普通喷墨打印纸涂料配方的研制

普通喷墨打印纸涂料配方的研制刘艳新，赵传山(山东轻工业学院制浆造纸工程省级重点学科，山东济南250100)摘要:对喷墨打印纸涂料的组成——颜料，胶粘剂及微量助剂进行了探讨，并给出改善喷墨纸的打印性能的实验室最佳涂料配方关键词:喷墨打印纸;涂料;颜料;胶粘剂;微量助剂TheStudyofCoatingColorforPlainInk-JetPrintingPapersLIUYan-xin,ZHAOChuan-shan(ShandongKeyLaboratoryofPulpandPaperEngineering,ShandongInstituteofLightIndustry,Jinan250100,China)Abstract:Thecoatingcolorcompositions,whichincludethepigments,thebindersandthemicro-additives,fortheink-jetprintingpaperswerediscussedinthisarticle,andthebestformulationtoimprovetheprintabilityofink-jetprintingpaperswasalsogiven.Keywords:ink-jetprintingpaper;coatingcolor;pigment;binder;micro-additive随着电脑的普及与数码技术的发展，喷墨打印机的数量不断增加，尤其是彩色喷墨打印机逐渐进入普通家庭。喷墨打印机的发展又导致市场对喷墨打印介质需求量的增加。目前，市场上可见到的各种品牌的彩喷纸和普通的喷墨打印纸越来越多，但大部分都是进口的，像日本的EPSON纸和王子纸，美国的HP纸等，这些纸的价格都相当高，不是一般用户所能接受的。对打印普通文稿而言，一般都用静电复印纸代替，打印效果不好，而且毛刺现象严重。因此本实验针对该情况研制生产普通办公用喷墨打印纸的涂料配方，采用微量涂布的方式，力求在生产成本上有一个较大的下降，使得普通办公用喷墨打印纸能像静电复印纸一样得到广泛地应用。喷墨打印纸是在纸张表面涂上一层具有吸墨性的多孔性颜料或在涂层中能形成多孔性结构的材料，在纸的表面上形成一层良好的印墨接受层[1]。合理地选择涂料和涂布工艺，可以大大改善印墨的吸收能力和干燥速度，提高分辨率，打印密度，真圆度，保存性等性能以及减少印墨的洇色和扩散，从而提高打印效果，使之能适应高质量彩色喷墨的要求。1涂料配方的研制喷墨打印纸的涂料主要由颜料，胶粘剂及微量助剂等组成。颜料是涂料中的主要组成部分，占涂料总质量的70%或更多。它在涂布印刷纸中的主要作用就是填充，覆盖原纸的粗糙表面，以提高涂布印刷纸的平滑度，提高纸的白度和不透明度，使纸面达到预期需要的光泽度，如高光泽度，低光泽度和无光泽度，改善油墨吸收性以适应各种印刷形式的需要，改善纸页外观等[2]。1.1颜料的选择颜料主要是一些有吸墨性的多孔性的白色矿颜料或能在涂层中形成多孔性结构的材料，如二氧化硅，瓷土，碳酸钙，硅酸盐，二氧化钛，合成硅酸盐以及高分子树脂等。在这方面，专利报道得很多。目前，二氧化硅用得比较普遍，性能也较好[3]。但是在不同种类的SiO2中，最好是选择比表面积在200g/m2以上，吸油量在180mL/100g以上，细孔容积在1.2cc/g(粒径在300A时)以上的无定型Si02。这种Si02比表面积大，吸收能力强，可抑制印墨向x，Y方向扩散。与碳酸钙混合使用，可改善光泽度和平滑度，并有助于提高墨点的真圆度，如果添加了二价金属离子如:钙，镁等的SiO2，则能提高图像的耐水性能[4]。实验中的颜料主要选择碳酸钙和二氧化硅。碳酸钙分为重质碳酸钙和轻质碳酸钙，实验室中的重钙和轻钙的粒度图和扫描电镜如图1，图2所示。从图中可以看出，重钙和轻钙相比，颜料粒子较大，而且粒径分别较宽，虽然重钙可以降低涂料的粘度，但是其作用效果也不如轻钙，尤其在油墨吸收性和白度方面。