S MA表面施膠劑改善非涂布噴墨打印紙性能的研究

孫 姝 陳蘊智

(天津科技大學包裝與印刷工程學院,天津,300222)

·S MA表面施膠劑·

S MA表面施膠劑改善非涂布噴墨打印紙性能的研究

孫 姝 陳蘊智

(天津科技大學包裝與印刷工程學院,天津,300222)

采用不同型號的苯乙烯-馬來酸酐(S MA)分別對原紙進行表面施膠,比較研究了不同型號的表面施膠劑S MA對紙張物理性能和噴墨打印性能的影響。結果表明,H520在改善紙張噴墨打印性能方面要優于其他4種S MA;H520可使紙張透氣度降低99.9%,平滑度提高25.1%、吸水性提高122%,對紙張白度和不透明度的損失較小;在噴墨打印性能方面,H520可提高印品的色密度, C、M、Y、K分別提高9.1%、16.0%、1.3%和12.4%,可擴大暗調呈現范圍,墨點清晰度提高5.4%,改善色彩還原性50%以上。

S MA;表面施膠;非涂布紙;噴墨打印性能

(＊E-mail:sunshubnb@163.com)

Abstract:In this paper,different types of S MA surface sizing agents produced by Hercules and Sartomer of USA used for surface sizing on the uncoated papers to compare the effects of those sizing agents on the physical properties and ink-jet printability of the uncoated papers. The results showed that H520 produced by Hercules is superior to the other four kinds of S MA surface sizing agents in ink-jet printability improvement.In the aspect of paper physical properties,H520 can decrease porosity by 99.9%,increase smoothness and Cobb value by 25.1%and 122%respectively,while the whiteness and opacity are not decreased too much.In the aspect of ink-jet printability,it can enhance the color density of printed products,C,M,Y,K are increased by 9.1%,16.0%,1.3%and 12.4%respectively,it also can expand the range of shadows appearance,increase the dots resolution by 5.4%,improve the color reproduction more than 50%.

Key words:S MA;surface sizing;uncoated paper;ink-jet printability

目前,非涂布噴墨打印紙憑借其價格優勢,仍受廣大消費者的青睞,其需求量也在不斷上升。為了獲得理想的噴墨打印效果,在紙張生產過程中,需采用合適的表面施膠劑來提高紙張噴墨打印效果。具有代表性的表面施膠劑為苯乙烯-馬來酸酐(S MA),它是應用最廣泛的表面施膠劑[1-2]。本實驗以赫克力士公司和沙多瑪公司生產的不同型號的S MA為研究對象,考察了不同型號的S MA對非涂布噴墨打印紙的物理性能和噴墨打印性能的影響,優選出適合噴墨打印紙表面施膠用的S MA,以期為工廠實際生產提供理論依據[3]。

1 實 驗

1.1 原料

原紙(70 g/m2):深圳安興紙業有限公司;氨水:質量濃度28%,天津市江天化工有限公司;冰醋酸:天津市北方天醫化學試劑廠。

S系列(S3000和S3000I)和H系列(H520、H540和H550)的S MA分別由美國沙多瑪公司和美國赫克力士公司生產,性能參數見表1和表2。

1.2 儀器

研磨器、電動恒速攪拌機、電熱恒溫水浴鍋、刮刀涂布器、旋轉式黏度計、電子天平、標準厚度儀、分光光度計、反射式密度計、電腦攝影生物顯微鏡、印刷表面粗糙度測定儀(PPS)、紙和紙板吸水性測試儀、彩色噴墨打印機(EPSON#1720)[4]。

表1 沙多瑪公司生產的SMA性能參數

表2 赫克力士公司生產的SMA性能參數

1.3 實驗方法

(1)按照產品說明書所示的配方,用氨水和冰醋酸將不同型號的S MA制備成溶液,S3000、S3000I、H520、H540、H550溶液的濃度分別為0.10、0.15、0.13、0.10、0.10 g/mL。

(2)采用刮刀式涂布將S MA溶液施涂在原紙上,刮刀縫隙0.1 mm。S3000、S3000I、H520、H540、H550的表面施膠量分別為3.83、4.95、4.65、3.95、4.02 g/m2。

(3)按相關國家標準測定施膠紙張的白度、不透明度、透氣度、吸水性和印刷表面粗糙度。

(4)測定施膠紙張的噴墨打印性能,包括:色密度、階調、墨點清晰度、印刷色偏[5-6]。

2 結果和討論

2.1 不同類型S MA對紙張物理性能的影響

2.1.1 不同類型S MA對紙張白度的影響

不同類型的S MA對紙張白度的影響見圖1。由圖1可知,表面施膠后的紙張與原紙相比,白度均有所下降。施膠紙樣白度的降低是由于施膠劑的顏色所致,施膠劑顏色越深,所得紙張的白度越低[7]。H550和S3000施膠紙樣的白度相對較高。

