聚乙烯醇黏合剂对喷墨打印质量的影响

聚乙烯醇黏合剂对喷墨打印质量的影响

该项研究的目的是阐明聚乙烯醇作为黏合剂，在涂层和孔隙结构形成中的控制作用，以及其对高速喷墨图像的形成所带来的影响。结果表明：颜料的类型和黏合剂的用量对孔洞结构的形成有重要作用；聚乙烯醇能够转移到颜料孔隙内，而且由于聚乙烯醇的膨胀作用，使其能堵塞直径大约是30 nm的孔隙，这主要取决于黏合剂的用量；对纸张光学性能的影响因素，不仅仅是涂层，最重要的是相关的打印密度；但是，当考虑油墨渗透时，涂层本身的性质将起主导作用。

在印刷高速商业化的过程中，水性油墨的使用不断增加，这对纸张表面的亲水性和吸水性都提出了要求。这也就迫切需要研发一种以控制喷墨印刷性能为特征的基础涂料。然而对于颜料和相应喷墨打印纸涂料与黏合剂的相互作用，以及其对涂层孔隙结构的作用，并没有引起人们的高度重视。

对于有色涂料使用喷墨方式进行印刷，聚乙烯醇（PVA）是一种应用十分普遍的黏合剂，其具有很强的黏合染料的能力，在与水结合时能增加其润胀能力。有研究发现，用PVA不仅能抑制油墨分散，并且在用TOF-SIMS分析PVA层时发现色料的集中面是均匀的。其次，黏合剂种类对喷墨打印密度以及其流出成形有影响，然而目前还没有黏合剂在Versamark VX 5000e的喷墨打印质量成形的润胀趋势的研究。

本研究主要目的是要解释：（1）PVA在多孔CaCO3涂料层中，作为润胀型黏合剂的作用；（2）多孔性以及孔隙直径在喷墨成形过程的作用；（3）PVA涂层在高速喷墨印刷过程中对颜料基涂料成形的影响。

1 材料和方法

1.1 涂层的组成和涂层试验

CaCO3颜料。根据不同的粒径和比表面积来选择CaCO3颜料。表1显示了按颜料粒径和颜料比表面积的分类情况（MCC表示改性碳酸钙）。

表1 按颜料粒子的直径和颜料比表面积的分类情况

所选择的涂料黏合剂是PVA，其水解度是（87.7±1.0）%，相对分子质量为 204 000 g/mol。

首先研究了纯颜料的性能。由公式计算得出在玻璃盘中的颜料饼和100 g/m2的涂料层。这些颜料饼是用Teflon模型铸成的，在23℃下进行干燥。玻璃盘被用夹距为100～500 μm的刮刀涂布器涂布制成涂层。

原材料（GCC、PCC和MCC）的粒径由其沉积作用或者采用激光分散法进行测定。涂料含PVA为10%时，pH和Z电位也会影响涂料的颜色。所有颜料带有正电性，这能够吸引带负电的油墨染料，从而防止其透印，同时也会使颜料和色料在涂料表面聚集，并达到最大密度。电荷的相互作用也能保证油墨在水中的牢固性。

用Si-oil孔隙率仪吸收来测定孔隙结构的液体摄取量。在油的吸收过程中，颜料饼在Si-oil中停留1 h，分别测量颜料饼的初始质量和Si-oil饱和质量。在常压下，油墨吸收多孔性的定义是涂料饼吸收的Si-oil体积，除以涂料层的总体积，然后乘以吸收的Si-oil体积。

孔隙的体积和分布通常用水银孔隙率仪测量，采用Pore-Comp校正来说明扩张透度计、水银柱和简单的骨料所产生的压力，通常被称作弹性体积系数。涂料随着黏合剂用量的变化，其产生的压力在140～440 Pa之间变化。采用镀膜玻璃盘，是将盘子放在洗脱液中用TLC分析，即洗脱液流动一定距离所需的时间。涂料层的光学性能用洗脱液摄取量和距离的函数关系来表示，比如，不透明度根据ISO标准2471：2008来测定。镀膜玻璃盘后面的一些吸墨纸板用作最后一层涂料。