轻钙由于其粒径大小和形状容易控制，决定了纸张具有较高的白度，不透明度，而且还能大大改善涂层的松厚度，并使纸张具有非常均匀的涂层孔隙及较高的纸面平滑度，同时涂层的遮盖性能也能得到明显改善，因此主要选用轻钙作为颜料。另外为了提高纸的打印质量，还配用少量的二氧化硅。1.2颜料的分散颜料的分散也称为白料的制备，主要是通过添加化学分散剂并施以足够的能量，以破坏颜料粒子絮凝团，使之处于较好的胶体化学分散状态。颜料分散得好坏主要以颜料液的粘度来表征，分散好的颜料的特征是分散液的粘度低，稳定性好，较长时间放置不会分层。1.2.1轻钙的分散1.2.1.1不同分散剂的影响目前国内造纸厂使用的分散剂较普遍的是DC分散剂(聚丙烯酸钠盐类)和六偏磷酸钠(或焦磷酸钠)两大类见图3，都是阴离子型分散剂。六偏磷酸钠作为分散剂时，对颜料粒子的吸附作用不及聚丙烯酸钠强烈，形成的双电层较薄，产生的排斥作用较低。1.2.1.2单一分散剂对轻钙分散液的影响从图4～9中可以看出，每种颜料的低剪切粘度随分散剂用量的变化的趋势相同，即随着分散剂用量的增加，分散液的粘度均表现出由高变低，至最低值后又由低变高，当粘度最低时，所对应的分散剂用量即为最佳分散剂用量，并且此时颜料的粒度也达到最小。产生这种现象的原因和分散剂的带电离子作用有关。分散剂(此处指的是聚丙烯酸钠和六偏磷酸钠)在水中离解为带正电的阳离子和带负电荷的阴离子。颜料粒子加入到分散剂溶液中，通过分子间的范德华力从溶液中吸附大量的阴离子而带上与被吸附的阴离子电荷相等的负电荷，同时在分散介质中留下了与吸附在颗粒上负电荷相等的阳离子电荷。在分散液中正负电荷平衡未变。然而颗粒表面有相当多的阴离子，邻近表面的一两个分子厚度的区域内，阳离子因受到强烈的吸附而与颗粒表面牢固的结合在一起构成了所谓固定吸附层或stern层，其余的阳离子则扩散地分布在stern层之外，构成双电层的扩散部分。见图10。这样，颗粒表面就形成了双电层反离子层，随着分散剂用量的增加，颗粒表面吸附的阴离子越多，吸附分散液中的阳离子电荷越多，扩散层离颗粒表面越远。当颗粒表面距扩散层为100埃扩散层产生的阳离子排斥力为最大，此时粒子外层带正电荷，由于同性离子的相斥作用，阻碍了颗粒再凝聚，使粒子保持良好的分散状态，反映在分散性上就是分散液的粘度降低。当颜料颗粒表面已吸附满了分散剂中的阴离子后，再继续增加分散剂用量，那么多余的分散剂只能留在溶液中，即分散液中离子浓度增加，使得双电层中扩散层被压缩，扩散层的逐渐缩小导致粒子表面电位的降低，粒子间静电排斥力逐渐减弱。因此粒子间因相互碰撞产生凝聚的机会增多，颜料分散液的流动性能逐渐变差，所以出现了颜料分散液低剪切粘度随分散剂用量的增大而由大变小至一最低值后又由小变大的变化[5]。1.2.1.3不同比例搭配的分散剂对轻钙分散液性能的影响在实验中我们发现对有些颜料粒子使用单一分散剂难以达到分散要求，如果使用两种分散剂复配，分散效果则明显提高，且分散剂用量没有增加，分散液的粘度比用单独的分散剂的粘度低，这种情形在颜料的分散中是常见的，这样不但可以提高分散效果，还可以增加白料的稳定性见图11～12。因此，在轻钙的分散过程中，一般选用两种分散剂进行搭配，分散剂的用量为0.5%(相对于绝干颜料)，m(DC):m(六偏)=80:20。1.2.2二氧化硅的分散实验中的二氧化硅是美国某公司生产的SYLOJETP400系列的微细无定形二氧化硅，它们的粒径控制好，粒径与孔隙率的可选择范围相当广，为各种涂料配方提供了很大的灵活性。SYLOJETP400系列可提供完美的色彩表现。达到最小的墨点及最大的涂层吸墨量。它的优点是:极佳的图像质量和光密度，提高打印分辨率，对墨水的高效吸附性能，墨水干燥快，提高涂层遮盖性，防止渗墨，提高涂布的流变性。二氧化硅的分散不同于碳酸钙和瓷土，由于二氧化硅的特殊结构——高的内孔隙结构见图13，其比重较小，因此在分散时用六偏或聚丙烯酸钠很难将其分散均匀，而且粘度较大。