S MA表面施胶剂改善非涂布喷墨打印纸性能的研究

孙 姝 陈蕴智

(天津科技大学包装与印刷工程学院,天津,300222)

·S MA表面施胶剂·

S MA表面施胶剂改善非涂布喷墨打印纸性能的研究

孙 姝 陈蕴智

(天津科技大学包装与印刷工程学院,天津,300222)

采用不同型号的苯乙烯-马来酸酐(S MA)分别对原纸进行表面施胶,比较研究了不同型号的表面施胶剂S MA对纸张物理性能和喷墨打印性能的影响。结果表明,H520在改善纸张喷墨打印性能方面要优于其他4种S MA;H520可使纸张透气度降低99.9%,平滑度提高25.1%、吸水性提高122%,对纸张白度和不透明度的损失较小;在喷墨打印性能方面,H520可提高印品的色密度, C、M、Y、K分别提高9.1%、16.0%、1.3%和12.4%,可扩大暗调呈现范围,墨点清晰度提高5.4%,改善色彩还原性50%以上。

S MA;表面施胶;非涂布纸;喷墨打印性能

(＊E-mail:sunshubnb@163.com)

Abstract:In this paper,different types of S MA surface sizing agents produced by Hercules and Sartomer of USA used for surface sizing on the uncoated papers to compare the effects of those sizing agents on the physical properties and ink-jet printability of the uncoated papers. The results showed that H520 produced by Hercules is superior to the other four kinds of S MA surface sizing agents in ink-jet printability improvement.In the aspect of paper physical properties,H520 can decrease porosity by 99.9%,increase smoothness and Cobb value by 25.1%and 122%respectively,while the whiteness and opacity are not decreased too much.In the aspect of ink-jet printability,it can enhance the color density of printed products,C,M,Y,K are increased by 9.1%,16.0%,1.3%and 12.4%respectively,it also can expand the range of shadows appearance,increase the dots resolution by 5.4%,improve the color reproduction more than 50%.

Key words:S MA;surface sizing;uncoated paper;ink-jet printability

目前,非涂布喷墨打印纸凭借其价格优势,仍受广大消费者的青睐,其需求量也在不断上升。为了获得理想的喷墨打印效果,在纸张生产过程中,需采用合适的表面施胶剂来提高纸张喷墨打印效果。具有代表性的表面施胶剂为苯乙烯-马来酸酐(S MA),它是应用最广泛的表面施胶剂[1-2]。本实验以赫克力士公司和沙多玛公司生产的不同型号的S MA为研究对象,考察了不同型号的S MA对非涂布喷墨打印纸的物理性能和喷墨打印性能的影响,优选出适合喷墨打印纸表面施胶用的S MA,以期为工厂实际生产提供理论依据[3]。

1 实 验

1.1 原料

原纸(70 g/m2):深圳安兴纸业有限公司;氨水:质量浓度28%,天津市江天化工有限公司;冰醋酸:天津市北方天医化学试剂厂。

S系列(S3000和S3000I)和H系列(H520、H540和H550)的S MA分别由美国沙多玛公司和美国赫克力士公司生产,性能参数见表1和表2。

1.2 仪器

研磨器、电动恒速搅拌机、电热恒温水浴锅、刮刀涂布器、旋转式黏度计、电子天平、标准厚度仪、分光光度计、反射式密度计、电脑摄影生物显微镜、印刷表面粗糙度测定仪(PPS)、纸和纸板吸水性测试仪、彩色喷墨打印机(EPSON#1720)[4]。

表1 沙多玛公司生产的SMA性能参数

表2 赫克力士公司生产的SMA性能参数

1.3 实验方法

(1)按照产品说明书所示的配方,用氨水和冰醋酸将不同型号的S MA制备成溶液,S3000、S3000I、H520、H540、H550溶液的浓度分别为0.10、0.15、0.13、0.10、0.10 g/mL。

(2)采用刮刀式涂布将S MA溶液施涂在原纸上,刮刀缝隙0.1 mm。S3000、S3000I、H520、H540、H550的表面施胶量分别为3.83、4.95、4.65、3.95、4.02 g/m2。

(3)按相关国家标准测定施胶纸张的白度、不透明度、透气度、吸水性和印刷表面粗糙度。

(4)测定施胶纸张的喷墨打印性能,包括:色密度、阶调、墨点清晰度、印刷色偏[5-6]。

2 结果和讨论

2.1 不同类型S MA对纸张物理性能的影响

2.1.1 不同类型S MA对纸张白度的影响

不同类型的S MA对纸张白度的影响见图1。由图1可知,表面施胶后的纸张与原纸相比,白度均有所下降。施胶纸样白度的降低是由于施胶剂的颜色所致,施胶剂颜色越深,所得纸张的白度越低[7]。H550和S3000施胶纸样的白度相对较高。