KCL实验涂布机用于传统原纸大范围的涂布，而这些传统原纸通常被用于生产定量为53 g/m2的铜版纸。印刷原纸首先要进行预涂布，以便最上层的涂层能阻止油墨渗透到纸张中。用薄膜涂布机中，预涂在纸张的两面涂布量为7 g/m2。事实上，在短期的应用时，研究的涂布量是8 g/m2。预涂使用100%的GCC和12%的丁苯胶乳以及0.6%的羧甲基纤维素。最上面涂布层的配方如表2所示。涂布速度为1 800 m/min，并且最后涂布的含水量为质量分数5%。

表2 最上面涂布层的配方 w/%

本研究对在喷墨成形过程中单独使用的颜料的作用进行了研究，以便能够详细地说明颜料和黏合剂结合使用时的相互作用情况。在这种情况下，本实验采用涂布机KCL SAUKKO，使用喷墨器和刀片进行涂布。涂层是用图1中2个红外干燥器进行干燥。

图1 KCL SAUKKO装置图

网子的运行速度是900 m/min，在实验涂布中使用相同的纸样。基于本实验方案，选用PVA为黏合剂，其用量为10%。该用量能够达到商业所需求的强度和抗尘性能。生产涂层的结果图如表3所示。

表3 涂料涂层的结构图解

单一涂层并没有达到涂层涂布量为10 g/m2的目标。同时，由于低固含量和低黏度的涂料颜色限制了涂层的厚度，因此，必须使用2次相同的涂料颜色。

使用Parker-Print Surf（压力为20 kPa）测量与测定涂布纸的空气渗透率。根据ISO 2471：2008标准测定不透明度，根据ISO 9416测定光散射系数。涂布纸的表面张力用IGT根据ISO 3783用中等黏度油进行测量。染料的吸收时间用DIGAT测定。带负电荷碱性染料的油墨使用量是8 g/m2。涂料层的表面结构采用SEM进行表征。

1.2 喷墨印刷表面实验

喷墨印刷在VX 5000e上进行实验，这种连续喷墨技术能够产生喷墨液滴。油墨就是碱性染料，并且其主要的稀释剂是水。油墨的表面张力，基于不同颜色的颜料时在一个很小的范围内（51～55）变化，黏度为1～2 mPa·s。打印速度是100 m/min，并且烘缸和干燥热空气温度分别设置为80℃和100℃。

印刷表面的打印密度采用Gretag Macbeth D 196测量。照相机和扫描系统被用来分析其渗色，就流动距离而言是从正常颜色边界开始的。在摄像系统中，打印出来、用成像相机拍摄的图片，是用来界定喷射边界，并且构建了一个横向的灰度级剖面。通常的宽度边界的测量是2个点（A到B）的距离。点A是横表面的成像，其比暗区域亮10%，B点比给定背景暗10%。黑色表面灰度值为254，并且在打印之前都为未打印的纸张调整为170。正常边缘宽度表示喷墨的距离。边缘宽度值越小，表示喷射线越明显。在扫描仪系统中，分别使用了爱普生Perfection V 700和2 400 dpi分辨率的镜头。灰度值用相同的办法用影像分析系统定义点A和点B，但是现在A比最暗区域亮15%，B点比背景暗15%。灰度值由精细的摄像系统进行调节。在这些方法中，光学性能不同就会导致结果的不同。用扫描系统分析打印产品的斑点。印刷表面是用300 dpi分辨率的爱普生Expression 1680 Pro扫描仪进行扫描。扫描的数值用波浪转化（wavelet transform）来进行处理。油墨颜色吸收通过LRWhite树脂嵌入打印表面来分析。嵌入的样品放在冰箱里以防止染料被弄脏，再用光学显微镜来进行观察横剖面。

