采用沸石颜料的喷墨打印纸用胶黏剂的研究

蒋华朋 刘 忠，* 刘小闹 逄锦江

(1.天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457;2.浙江大学化学系，浙江杭州，310027)

随着数码印刷在人们工作、生活中的应用越来越广泛，作为数码印刷中主要印刷方式的喷墨打印以其低成本、高品质、适用介质广泛等特点，正在成为继静电成像技术后又一主流的数码图文打印或印刷方式［1］。喷墨打印技术的广泛应用使得喷墨打印机和喷墨打印纸的市场发展迅速，而且喷墨打印纸的生产技术也越来越得到重视。传统喷墨打印纸用的涂布颜料是SiO2，这是由于SiO2具有粒径小、比表面积大、多微孔结构的特性，同时能快速吸收油墨和固着油墨中的染料［2］，从而保证了喷墨打印纸的影像质量［3］。但SiO2颜料价格高，其固含量偏高时容易使涂料的黏度上升，而且由于比表面积大使得胶黏剂的用量增多［4］，限制了其在喷墨打印纸中的应用。沸石是一种具有大孔隙体积的多孔性硅铝酸盐，具有吸水性和吸附性，是一种有潜力的喷墨打印纸涂布颜料。与传统的喷墨打印纸涂布颜料相比，沸石作为涂布颜料的主要优势［5］有:能够消除透印;改善纸张的渗色;提高涂料固含量;胶黏剂的需求量较少;提高墨点的保真度;价格较SiO2低很多。

在涂料中，胶黏剂是重要组分，它能使颜料粒子相互黏合，在纸基表面形成牢固的涂层。胶黏剂在很大程度上决定着涂料的性质，如黏度、流变性和保水性等。涂料中要求胶黏剂具有黏结力强、成膜性好、透明性高、相容性好、交联后耐水性和对墨水的吸收性高等特点［6］。胶黏剂的种类不同也会对涂层结构产生很大影响。天然胶黏剂 (如淀粉、干酪素等)比合成胶黏剂 (胶乳、聚乙烯醇 (PVA))产生较开放的涂层表面、较大的涂层孔隙体积，使涂布纸的透气度、K＆N值较大。PVA和胶乳因成膜性强，与颜料粒子间的相互作用强，形成的涂层孔隙体积小，表面封闭，涂布纸的透气度小，K＆N值低。与胶乳相比，水溶性胶黏剂 (淀粉、干酪素、PVA)产生较粗糙的微观表面、较低的光泽度和较大的K＆N值，且其印刷光泽度也比胶乳的低［7］。因此，对于某种颜料，找到其理想的胶黏剂非常重要。在本实验中，通过研究喷墨打印纸中常用的3种胶黏剂 (PVA-1788、PVA-1799和羧基丁苯胶乳)对采用沸石颜料喷墨打印纸性能的影响，探讨最佳胶黏剂及其用量。

1 实验

1.1 实验材料及实验仪器

Le沸石，白色粉末，白度97%，表面处理后细度2.5 μm，pH值≤10，灼烧失重≥23%，真密度2.39 g/cm3，浙江宁海嘉和化工有限公司;二甲基二烯丙基氯化铵，固含量60%，pH值5～7，山东鲁岳化工有限公司;PVA-1788、PVA-1799，北京安特普纳科贸有限公司;Styronal 300羧基丁苯胶乳，固含量49% ～51%，pH值6～7，黏度100～300 mPa·s，巴斯夫中国有限公司;Polyfix-700日本阳离子固色剂，易溶于水的淡黄色透明水溶液，固含量58%～62%，黏度300～1000 mPa·s，pH值7～9，强阳离子电荷，北京安特普纳科贸有限公司;涂布原纸，定量145 g/m2，白度89.8%，不透明度 98.8%，PPS粗糙度3.65 μm，光泽度3.34%，山东华泰纸业股份有限公司。

OSP线棒涂布器，石家庄奥斯派贸易有限公司;NEG300型实验多用途压光机，南京轻工业研究所;070E残墨测定仪、SE 115型粗糙度测定仪，瑞典Lorentzen＆Wettre公司;XGP系列便携式镜向光泽度计，天津市信通光达科技有限公司;PGX动态接触角仪，瑞典 FIBRO SYSTEM.AB公司;MG5380彩色喷墨打印机，佳能公司;XRite-518密度计、Eyeone Pro分光光度计，美国爱色丽 (亚太)有限公司。