2.1.2 不同类型S MA对纸张不透明度的影响

不同类型S MA对纸张不透明度的影响见图2。由图2可知,表面施胶后的纸张与原纸相比,不透明度均略有下降,这是由于纸张空隙被胶料填充,导致散射界面减少所致。S MA施胶纸样不透明度由大到小的顺序为:H540>H550>H520=S3000=S3000 I。少量的S MA并不会引起纸张不透明度的明显损失,各种S MA对纸张不透明度的损失均小于1%。H540施胶纸样的不透明度较高,较高的不透明度有利于减少纸张透明、透印现象。

2.1.3 不同类型S MA对纸张透气度的影响

不同类型S MA对纸张透气度的影响见图3。由图3可知,S MA施胶纸样透气度由大到小的顺序为: S3000>S3000 I>H550>H540>H520。H520和S3000 I施胶纸样的透气度较原纸的分别下降了99.9%和67.5%,下降幅度较大。施胶剂分子质量是影响纸张透气度的主要因素,分子质量越大,S MA成膜性增强,覆盖纸张表面孔隙的能力越强,从而使得纸张透气度降低[8]。喷墨打印时,控制纸张的透气度有利于控制油墨向纸张内部过度渗透,从而提高印品光泽度和饱和度。H520表面施胶的纸样透气度最低,有利于喷墨打印。

2.1.4 不同类型S MA对纸张平滑度的影响

不同类型S MA对纸张粗糙度的影响见图4。由图4可知,S MA施胶纸样粗糙度由大到小的顺序为: S3000>H550>S3000 I>H540>H520,即S MA施胶纸样的平滑度由大到小的顺序为:H520>H540> S3000 I>H550>S3000。H520和S3000 I的平滑度较原纸分别提高了25.1%和19.5%。这是由于施胶剂分子质量越大,覆盖纸张表面孔隙的能力越强,从而纸张表面平滑度就越高[9]。高平滑度有利于油墨在纸张表面形成均匀平滑的墨膜,从而提高印刷品的光泽度。综合比较,H520在提高纸张平滑度方面效果更佳。

2.1.5 不同类型S MA对纸张吸水性的影响

不同类型S MA对纸张吸水性的影响见图5。由图5可知,H520施胶纸样的吸水值明显高于其他S MA施胶纸样,且是原纸吸水值的2倍,能够瞬间吸附墨水,有利于获得优质的喷墨打印图像。彩喷纸的最适吸水值在20～60 g/m2范围内,过低、过高都会影响喷墨打印效果[10]。因此,采用H520对纸张进行表面施胶能获得理想的喷墨打印效果。

2.2 不同类型S MA对纸张喷墨打印性能的影响

本实验还重点研究了不同类型S MA对纸张喷墨打印效果的影响,具体检测指标有:色密度、阶调、墨点清晰度和印品色偏[11]。

2.2.1 色密度

采用X-Rite Color Reflection反射式密度计测量打印纸样上的实地色块密度。要提高打印图像的色密度和色彩的鲜艳性,除油墨本身的因素外,非涂布喷墨打印纸的表面最好选择吸收系数大而散射系数小的胶料进行表面施胶。色密度测量值越大,表明图像中相应颜色的密度越高。

不同类型S MA施胶纸样的CMYK色密度比较见图6。由图6可知,与原纸相比,S3000、S3000 I、H550、H540施胶纸样的CMYK色密度有所降低;但 H520施胶纸样的CMYK色密度较原纸的分别提高了9.1%、16.0%、1.3%、12.4%,这是由于H520的分子质量较大,在纸面上形成的表层有利于油墨的吸收,并降低光散射,进入人眼的光较多,视觉上颜色更鲜艳,所以,H520表现的色密度较好,能够提高纸张喷墨打印效果。

2.2.2 阶调

利用灰度级梯尺进行印品阶调的测试,通过不同纸样所能表现的灰阶密度范围来判断不同类型S MA对印刷阶调再现程度的好坏。灰阶密度作为灰度的函数,曲线的斜率越大,说明纸张能够表现的灰度范围越宽,阶调再现性越好[12]。