2.1.2 不同類型S MA對紙張不透明度的影響

不同類型S MA對紙張不透明度的影響見圖2。由圖2可知,表面施膠后的紙張與原紙相比,不透明度均略有下降,這是由于紙張空隙被膠料填充,導致散射界面減少所致。S MA施膠紙樣不透明度由大到小的順序為:H540>H550>H520=S3000=S3000 I。少量的S MA并不會引起紙張不透明度的明顯損失,各種S MA對紙張不透明度的損失均小于1%。H540施膠紙樣的不透明度較高,較高的不透明度有利于減少紙張透明、透印現象。

2.1.3 不同類型S MA對紙張透氣度的影響

不同類型S MA對紙張透氣度的影響見圖3。由圖3可知,S MA施膠紙樣透氣度由大到小的順序為: S3000>S3000 I>H550>H540>H520。H520和S3000 I施膠紙樣的透氣度較原紙的分別下降了99.9%和67.5%,下降幅度較大。施膠劑分子質量是影響紙張透氣度的主要因素,分子質量越大,S MA成膜性增強,覆蓋紙張表面孔隙的能力越強,從而使得紙張透氣度降低[8]。噴墨打印時,控制紙張的透氣度有利于控制油墨向紙張內部過度滲透,從而提高印品光澤度和飽和度。H520表面施膠的紙樣透氣度最低,有利于噴墨打印。

2.1.4 不同類型S MA對紙張平滑度的影響

不同類型S MA對紙張粗糙度的影響見圖4。由圖4可知,S MA施膠紙樣粗糙度由大到小的順序為: S3000>H550>S3000 I>H540>H520,即S MA施膠紙樣的平滑度由大到小的順序為:H520>H540> S3000 I>H550>S3000。H520和S3000 I的平滑度較原紙分別提高了25.1%和19.5%。這是由于施膠劑分子質量越大,覆蓋紙張表面孔隙的能力越強,從而紙張表面平滑度就越高[9]。高平滑度有利于油墨在紙張表面形成均勻平滑的墨膜,從而提高印刷品的光澤度。綜合比較,H520在提高紙張平滑度方面效果更佳。

2.1.5 不同類型S MA對紙張吸水性的影響

不同類型S MA對紙張吸水性的影響見圖5。由圖5可知,H520施膠紙樣的吸水值明顯高于其他S MA施膠紙樣,且是原紙吸水值的2倍,能夠瞬間吸附墨水,有利于獲得優質的噴墨打印圖像。彩噴紙的最適吸水值在20～60 g/m2范圍內,過低、過高都會影響噴墨打印效果[10]。因此,采用H520對紙張進行表面施膠能獲得理想的噴墨打印效果。

2.2 不同類型S MA對紙張噴墨打印性能的影響

本實驗還重點研究了不同類型S MA對紙張噴墨打印效果的影響,具體檢測指標有:色密度、階調、墨點清晰度和印品色偏[11]。

2.2.1 色密度

采用X-Rite Color Reflection反射式密度計測量打印紙樣上的實地色塊密度。要提高打印圖像的色密度和色彩的鮮艷性,除油墨本身的因素外,非涂布噴墨打印紙的表面最好選擇吸收系數大而散射系數小的膠料進行表面施膠。色密度測量值越大,表明圖像中相應顏色的密度越高。

不同類型S MA施膠紙樣的CMYK色密度比較見圖6。由圖6可知,與原紙相比,S3000、S3000 I、H550、H540施膠紙樣的CMYK色密度有所降低;但 H520施膠紙樣的CMYK色密度較原紙的分別提高了9.1%、16.0%、1.3%、12.4%,這是由于H520的分子質量較大,在紙面上形成的表層有利于油墨的吸收,并降低光散射,進入人眼的光較多,視覺上顏色更鮮艷,所以,H520表現的色密度較好,能夠提高紙張噴墨打印效果。

2.2.2 階調

利用灰度級梯尺進行印品階調的測試,通過不同紙樣所能表現的灰階密度范圍來判斷不同類型S MA對印刷階調再現程度的好壞。灰階密度作為灰度的函數,曲線的斜率越大,說明紙張能夠表現的灰度范圍越寬,階調再現性越好[12]。

