新型聚胺类阳离子固着剂对彩喷纸及涂料性能的影响

李智斌杨 宁（1.制浆造纸国家工程实验室， 北京 100102；2.中国制浆造纸研究院， 北京 100102）



新型聚胺类阳离子固着剂对彩喷纸及涂料性能的影响

李智斌1,2杨 宁1,2
（1.制浆造纸国家工程实验室， 北京 100102；2.中国制浆造纸研究院， 北京 100102）

摘 要：研究了高聚合度聚胺类阳离子固着剂对SiO2分散液及彩喷涂料黏度、沉降性能以及对图像打印质量、涂层防水性、彩喷纸白度等方面的影响因素，并与普通阳离子固着剂作比较。结果表明：高聚合度聚胺类阳离子固着剂能够明显降低SiO2分散液黏度；在一定添加量条件下，能减小彩喷涂料黏度，但随着用量增加，其黏度又会逐渐增加；高聚合度聚胺类阳离子固着剂能够防止SiO2分散液及彩喷涂料快速沉降；能提高图像打印质量以及图像防水性；其在涂料中的添加用量，成本低廉。

关键词：高聚合度聚胺类阳离子固着剂 彩色喷墨打印纸 SiO2黏度

0　前 言

随着彩色喷墨打印纸在日常生活中的普及以及需求量的日益增长，人们对彩色喷墨打印纸的打印质量要求也越来越高。 提高彩色喷墨打印纸打印质量，彩喷涂料中必不可少的组成成分——阳离子固着剂的作用显得尤为重要。目前大多阳离子固着剂选用高分子量阳离子聚合物，如聚乙烯亚胺、聚乙烯胺、聚二甲基二烯丙基氯化铵（Poly－DMDAAC）及聚乙烯苯甲基三甲胺氯化物等聚铵类物质。但普通阳离子固着剂与颜料粒子之间无相互作用或相互作用较小，新型高聚合度聚胺类阳离子固着剂不仅正电荷密度高，与染料之间的结合能力强，而且在较大添加量（对颜料质量15%以上）时对SiO2的分散和防止分散液及涂料快速沉降等有明显作用，且在降低成本方面有明显优势。本试验就自行合成的高聚合度聚胺类阳离子固着剂对彩色喷墨打印纸图像打印质量和彩色喷墨打印纸涂料性能的影响与普通阳离子固着剂进行了对比，并对高聚合度聚胺类阳离子固着剂在应用方面的优点和降低涂料成本等方面进行了研究分析。

1　试 验

1.1 原料和仪器

阳离子固着剂（A自制，B二甲基二烯丙基氯化铵(Poly-DMDAAC)，C 聚乙烯亚胺季铵化合物 ），二氧化硅（北京航天赛德粉体材料有限公司），PVA，PVAc,其他添加剂，国产彩色喷墨打印纸原纸(上海乐凯纸业，定量108 g/m2，白度102%，)，X-Rite 528系列分光密度计(美国X-Rite公司)，Epson photo R270喷墨打印机，高速分散机，DNJ-5S旋转黏度计。1.2 试验方法

（1）SiO2的分散：取A、B、C三种固着剂（25℃下固含量为45%时，黏度分别为23 mPa·s，23.5 mPa·s及22 mPa·s），分别向SiO2中添加0份、5份、10份、15份、20份（对100份SiO2绝干量）阳离子固着剂，分散固含量为20%，分散机转速设定为5 000 r/min，分散时间20 min，在25℃下测其黏度。分别取一定量SiO2分散液，静置，24h后，测其沉降高度（沉积在容器底部固体堆积物的高度）及总高度。

（2）涂料配方与涂布方法： 涂料组份及添加顺序，配方一：SiO2，胶黏剂（PVA +PVAc) ，其他助剂。配方二：阳离子固着剂 B（分散SiO2时加入），SiO2，胶黏剂（PVA +PVAC)，其他助剂。涂布方式采用实验室钢丝刮棒刮涂，涂布量控制在10 g/m2，采用吹风机热风干燥，干燥时间为30 s。

1.3 测试及评价

（1）洇色现象和打印整体效果的评价。用Epson photo R270打印机在同一打印模式下打印相同图样，分别测不同颜色区域CMYK光密度值（光密度值测量中K代表黑色，C代表青色，M代表品色，Y代表黄色）。以显微镜观察打印图像颜色边缘区域的羽化程度来评判图像的洇色程度，以羽化现象很明显、明显、一般、少、无等级来标示。打印整体效果以眼睛观察图像整体效果来进行简单评价，用“*”数量标示等级，分四个等级，*差，**一般，***好，****很好，*****最好。