不同类型S MA施胶纸样的灰阶密度比较见图7。由图7可知,不同类型S MA施胶纸样在10%～60%的灰阶区域内,灰阶密度相差不大;在60%～100%灰阶区域内,各表面施胶纸样的灰阶密度差别较明显。H540施胶纸样与原纸相比,在10%～20%灰阶区域,灰阶密度相差不大;在20%～100%的灰梯尺斜率较小,阶调再现范围较窄,因而打印质量不如原纸。H550、S3000和S3000 I施胶纸样与原纸相比, 在10%～80%灰阶区域,密度相差不大,在80%～100%的灰梯尺斜率较小,暗调再现效果不好。H520施胶纸样的灰阶密度表现较好,灰阶密度曲线较平滑,在60%～90%的灰阶区域内暗调表现范围较宽,而且曲线的斜率最大,图像阶调丰富,色彩饱和。这是由于H520的分子质量较大,有利于在纸面上形成光滑表层,使油墨在纸上的反射光较多,从而改善印刷的阶调。因此,H520对灰阶密度的表现最好。

2.2.3 墨点清晰度

本实验采用Pixera Pro 600 ESDiractor T M显微照片拍摄仪,在放大40倍下,利用CCD数字相机拍摄印品中黄色背景上直径0.7 mm的圆形墨点。利用专业图像分析软件对印品显微图像进行分析处理[13]。处理步骤如下:

(1)将JPEG格式显微照片在 ImageTool2.0软件中打开。

(2)将GRB模式图像转换成灰度图像,执行命令“处理-Color-to-grayscale”。

(3)将灰度图像进行色域加强,执行命令“处理-Interactive Histogram Stretch”。

(4)进行“背景去除”处理,执行命令“处理—Background-Background Subtraction”,选择初始灰度图为第一张图片,色域加强后图为第二张图片,两图片灰度值相减,去除图像背景。

(5)将图像进行阈值化处理,转变为二值黑白图像,执行命令“处理-阈值-自动”。

(6)分析二值图像中黑白像素所占百分比,执行命令“分析-CountBlack/White Pixels”。

对于彩喷纸打印图像,图像的清晰度与图像本身的像素、打印机的分辨率及纸张的解像力有关。利用I mageToll2.0处理印品显微图像过程见图8。

图8 ImageToll2.0处理印品显微图像过程示意图

不同类型S MA施胶纸样的黑色区域所占比例见图9。黑色区域所占比例越大,表明油墨轮廓越清晰,再现性越好,纸张喷墨打印效果越好。由图8可知,H520施胶纸样的油墨清晰度要明显优于其他S MA的,黑色区域所占比例比原纸的提高了5.4%。对比图8(d)和(e)可知,S3000施胶纸样的油墨清晰度优于S3000 I施胶纸样的,且S3000施胶纸样的黑色区域所占比例比原纸的提高了8.6%。这是由于H520和S3000的分子质量较大,有利于其在纸张上成膜,且H520和S3000自身吸水性较好,从而能够提高油墨的附着。因此,H520和S3000的油墨吸收性较好,墨点圆度较好,羽化现象不严重,喷墨打印效果好。

图9 不同类型S MA对印品轮廓清晰度的影响

2.2.4 不同类型S MA对纸样印品色偏的影响

用CIELAB光密度计测量器测量不同类型S MA施胶纸样不同颜色的光密度和L＊、a＊、b＊值。光密度值大说明墨点连贯性好,打印图像色泽鲜艳。L＊、a＊、b＊值的大小可反映色调再现的情况;L＊值越大则色泽愈亮;a＊值的正值愈大则愈红,负值愈大则愈绿;b＊值的正值愈大则愈黄,负值愈大则愈蓝。因此,可根据L＊、a＊、b＊值大小判断偏色程度。

色彩的还原性是指彩色喷墨打印纸与原图像在色彩方面的一致性,是衡量彩喷纸打印图像质量的重要标准。用EPSON#1720打印机,分别打印C、M、Y、K色块。然后分别测定各种颜色的L＊、a＊、b＊值。比较原纸和不同类型S MA施胶纸样打印后的印品与原稿之间的色差(用ΔL＊、Δa＊、Δb＊来表示),用ΔE=(ΔL＊2+Δa＊2+Δb＊2)1/2来表示纸样的色彩还原性。色差越小则印品偏色越低,纸张色彩还原性越好。不同类型的S MA的L＊a＊b＊值的比较[14]见表1。