2 结果

2.1 PVA和涂料层的孔隙形成

本研究采用涂层饼材料来研究涂料层内部的结构，并最小限度地减小测定涂布饼带来的与涂布纸测定存在的差异。用Si-oil吸收来分析涂料饼的吸收量。正如预期的那样，用这种方法进行测量，随着黏合剂用量的增加，孔隙率降低。黏合剂用量为10%时，粒径较小的MCC和PCC微粒颜料的孔隙率处于同一水平上。粒径较大的涂料能产生最高的孔隙率。这也说明了微粒聚集的特征。图2为颜料饼的吸收性能与PVA黏合剂的关系（用Si-oil吸收方法测量所得）。

当考虑原纸的影响和涂料层用量时，涂料层的孔隙率可以用水银柱计算获得。涂料层累积增加的孔隙体积如图3所示（黏合剂用量为10%时，用水银孔隙率仪测量）。

由图3可见，大粒径的PCC涂层产生最大的孔隙体积，并且有更多的大孔隙出现。而GCC和小粒径的MCC中产生最小的孔隙体积。

Si-oil孔隙率仪和水银孔隙率仪测量结果有很强的关联性，见图4（黏合剂用量为10%时，用水银孔隙率仪测量）。

图2 颜料饼的吸收性能与PVA黏合剂的关系

图3 累积孔隙体积分布与孔隙大小的关系

用水银孔隙率仪在高压下进行分析时，其结果会有略微的不同。因为水银流入最后阶段的压力，能够有效地固定住作为多孔材料的任何弹性组分。聚合物，尤其是黏合剂要承受这样的压缩作用，结果就是在压力增加和降低时，渗入和挤出曲线之间出现滞后现象。这个弹性区域斜度的大小，是由膨胀系数决定的并与其相关，它表示了材料的可压缩体积。涂布纸的膨胀系数是基于大粒径PCC使用量为10%时，PVA在压力30 600 MPa；或者是基于小粒径PCC使用量也是10%时，PVA在压力22 000 MPa下进行测量。这意味着使用大粒径PCC比使用小粒径PCC时，纸张能够抵制来自于涂料成分产生的更大压力。这也反映了就颜料微粒聚集和孔隙大小方面的聚合物分布。细小颜料具有较大的比表面积，需要能够为涂料提供更多聚合物（包括分散剂）的种类和数量。

图4 Si-oil孔隙率仪和水银孔隙率仪测量结果的关系

由粒径较小的MCC和PCC与黏合剂所制颜料饼有非常相似的Si-oil吸收容积，如图4所示。但是当用水银孔隙率仪进行分析时，它们的孔隙率有很大的不同。由此可以推知，黏合剂趋向于消除孔隙中的通道或者是孔隙相互之间的联系。

通常，累积水银侵入的一阶导数的曲线，能反映孔隙大小的分布。这一描述尽管受到相等长度的毛细纤维束的限制，但是对不同拓扑结构，还是比较有用的。可以看出，PCC涂层结构只有在20～60 nm范围内存在极细的孔隙；相反的，MCC涂料层既有小孔隙又有大孔隙，表明MCC结构有内部微粒孔隙和相互之间结合的孔隙。另外，10%的PVA用量所降低MCC涂层结构的孔隙体积比降低PCC孔隙体积要多。MCC颜料内部孔隙结构峰值的突然降低，说明了PVA已经充满了内部孔隙，见图5。

2.2 不同颜料性能在液体内部流动的作用

用薄层色谱分析法分析流过纯颜料结构的孔隙网络。液体流过多孔网络结构的长时间历程，是用表面湿强抵抗渗透率来定义。愈大的渗透率，围绕在渗透通道周围就有愈多的细孔结构，在给定时间内流过的距离就愈长。用最多孔隙的颜料所做成的涂料，具有最长的水流动距离。图6显示了在没有使用黏合剂时，采用色谱分析在玻璃盘子上形成的薄颜料涂层中水/乙醇（50%/50%）的流动时间。

