梁虎南 龍 柱 楊淑蕙

（1.東北電力大學(xué)，吉林省吉林市，132012；2.江南大學(xué)，江蘇無(wú)錫，214122；3.天津科技大學(xué)，天津，300457）

彩色噴墨打印紙（以下簡(jiǎn)稱彩噴紙）的質(zhì)量主要決定于其吸墨涂層的性能［1-2］，顏料是影響涂層性能的主要因素。通常彩噴紙用顏料要求粒徑小、比表面積大、吸油量高。目前彩噴紙最常用的顏料主要是成本較高的SiO2。

膨潤(rùn)土是以SiO2和Al2O3為主要成分的層狀硅鋁酸鹽。酸化膨潤(rùn)土是將膨潤(rùn)土經(jīng)酸活化改性制成。在酸的作用下，膨潤(rùn)土層間的雜質(zhì)溶出，半徑很小的氫離子交換膨潤(rùn)土層中的鈉離子等平衡電荷，導(dǎo)致層間距擴(kuò)大，同時(shí)酸溶解了膨潤(rùn)土結(jié)構(gòu)中的部分鋁、鎂等。通過(guò)酸活化的膨潤(rùn)土，其孔道和孔隙結(jié)構(gòu)得到改善，孔容積增大，進(jìn)而增大了膨潤(rùn)土的電負(fù)性和比表面積，有利于膨潤(rùn)土的分散和對(duì)物質(zhì)的吸附，而且還可以提高膨潤(rùn)土的白度［3］。酸化膨潤(rùn)土廣泛應(yīng)用于吸附劑、催化、無(wú)碳復(fù)寫紙等領(lǐng)域［4］。本實(shí)驗(yàn)以價(jià)格較低的酸化膨潤(rùn)土為部分顏料配比制備了彩噴紙，并對(duì)其性能進(jìn)行了研究，以達(dá)到降低彩噴紙成本的目的。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

SiO2：上海焦耳蠟業(yè)有限公司；酸化膨潤(rùn)土：自制；顏料性能見表1。聚乙烯醇（PVA）：醇解度89％～90％，江蘇某紙廠提供；聚二甲基二烯丙基氯化銨（PDADMAC）：江蘇某化工廠提供；涂布原紙：70g/m2靜電復(fù)印紙，白度94.0％。

1.2 涂料組成

顏料100份，PVA用量25％～35％，PDADMAC用量2％～4％，分散劑用量0.4％，CMC用量1％，消泡劑用量0.05％。

表1 顏料的性能參數(shù)

1.3 涂布與干燥壓光

采用刮棒涂布器手工涂布，并自然干燥，干燥到一定干度后利用壓光機(jī)在1MPa壓力下通過(guò)2次壓光。

1.4 彩噴紙性能測(cè)定

色密度的測(cè)定：在Epson STYLUS PHOTO R270打印機(jī)上用CorelDraw 9軟件編輯出100％的C（青色）、M（品紅色）、Y（黃色）3種原色的滿版色塊，打印在紙樣上，采用X-Rite INC色密度儀（愛(ài)色麗，美國(guó)）測(cè)定各色塊的顏色密度。

洇滲［5］：通過(guò)打印樣板圖，然后肉眼判定的方法來(lái)確定洇滲程度，用5點(diǎn)法評(píng)定。1～5代表洇滲程度由重到輕，圖案清晰、無(wú)洇滲、無(wú)毛邊為5。

抗水性［6］：將打印黑色色塊的紙樣浸入25℃水中4min，隨后取出并干燥。通過(guò)浸水前后的色密度測(cè)量結(jié)果計(jì)算抗水性，數(shù)值越大耐水性越差。

采用荷蘭FEI Quanta 200掃描電鏡（SEM）觀察涂布紙表面。彩噴紙的其他物理性能按國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 酸化膨潤(rùn)土配比對(duì)彩噴紙性能的影響

由表2可知，隨著涂層中酸化膨潤(rùn)土配比的增加，彩噴紙的白度和不透明度逐漸下降，光澤度和平滑度逐漸升高。涂布紙的白度主要取決于顏料的白度及其覆蓋能力，酸化膨潤(rùn)土的白度低于SiO2，所以隨其用量增加，紙張白度下降。