不同类型S MA对印品轮廓清晰度的影响见图10。由图10可知,与原纸相比,除了H540施胶纸样的C、M油墨,其余的S MA均使印品的色差有所减小,色彩还原性更接近于原稿。纸样大部分的色差都大于5,表明这几种纸样色彩还原性都不是很理想,但与原纸相比,经S MA表面施胶的纸张色彩的还原性能均有所提高,颜色鲜艳。不同的S MA对K油墨的色偏改善水平相当;对C油墨,S3000使印品的色偏明显改善,比原纸提高了50.1%;对M油墨, H520使印品的色偏明显改善,比原纸提高了62.8%;对Y油墨,H520使印品的色偏明显改善,比原纸提高了59.3%。色偏有所改善是由于H520的分子质量较大,有利于油墨在纸张上形成墨膜,使油墨的反射光较多,视觉上颜色饱和度更大。因此, H520使纸张打印效果的色偏最小,打印效果最接近于原稿,对各种色彩的还原性较好。

表1 各种纸样的L＊a＊b＊值

图10 不同类型S MA对纸样印品轮廓清晰度的影响

3 结 论

本实验以赫克力士公司生产的H系列(H520、H540和H550)和沙多玛公司生产的S系列(S3000 和S3000 I)的苯乙烯-马来酸酐(S MA)为研究对象,考察了不同型号的S MA表面施胶对非涂布喷墨打印纸的物理性能和喷墨打印性能的影响。

3.1 H520是酸值较大的未酯化施胶剂,成膜性好,吸收强,能使纸张透气度降低99.9%,纸张平滑度提高25.1%,吸水值提高122%,色密度增强(C、M、Y、K分别提高9.1%、16.0%、1.3%和 12.4%),增强暗调,墨点清晰度提高5.4%,色彩还原性提高50%以上。

3.2 H540、H550、S3000和S300 I的分子质量相对较小,酸值较小,从而不同程度地影响了其在改善非涂布喷墨打印纸性能方面的作用。

3.3 综合比较得出,采用赫克力士公司生产的H520进行表面施胶能较全面地改善非涂布喷墨打印纸的喷墨打印性能,适宜喷墨打印。

[1] 张国运,杨军胜.S MA型表面施胶剂的概况及应用[J].西南造纸,2005,34(3):20.

[2] 张国运,郑 爽.苯乙烯马来酸酐共聚物乳液的合成与应用[J].中国造纸,2007,26(10):19.

[3] 白力坤,徐建峰.新型S MA化学品在纸和纸板表面施胶中的应用[J].造纸化学品,2009,21(3): 5.

[4] 杜伟民.纸和纸板施胶剂的研究进展[J].造纸化学品,2009,21(3):34.

[5] 崔建同,赵传山,赵媛斐.表面施胶和微量涂布改进喷墨打印纸的性能[J].中华纸业,2008,10 (14):32.

[6] 张 莹.提高非涂布纸打印质量的研究[D].天津:天津科技大学,2005.

[7] 张新明.喷墨打印纸主要质量指标及其影响因素[J].湖南造纸,2007,7(3):9.

[8] 刘武辉,胡更生,王 琪.印刷色彩学[M].北京:化学工业出版社,2004.

[9] BrungardtB. Improving the efficiency of internal and surface sizing agents[J].Pulp and Paper Technical Association of Canada,2007,98(12):152.

[10] Janardhnan S,SainM,PervaizM.Novel S MA chemistries in surface sizing of paper and boards[J].Pulp and Paper Technical Association of Canada,2006,2 (7):283.

[11] Ranson,Brine W.New Surface Size Option Maintains Performance Lessens Internal Sizing[J].Pulp&Paper,2004(7):12.

[12] Thomas Schuman,Magnus W ikstrom,Mikael Rigdah1.Coating of surface-modified paperswith poly(vinyl alcoho1)[J].Surface and Coating Technology,2004,18(3):96.

[13] Ning Y,Yulin D.Paper SizingAgents from Micelle-Like Aggregates of Polystyrene-Based Cationic Copolymers[J].Journal of Pulp and Paper Science,2000,7(7):2067.

[14] 闫志强,洛光林.彩喷纸打印质量的监测方法分析[J].印艺采风,2007,12(3):19.

(责任编辑:陈丽卿)

I mprovement of Ink-jet Pr intability of Uncoated Paper by Us ing SMA Surface Sizing Agent

SUN Shu＊CHEN Yun-zhi

(College of Packaging&Printing Engineering,Tianjin University of Science&Technology,Tianjin,300222)

孙 姝女士,在读硕士研究生;主要研究方向:印刷材料及适性。

TS727+.5

A

0254-508X(2010)04-0014-05

2009-11-11(修改稿)

本课题为天津科技大学科学研究基金项目(项目编号20080217)。