图5 MCC小和PCC小的累积孔隙体积和孔隙大小的分布曲线

图6 水/乙醇（50%/50%）在薄颜料涂层中的流动时间

大粒径MCC和大粒径PCC颜料，其大小和内部颜料的孔隙数量非常相似，但是MCC有比较少的内部微粒孔隙，从而很少的大孔隙就能够具有渗透能力，如图6所示。GCC和小粒径的MCC涂层有非常相似的流动能力，其流动距离很短是因为缺乏渗透能力。然而令人奇怪的是，在小粒径PCC颜料结构里，液体流动的距离比其他的颜料都长。当看成纯精细孔结构时，这是不能发生的，但是小粒径PCC颜料所制成的样品结构中有大量的裂缝，这就使在颜料层里的渗透流动更加有效。这种影响不仅仅是一种固有的微粒聚集，而且反映了颜料层形成过程的收缩现象。如果颜料是用来传送液体，那么这些裂缝是非常有用的。这个结果表明，含有较多孔隙体积比含较少孔隙的颜料在传送液体时更有效。

2.3 纸张表面的涂层结构

2.3.1 黏合剂的作用

黏合剂用量较高时能增加涂布纸的表面强度，如图7。

图7 用IGT测得涂布纸的表面张力

当黏合剂用量为7%时，小粒径PCC比大粒径PCC具有略高的表面强度。这是因为内部结构的渗透能力的不同决定了黏合剂的损耗水平，这适用于吸收剂底层。2 m/s的表面强度是以在测试短暂时间内黏性油从涂布纸摄取的速度定义。这要足够的高来确保涂布纸底层的黏合以及防止喷墨过程中的吸尘。

这项研究的目的是为了阐明PVA作为黏合剂在涂层和孔隙结构的形成过程中的控制作用，以及它是如何影响高速喷墨图像的形成的。结果表明，颜料的类型和黏合剂的用量对孔隙结构的形成有重要作用。研究中，PVA能够转移到颜料毛孔内，而且PVA的膨胀能堵塞直径大约是30 nm的毛孔，但是这取决于黏合剂的用量。整张纸的光学性能，不只是涂层，最重要的是相关打印密度。但是，当考虑到油墨渗透时涂层本身的性质起主导作用。

图8表明了孔隙直径在0～0.1 μm范围内，黏合剂用量对30～50 nm的孔隙体积减少的影响。

黏合剂用量对30～50 nm的孔隙体积减少影响的主要原因是由于毛细管力驱动的吸附。

用DIGAT设备观测到，进入放在玻璃上的薄涂层的吸附速度随着黏合剂用量的增加而变慢，见图9（在不同CaCO3颜料研究中，根据表面强度与油墨吸附速度所选择的PVA的用量是10%，青色染料的涂层为8 g/m2）。

图8 黏合剂用量对30～50 nm的孔隙体积减少的影响

图9 黏合剂用量对吸附时间的影响

在PCC粒径较大的情况下，黏合剂的用量对打印密度的作用非常微小，见图10。

但是，当黏合剂的用量为7%时，颜料由大粒径PCC变为小粒径PCC，能显著增加打印密度。因此，在这样的黏合剂水平和这样短的吸附时间内，黏合剂的膨胀不能堵塞较大的孔隙。较大粒径PCC的结构决定了这种情况下着色剂的运送和传递。

较高的黏合剂用量造成了渗透量的显著增加。分别含有12%和30%PVA的涂料产生最宽的渗透距离（图10）。有趣的是，渗透并没有随着黏合剂量的增加而无限地增加，但是不平稳，说明孔隙体积的损失很可能受PVA膨胀本性的抵抗，即一旦有足够的PVA就会有吸附和保水的能力。其他的解释可从油墨量出发。在印刷中油墨量可以降低至只有220 ms的吸附时间，这个时间对于防止渗透也是足够短的。时间延误的作用将在后面讨论。

