介：童樹(shù)華先生,碩士,高級(jí)工程師；一直從事特種紙研發(fā)、制造及科研管理工作。

·熱升華轉(zhuǎn)印紙·