表2 不同酸化膨潤(rùn)土顏料配比對(duì)彩噴紙性能的影響

顏料的粒度、粒度分布和形狀對(duì)涂層的白度、不透明度、光澤度等光學(xué)指標(biāo)有很大的影響［7］。要提高涂層不透明度，必須提高其散射系數(shù)。窄粒徑分布的顏料散射能力強(qiáng)，不透明度大一些［7］。本實(shí)驗(yàn)所用的SiO2顏料粒徑均為3μm，粒徑分布較窄。而酸化膨潤(rùn)土的粒徑在0.43～2.10μm［8］，具有較寬的粒徑分布。因此，純SiO2顏料粒子顯示出較高的散射系數(shù)，從而提高了涂層的散射系數(shù)，導(dǎo)致紙張不透明度高于含酸化膨潤(rùn)土顏料的紙張，而隨酸化膨潤(rùn)土顏料含量的增加，紙張的不透明度下降。

由表2還可見，隨著片狀的酸化膨潤(rùn)土顏料配比的增加，彩噴紙平滑度和光澤度升高，PPS粗糙度下降。一般來(lái)講，紙張的光澤度隨顏料粒度的下降而提高，減小顏料的平均粒徑同時(shí)適當(dāng)加寬粒度分布可提高光澤度［7］。Len Gate［9］指出，只有在表面粗糙度的平均值低于0.1μm時(shí)，才能獲得較高的光澤度，即涂層中顏料粒子的厚度應(yīng)低于0.1μm。即要獲得最大光澤度，顏料的最小方向上的尺寸最好在0.1μm以下，且在涂布及隨后的壓光過(guò)程中，顏料粒子的最小尺寸方向應(yīng)按與涂層表面相垂直的方向排列。這也是片狀顏料在相同粒徑下光澤度高的原因之一。

由表2可知，彩噴紙的油墨吸收性隨酸化膨潤(rùn)土用量的增加而降低。油墨吸收性能主要與涂層的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，包括顏料的孔隙結(jié)構(gòu)和顏料間的孔隙結(jié)構(gòu)。以窄粒徑分布的顏料配制的涂料涂層結(jié)構(gòu)有較大的孔隙直徑和總孔隙率［7］。SiO2的特點(diǎn)是比表面積大，能夠快速吸收油墨。膨潤(rùn)土雖然經(jīng)酸化改性比表面積有了較大的提高，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于SiO2的比表面積，所以酸化膨潤(rùn)土的吸墨能力不如SiO2。

另外，表2還可知，加入酸化膨潤(rùn)土后，彩噴紙的表面強(qiáng)度開始降低。表明酸化膨潤(rùn)土降低了紙張涂料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。顏料中的SiO2能夠與PVA間以物理吸附、氫鍵結(jié)合以及PVA長(zhǎng)分子鏈橋聯(lián)、纏繞SiO2粒子等方式形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而膨潤(rùn)土片層與PVA分子鏈間以物理方式交聯(lián)在一起，PVA與膨潤(rùn)土結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度要低于與SiO2結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度。另一方面，酸化膨潤(rùn)土的粒徑較小，添加酸化膨潤(rùn)土的紙張涂層含有較多的細(xì)粒子，這可能是導(dǎo)致紙張表面強(qiáng)度降低的主要原因。

光密度是指油墨打印到紙上形成圖案或字跡時(shí)油墨的密集性。通常，油墨的密度越高，成像的色澤越鮮艷，因此在保證其他指標(biāo)適宜的條件下，高的油墨密度可提供好的圖像效果。L值、a值、b值的大小表明色調(diào)再現(xiàn)的情況，可根據(jù)L、a、b值的大小判定偏色的程度。