2.3.2 色素的作用

图10 在PCC表面的基于染料的油墨的印刷密度与深色距离关于PVA用量的函数

图11显示了涂料中PVA用量为10%、由5种不同颜料生产的涂布纸时，水银侵入后的累积孔隙体积（涂料已经部分渗入到原纸结构内部）。

图11 进入涂布纸孔隙中水银的累积量

在1～10 μm范围内，所有的涂布纸都具有比涂布原纸更低的孔隙体积。

图12显示了涂料中PVA用量为10%时，所研究的涂料孔隙尺寸分布曲线（原纸的值已经从结果中除去）。

一般来说，纸中涂料的孔隙尺寸分布反映了涂层的主要特性和薄层的色谱特性。大粒径MCC、大粒径PCC和小粒径PCC涂料都具有较小的孔隙，直径在20～40 nm之间。而GCC和小粒径MCC中含有的小孔隙就比较少。含有2个大的直径为2.7 μm的颜料粒子的涂料（如大粒径MCC和大粒径PCC）有同样数量的比较小的孔隙。GCC涂料主要含有直径为0.1～0.3 μm的孔隙，而大粒径PCC则有最大直径的孔隙，即1.0～1.3 μm。大粒径MCC和大粒径PCC都既有小孔隙也有大孔隙。小粒径的PCC涂料只有小尺寸的孔隙。

涂布纸对大粒径PCC颜料的吸附速度最快，大粒径MCC、大粒径PCC和小粒径PCC等3种颜料的吸附速度都较快。吸附最慢的是GCC，见图13（青色染料的涂层为8 g/m2）。

这些数据很好地反映了毛细管引力和渗透性的相对要求。毛细管吸引力是由超细的孔隙和由涂料的渗透引起的液体转移所提供的。

图13 气体渗透率对于吸附速度的影响

纸中涂层结构打印密度最高值来自于小粒径PCC，最低值来自大粒径MCC；同时，大粒径 MCC和大粒径PCC涂料具有最低的渗透值，见图14。

图14 涂布颜料类型对于染料的打印密度和渗色（距离由摄像系统测得）的影响

3 讨论

3.1 PVA膨胀的影响

基于水银多孔性结果，假定PVA黏合剂能够进入或者越过连接孔，并且可以存在于较大的粒子孔隙之间，这正如前人研究中所假定的那样。只要孔隙度的水平足够高，任何黏合剂和油墨液相的相互作用都变得相当重要，不但是孔隙体积的结构改性而且液体通过聚合物网络的稀释都影响着PVA的膨胀。

实验对黏合剂膨胀对于孔隙作用进行了理论计算。首先，假定黏合剂在孔壁上形成均匀层，并且层的厚度取决于颜料的比表面积（比表面积越低，黏合剂层越厚）。同时简化了孔隙的几何结构，黏合剂在相当于毛细管的圆形内表面形成均匀层。这样，可以计算黏合剂膨胀过程中孔隙入口面积的变化。

PVA是亲水性黏合剂。图15显示了随着时间的增加PVA膜吸水而不吸收非极性正己烷的情况。

图15 PVA的吸附量对时间的函数

由图15可见，当暴露在青色染料型油墨中5 s后，PVA膜有29.2%发生膨胀，这个值将在下面的计算中用到。

当涂布量是1 g，PVA的相对密度是1.26 g/cm3，5 s之后PVA膜膨胀了29.2%（青色染料，颜料的比表面积是10 m2/g），其计算结果如图16所示。