（2）图像抗水性的评价。在不同配方纸样上打印CMYK四种色块图样，分别测其光密度值d，再将每个图样样品浸泡在去离子水中，20 min后取出晾干，分别测其光密度值do。图像抗水性以D＝do/d来评价，D值越接近1，抗水性越好。

2　结果与讨论

2.1 固着剂用量和不同阳离子固着剂对SiO2分散液黏度和涂料黏度的影响

图1 SiO2分散液/彩喷涂料黏度的影响

图1为不同阳离子固着剂在不同添加量条件下对SiO2分散液和彩喷涂料黏度的影响。

从图1可以看出，加入三种阳离子固着剂，在开始SiO2分散液黏度均大幅下降，随着阳离子固着剂用量的增加，SiO2分散液黏度继续减小，但下降程度逐渐趋于平稳；固着剂用量较少时黏度下降幅度A略大于B和C,A分散液黏度迅速减小，随着加入量增加，黏度下降幅度基本相同。随着阳离子固着剂加入量的增加，彩喷涂料黏度相应也随之降低，但加入到一定量后继续增加，涂料黏度又趋于缓缓增加。

通常固-液悬浮体的黏度与固体颗粒表面和液体间的相互作用有关。相同温度下，若固-液间相互作用强，则黏度高；若相互作用弱，则黏度低。相互作用受颗粒表面性质和液体极性影响[1]。阳离子固着剂与SiO2接触并发生作用，实际上是粉体颗粒表面的改性过程，阳离子固着剂改变了SiO2表面电荷的电性，使固体粒子间、固-液之间产生相斥作用，相互吸引力减小，从而使黏度降低。从结果来看，固着剂A与颜料粒子的相互作用明显于固着剂B和C。阳离子固着剂加入涂料中，根据上述与SiO2粒子作用的原理，涂料黏度开始会降低，但由于不同阳离子固着剂的性质和正电荷密度不同，其与SiO2粒子和涂料中其他组分作用程度也不完全一样，所以随着其加入量的增加，它与涂料中其他组分之间的作用程度也越来越明显，所以涂料黏度会有一些增加，不同固着剂之间黏度影响亦有差异，固着剂A在涂料中相对稳定些，所以在较大添加量（对绝干颜料质量15%以上）时，涂料黏度变化相对较小。

2.2 不同阳离子固着剂对SiO2分散液和彩喷纸涂料沉降性能的影响

在低固含量、低黏度的涂料体系中，涂料沉降性能显得非常重要。沉降性能是衡量超细颜料分散效果好坏的一个重要指标。如果超微粉体分散的不好，粉体颗粒就会因分子间的运动、接触而附着在一起，形成较大的团聚体，在重力作用下会很快沉积下来。这样会对涂料配制和工业生产带来较大麻烦，尤其是如果涂料沉降速度过快，再次搅拌，容易产生大量气泡，影响生产[2]。图2为不同阳离子固着剂对SiO2分散液和彩喷纸涂料沉降性能的影响。图中：沉降系数为沉降高度与总高度之比值，沉降系数=沉降高度/总高度[5]；阳离子固着剂加入量为相对100份SiO2绝干量份数。

图2　不同阳离子固着剂与SiO2分散液/涂料沉降系数的关系

从图2可以看出，加入阳离子固着剂，在相同时间内，SiO2分散液沉降系数明显减小，随着加入量的增加，减小速率趋缓。随着用量逐渐增加，不同阳离子固着剂沉降速度和沉降系数变化有所不同，说明不同阳离子固着剂对SiO2的分散影响变化不尽相同。从曲线看，固着剂A对SiO2分散液和涂料的防沉降性影响变化比较平稳，且效果相对较好。这是因为在SiO2和水的体系中，SiO2粒子表面存在的羟基或含水基团，易发生相互作用，使粒子间凝聚成团。加入了阳离子固着剂，羟基或含水基团与固着剂之间发生偶联作用，改变了SiO2的表面电荷性，起到表面改性作用，抑制了粒子间的相互吸引，从而提高了SiO2的分散性能，减小了沉降体积。由于固着剂A的高聚合度和强阳离子性使其对SiO2粒子表面的改性“更迅速、更彻底”，颜料粒子之间再次聚集的机会变得更少，所以相比较而言，在防止颜料粒子快速沉降方面固着剂A明显优于B和C。

2.3 不同阳离子固着剂对喷墨打印质量的影响

高质量彩色喷墨打印纸要求墨水喷到纸面上，整个墨滴轮廓应均匀扩展，即在纸面上具有相同的扩展速度；反之，就会出现洇色现象[3]；另外油墨中的染料分子与涂层中颜料颗粒之间结合强度越强，染料分子保留在纸面的量就越多，相应获得打印密度值也就越高；反之，染料分子就会随载体继续向纸里面迁移，结果会降低打印图像密度值和分辨率。所以染料分子要尽可能的集中在涂层表面，以提高打印效果，从而实现色域范围宽、色彩还原性好和图像饱和度高的目的[4，8]。

