聚乙烯醇黏合劑對噴墨打印質量的影響

聚乙烯醇黏合劑對噴墨打印質量的影響

該項研究的目的是闡明聚乙烯醇作為黏合劑，在涂層和孔隙結構形成中的控制作用，以及其對高速噴墨圖像的形成所帶來的影響。結果表明：顏料的類型和黏合劑的用量對孔洞結構的形成有重要作用；聚乙烯醇能夠轉移到顏料孔隙內，而且由于聚乙烯醇的膨脹作用，使其能堵塞直徑大約是30 nm的孔隙，這主要取決于黏合劑的用量；對紙張光學性能的影響因素，不僅僅是涂層，最重要的是相關的打印密度；但是，當考慮油墨滲透時，涂層本身的性質將起主導作用。

在印刷高速商業化的過程中，水性油墨的使用不斷增加，這對紙張表面的親水性和吸水性都提出了要求。這也就迫切需要研發一種以控制噴墨印刷性能為特征的基礎涂料。然而對于顏料和相應噴墨打印紙涂料與黏合劑的相互作用，以及其對涂層孔隙結構的作用，并沒有引起人們的高度重視。

對于有色涂料使用噴墨方式進行印刷，聚乙烯醇（PVA）是一種應用十分普遍的黏合劑，其具有很強的黏合染料的能力，在與水結合時能增加其潤脹能力。有研究發現，用PVA不僅能抑制油墨分散，并且在用TOF-SIMS分析PVA層時發現色料的集中面是均勻的。其次，黏合劑種類對噴墨打印密度以及其流出成形有影響，然而目前還沒有黏合劑在Versamark VX 5000e的噴墨打印質量成形的潤脹趨勢的研究。

本研究主要目的是要解釋：（1）PVA在多孔CaCO3涂料層中，作為潤脹型黏合劑的作用；（2）多孔性以及孔隙直徑在噴墨成形過程的作用；（3）PVA涂層在高速噴墨印刷過程中對顏料基涂料成形的影響。

1 材料和方法

1.1 涂層的組成和涂層試驗

CaCO3顏料。根據不同的粒徑和比表面積來選擇CaCO3顏料。表1顯示了按顏料粒徑和顏料比表面積的分類情況（MCC表示改性碳酸鈣）。

表1 按顏料粒子的直徑和顏料比表面積的分類情況

所選擇的涂料黏合劑是PVA，其水解度是（87.7±1.0）%，相對分子質量為 204 000 g/mol。

首先研究了純顏料的性能。由公式計算得出在玻璃盤中的顏料餅和100 g/m2的涂料層。這些顏料餅是用Teflon模型鑄成的，在23℃下進行干燥。玻璃盤被用夾距為100～500 μm的刮刀涂布器涂布制成涂層。

原材料（GCC、PCC和MCC）的粒徑由其沉積作用或者采用激光分散法進行測定。涂料含PVA為10%時，pH和Z電位也會影響涂料的顏色。所有顏料帶有正電性，這能夠吸引帶負電的油墨染料，從而防止其透印，同時也會使顏料和色料在涂料表面聚集，并達到最大密度。電荷的相互作用也能保證油墨在水中的牢固性。

用Si-oil孔隙率儀吸收來測定孔隙結構的液體攝取量。在油的吸收過程中，顏料餅在Si-oil中停留1 h，分別測量顏料餅的初始質量和Si-oil飽和質量。在常壓下，油墨吸收多孔性的定義是涂料餅吸收的Si-oil體積，除以涂料層的總體積，然后乘以吸收的Si-oil體積。

孔隙的體積和分布通常用水銀孔隙率儀測量，采用Pore-Comp校正來說明擴張透度計、水銀柱和簡單的骨料所產生的壓力，通常被稱作彈性體積系數。涂料隨著黏合劑用量的變化，其產生的壓力在140～440 Pa之間變化。采用鍍膜玻璃盤，是將盤子放在洗脫液中用TLC分析，即洗脫液流動一定距離所需的時間。涂料層的光學性能用洗脫液攝取量和距離的函數關系來表示，比如，不透明度根據ISO標準2471：2008來測定。鍍膜玻璃盤后面的一些吸墨紙板用作最后一層涂料。

KCL實驗涂布機用于傳統原紙大范圍的涂布，而這些傳統原紙通常被用于生產定量為53 g/m2的銅版紙。印刷原紙首先要進行預涂布，以便最上層的涂層能阻止油墨滲透到紙張中。用薄膜涂布機中，預涂在紙張的兩面涂布量為7 g/m2。事實上，在短期的應用時，研究的涂布量是8 g/m2。預涂使用100%的GCC和12%的丁苯膠乳以及0.6%的羧甲基纖維素。最上面涂布層的配方如表2所示。涂布速度為1 800 m/min，并且最后涂布的含水量為質量分數5%。