顏料性能對(duì)彩噴紙的打印效果起著決定性作用［5］。由表2可以看出，含酸化膨潤(rùn)土紙樣的色密度和印刷色差與純SiO2的紙樣相差不大。顏料的比表面積、吸油墨量、液體轉(zhuǎn)移量的大小會(huì)影響涂層的油墨吸收性和打印圖像的網(wǎng)點(diǎn)圓度，同時(shí)顏料的吸光系數(shù)和散射系數(shù)對(duì)打印圖像的光學(xué)密度和色彩的鮮艷性產(chǎn)生一定的影響。為了滿足彩色噴墨打印紙的特性，一般選用比表面積大、吸油墨量大、液體轉(zhuǎn)移量大、吸光系數(shù)大而散射系數(shù)小的顏料作為涂層［10］。添加適量的酸化膨潤(rùn)土顏料，因其本身具有較強(qiáng)的吸附能力［3］，有助于快速固定油墨，同時(shí)寬粒徑分布的酸化膨潤(rùn)土散射系數(shù)較小，能夠保證與含純SiO2顏料的紙樣相同的印刷質(zhì)量。

液體轉(zhuǎn)移量衡量了涂布紙涂層從油墨中吸收液體的能力。噴墨記錄材料具有多孔性結(jié)構(gòu)，油墨中的液體被紙張空隙吸收，使打印墨點(diǎn)的密度大，圖像清晰，吸墨速度快，固墨性能好，墨水沒(méi)有流滲現(xiàn)象，墨點(diǎn)邊緣清晰。SiO2的比表面積大，能夠快速吸收油墨中的水分從而達(dá)到快速干燥，防止洇滲。酸化膨潤(rùn)土雖然是片狀結(jié)構(gòu)，但受酸化影響其結(jié)構(gòu)變得更加疏松，比表面積增大。這種結(jié)構(gòu)可能與SiO2一樣，使水分相對(duì)快速通過(guò)涂層，避免了側(cè)向擴(kuò)散，防止洇滲。

2.2 PVA用量對(duì)彩噴紙性能的影響

從表3可知，白度、不透明度和光澤度隨著PVA用量的增加而降低，而平滑度升高。聚乙烯醇作為單一膠黏劑時(shí)，由于其成膜性強(qiáng)，與顏料粒子相互作用強(qiáng)，形成的涂層孔隙體積小，表面封閉，光散射弱［11］，因而涂布紙的白度和不透明度隨PVA用量的增加而下降，平滑度升高。聚乙烯醇是水溶性膠黏劑，以其為膠黏劑的涂料形成的涂層有較粗糙的微觀表面，因而光澤度較低。同時(shí)，由表3還可知，彩噴紙的油墨吸收性隨PVA用量的提高而下降，這是由于PVA成膜能力比較強(qiáng)，涂料PVA用量高，干燥后涂層表面致密程度高，涂層透氣度低，油墨吸收慢所致。

另外，隨著PVA用量的增加，打印色密度有所提高，而對(duì)印刷色差影響不大。

2.3 PDADMAC用量對(duì)彩噴紙性能的影響

PDADMAC是陽(yáng)離子型的表面活性劑，主要起固色作用，從而提高涂層的耐水性（見表4）。由表4可見，隨著PDADMAC用量的增加，除表面強(qiáng)度外，彩噴紙白度、不透明度、光澤度、平滑度等指標(biāo)均呈降低趨勢(shì)。

同時(shí)由表4可見，色密度隨PDADMAC用量的增加而稍有升高，對(duì)印刷色差方面，各顏色的L、a、b值也較接近。紙張的抗水性能隨著PDADMAC添加量的增加而顯著提高。

PDADMAC具有較高黏度。隨著添加量的增加，涂料的黏度明顯增加，從而影響了顏料的均勻分散，涂層微觀平面粗糙度增大，光學(xué)性能降低。同時(shí)使顏料的比表面積逐漸減小，造成紙張吸墨速度逐漸減慢。而彩噴紙的抗水性能隨著陽(yáng)離子添加劑的增加而增強(qiáng)。陽(yáng)離子添加劑依靠與陰離子油墨結(jié)合形成的穩(wěn)定色料以阻止?jié)B色和防水來(lái)提高墨點(diǎn)的分辨率和耐水度。當(dāng)陰離子染料接觸到涂層中的陽(yáng)離子聚合物時(shí)，就會(huì)生成不溶于水的絡(luò)合物，從而將油墨固定在涂層顏料顆粒的表面，因此使噴墨油墨遇水再干燥后，不會(huì)發(fā)生圖像變模糊或色彩擴(kuò)散現(xiàn)象，即提高了印刷色密度和涂層的抗水性能。