不同類型S MA施膠紙樣的灰階密度比較見圖7。由圖7可知,不同類型S MA施膠紙樣在10%～60%的灰階區域內,灰階密度相差不大;在60%～100%灰階區域內,各表面施膠紙樣的灰階密度差別較明顯。H540施膠紙樣與原紙相比,在10%～20%灰階區域,灰階密度相差不大;在20%～100%的灰梯尺斜率較小,階調再現范圍較窄,因而打印質量不如原紙。H550、S3000和S3000 I施膠紙樣與原紙相比, 在10%～80%灰階區域,密度相差不大,在80%～100%的灰梯尺斜率較小,暗調再現效果不好。H520施膠紙樣的灰階密度表現較好,灰階密度曲線較平滑,在60%～90%的灰階區域內暗調表現范圍較寬,而且曲線的斜率最大,圖像階調豐富,色彩飽和。這是由于H520的分子質量較大,有利于在紙面上形成光滑表層,使油墨在紙上的反射光較多,從而改善印刷的階調。因此,H520對灰階密度的表現最好。

2.2.3 墨點清晰度

本實驗采用Pixera Pro 600 ESDiractor T M顯微照片拍攝儀,在放大40倍下,利用CCD數字相機拍攝印品中黃色背景上直徑0.7 mm的圓形墨點。利用專業圖像分析軟件對印品顯微圖像進行分析處理[13]。處理步驟如下:

(1)將JPEG格式顯微照片在 ImageTool2.0軟件中打開。

(2)將GRB模式圖像轉換成灰度圖像,執行命令“處理-Color-to-grayscale”。

(3)將灰度圖像進行色域加強,執行命令“處理-Interactive Histogram Stretch”。

(4)進行“背景去除”處理,執行命令“處理—Background-Background Subtraction”,選擇初始灰度圖為第一張圖片,色域加強后圖為第二張圖片,兩圖片灰度值相減,去除圖像背景。

(5)將圖像進行閾值化處理,轉變為二值黑白圖像,執行命令“處理-閾值-自動”。

(6)分析二值圖像中黑白像素所占百分比,執行命令“分析-CountBlack/White Pixels”。

對于彩噴紙打印圖像,圖像的清晰度與圖像本身的像素、打印機的分辨率及紙張的解像力有關。利用I mageToll2.0處理印品顯微圖像過程見圖8。

圖8 ImageToll2.0處理印品顯微圖像過程示意圖

不同類型S MA施膠紙樣的黑色區域所占比例見圖9。黑色區域所占比例越大,表明油墨輪廓越清晰,再現性越好,紙張噴墨打印效果越好。由圖8可知,H520施膠紙樣的油墨清晰度要明顯優于其他S MA的,黑色區域所占比例比原紙的提高了5.4%。對比圖8(d)和(e)可知,S3000施膠紙樣的油墨清晰度優于S3000 I施膠紙樣的,且S3000施膠紙樣的黑色區域所占比例比原紙的提高了8.6%。這是由于H520和S3000的分子質量較大,有利于其在紙張上成膜,且H520和S3000自身吸水性較好,從而能夠提高油墨的附著。因此,H520和S3000的油墨吸收性較好,墨點圓度較好,羽化現象不嚴重,噴墨打印效果好。

圖9 不同類型S MA對印品輪廓清晰度的影響

2.2.4 不同類型S MA對紙樣印品色偏的影響

用CIELAB光密度計測量器測量不同類型S MA施膠紙樣不同顏色的光密度和L＊、a＊、b＊值。光密度值大說明墨點連貫性好,打印圖像色澤鮮艷。L＊、a＊、b＊值的大小可反映色調再現的情況;L＊值越大則色澤愈亮;a＊值的正值愈大則愈紅,負值愈大則愈綠;b＊值的正值愈大則愈黃,負值愈大則愈藍。因此,可根據L＊、a＊、b＊值大小判斷偏色程度。

色彩的還原性是指彩色噴墨打印紙與原圖像在色彩方面的一致性,是衡量彩噴紙打印圖像質量的重要標準。用EPSON#1720打印機,分別打印C、M、Y、K色塊。然后分別測定各種顏色的L＊、a＊、b＊值。比較原紙和不同類型S MA施膠紙樣打印后的印品與原稿之間的色差(用ΔL＊、Δa＊、Δb＊來表示),用ΔE=(ΔL＊2+Δa＊2+Δb＊2)1/2來表示紙樣的色彩還原性。色差越小則印品偏色越低,紙張色彩還原性越好。不同類型的S MA的L＊a＊b＊值的比較[14]見表1。