在图16中，孔隙体积和黏合剂的用量分别表示水银多孔性和涂料配方。左边的第1条线是，当只有颜料时所形成涂层结构的孔隙面积。向涂料中添加10%的黏合剂导致孔隙直径减小，这是由于PVA层的吸收作用。当黏合剂有29.2%膨胀时孔隙直径的关闭长度增加至24 nm。这可能导致孔隙的完全堵塞，但一般会减小孔隙的尺寸，而且当黏合剂被集中在孔节点处时，结构上就少了连接点。黏合剂的用量越多，黏合剂膜越厚，当然膨胀也会增加。膨胀增加的同时也会影响内部粒子的孔隙。这意味这些孔隙发挥作用，主要是依靠黏合剂膨胀所带来的单纯有效的液体吸收。

图16 PVA膨胀作用的理论计算

所以理论上，黏合剂的膨胀能够通过关闭较小孔隙来影响喷墨的吸收速度。表4显示了在喷墨打印机中时间延误的程度。

表4 在喷墨打印机中时间延误的程度 s

在速度为100 m/min时，第1个喷嘴和开始干燥之间的延迟是2.6 s，离最后的干燥时间是3.8 s。这主要是因为考虑到黏合剂膨胀的5 s是在同一个时间范围内。当液体只有较短的时间来影响黏合剂时，其膨胀的作用会达到最小，因此可以假设在较高印刷速度下膨胀的作用较小，但并不会完全消失。因此，即使在高速下，在喷墨印刷过程中也会发生向聚合物网络扩散的现象。

PVA如何与不同类型的碳酸钙产生协同作用？

从光学的观点来讲，由于小粒径PCC颜料粒子太精细，以至于不能有效地产生光散射，在这个意义上来讲，颜料是光学不活泼的，见图17（PVA用量为10%）。

图17 玻璃板上涂层的不透明度

根据kubelka-munk理论，直径在光的波长（0.1～1 μm）顺序内的粒子能严重影响光散射。小粒径PCC涂层的不透明度和光散射系数仍然很小（因为颜料的尺寸很小，仅20～30 nm）。这个结果与以前的研究结果一致。在玻璃板上其他颜料有非常相似的不透明度。

整张纸的光学性质控制打印密度的形成。小粒径PCC有光学惰性，然而其他颜料强烈影响光的散射和打印密度的水平，见图18（相关系数：黑色-0.943，青色 -0.950）。

图18 光散射系数对打印密度的影响

整张纸的孔隙体积和打印密度之间的相关系数在-0.904～-0.949范围内，而单独涂层的孔隙体积和打印密度之间的相关系数只是-0.050～-0.217。因此，整张纸的结构也影响打印密度，而不只是涂层。这当然依靠原纸的性质，但是如果有光干扰会影响背景光而使打印密度降低，特别是基于染料油墨的渗透。

如果考虑在许多新的高速喷墨设备中用到的基于颜料的油墨的情况，较细的油墨粒子之间会选择性地排除油墨颜料，通过这种方式着色剂会被集中在粒子之间的渗水结构，如粒子孔隙内。因此，依靠目前的PVA量，无论是填满孔隙之间还是孔隙之内，都可以预测到一个较大的油墨颜料向原纸底层的转移，或者较好地抵抗油墨颜料，如达到好的抵抗油墨颜料，渗透性就会降低。在较为封闭的情况下，油墨颜料会形成滤饼，而这会导致渗透性的降低。因此，整张纸结构的性质对于决定打印密度大小的作用取决于渗透水平。

在这些试验中，特种涂料应用于预涂布的纸，着色剂在涂层内而不向原纸内部渗透，见图19。

图19 基于染料的油墨印刷表面的横截面

但是，包括大粒径MCC在内的着色剂在涂层内的分布相对来说是比较均匀的，大粒径MCC颜料的阳离子性质决定了其固定着色剂的方式与阴离子与涂布所用的GCC有明显的不同。这说明：（1）用来固定着色剂表面积是不够的；（2）油墨没有达到颜料所需要的阳离子性质；（3）由于涂层渗水而不能为着色剂提供表面接触。较细的颜料有轻微的检出浓度梯度，这反映了减少的内部孔隙网络结构的渗透性。