表2 最上面涂布層的配方 w/%

本研究對在噴墨成形過程中單獨使用的顏料的作用進行了研究，以便能夠詳細地說明顏料和黏合劑結合使用時的相互作用情況。在這種情況下，本實驗采用涂布機KCL SAUKKO，使用噴墨器和刀片進行涂布。涂層是用圖1中2個紅外干燥器進行干燥。

圖1 KCL SAUKKO裝置圖

網子的運行速度是900 m/min，在實驗涂布中使用相同的紙樣。基于本實驗方案，選用PVA為黏合劑，其用量為10%。該用量能夠達到商業所需求的強度和抗塵性能。生產涂層的結果圖如表3所示。

表3 涂料涂層的結構圖解

單一涂層并沒有達到涂層涂布量為10 g/m2的目標。同時，由于低固含量和低黏度的涂料顏色限制了涂層的厚度，因此，必須使用2次相同的涂料顏色。

使用Parker-Print Surf（壓力為20 kPa）測量與測定涂布紙的空氣滲透率。根據ISO 2471：2008標準測定不透明度，根據ISO 9416測定光散射系數。涂布紙的表面張力用IGT根據ISO 3783用中等黏度油進行測量。染料的吸收時間用DIGAT測定。帶負電荷堿性染料的油墨使用量是8 g/m2。涂料層的表面結構采用SEM進行表征。

1.2 噴墨印刷表面實驗

噴墨印刷在VX 5000e上進行實驗，這種連續噴墨技術能夠產生噴墨液滴。油墨就是堿性染料，并且其主要的稀釋劑是水。油墨的表面張力，基于不同顏色的顏料時在一個很小的范圍內（51～55）變化，黏度為1～2 mPa·s。打印速度是100 m/min，并且烘缸和干燥熱空氣溫度分別設置為80℃和100℃。

印刷表面的打印密度采用Gretag Macbeth D 196測量。照相機和掃描系統被用來分析其滲色，就流動距離而言是從正常顏色邊界開始的。在攝像系統中，打印出來、用成像相機拍攝的圖片，是用來界定噴射邊界，并且構建了一個橫向的灰度級剖面。通常的寬度邊界的測量是2個點（A到B）的距離。點A是橫表面的成像，其比暗區域亮10%，B點比給定背景暗10%。黑色表面灰度值為254，并且在打印之前都為未打印的紙張調整為170。正常邊緣寬度表示噴墨的距離。邊緣寬度值越小，表示噴射線越明顯。在掃描儀系統中，分別使用了愛普生Perfection V 700和2 400 dpi分辨率的鏡頭。灰度值用相同的辦法用影像分析系統定義點A和點B，但是現在A比最暗區域亮15%，B點比背景暗15%。灰度值由精細的攝像系統進行調節。在這些方法中，光學性能不同就會導致結果的不同。用掃描系統分析打印產品的斑點。印刷表面是用300 dpi分辨率的愛普生Expression 1680 Pro掃描儀進行掃描。掃描的數值用波浪轉化（wavelet transform）來進行處理。油墨顏色吸收通過LRWhite樹脂嵌入打印表面來分析。嵌入的樣品放在冰箱里以防止染料被弄臟，再用光學顯微鏡來進行觀察橫剖面。

2 結果

2.1 PVA和涂料層的孔隙形成

本研究采用涂層餅材料來研究涂料層內部的結構，并最小限度地減小測定涂布餅帶來的與涂布紙測定存在的差異。用Si-oil吸收來分析涂料餅的吸收量。正如預期的那樣，用這種方法進行測量，隨著黏合劑用量的增加，孔隙率降低。黏合劑用量為10%時，粒徑較小的MCC和PCC微粒顏料的孔隙率處于同一水平上。粒徑較大的涂料能產生最高的孔隙率。這也說明了微粒聚集的特征。圖2為顏料餅的吸收性能與PVA黏合劑的關系（用Si-oil吸收方法測量所得）。