1.2 PVA的溶解

称取一定量的PVA-1788和PVA-1799粉末，在低速连续搅拌下逐渐倒入装有定量蒸馏水的烧杯中，吸水润胀约10 min。吸水润胀完成后将烧杯放入预先设定为32℃的水浴锅中，然后将水浴锅的温度设定为96℃，使水温逐渐加热至96℃。当水温达到96℃后溶解30～40 min，使其成为均一透明状溶液 (期间可根据情况添加少量的消泡剂)，PVA-1788和PVA-1799水溶液的质量分数均为10%。

1.3 实验设计

固定100份沸石颜料、5份阳离子固色剂Polyfix-700的用量不变 (以沸石颜料为100份，其他涂料组分用量为相对于100份沸石绝干颜料，下同)，采用单因素控制变量法研究3种喷墨打印纸常用胶黏剂PVA-1788、PVA-1799和羧基丁苯胶乳的用量 (10份、20份、30份、40份和50份)对采用沸石颜料的喷墨打印纸性能的影响，每种胶黏剂中最佳涂料配方再进行横向对比，最后得出采用沸石颜料的喷墨打印纸的最佳胶黏剂及其用量。实验中涂料的固含量设定为25%，喷墨打印纸的涂布量设定为10 g/m2，PVA-1788和PVA-1799为质量分数10%的水溶液。

1.4 喷墨打印纸性能评价

本实验采用物理性能评价和打印性能评价相结合的评价方法，其中物理性能评价主要检测涂布后喷墨打印纸的白度、不透明度、光泽度、PPS粗糙度和动态接触角，打印性能评价主要检测喷墨打印纸经彩色喷墨打印机打印后测试图上的黄、品、青和黑四色实地密度值、CIE L*a*b*值以及与市售亚光纸的四色为标准色的ΔE*Lab色差值。实验以打印性能评价为主要评价手段，以物理性能评价为辅助评价手段。

1.5 色差计算公式［8-9］

明度差按式 (1)计算:

色度差按式 (2)和式 (3)计算:

其中，ΔL*＞0表示样品色比标准色偏白，ΔL*＜0表示样品色比标准色偏黑;Δa*＞0表示样品色比标准色偏红，Δa*＜0表示样品色比标准色偏绿;Δb*＞0表示样品色比标准色偏黄，Δb*＜0表示样品色比标准色偏蓝。

本实验中以市售亚光纸打印测试图中的黄、品、青和黑为标准色。

总色差按式 (4)计算:

2 结果与讨论

2.1 胶黏剂用量对喷墨打印纸物理性能的影响

图1～图4为胶黏剂用量对喷墨打印纸物理性能的影响。

图1是胶黏剂用量对喷墨打印纸白度的影响。从图1可以看出，3种胶黏剂在5种不同用量下的喷墨打印纸白度都比原纸和市售亚光纸的低，而且3种胶黏剂在不同用量条件下白度变化不明显，这表明3种胶黏剂对喷墨打印纸的白度影响较小，而相对于原纸白度的降低主要是由沸石颜料造成的。从图1还可以看出，胶黏剂为羧基丁苯胶乳的喷墨打印纸白度要比其他2种胶黏剂的稍高，表明羧基丁苯胶乳可以更好地弥补沸石颜料对原纸白度的降低。

图1 胶黏剂用量对喷墨打印纸白度的影响

图2是胶黏剂用量对喷墨打印纸不透明度的影响。从图2可以看出，3种胶黏剂都可以提高喷墨打印纸的不透明度，而且相互间对不透明度的影响差别不大，可与市售亚光纸的不透明度相媲美。

图2 胶黏剂用量对喷墨打印纸不透明度的影响

图3是胶黏剂用量对喷墨打印纸光泽度的影响。3种胶黏剂在原纸的基础上都降低了喷墨打印纸光泽度，不同用量的胶黏剂对喷墨打印纸光泽度影响不显著。与市售亚光纸相比，喷墨打印纸的光泽度低很多。

图4是胶黏剂用量对喷墨打印纸粗糙度的影响。从图4可以看出，2种PVA都显著降低了喷墨打印纸的PPS粗糙度，而羧基丁苯胶乳对喷墨打印纸PPS粗糙度的影响只是使其略微下降，这表明，在降低PPS粗糙度上，PVA-1788和PVA-1799比羧基丁苯胶乳的效果好很多。

图5～图7是胶黏剂用量对喷墨打印纸动态接触角的影响。从图5～图7可以看出，3种胶黏剂在不同用量条件下，喷墨打印纸起初的动态接触角差别并不明显，1 s时的动态接触角为72°左右，但1 s后的动态接触角变化差别比较大。结合图5～图7中3 s和5 s时的动态接触角，可得出，当PVA-1788用量为10份时，喷墨打印纸动态接触角的变化最接近市售亚光纸动态接触角的变化，而其他2种胶黏剂对喷墨打印纸动态接触角的影响不大，且采用PVA-1799和羧基丁苯胶乳的喷墨打印纸动态接触角的变化与市售亚光纸相差很大。