不同類型S MA對印品輪廓清晰度的影響見圖10。由圖10可知,與原紙相比,除了H540施膠紙樣的C、M油墨,其余的S MA均使印品的色差有所減小,色彩還原性更接近于原稿。紙樣大部分的色差都大于5,表明這幾種紙樣色彩還原性都不是很理想,但與原紙相比,經S MA表面施膠的紙張色彩的還原性能均有所提高,顏色鮮艷。不同的S MA對K油墨的色偏改善水平相當;對C油墨,S3000使印品的色偏明顯改善,比原紙提高了50.1%;對M油墨, H520使印品的色偏明顯改善,比原紙提高了62.8%;對Y油墨,H520使印品的色偏明顯改善,比原紙提高了59.3%。色偏有所改善是由于H520的分子質量較大,有利于油墨在紙張上形成墨膜,使油墨的反射光較多,視覺上顏色飽和度更大。因此, H520使紙張打印效果的色偏最小,打印效果最接近于原稿,對各種色彩的還原性較好。

表1 各種紙樣的L＊a＊b＊值

圖10 不同類型S MA對紙樣印品輪廓清晰度的影響

3 結 論

本實驗以赫克力士公司生產的H系列(H520、H540和H550)和沙多瑪公司生產的S系列(S3000 和S3000 I)的苯乙烯-馬來酸酐(S MA)為研究對象,考察了不同型號的S MA表面施膠對非涂布噴墨打印紙的物理性能和噴墨打印性能的影響。

3.1 H520是酸值較大的未酯化施膠劑,成膜性好,吸收強,能使紙張透氣度降低99.9%,紙張平滑度提高25.1%,吸水值提高122%,色密度增強(C、M、Y、K分別提高9.1%、16.0%、1.3%和 12.4%),增強暗調,墨點清晰度提高5.4%,色彩還原性提高50%以上。

3.2 H540、H550、S3000和S300 I的分子質量相對較小,酸值較小,從而不同程度地影響了其在改善非涂布噴墨打印紙性能方面的作用。

3.3 綜合比較得出,采用赫克力士公司生產的H520進行表面施膠能較全面地改善非涂布噴墨打印紙的噴墨打印性能,適宜噴墨打印。

[1] 張國運,楊軍勝.S MA型表面施膠劑的概況及應用[J].西南造紙,2005,34(3):20.

[2] 張國運,鄭 爽.苯乙烯馬來酸酐共聚物乳液的合成與應用[J].中國造紙,2007,26(10):19.

[3] 白力坤,徐建峰.新型S MA化學品在紙和紙板表面施膠中的應用[J].造紙化學品,2009,21(3): 5.

[4] 杜偉民.紙和紙板施膠劑的研究進展[J].造紙化學品,2009,21(3):34.

[5] 崔建同,趙傳山,趙媛斐.表面施膠和微量涂布改進噴墨打印紙的性能[J].中華紙業,2008,10 (14):32.

[6] 張 瑩.提高非涂布紙打印質量的研究[D].天津:天津科技大學,2005.

[7] 張新明.噴墨打印紙主要質量指標及其影響因素[J].湖南造紙,2007,7(3):9.

[8] 劉武輝,胡更生,王 琪.印刷色彩學[M].北京:化學工業出版社,2004.

[9] BrungardtB. Improving the efficiency of internal and surface sizing agents[J].Pulp and Paper Technical Association of Canada,2007,98(12):152.

[10] Janardhnan S,SainM,PervaizM.Novel S MA chemistries in surface sizing of paper and boards[J].Pulp and Paper Technical Association of Canada,2006,2 (7):283.

[11] Ranson,Brine W.New Surface Size Option Maintains Performance Lessens Internal Sizing[J].Pulp&Paper,2004(7):12.

[12] Thomas Schuman,Magnus W ikstrom,Mikael Rigdah1.Coating of surface-modified paperswith poly(vinyl alcoho1)[J].Surface and Coating Technology,2004,18(3):96.

[13] Ning Y,Yulin D.Paper SizingAgents from Micelle-Like Aggregates of Polystyrene-Based Cationic Copolymers[J].Journal of Pulp and Paper Science,2000,7(7):2067.

[14] 閆志強,洛光林.彩噴紙打印質量的監測方法分析[J].印藝采風,2007,12(3):19.

(責任編輯:陳麗卿)

I mprovement of Ink-jet Pr intability of Uncoated Paper by Us ing SMA Surface Sizing Agent

SUN Shu＊CHEN Yun-zhi

(College of Packaging&Printing Engineering,Tianjin University of Science&Technology,Tianjin,300222)

孫 姝女士,在讀碩士研究生;主要研究方向:印刷材料及適性。

TS727+.5

A

0254-508X(2010)04-0014-05

2009-11-11(修改稿)

本課題為天津科技大學科學研究基金項目(項目編號20080217)。