这种颜料分散液的固含量较低，因为它的高内孔隙结构，在分散时内外孔隙充满大量的水分。表1是不同的分散剂对二氧化硅分散液分散性能的影响，从表1可以看出，当用六偏或聚丙烯酸钠作为分散剂时，分散液的粘度较大，pH值在4～5之间，而这种二氧化硅的最佳分散pH值是3.5，当用实验室自制的分散剂DIS分散时其pH值就可达到理想值，为3.6。而且六偏和聚丙烯酸钠均为阴离子型的分散剂，用它们分散的颜料带负电荷，而DIS是一种以氧化铝为基础的阳离子添加剂，通过用它处理SYLOJET硅胶表面使其呈阳离子性，可以与阴离子型的碳酸钙混合均匀，它们的混合情况如图14所示。而且这种阳离子性能够促进对阴离子染料的吸附，当墨液渗透入多孔硅胶-颜料涂层时，阴离子染料被阳离子分子有选择的吸附，从而有助于在这些颜料体系中达到完美的图像质量。而且还可以改善纸打印时的黑光密度见图15。从中可知，DIS的用量取34g(相对绝干颜料)。表1不同的分散剂对二氧化硅分散性能的影响分散剂种类六偏聚丙烯酸钠DIS分散液粘度(mPa.s)492405163平均粒径(um)7.4397.3566.827pH4.34.73.6电荷(mv)-10.65-11.89+15.621.3胶粘剂的选择胶粘剂在涂料中是第二大组成部分，它的主要作用就是使颜料粒子及颜料与原纸间牢固地的结合，使涂层达到一定的强度，但是不会影响到涂布纸的其它性能，如白度，不透明度，油墨吸收性等。选取国内外不同的喷墨打印纸进行检测，方法如下:样品加几滴蒸馏水加1滴(0。01mol/L)碘液加硼酸晶体(几粒)硼酸晶体上出现浅蓝色，随后扩散说明有PVA存在;整个液滴面上出现暗兰色表示有淀粉存在;整个液滴面上出现红棕色表明有聚醋酸乙烯酯存在。按照此方法，可知国内外的喷墨打印纸.1.4微量助剂的选择微量助剂在涂料中的用量虽然很少，但是它们对涂料及涂布纸的贡献却是不可少的。主要选用的微量助剂包括阳离子固色剂，保水剂，润滑剂，增白剂，消泡剂，抗氧化剂等。为了保证图像色彩有一定的牢度，特别是彩色图像遇水再干燥后不会再发生图像变模糊或色彩扩散现象，由于喷墨打印使用的墨水染料多为酸性染料或直接染料等阴离子性染料，因此在配制涂料的过程中加入一定量的阳离子固色剂，当阴离子染料接触到涂层中的阳离子聚合物时，就会生成不溶于水的络合物，从而将油墨固着在涂层表面上，防止了墨水的渗透和扩散[6]，同时，也提高了打印图像的色彩密度。涂布纸从涂布到干燥过程中不可避免的存在着胶粘剂的迁移问题，尤其在干燥过程中，CMC是天然纤维素经羧甲基化等多元化学反应后生成的具有醚结构的衍生物，是一种高分子聚阴离子型化合物[7]。在涂料中被称作保水剂，它具有保持涂料中游离水分不逸出的能力。保水性好的涂料在干燥过程中，各组份在涂层中均匀分布[8]。这样，一方面避免胶粘剂过多向表面迁移，影响涂层油墨吸收性及返黄等;另一方面，防止胶粘剂和显色剂过多向纸页内部渗透，造成印刷时因油墨张力作用而掉粉或CF纸面显色谈等问题的出现。同时，CMC还可用作涂料的辅助胶粘剂。除此之外，其它的微量助剂，像抗氧化剂，消泡剂，增白剂等也会改善涂料及涂布纸的一些性能，由于篇幅，在此就不祥述了。2最佳涂料配方经过上述实验，选择最佳颜料，胶粘剂和微量助剂配成涂料，通过对国内外纸样及实验室纸样的检测分析，得出最佳涂料配方见表2。表2最佳涂料配方涂料组成轻钙二氧化硅PVA淀粉固色剂保水剂润滑剂增白剂消泡剂其他助剂份数8515251031.00.50.30.05～0.10.5～1.03结论1)生产一张好的喷墨打印纸，涂料中颜料的选择很关键，主要是考虑颜料的油墨吸收性，白度，粒径大小及形状等。油墨吸收性好，有利于油墨的快速干燥，同时颜料的形状尽量避免片状，因为片状结构会使墨水渗透时的方向不一致，造成洇色现象。2)通过对国内外纸样的检测分析可知，喷墨打印纸中涂料的胶粘剂一般都是采用PVA。由于PVA是水溶性胶粘剂，在涂料涂到纸上后容易发生胶粘剂的迁移，因此在涂料中考虑