淀粉/聚乙烯醇表面施胶改善宣纸喷墨印刷性能的研究

耿孟琛，陈金玲，张正健，顾 翀，万超宇

(天津科技大学轻工科学与工程学院,天津300222)

随着社会发展和人们生活水平的不断提高，人们对文化艺术的奢求也不断提高。作为文化艺术精华的国画，被越来越多的人所喜爱，已经走进更多的家庭，并成为馈赠亲友、社会交往的礼品。然而，由于国画价格和数量的原因，更多的人没有办法得到真品。因此，对国画的仿真复制越来越多，而作为古典书画用纸的宣纸成为了国画复制重要的承印材料[1]。

近年，喷墨打印技术得到了快速发展，为复制出大量精美的国画艺术品提供了新方向，但若直接使用普通宣纸进行彩色喷墨打印，会产生纸张透印、光泽度差、图像不清晰、色彩饱和度低等问题。针对上述问题，可以在其他条件符合要求的前提下，通过改善宣纸性能，制成具有强度高、质感好、图像清晰精致、效果传神逼真、成本低、可装裱等特点的喷墨印刷施胶宣纸[2-5]，从而提高国画复制的质量。

宣纸施胶用胶料的主要成分可选择性能优良的淀粉和聚乙烯醇。淀粉产量多，来源广泛，价格便宜，是比较环保的可再生能源[6]。经改性后的阳离子淀粉制备工艺成熟，可提高胶料的生产运行性能和流变性能，使胶层形成一层均匀的多孔状结构，再加上其正电离子，使得胶层的油墨吸收性能变好。因此，改性阳离子淀粉可以改善纸张的物理性能和呈色效果，具有减少纸张透印、掉毛、掉粉、提高纸张的印刷性能、使印品具有更好的光泽度等优点[6-7]。聚乙烯醇的黏结力强，亲水性能好，成膜性能优良，可有效改善纸张的表面强度和表面吸收性能。同时，淀粉和聚乙烯醇具有良好的协同作用，将二者配合使用，可得到性能优良的施胶纸张[8-9]。

本文以淀粉和PVA 为主要原料，配制不同配方胶料，对宣纸进行施胶，研究胶料配方对宣纸物理性能和呈色性能的影响，从而获得适于宣纸施胶、利于喷墨印刷和提升国画印刷复制质量的胶料配方。

1 实验

1.1 实验材料与试剂

宣纸（定量约45 g/m2，平滑度2 s，端本堂国产宣纸）；淀粉（阳离子淀粉，白色粉末，型号SP－1，广西明阳生物科技有限公司）；聚乙烯醇（白色粉末，型号PVA－1788）；消泡剂（固含量为33.8%，型号B－105，广东中联邦精细化工有限公司）；聚丙烯酸钠（分散剂，固含量为43%，南通裕泰化工有限公司）；固色剂（固含量为46.25%，型号NF－30，杭州绿兴环保材料有限公司）；保水剂为CMC（山东太阳纸业企业)；甘油（天津赛帆化工有限公司）。

1.2 主要实验设备

DCP－KZ300 型电脑测控抗张试验机，四川长江造纸仪器有限责任公司；PDA.C 型动态渗透分析仪，德国Emtec 公司；STYLUS PRO 4880C 型喷墨打样机，日本EPSON 公司；X－Rite 528 型分光光度计，美国爱色丽色彩仪器公司；30 号涂布计量棒，四川长江造纸仪器有限责任公司。

1.3 实验方法

1.3.1 胶料制备

（1）淀粉糊化：将淀粉用去离子水配制成质量分数10%的悬浮液，在三口烧瓶中搅拌浸润30 min，然后于90 ℃恒温水浴中搅拌糊化30 min，降温至60 ℃备用。

（2）聚乙烯醇溶液的制备：在PVA 中加入去离子水配成质量分数20%的悬浮液，进行水浴加热并搅拌，当温度升至90 ℃时保持该温度，再继续搅拌50 min，冷却至室温备用。