图20显示了横截面吸收了青色墨水的PVA所形成的膜（在30 s的时间内约有20 μm厚的膜沉积到青色油墨上）。

图20 基于青色染料的油墨进入PVA膜的横截面

图20表明，30 s的吸附时间之后油墨的着色剂能渗入黏合剂膜内，但不完全。因此，着色剂可以和水一起扩散到PVA层内。这个结果与前人研究的情况一致。在涂层结构中，着色剂的分布非常均匀，这说明PVA覆盖了颜料和着色剂。因此，当PVA用作黏合剂时，颜料的类型与电荷密度的大小对着色剂的位置基本没有影响。

但是，实验观察到油墨的渗透距离取决于涂层的孔隙体积而不是整张纸的孔隙体积。这就证实了这种涂层构造油墨不向原纸内转移。表5说明涂层的多孔性结构易于渗透。

表5 渗色距离和孔隙结构特征的关系

另外，表面能的增加也会减少渗透距离。如果对基于染料的油墨和基于颜料的油墨，2种油墨的渗透结果进行比较，基于颜料的油墨的渗透距离较小，因为滤饼的形成阻止了其横向转移。但是，必须想到的一点是，涂层的渗透特性与原纸结构的相互影响。

含有较大孔隙的大粒径MCC和大粒径PCC涂料有相似数量和尺寸的精细孔隙。但是在双峰分布的大尺寸面积（粒子间的孔隙）中，大粒径PCC有大约直径是1.2 μm的孔隙，而大粒径MCC粒子间的孔隙较小，只有0.8 μm。PCC较大的孔隙有利于油墨较快地渗入涂层结构中，因此很少发生渗色现象。另外，黏合剂的膨胀对MCC颜料涂层的影响比对PCC的影响更大。因为MCC颜料的比表面积较小，所以MCC涂层中黏合剂层的厚度较大。

图21显示了所研究的涂层表面的渗色情况（渗色由高分辨率的照相机测得）。

图21 所研究的涂层表面的渗色情况

PVA的膨胀现象相对于其他类型的颜料，有较少的超小孔隙，对GCC和小粒径MCC的涂料有强烈影响。由于小粒径MCC确实有一些比GCC较小的孔隙，所以膨胀会影响这些孔隙而使它们失效，但渗色值确实很相似。

对小粒径MCC和小粒径PCC涂料进行比较，其多孔性很相似，但小粒径PCC有较多很小的孔隙。小粒径MCC涂层吸收油墨的速度明显比小粒径PCC慢。在油墨吸附过程中黏合剂的膨胀会堵塞孔隙。在中等孔隙度区域，有较小孔隙的涂层不易发生渗色。这说明渗色作用可以根据表面速度进行定义。

网部干燥会加速喷墨干燥过程，并且影响油墨渗透的程度。但是，目前流行烘干机的一个较为重要的方面，也就是当热轧印刷纸没有裂口和暴露在新的环境系下时网部的行为，即以后的烘干效果。当剥离印刷辊之后纸的印刷质量应该仍然很高。此外，如果在进入复卷之前油墨没有充分干燥，油墨就会转移到纸页背部，透印问题就会变得非常明显。

3.2 黏合剂用量的影响

通过改变PVA的用量，研究了大粒径PCC和小粒径PCC颜料。所有的打印密度结果彼此非常接近，气体渗透率是PVA用量的函数，见图22。

图22 打印密度与气体渗透率之间的关系

图23显示了印刷纸的横截面（不同含量PVA的涂料，并且PVA和青色染料一起使用）。

图23 不同含量PVA的涂料的印刷纸横截面图像

在PVA用量为7%条件下，油墨在涂层内分布而且涂料并没有向原纸内渗透。当涂层中PVA用量为30%时，有较多的着色剂集中在涂层的顶层。但是，着色剂能进入原纸是由于涂层的裂缝，这在减小打印密度同时会增加小范围内的斑点值，见图24。