图7 羧基丁苯胶乳用量对喷墨打印纸动态接触角的影响

2.2 胶黏剂用量对喷墨打印纸打印性能的影响2.2.1 对喷墨打印纸四色实地密度的影响

表1～表3为使用3种胶黏剂的喷墨打印纸和市售亚光纸的黄、品、青和黑四色实地密度值。从表1～表3可知，这3种胶黏剂对黄 (Y)、品(M)、青 (C)和黑 (K)四色实地密度的影响基本一致，即先增大后逐渐减小;且以PVA-1788为胶黏剂的喷墨打印纸的四色实地密度比其他2种胶黏剂的大，与市售亚光纸的差距最小。这表明PVA-1788作为胶黏剂最能忠实地复制原稿，体现原稿的色彩。3者中以羧基丁苯胶乳为胶黏剂的喷墨打印纸的四色实地密度值最小，并且在复制黑色上羧基丁苯胶乳是最差的，这表明羧基丁苯胶乳不适合作为本实验喷墨打印纸的胶黏剂。

表1 PVA-1788用量对喷墨打印纸四色实地密度的影响

表2 PVA-1799用量对喷墨打印纸四色实地密度的影响

表3 羧基丁苯胶乳用量对喷墨打印纸四色实地密度的影响

由表1～表3可知，PVA-1788、PVA-1799和羧基丁苯胶乳用量均为20份时，喷墨打印纸的平均实地密度值最大。将以上3种喷墨打印纸和市售亚光纸的平均实地密度值进行对比，可发现PVA-1788用量为20份时的喷墨打印纸平均实地密度值为1.143，最接近市售亚光纸的平均实地密度值1.177;而羧基丁苯胶乳用量为20份时的喷墨打印纸平均实地密度值为0.874，与市售亚光纸的平均实地密度值1.177相差最大。这表明在复制原稿方面，PVA-1788是这3种胶黏剂中最优的，而羧基丁苯胶乳是3种胶黏剂中最差的。而且通过比较可以得出PVA-1788用量为20份时得到的喷墨打印纸平均实地密度值是所有胶黏剂用量中最大的。

2.2.2 对喷墨打印纸四色L*、a*、b*值及色差的影响

表4～表6为使用3种胶黏剂的喷墨打印纸和市售亚光纸的青色L*、a*、b*值及ΔE*Lab色差值。从表4～表6可知，PVA-1788用量为20份时，喷墨打印纸的青色ΔE*Lab色差值是PVA-1788所有用量中最小的，为8.23;PVA-1799用量为10份时，喷墨打印纸的青色ΔE*Lab色差值是PVA-1799所有用量中最小的，为9.34;羧基丁苯胶乳用量为20份时，喷墨打印纸的青色ΔE*Lab色差值是羧基丁苯胶乳所有用量最小的，为11.56;且PVA-1788用量为20份时喷墨打印纸的ΔE*

Lab(青色) ＜PVA-1799用量为10份时喷墨打印纸的ΔE*Lab(青色)＜羧基丁苯胶乳用量为20份时喷墨打印纸的 ΔE*Lab(青色)，即 8.23 ＜9.34 ＜11.56。根据 CIE1976L*a*b*均匀颜色空间理论［8-9］可知，在忠实复制青色上，PVA-1788比其他2种胶黏剂更好，且当PVA-1788用量为20份时复制效果最好。

表4 PVA-1788用量对喷墨打印纸青色L*、a*、b*值及色差的影响

表5 PVA-1799用量对喷墨打印纸青色L*、a*、b*值及色差的影响

表6 羧基丁苯胶乳用量对喷墨打印纸青色L*、a*、b*值及色差的影响

表7～表9为使用3种胶黏剂的喷墨打印纸和市售亚光纸的品红色L*、a*、b*值及Δ色差值。从表7～表9可以看到，PVA-1788用量为40份时，喷墨打印纸的品红色Δ色差值是PVA-1788所有用量中最小的，为3.50;PVA-1799用量为40份时，喷墨打印纸的品红色Δ色差值是PVA-1799所有用量中最小的，为4.97;羧基丁苯胶乳用量为20份时，喷墨打印纸的品红色Δb色差值是羧基丁苯胶乳所有用量中最小的，为18.70;且PVA-1788用量为40份时喷墨打印纸的 Δ(品红色) ＜PVA-1799用量为40份时喷墨打印纸的Δ(品红色)＜羧基丁苯胶乳用量为20份时喷墨打印纸的Δ(品红色)，即3.50 ＜4.97 ＜18.70。根据 CIE1976 L*a*b*均匀颜色空间理论［8-9］也能得出在忠实复制品红色上，PVA-1788比其他2种胶黏剂更好，且当PVA-1788用量为40份时复制效果最佳。