（3）CMC 保水剂制备：称取一定量的CMC，加入去离子水配制质量分数7%的悬浮液，在90 C°的水浴锅中加热，低速搅拌至CMC 粉末完全溶解，冷却至室温备用。

（4）胶料的制备：按照表1 胶料配方要求，将所有的原料以合适的分量混合，搅拌均匀。通过改变淀粉与PVA 的份数比，分别配制出5 组胶料。其中，各组分的绝干质量比用“份”表示。

表1 胶料配方

1.3.2 宣纸的表面施胶

以纵向为长度方向（长边直丝绺），将宣纸裁切成A4 大小的试样，采用30 号丝棒进行施胶，施胶量要控制在3～6 g/m3，室温干燥。

1.3.3 纸张抗张强度测试

依据GB/T 12914—2018《纸和纸板抗张强度的测定》，采用抗张试验机进行测试。

1.3.4 动态渗透性能测定

以去离子水为测试液，采用动态渗透仪分析仪进行测试。将试样通过专用双面胶带粘贴在测试头上，压紧试样，设置参数，选择高水位，超声波频率为2 MH，测试时间12 s，通过去离子水与宣纸接触时超声波能量的变化表征水在纸张上的动态渗透情况，得出超声波能量强度随着时间变化的曲线。

1.3.5 喷墨印刷性能测定

采用喷墨打印检测版，以宣纸试样为承印材料，通过喷墨打样机进行样张输出。采用分光光度计检测喷墨打印试样的印刷色密度和阶调，并得出网点扩大和相对反差。

2 结果与讨论

2.1 抗张强度性能分析

图1 为施胶对宣纸抗张强度的影响。施胶宣纸的抗张强度均大于未施胶宣纸（原纸），说明施胶可以明显提高纸张的强度，有利于提高宣纸的喷墨印刷适性。这是因为淀粉/PVA 的黏合性使纤维与纤维及纤维与胶层之间结合在一起，填充了宣纸中的孔隙，增强了各组分之间的相互作用力，从而提高了宣纸的强度，改善了纸张的形态稳定性能，提升了纸张印刷适性[10－11]。针对1 号至5 号施胶宣纸，随着PVA用量的减少，纵向和横向抗张强度均呈现下降趋势，纵向抗张强度的变化趋势比横向抗张强度更明显，这是因为聚乙烯醇的黏结强度要优于淀粉所致。

图1 施胶对纸张抗张强度的影响

2.2 动态渗透性能分析

由于宣纸的表面多孔，渗透能力强，如果直接喷墨打印，会出现墨点快速渗透到纸张内部，导致喷墨印刷网点色密度降低、形状不规则、印刷质量降低等问题。因此，采用动态渗透分析仪，基于超声波在水中的衰减小、在空气中衰减大的原理，通过其能量随着时间的变化，可以分析纸张的动态渗透特性，从而预测出纸张的喷墨打印性能[12]。图2 给出了试样的动态渗透情况。

图2 施胶对纸张动态渗透性能的影响

从图2 可以看出：未施胶宣纸的超声波能量强度最大值（Max 处）只能达到33.57%，远远小于施胶宣纸，这是因为未施胶宣纸对水的吸收速度快、且不均匀，产生气泡多，使超声波能量接收值难以达到100%的强度。宣纸经施胶后，表面形成一层胶层，有利于水的整体均匀渗透，超声波能量强度呈现先增加后降低的趋势。对比不同施胶宣纸的tmax（能量达到最大的时间）和t95（能量降至95%的时间）可以看出：不同施胶宣纸的tmax值比较接近，说明纸张表面都形成了均匀胶层；然而，由于淀粉和PVA 的物理化学性能不同，成膜效果和协同作用存在差异，所以导致t95有所不同；还可以看出，4 号和2 号试样的t95值较大，胶层抗拒水渗透的能力较强，1 号、3 号和5 号试验能够较好控制水在胶层表面的渗透，从而获得较好的渗透性能。

