彩色喷墨打印纸涂层中固色剂对涂布性能和图像质量的影响

张岩 苏铁青 曹云峰

摘 要：分析了彩色喷墨打印纸涂层中阳离子固色剂的固色机理；研究了阳离子固色剂聚二甲基二烯丙基氯化铵（PolyDADMA）用量对涂料黏度、涂布纸表面性能以及喷墨打印的图像实地密度、网点扩大、清晰度和耐水性的影响。结果表明，加入固色剂能够改善图像质量，随着固色剂用量的增加，能够获得各颜色较高的图像实地密度和较小的网点扩大，图像清晰度提高，抗水性增强。但固色剂用量超过一定量时，会引起涂料黏度过大、涂布不均匀以及涂层表面强度下降。当固色剂用量为5份（相对于100份二氧化硅颜料）时，图像实地密度、清晰度和图像抗水性达到最佳。

关键词：纸张涂层；固色剂；图像质量

中图分类号：TS727+.3

文献标识码：A

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2018.09.005

Abstract：The color fixation mechanism of cationic color fixing agent in color inkjet printing paper coating was analyzed. The influence of dosage of color fixing agent PolyDADMA on coatings viscosity， property of coating surface and solid density， dot gain， line sharpness and water resistance performance of inkjet printed image was researched. It was found in the experiment that the cationic color fixing agent PolyDADMA could improve the image quality and the higher dosage could realize higher solid density， smaller dot gain， higher image detail sharpness and stronger water resistance performance of various colors. However， if the proportion of PolyDADMA was higher than a certain value， viscosity of the coatings would be too high， resulting in uneven coating， and the strength of coating surface would firstly increase and then reduce. If the color fixing agent solid dosage in the coatings was up to 5 g （with 100 g silicon dioxide as reference）， the density， the fine line sharpness and the water resistance performance of image could be optimal.

Key words：paper coating； fixing agent； picture quality

墨水在紙张涂层上的扩散和渗透决定了喷墨印刷纸图像的质量。扩散渗透受墨水与涂层之间物理和化学作用的影响[1]，物理作用有润湿现象、毛细现象和静电吸附，化学作用主要指涂层组分与墨水呈色剂之间发生的离子反应。这些现象的发生与涂层孔隙体积及孔径分布、涂层亲水性能以及涂层组分带电荷量有很大关系，而这三方面属性分别由涂层中的颜料、胶黏剂和固色剂所决定[2]。

固色剂与墨水呈色剂通过化学反应形成不溶性盐或通过电荷吸引作用使墨水呈色剂固着，而且对墨水扩散和渗透有明显的层析作用，可减缓或阻止墨水呈色剂跟随溶剂扩散渗透的程度，使更多的颜料或染料在涂层表面聚集，进一步增加颜色密度及其饱和程度。

1 固色剂固色原理

固色剂是一些金属化合物或高分子聚合物，通常带有正电荷，常用的有聚乙烯胺、聚乙烯亚胺和聚二甲基二烯丙基氯化铵等。在喷墨印刷中，主流的水基型喷墨墨水都是阴离子型墨水，染料或颜料墨水中的呈色物质通常含有阴离子基团，带负电，当墨水喷射到涂层上，固色剂与呈色物质相互作用，呈色物质被吸附，保留在涂层表面，不随溶剂的迁移渗透到纸张涂层或原纸内部，从而提高喷墨印刷的颜色密度和清晰度，增加图像的耐水性[3]。其作用原理如图1所示。

2 实 验

2.1 实验原料

二氧化硅（SiO2，格雷斯P508，平均粒径8.438 μm，上海毅胜化工提供）； 聚乙烯醇（PVA，质量分数10%，醇解度88%，广州市银环化工有限公司提供）； 乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（VAE，质量分数51%，广州市淇盛化工有限公司提供）； 聚二甲基二烯丙基氯化铵（PolyDADMAC，质量分数60%，无锡蓝波化学品提供）。

2.2 实验方法

本研究以SiO2为颜料，PVA和VAE为混合胶黏剂[4]，以PolyDADMAC为固色剂，配置涂布液。涂布液固含量为20%；原纸定量为108 g/m2， 晨鸣纸业提供。

本研究通过改变固色剂用量，对比分析固色剂对涂布纸图像质量的影响。涂料配方为：颜料100份，混合胶黏剂中PVA与VAE质量比6∶4，固色剂用量0～9份（相对于100份二氧化硅颜料），固色剂用量与纸样编号如表1所示。

使用小型电动涂布机（MS-BL300，厦门茂森公司）进行涂布操作，涂布方式为辊式涂布，涂布速度14 m/s，涂布量6～7 g/m2。将涂布纸放入烘箱，烘箱温度105℃，10 s后取出，平放自然晾干。

2.3 性能检测

涂料黏度按照GB/T 1723—1993进行测定；纸张表面粗糙度、平滑度、光泽度和印刷表面强度分别按照TAPPI T 538 om-96、TAPPI T479 om-91、TAPPI T480 om-99和GB/T 2679.15—1997[5]进行检测。