表10～表12为使用3种胶黏剂的喷墨打印纸和市售亚光纸的黄色 L*、a*、b*值及Δ色差值。从表10～表12可知，PVA-1788用量为20份时喷墨打印纸的黄色ΔE*Lab色差值是PVA-1788所有用量中最小的，为3.76;PVA-1799用量为20份时喷墨打印纸的黄色Δ色差值是PVA-1799所有用量中最小的，为6.53;羧基丁苯胶乳用量为20份时喷墨打印纸的黄色Δ色差值是羧基丁苯胶乳所有用量中最小的，为18.52;且PVA-1788用量为20份时喷墨打印纸的Δ(黄色) ＜PVA-1799用量为20份时喷墨打印纸的Δ(黄色)＜羧基丁苯胶乳用量为20份时喷墨打印纸的 Δ(黄色)，即 3.76 ＜6.53 ＜18.52。根据 CIE1976 L*a*b*均匀颜色空间理论［8-9］也可得出在忠实复制黄色上，PVA-1788比其他2种胶黏剂更好，且当PVA-1788用量为20份时复制效果最佳。

表7 PVA-1788用量对喷墨打印纸品红色L*、a*、b*值及色差的影响

表8 PVA-1799用量对喷墨打印纸品红色L*、a*、b*值及色差的影响

表9 羧基丁苯胶乳用量对喷墨打印纸品红色L*、a*、b*值及色差的影响

表10 PVA-1788用量对喷墨打印纸黄色L*、a*、b*值及色差的影响

表11 PVA-1799用量对喷墨打印纸黄色L*、a*、b*值及色差的影响

表12 羧基丁苯胶乳用量对喷墨打印纸黄色L*、a*、b*值及色差的影响

表13 PVA-1788用量对喷墨打印纸黑色L*、a*、b*值及色差的影响

表14 PVA-1799用量对喷墨打印纸黑色L*、a*、b*值及色差的影响

表15 羧基丁苯胶乳用量对喷墨打印纸黑色L*、a*、b*值及色差的影响

表13～表15为使用3种胶黏剂的喷墨打印纸和市售亚光纸的黑色L*、a*、b*值及ΔE*Lab色差值。从表13～表15可知，PVA-1788用量为20份时喷墨打印纸的黑色ΔE*Lab色差值是PVA-1788所有用量中最小的，为3.39;PVA-1799用量为10份时喷墨打印纸的黑色Δ色差值是PVA-1799所有用量中最小的，为7.95;羧基丁苯胶乳用量为10份时喷墨打印纸的黑色ΔE*Lab色差值是羧基丁苯胶乳所有用量中最小的，为13.77;且PVA-1788用量为20份时喷墨打印纸的Δ(黑色) ＜PVA-1799用量为10份时喷墨打印纸的Δ(黑色)＜羧基丁苯胶乳用量为10份时的喷墨打印纸的 Δ(黑色)，即 3.39 ＜7.95＜13.77。根据 CIE1976 L*a*b*均匀颜色空间理论［8-9］可得出在忠实复制黑色上，PVA-1788比其他2种胶黏剂更好，且当PVA-1788用量为20份时复制效果最佳。

3 结论

3.1 PVA-1788、PVA-1799和羧基丁苯胶乳3种胶黏剂对采用沸石颜料喷墨打印纸的物理性能如白度、不透明度、光泽度、PPS粗糙度和动态接触角的影响都不大，这5项纸张性能主要由沸石颜料决定。

3.2 通过评价3种胶黏剂对采用沸石颜料的喷墨打印纸打印性能的影响，可以得到PVA-1788是所选胶黏剂中采用沸石颜料的喷墨打印纸的最佳胶黏剂，其最佳用量为20份 (相对于100份绝干沸石颜料)。

3.3 以打印性能评价 (检测经打印机打印后喷墨打印纸的四色实地密度值和CIE L*a*b*值及以市售亚光纸的四色为标准色的Δ色差值)为主，以物理性能评价 (检测涂布喷墨打印纸的白度、不透明度、光泽度、PPS粗糙度和动态接触角)为辅的评价手段对喷墨打印纸进行质量评价是可行的。

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