硅烷共聚物分散劑在噴墨打印紙涂層中的應用研究

高秀芳,樊 利,陳思雨

(樂凱膠片股份有限公司 河北 保定 071054)

0 引言

噴墨是一種非接觸、點陣式打印技術——墨滴由小孔直接噴射到介質表面的特定位置以形成圖像。隨著數字化技術的飛速發展,噴墨技術的發展日新月異,噴墨打印紙的質量不斷改進,彩色噴墨打印具備了良好的墨水吸收性、圖像清晰度高、色彩鮮艷、分辨率高、色密度高等特點,噴墨打印影像質量接近傳統照片的水平,噴墨打印已成為數碼成像的主要方式,而且被廣泛應用于海報、廣告、雜志等領域[1]。噴墨打印紙的好壞對輸出照片質量起著非常關鍵的作用。

噴墨打印紙由涂塑紙基、底層、吸墨層三部分組成[2]。涂塑紙基和底層成本基本固定,吸墨層的化工成本在整個噴墨打印紙成本中占25%左右。由于國內市場的競爭激烈,降低生產成本、提高產品質量是企業提高產品市場競爭力的一種有效手段。吸墨層主要成分為無機顏料和膠黏劑,在吸墨性達到使用要求的前提下盡可能減薄涂層厚度,從而達到降低生產化工成本的目的。

根據打印機種類、打印影像、打印圖形的不同,在實際打印中,噴墨打印紙的吸墨容量也有所不同,但圖像部分的噴墨量一般在20～60 g/m2[3]。照相用途的噴墨打印紙支持體一般都是RC紙基,支持體完全不吸收墨水,所以只能通過吸墨層吸收用來成像的墨水,通常需要40～60 μm厚度的涂層[4]。

硅烷共聚物分散劑,屬于高分子型分散劑,水油通用,其端基帶有可水解的硅烷鍵-Si(-O-CH3)3,可以水解產生對無機氧化物有極強親和力的硅醇鍵,特別適合分散無機納米氧化物粒子,也可作為無機納米氧化物的表面處理劑,不但具有良好的潤濕性,并可提供長久的穩定分散效果。

1 實驗

1.1 原材料和設備

涂塑紙基(高光型225 g)、聚乙烯醇(可樂麗PVA235)、氧化鋁粉(天津)、硅烷共聚物分散劑(上海)、樂凱表面活性劑1283、硼酸(天津福晨)。

梅特勒電子天平、恒溫水浴、日本PRIMIX高速分散攪拌機、RDS 75#涂布棒、X-RITE 310密度計、DJ520 粘度計、上海精宏DHG-9247鼓風干燥箱。

1.2 實驗方法

1.2.1 分散液的制備

根據表1中1～5#配方,按順序在燒杯中加入純水、鹽酸,高速分散機在10 000 r/min轉速下緩慢加入氧化鋁粉,待氧化鋁粉完全潤濕后加入硅烷共聚物,繼續攪拌分散60 min后停止攪拌,待用[5]。

表1 噴墨打印紙分散液配方

1.2.2 涂布液的制備

在1.2.1 制備好的分散液中加入消泡劑、聚乙烯醇溶液和表面活性劑和硼酸溶液,在300 r/min轉速下攪拌均勻,靜置,完成1～5#噴墨打印紙涂布液的制備。

1.2.3 噴墨打印紙制備

將1.2.2制備好的噴墨打印紙涂布液,用RDS75#涂布棒依次涂布在涂塑紙基上,在100 ℃干燥箱中干燥5 min,得到1～5#噴墨打印紙涂布樣片。

1.3 測試方法

1.3.1 分散液穩定性

在自然存儲條件下,將分散液樣品放置在試管中,每天用觀察法檢驗分散液體系隨時間的變化情況,估計它的保質期。

1.3.2 吸墨性和色密度

用EPOSON 805型號染料墨水打印機打印黃、品、青和黑四色標準色塊,肉眼觀察色塊干燥時間,并且用X-RITE 310色密度計測量四色塊的反射密度。

2 結果和分析

2.1 硅烷共聚物對分散液穩定性的影響

由于顏料顆粒為納米級,具有極大的比表面積和較高的表面能,在分散液(懸浮液)中容易發生團聚,導致分散液穩定性變差。通過觀察分散液的開始沉降分層時間,對分散液穩定性進行評價[6]。硅烷共聚物的加入對分散液穩定性的影響見表2。

表2 不同硅烷共聚物加入量的分散液放置穩定性

通過表2數據可以看出,隨著硅烷共聚物加入量的增加,分散液的穩定性逐漸提高,同時使得實驗室和車間的可操作性增強。

硅烷共聚物可以提高分散液的穩定性,是因為顏料顆粒表面的極性基團-OH等可與反應性的錨固基團Si-OH通過化學反應形成化學鍵而牢固結合。此時的錨固作用是通過共價鍵來實現的。圖1為官能團X,Y反應后分散劑在固體表面形成化學吸附。當兩個吸附有分散劑分子的固體顆粒相互靠攏時,由于伸展鏈的空間障礙而使固體顆粒彈開,從而不會引起絮凝,增加了分散液的穩定性。分散劑的空間穩定機理見圖2。