纸张图像质量的分析采用EPSON9800喷墨打印机输出图2所示图案[6]，图案在矢量软件中制作，其中图2（a）是网点面积率从5%～100%的梯尺，每级梯尺网点面积率相差5%，最后一级（100%网点面积率）标记为“S”。墨水颜色包括黄、品红、青、红、绿、蓝和黑。图案打印出来后，使用Spcectro-eye分光光度计测量“S”级得到各颜色打印图像的实地密度，实地密度越大，说明更多的呈色物质固着在涂层表面，顏色将越饱和；测量前19级可以得到印刷后各级网点面积率，与软件制作的网点面积率相比即可得到打印图像的网点扩大值，网点扩大值越大，说明墨水扩散严重。图2（b）是8种阴阳线条，宽度0.01～0.4磅（1磅≈0.035 cm），通过测量线条平均宽度来对比墨水扩散程度；抗水性则是通过测量“S”级色块遇水前后颜色色差进行判断，色差越大则抗水性越差，在一定条件下反映出固色剂固着墨水呈色剂的效果差。

3 结果与讨论

3.1 固色剂用量对涂料黏度的影响

从图3可知，随着固色剂用量的增加，涂料黏度几乎呈直线上升，这是因为阳离子固色剂PolyDADMAC与SiO2表面（硅烷醇基）作用，引起涂料黏度不断增加[7]。因此，加入涂料中的阳离子固色剂不宜过多[8]。

3.2 固色剂用量对涂布纸表面性能的影响

图4反映了固色剂用量对涂布纸表面性能的影响。由图4（a）可知，固色剂用量对纸张表面粗糙度、平滑度和光泽度的影响不大[9]。从图4（b）可以看出，随着固色剂用量的增加，纸张表面强度先增加后降低，这种现象与固色剂改变涂层结构有关，资料显示[9]固色剂也是优良的絮凝剂，随着用量增加会使涂层分布变得不均匀，最终导致纸张表面强度降低，由此可以看出固色剂用量并非越多越好。

3.3 固色剂用量与图像质量的关系

通过对比涂布纸样打印图像的实地密度、网点扩大、清晰度和抗水性，分析固色剂用量对喷墨打印纸图像质量的影响规律。

3.3.1 对图像实地密度的影响

图5为固色剂用量对图像实地密度的影响。从图5可以看出，随着固色剂用量的增加，喷墨打印的黄、品红、青、黑4个颜色的图像实地密度不断增加，这是由于固色剂能够吸附墨水呈色剂，使更多呈色剂驻留在涂层表面，固色剂用量越大，涂层单位面积上正电荷密度就越大，能够与更多的阴离子颜料或染料发生反应，阻止颜料和染料的迁移[10]。

3.3.2 对图像网点扩大的影响

图6为固色剂用量对图像网点扩大的影响。从图6可以看出，固色剂用量为0的涂层，黄、品红、青、黑4个颜色图像网点扩大均最严重；添加了固色剂后，各颜色网点扩大都有不同程度的降低，可以看出，青、品红、黑3个颜色中间调（30%～60%）的图像网点扩大比较明显，黄色墨水从20%开始即有严重扩大，说明黄色墨水的横向扩散不易控制。固色剂用量不同对图像网点扩大的影响在亮调和暗调不明显，中间调区别较大，随着固色剂用量的增加，黄、品红、青、黑4个颜色的图像网点扩大程度减小。

3.3.3 对图像清晰度的影响

图像清晰度可以用线条的宽度变化来反映，线条越宽说明墨水扩散越严重，图像的细节越模糊，图像清晰度越差。图7为固色剂用量对线条宽度的影响。从图7可以看出，随固色剂用量的增加，线条宽度下降，线条宽度变化分为3段。当固色剂用量较少时，对线条宽度的影响不明显，如纸样固0与固3几乎没有太大区别；随着固色剂用量增加，线条宽度出现了剧烈下降；之后固色剂用量继续增加，线条宽度几乎一致，不再下降。这种变化说明固色剂用量达到一定值后，对图像细节和清晰度没有进一步改善的作用，对清晰度而言，固色剂用量5份为最佳用量。

3.3.4 对图像抗水性的影响

图8为固色剂用量对图像抗水性的影响，与线条宽度的变化类似。从图8可看出，虽然遇水前后颜色色差随着固色剂用量的增加而下降，但并不是持续下降，纸样固5基本达到最小色差，随后色差不再明显变化。这一现象表明了固色剂用量达到一定值后，图像抗水性将保持不变。固色剂最佳用量为5份。

4 结 论

本研究分析了喷墨打印纸涂层中阳离子固色剂的固色机理；研究了阳离子固色剂聚二甲基二烯丙基氯化铵（PolyDADMA）用量对涂料黏度、涂布纸表面性能以及喷墨打印图像实地密度、网点扩大、清晰度和抗水性的影响。

加入阳离子固色剂PolyDADMA能够改善图像质量，随着其用量的增加，能够获得各图像较高的实地密度、较小的网点扩大，提高图像细节清晰度，增强耐水性。但是固色剂超过一定量后，引起涂料黏度过大，涂布不均匀，涂层表面强度先增加后下降。当涂层中固色剂用量为5份（相对100份二氧化硅颜料）时，图像实地密度、清晰度和抗水性达到最佳。

参 考 文 献

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（责任编辑：常 青）