图24 青色油墨印刷表面的斑点

所有纸的光散射结果彼此非常接近。因此，由此得出了不同的颜料有不同的光散射性质，在这一点上整张纸的性质是显性的。

需要再次说明的是，渗色距离是由精细孔隙涂层特性决定的。因此，毋庸置疑的是，当涂层中黏合剂的含量最低时其渗色距离最小，较高的黏合剂用量会增加渗色，见图25（渗色距离由扫描仪系统测量，吸附时间由DIGAT测量，8 g/m2青色染料）。

图25 渗色距离与吸附时间成反比

图26显示了PVA用量对气体渗透率的影响（青色染料的涂层为8 g/m2）。

由图26可见，当黏合剂用量从7%增加至12%时，其吸附时间逐渐增加。但是，当黏合剂的用量分别为30%和12%时，其吸附时间却是相同的。这些结果同前人的研究结果相似。当黏合剂用量较低时，油墨主要依靠毛细管力进入涂层。当黏合剂的量为30%时，较小的毛细管已经被堵塞，主要的液体转移机制是靠黏合剂层的扩散。但是，一旦PVA的用量达到一定的界限值，对于每种具体的颜料，扩散将占主导地位并且有一个恒定的吸附速度。涂料中黏合剂膨胀的界限值应该是12%。

图26 PVA用量对气体渗透率的影响

另一方面，关于PVA用量为30%时产生的涂层，其主要问题是涂层的分布。图27的SEM图像显示了含有30%PVA的涂层分布是不均匀的，并且黏合剂已经结块，类似于膜一样的层。结果分析可见，在其膜层内洞的分布清晰可见。

图27 含有30%PVA的大粒径PCC颜料涂层的扫描电镜图

虽然，增加PVA的用量能堵塞涂层结构，但是在较高的PVA含量情况下，与可溶性黏合剂形成的收缩能导致不均匀的涂层结构，而这一点会反映在印刷纸的质量恶化上。

4 结论

决定液体油墨渗入多孔性喷墨涂层结构中的主要控制参数是毛细管力和渗透性，它们分别与较小孔隙，以及较大的相互关联的孔隙有关。即使是在中等的多孔涂层结构中，也能实现油墨的较快吸收，这是因为涂层中有许多纳米尺寸的孔隙。

PVA在涂料中的作用是综合的，不仅表现在与孔隙结构的改性有关，而且影响通过扩散而引起的液体吸收。在扩散过程中PVA会发生膨胀。虽然由PVA的膨胀引起的液体吸收的体积在较低用量的黏合剂水平下比较小，但它却控制着油墨与颜料表面的相互作用，随着黏合剂用量的增加使得较小孔隙的结构发生变化。以染料油墨为主的着色剂在涂层结构中的分布似乎更加均匀，这是因为PVA覆盖了颜料的表面，同时掩蔽了颜料表面的阳离子电荷。染料随着水性液体进入PVA的表面层。即使在高的印刷速度下也能发现扩散过程对印刷效果的影响，虽然干燥时间越短，所包含的液体体积越小。膨胀的黏合剂容易进入多孔颜料的内部孔隙。

涂层通过油墨的吸附速度和体积容量与印刷质量相互联系在一起。在涂层表面油墨的吸附越慢，意味着着色剂有更多的时间混合在一起，以及渗色问题更明显。涂层的表面能量也会影响着色剂的行为。

整张涂布纸的光学性质决定了实际的打印密度。这是因为喷墨涂层颜料的光散射潜力较低，所以原纸与涂层的光学活性会呈现明显的对比。

（天之骄子 编译）