表3 不同PVA用量對(duì)彩噴紙性能的影響

表4 不同PDADMAC用量對(duì)彩噴紙性能的影響

2.4 紙張表面掃描電鏡分析

圖1、圖2分別為采用100％SiO2和含20％酸化膨潤(rùn)土涂料制備的彩噴紙表面SEM圖。從圖中可以看出，彩噴紙表面有龜裂狀的涂層結(jié)構(gòu)，與文獻(xiàn)的結(jié)果相似［12］。有研究認(rèn)為，涂層表面的龜裂是由于膠黏劑PVA和SiO2顏料間在干燥過(guò)程中相互作用的結(jié)果。龜裂結(jié)構(gòu)增大了涂層中的空隙容積，有利于印刷油墨載體的快速浸透［12］。

另外，比較發(fā)現(xiàn)，圖2（b）顯示的涂層較圖1（b）中的涂層更為平滑，說(shuō)明添加片狀酸化膨潤(rùn)土顏料有助于提高涂層的平滑度，這與表2的結(jié)果一致。

3 結(jié)論

3.1 酸化膨潤(rùn)土顏料能夠提高彩噴紙的光澤度和平滑度，降低紙張的白度、不透明度、油墨吸收性和表面強(qiáng)度。含酸化膨潤(rùn)土的彩噴紙色密度與含100％SiO2顏料的紙樣相差不大。含酸化膨潤(rùn)土的彩噴紙均表現(xiàn)出良好的防洇滲性能。

3.2 增加PVA用量，彩噴紙的白度、不透明度、光澤度和油墨吸收性降低，而表面強(qiáng)度和平滑度升高，同時(shí)打印色密度有所提高。

3.3 隨著PDADMAC用量的增加，除紙張的表面強(qiáng)度外，其他物理指標(biāo)均呈降低趨勢(shì)。顏色的色密度隨PDADMAC用量的增加而稍有提高。紙張的抗水性能隨著PDADMAC用量的增加而增強(qiáng)。

3.4 彩噴紙涂層微觀形貌分析表明，添加酸化膨潤(rùn)土顏料能夠改善涂層的平滑度。

［1］Londo M.On-Machine Coating of Inkjet Paper Possible with Modified Kaolin［J］.Pulp ＆ Paper，2000（5）：37.

［2］Wedin P，Svanholm E，Alberius P C A，et al.Surfactant-Templated Mesoporous Silica as a Pigment in Inkjet Paper Coatings［J］.Journal of Pulp and Paper Science，2006，32（1）：32.

［3］姜桂蘭，張培萍.膨潤(rùn)土加工與應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［4］Mü?erref ?nal，Yüksel Sar?kaya.Preparation and characterization of acid-activated bentonite powders［J］.Powder Technology，2007，172：14.

［5］楊 寧，高鳳娟.彩色噴墨打印紙的研究［J］.中國(guó)造紙，2005，24（1）：1.

［6］尤 鵬，陳克復(fù)，趙傳山，等.Poly-DMDAAC在彩噴紙涂層中的應(yīng)用［J］.中國(guó)造紙，2006，25（6）：19.

［7］蓋恒軍，胡開堂.顏料粒度分布對(duì)涂層光學(xué)性能的影響［J］.紙和造紙，2003，22（4）：18.

［8］梁虎南，龍 柱，皮成忠，等.酸化膨潤(rùn)土的分散性研究［J］.中華紙業(yè)，2008（24）：48.

［9］Len Gate.涂布紙的光澤度［J］.陳祖恬，譯.上海造紙，1991，22（2）：60.

［10］陳健文.彩色噴墨打印紙的特點(diǎn)及影響其打印效果的主要因素［J］.湖南造紙，2003（1）：14.

［11］唐琿軍，宋 豪，于 鋼.聚乙烯醇在造紙涂料中的使用性能及其發(fā)展趨勢(shì)［J］.湖南造紙，2006（1）：19.

［12］James E C Jr，Margaret J，Dan F.Use of a Chemically Modified Clay as a Replacement for Silica in Matte Coated Ink-jet Papers［J］.Journal of Coatings Technology，2003，75（937）：75.