硅鋁系噴墨涂層組裝技術研究

張麗惠,張嘉鋒,陳思雨,樊 利,柳 青

(樂凱膠片股份有限公司 河北 保定 071054)

0 引言

近年來,隨著人們越來越重視環境,減少污染物的排放,在某些程度上限制了傳統銀鹽影像行業的發展。噴墨打印技術污染物排放少,對環境友好,打印出的圖像質量逐漸接近傳統的銀鹽照片水平,噴墨打印影像輸出方式逐漸成為影像領域的新寵,噴墨打印紙作為噴墨打印的主要耗材之一,也得到了快速發展。噴墨打印紙主要功能是吸收并固定打印機噴射出的墨水,在涂層表面形成彩色的影像。噴墨打印紙根據涂層的吸墨機理可以分為孔隙型和膨潤型2類。其中孔隙型通過涂層微孔來吸墨,具有吸墨速度快、畫面和涂層均具有防水性等優點,受到市場的青睞[1]。按照吸墨顏料類型孔隙型分為鋁系(氧化鋁)、硅系(二氧化硅)[2-3]。硅系噴墨紙的涂層采用二氧化硅作為吸墨顏料,具有抗劃傷性好、耐折性差特點,在使用過程中產生涂層裂紋、折斷問題。鋁系噴墨打印紙的涂層采用三氧化二鋁作為吸墨顏料,耐折性好、抗劃傷性差,在使用過程中產生磨白和光斑問題。本文對硅鋁涂層組裝技術進行了實驗研究,綜合平衡硅系涂層和鋁系涂層的優缺點,以達到改良噴墨打印紙涂層的目的。

1 實驗

1.1 實驗原材料及設備

200 g高光型涂塑紙基(自制)、氧化鋁粉、硅溶膠、PVA235(日本Kurarry)、分散劑、改性劑、表面活性劑若干、硼酸。恒溫水浴、電子天平、高速乳化劑(上海)、坡流擠壓試驗涂布機、愛色麗密度計、粒度分布儀、光澤度儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 鋁系、硅系涂布液制備

將硝酸分散劑、去離子水、氧化鋁、PVA235溶液加入容器中,用高速攪拌在10 000 r/min速度下分散20 min,降速至1 000 r/min,加入表面活性劑繼續攪拌5 min,停止攪拌,超聲消泡,制備為鋁系涂液。

將硝酸分散劑、去離子水、硅溶膠、PVA235加入容器中,用高速攪拌在10 000 r/min速度下分散20 min,降速至1 000 r/min加入表面活性劑繼續攪拌5 min,停止攪拌,制備為硅系涂液。

1.2.2 噴墨打印紙制備

將1.2.1中制備的鋁系、硅系噴墨打印紙涂液,用坡流擠壓涂布機一次二層涂布在涂塑紙基支持體上,在50 ℃下吹風干燥,制備為噴墨打印紙。

1.3 評價方法

1.3.1 光澤度

光澤度是表示吸墨材料表面反射光的程度。其測定原理是,將定量的光照射到材料表面的某一點上,并確保材料上的光線以某一角度反射出來,當其反射的光線的反射超過了測試角度上的擴散反射時,材料表面反射的光就可以進入接受窗,儀器此時顯示的數值就是該材料的光澤度值。本文采用光澤度儀,按60°角度測定涂層的光澤度,測定過程參照國家標準《GB/T 21301—2007 噴墨打印紙》。

1.3.2 折射率

采用美國FILMETRICS公司的膜厚儀,型號:F-20。

2 結果與討論

2.1 硅系、鋁系涂層厚度組裝后對打印紙光澤度影響

硅鋁系噴墨打印紙的結構見圖1[4-6],其中支持體包含原紙基材、涂塑層1及其上底層、涂塑層2及其背面防靜電層,支持體厚度根據市場需求200～230 μm,其厚度不會對噴墨打印紙打印性能產生明顯影響;鋁系涂層作為吸墨層其厚度需滿足吸墨性要求,厚度一般需在30～35 μm;硅系涂層作為抗劃傷層厚度需要滿足抗化功能外,不能影響打印紙光澤度、吸墨等,需要對硅、鋁涂層進行厚度組裝,以便獲得打印紙的最佳綜合性能。

圖1 硅鋁系噴墨打印紙的結構示意圖

鋁系涂層厚度為30～40 μm,單層鋁系涂層光澤度45%,對硅涂層不同厚度進行組裝技術研究,硅系涂層厚度對打印紙光澤度影響見圖2,由圖中可以看出單層硅隨著硅系涂層厚度的增加,光澤度平均55%左右,變化不明顯;而硅鋁組裝后打印紙光澤度硅系厚度0.5 μm時光澤度58%、硅系厚度1 μm時光澤度最高達到了60%、硅系厚度1.5 μm時光澤度58%,均高于硅系單涂層的光澤度;之后隨著硅系涂層厚度的增加大于2 μm后,光澤度逐漸降低。

圖2 硅涂層不同厚度組裝前后的光澤度

這一現象可以從光學反射、折射原理解釋,當光線從一種介質(折射率為n0)進入另一種介質(折射率為n1)時,在兩種介質的界面處會發生反射現象。當光線垂直入射,反射率可以根據以下公式進行計算[7]。

(1)

當在折射率為n2透明材料上疊加一層厚度為d折射率為n1的透明涂層,當波長為λ的光線進入涂層時,涂層表面反射光和界面反射光會發生干涉現象,總反射率按照下述公式進行計算。

(2)

其中:n0為入射光所在介質的折射率(空氣折射率為1);

λ為光線的波長[8]。

當光線由空氣(n0=1)入射,且n1d=kλ/4(k=1,3,5…)時,總反射率公式就可以簡化為:

(3)

當折射率n1小于n2時具有防反射效果,反之折射率n1大于n2,則會出現反射率增加的效果;根據式3硅鋁涂層組裝后入射光發射率與涂層硅鋁涂層折射率相關,分別測試了硅系、鋁系單涂層折射率見表1。

表1 硅鋁系涂層折率

根據表1數據下層鋁系涂層折射率n2=1.458 7,上層硅系涂層折射率n1=1.557,也就是硅折射率高、鋁涂層折射率低,滿足n1>n2條件,導致了入射光線L0經折射后在硅鋁涂層界面處形成反射光L2與表面反射光L1光波同步干涉,總反射光L光波振幅增大,產生了總反射率增加現象,見圖3。且二者折射率差值較大,產生了較強的“增反效果”[9],使得硅鋁涂層組裝后光澤度大于單硅涂層光澤度,硅鋁系打印紙獲得了較高光澤度。

圖3 硅鋁涂層組裝后增反原理示意圖

3 結語

硅鋁系噴墨打印紙較好地平衡了硅系涂層和鋁系涂層的優缺點,抗劃性較好,耐折性較硅系涂層明顯改善,光澤度相對于純硅系和純鋁系涂層明顯提高,綜合性能最佳,硅鋁系噴墨涂層將會成為噴墨打印紙主流的涂層技術,硅鋁系噴墨打印將會成為噴墨耗材市場的主要增長點。