2.3 呈色性能分析

2.3.1 实地色密度

图3 给出了施胶对宣纸实地色密度的影响。由图3 可知：各配方施胶宣纸的各色密度均有所提高，其中1 号、3 号和5 号配方施胶宣纸的实地密度相对较高，这与动态渗透分析所得结论一致。其中，5号配方施胶宣纸的青色墨、黑色墨和品色墨密度均达到最高值，1 号配方施胶宣纸的品色墨密度最高。总体对比分析发现，5 号配方在改善宣纸实地色密度方面优于其他配方。这是由于PVA 作为合成胶黏剂具有优异的强度和成膜性能，而淀粉作为天然胶黏剂具有较好的开放结构，二者协同施胶后，能产生较好的协同作用；经过施胶后宣纸的渗透性能得到有效控制，更加适合于喷墨打印，实地印刷密度得到提高，印刷出的颜色更加鲜艳逼真。

图3 施胶对宣纸实地色密度的影响

2.3.2 阶调再现

图4 中的A、B、C、D 分别给出了施胶对CMYK四色颜色阶调再现的影响。如图4所示，通过测量网点面积率10%至100%的CMYK 四色密度，绘制阶调再现曲线，曲线的斜率越大，彩色纸张的范围越大，阶调再现越好。整体上看，施胶宣纸的阶调再现范围均优于原纸，其中5 号配方施胶宣纸在各色油墨中阶调再现性最优，其原因在于淀粉和PVA 的协同作用不仅控制了墨滴在纸张表面的渗透和扩散，还通过淀粉与墨水的正负电荷作用，提高了其阶调再现范围，有利于国画的高保值复制[6]。

图4 施胶对宣纸阶调再现的影响

2.3.3 网点扩大

图5 中给出施胶对CMYK 四色网点扩大的影响。由图5 可以看出，经过施胶后，特别是1 号、3 号和5 号配方，各色油墨的网点扩大现象都有不同程度的改善。其中针对青色油墨，5 号施胶宣纸的网点扩大程度较其他纸张更小；对于其他颜色油墨，在网点面积率0～50%的部分，3 号施胶宣纸的网点扩大程度较小，在50%之后，5 号施胶宣纸的网点扩大程度较小。综合对比分析得出，5 号配方相对较好，这是因为淀粉和PVA 之间较好的协同效果，减小了墨滴在承印物胶层表面发生的渗透和扩散现象，有效降低了网点扩大，提升了纸张的喷墨印刷性能。

图5 不同配方施胶宣纸的网点面积扩大值

2.3.4 相对反差分析

在印品质量检测过程中的相对反差反映了密度之间的内在关系，当墨水量较多时，网点区域增大、相对反差降低，虽然此时墨水的饱和度高，但色调水平和清晰度差。当墨水量较小时，实地密度不协调，相对反差度也降低，此时，虽然网点扩大率小、清晰度高，但是整体图像饱和度不高，颜色再现较差。因此，相对反差度越接近1，打印质量越好。

各配方施胶宣纸的相对反差值见图6。由图6可知：对于CMYK 四色油墨，未施胶宣纸的相对反差相对较小，印品质量较差，施胶能够有效增加喷墨印刷相对反差，提高印刷效果。从整体上看，在施胶宣纸中，5 号配方施胶宣纸的相对反差最大。因此，要想获得理想的喷墨印刷相对反差，需要合理选择施胶配方，优化施胶工艺，获得优质宣纸胶层。

图6 施胶对宣纸喷墨印刷相对反差的影响

3 结论

本实验采用控制变量法，研究了淀粉与PVA 施胶对宣纸抗张强度、动态渗透性能和呈色性能的影响。结果发现，经过施胶后，宣纸的抗张强度性能明显提高，动态渗透性能得到有效控制，呈色性能获得较大改善。综合得出，当淀粉与PVA 绝干质量比例为14:6 时，能够较好地改善宣纸的喷墨印刷适性。