X/Y-OH/-NCO-OH/-COCl-COOH/-NCO-OH/-Si-OH圖1 官能團X,Y反應后分散劑在固體表面形成化學吸附

圖2 分散劑的空間穩定機理

2.2 硅烷共聚物對噴墨打印紙吸墨性的影響

吸墨性是評價噴墨打印紙對打印墨水吸收能力的指標。它的本質是吸墨層中的空隙對水的毛細吸附作用。吸墨層對墨水的吸收量愈大,吸墨性就愈好,反之則差。紙張的吸墨性差,吸收墨水的速度就慢,輕者打印后吸墨層干燥速度較慢,干燥時間延長,重則會形成堆墨現象。用1—5#涂布液制備相同厚度吸墨層的噴墨打印紙樣品,吸墨性見表3。

表3 不同硅烷共聚物加入量分散液制備的噴墨打印紙吸墨性

由表3數據可以看出,隨著分散液中硅烷共聚物用量的增加,制備的噴墨打印紙吸墨速度加快,吸墨能力提高,但是色密度會相應減小。

噴墨打印紙的涂層組分主要有:顏料、膠黏劑、固色劑、交聯劑、表面活性劑等,顏料是涂層中最主要的組分,質量上約占涂層的80%,膠黏劑和顏料是影響噴墨打印紙吸墨性的主要因素[7]。其中,顏料的分散粒徑和粒徑分布是決定吸墨性的關鍵因素之一。硅烷共聚物對分散液顏料顆粒粒徑和粒徑分布的影響見表4。

表4 不同硅烷共聚物加入量的分散液顏料顆粒粒徑和粒徑分布

由表4數據可以看出,隨著硅烷共聚物用量的增加,PDI變小,顏料顆粒粒徑均一性變好,而且D50變小。D50也叫中位徑或中值粒徑,D50常用來表示粉體的平均粒徑。從以上兩個參數可以看出,隨著硅烷共聚物用量的增加,顏料顆粒粒徑變小,粒徑均一性變好。

首先,噴墨打印紙必須在吸墨層孔隙和顏料粒子之間的微孔及顏料粒子自身所具有的中間孔中保持全部溶劑。打印時,墨滴到達紙張表面,首先通過吸墨層顏料粒子之間的空隙(微孔)開始滲透,即第一次吸收,接著進入顏料自身的微細空隙—中間孔中,即第二次吸收。微孔型噴墨打印紙吸墨層顏料粒子之間的空隙一般在1～10 μm,其容積大小決定了第一次吸收的速度和能力。顏料本身的微細孔隙一般在0.01～0.1 μm,其容積決定了第二次吸收的速度和能力[8]。通過調整孔徑分布,能控制第一次吸收和第二次吸收的速度,即孔徑的分布直接影響噴墨打印紙的吸墨速度。所以顏料的粒徑和粒徑分布是影響噴墨打印紙吸墨性的關鍵因素。

如果粒子大小差距大,小粒徑的顆粒勢必會填充到大粒徑之間的孔隙中,這樣顏料顆粒之間的孔隙容積就會相應減少,微孔比例降低,從而影響到吸墨層的第一次吸收的速度和能力,降低吸墨性。通過分散劑硅烷共聚物的加入,顏料顆粒粒徑分布的均一性變好,顏料粒子之間的微孔容積增多,提高了吸墨層第一次吸收的速度和能力[9]。

再者,硅烷共聚物分散劑屬于高分子型,溶劑化鏈(親油鏈)比傳統分散劑長, 溶劑化鏈在固體顆粒表面可形成足夠厚度的保護層,起到有效的空間穩定作用,并且增大了顏料粒子之間的距離,同樣提高了吸墨層第一次吸收的速度和能力。

隨著噴墨打印紙吸墨能力的提高,四色密度減小,是因為涂層的吸墨性增強,相應的固墨能力會下降,導致四色密度值減小。

總之,顆粒粒徑在一定范圍的情況下,通過硅烷共聚物的加入,粒徑分布均一性變好,顏料粒子之間的距離增大,大幅度提高了噴墨打印紙的吸墨性能,在固定墨量條件下需要的涂層厚度將越薄,化工原材料消耗降低了30%,提高了產品的利潤和在市場上的競爭力。

3 結語

通過硅烷共聚物分散劑對分散液穩定性和噴墨打印紙吸墨性影響的研究可以看出,硅烷共聚物的加入改善了分散液的穩定性,而且提高了實驗室和車間生產的可操作性。同時,硅烷共聚物的加入可以改善顏料分散液的粒徑和粒徑分布,提高噴墨打印紙的吸墨性,但四色密度值會減小。