表1　不同阳离子固着剂对图像打印质量的影响

加入不同阳离子固着剂，CMYK 密度值均有明显增加，见图3。随着阳离子固着剂用量的增加，光密度值也越来越高,但增加值趋缓，阳离子固着剂用量继续增加，A样的密度值仍继续增加，而B 和C样密度值有所降低，且B和C的涂料黏度随之略有增加，图像打印整体效果A要明显好于固着剂B和C。分析原因，固着剂B和C在一定添加量时与SiO2颗粒及涂料中其他组分之间的作用较A明显，使其阳离子性受到干扰，所以影响了其固色效果，A相对稳定一些。

图3　不同阳离子固着剂与CMYK平均光密度值之间的关系

2.4 不同阳离子固着剂对彩色喷墨打印纸涂层防水性的影响

图像防水性是指图像被水润湿至某种程度时墨滴流动、扩散现象的程度[6]。

涂料中加入不同阳离子固着剂，打印图像防水性亦有差异见图4，不同添加量条件下图像防水效果不同。开始涂料中未加阳离子固着剂，样张打印图像基本没有防水性能，色料在水中的扩散现象非常明显，光密度值下降程度较大；加入一定量阳离子固着剂的样张，打印图像防水性明显得到改善，且随着加入量的增加，颜色在水中的扩散现象越来越不明显。在油墨吸收过程中，阳离子固着剂能够吸附阴离子性油墨粒子，以化学键迅速与之结合在一起，生成不溶于水的络合物，油墨粒子被固着在涂层SiO2颗粒表面，不随水分子的迁移而发生扩散，起到防水作用。随着阳离子固着剂用量的增加，越来越多的油墨粒子被固着，图像的防水性也会越来越好。从图4可以看出相同添加量条件下，固着剂A的防水性要好于B和C。也是因为固着剂A的高聚合度、强阳离子性，其化学键能强于B和C，所以与油墨粒子之间结合更加牢固，从而具有更加优良的防水效果。

图4　不同阳离子固着剂添加量对图像防水性的影响

（3）高聚合度聚胺类阳离子固着剂与SiO2粒子和涂料中其他组分之间相互作用稳定。在涂料中的添加比例能够达20%以上,且成本低廉。

（4）阳离子固着剂对彩色喷墨打印纸白度影响不大。

2.5 阳离子固着剂对彩色喷墨打印纸白度的影响

本试验对加与未加阳离子固着剂的彩色喷墨打印纸白度进行测试，分别为105.3%和105.5%，差别不大，所以除了固着剂本身颜色对纸张白度的略微影响外，其他方面没有太大影响。由于涂料中常用的增白剂多为阴离子型，所以对增白剂的作用效果会产生一定负面影响[7]。

3　结束语

（1）高聚合度聚胺类阳离子固着剂能对SiO2颜料粒子起表面改性作用。降低SiO2分散液黏度，防止颜料和彩喷纸涂料快速沉降，与普通阳离子固着剂相比较，具有明显优势，但随着添加量的增加，彩喷纸涂料黏度也会逐渐增大；但与普通固着剂相比，增加较小，相对较稳定。

（2）高聚合度聚胺类阳离子固着剂与普通阳离子固着剂相比能够明显改善提高打印图像光密度、提高打印图像分辨率以及图像抗水性，减小油墨扩散，防止洇色现象。

参考文献：

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[4] 尤鹏，陈克复.Poly－DMDAAC在彩色喷墨打印纸涂层中的应用[J]. 中国造纸,2006,25(6):19-22.

[5] 王瑾.偶联型阳离子固色剂对彩色喷墨打印纸用Si02颜料性能的影响[J].中国造纸,2008,27(12):34-36.

[6] 杨宁,高凤娟. 彩色喷墨打印纸的研究[J]. 中国造纸.2005,24(1):2-6.

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Influence of Aromatic Polyamide Cationic Additive for Ink-jet Print Quality and CoatingLI Zhibin

1,2

YANG Ning

1,2

（1,2.China National Pulp and Paper Research Institute,BeiJing,100102 ）

Abstract:The effect of cationic resin additive for properties of silica pigment and paper coating used on inkjet print quality was studied, and discussed colour fixation mechanism in this paper. The results showed that cationic resin additive can decrease the viscosity of dispersant silica pigment and paper coating, and decrease the sedimentation rate of coating and silica pigment, and improve ink-jet print quality that density and water fastness of the print image and so on.

Keywords:cationic resin additive；ink-jet paper；SiO2viscosity