當考慮原紙的影響和涂料層用量時，涂料層的孔隙率可以用水銀柱計算獲得。涂料層累積增加的孔隙體積如圖3所示（黏合劑用量為10%時，用水銀孔隙率儀測量）。

由圖3可見，大粒徑的PCC涂層產生最大的孔隙體積，并且有更多的大孔隙出現。而GCC和小粒徑的MCC中產生最小的孔隙體積。

Si-oil孔隙率儀和水銀孔隙率儀測量結果有很強的關聯性，見圖4（黏合劑用量為10%時，用水銀孔隙率儀測量）。

圖2 顏料餅的吸收性能與PVA黏合劑的關系

圖3 累積孔隙體積分布與孔隙大小的關系

用水銀孔隙率儀在高壓下進行分析時，其結果會有略微的不同。因為水銀流入最后階段的壓力，能夠有效地固定住作為多孔材料的任何彈性組分。聚合物，尤其是黏合劑要承受這樣的壓縮作用，結果就是在壓力增加和降低時，滲入和擠出曲線之間出現滯后現象。這個彈性區域斜度的大小，是由膨脹系數決定的并與其相關，它表示了材料的可壓縮體積。涂布紙的膨脹系數是基于大粒徑PCC使用量為10%時，PVA在壓力30 600 MPa；或者是基于小粒徑PCC使用量也是10%時，PVA在壓力22 000 MPa下進行測量。這意味著使用大粒徑PCC比使用小粒徑PCC時，紙張能夠抵制來自于涂料成分產生的更大壓力。這也反映了就顏料微粒聚集和孔隙大小方面的聚合物分布。細小顏料具有較大的比表面積，需要能夠為涂料提供更多聚合物（包括分散劑）的種類和數量。

圖4 Si-oil孔隙率儀和水銀孔隙率儀測量結果的關系

由粒徑較小的MCC和PCC與黏合劑所制顏料餅有非常相似的Si-oil吸收容積，如圖4所示。但是當用水銀孔隙率儀進行分析時，它們的孔隙率有很大的不同。由此可以推知，黏合劑趨向于消除孔隙中的通道或者是孔隙相互之間的聯系。

通常，累積水銀侵入的一階導數的曲線，能反映孔隙大小的分布。這一描述盡管受到相等長度的毛細纖維束的限制，但是對不同拓撲結構，還是比較有用的。可以看出，PCC涂層結構只有在20～60 nm范圍內存在極細的孔隙；相反的，MCC涂料層既有小孔隙又有大孔隙，表明MCC結構有內部微粒孔隙和相互之間結合的孔隙。另外，10%的PVA用量所降低MCC涂層結構的孔隙體積比降低PCC孔隙體積要多。MCC顏料內部孔隙結構峰值的突然降低，說明了PVA已經充滿了內部孔隙，見圖5。

2.2 不同顏料性能在液體內部流動的作用

用薄層色譜分析法分析流過純顏料結構的孔隙網絡。液體流過多孔網絡結構的長時間歷程，是用表面濕強抵抗滲透率來定義。愈大的滲透率，圍繞在滲透通道周圍就有愈多的細孔結構，在給定時間內流過的距離就愈長。用最多孔隙的顏料所做成的涂料，具有最長的水流動距離。圖6顯示了在沒有使用黏合劑時，采用色譜分析在玻璃盤子上形成的薄顏料涂層中水/乙醇（50%/50%）的流動時間。

圖5 MCC小和PCC小的累積孔隙體積和孔隙大小的分布曲線

圖6 水/乙醇（50%/50%）在薄顏料涂層中的流動時間

大粒徑MCC和大粒徑PCC顏料，其大小和內部顏料的孔隙數量非常相似，但是MCC有比較少的內部微粒孔隙，從而很少的大孔隙就能夠具有滲透能力，如圖6所示。GCC和小粒徑的MCC涂層有非常相似的流動能力，其流動距離很短是因為缺乏滲透能力。然而令人奇怪的是，在小粒徑PCC顏料結構里，液體流動的距離比其他的顏料都長。當看成純精細孔結構時，這是不能發生的，但是小粒徑PCC顏料所制成的樣品結構中有大量的裂縫，這就使在顏料層里的滲透流動更加有效。這種影響不僅僅是一種固有的微粒聚集，而且反映了顏料層形成過程的收縮現象。如果顏料是用來傳送液體，那么這些裂縫是非常有用的。這個結果表明，含有較多孔隙體積比含較少孔隙的顏料在傳送液體時更有效。

2.3 紙張表面的涂層結構

2.3.1 黏合劑的作用

黏合劑用量較高時能增加涂布紙的表面強度，如圖7。

圖7 用IGT測得涂布紙的表面張力

當黏合劑用量為7%時，小粒徑PCC比大粒徑PCC具有略高的表面強度。這是因為內部結構的滲透能力的不同決定了黏合劑的損耗水平，這適用于吸收劑底層。2 m/s的表面強度是以在測試短暫時間內黏性油從涂布紙攝取的速度定義。這要足夠的高來確保涂布紙底層的黏合以及防止噴墨過程中的吸塵。

這項研究的目的是為了闡明PVA作為黏合劑在涂層和孔隙結構的形成過程中的控制作用，以及它是如何影響高速噴墨圖像的形成的。結果表明，顏料的類型和黏合劑的用量對孔隙結構的形成有重要作用。研究中，PVA能夠轉移到顏料毛孔內，而且PVA的膨脹能堵塞直徑大約是30 nm的毛孔，但是這取決于黏合劑的用量。整張紙的光學性能，不只是涂層，最重要的是相關打印密度。但是，當考慮到油墨滲透時涂層本身的性質起主導作用。

圖8表明了孔隙直徑在0～0.1 μm范圍內，黏合劑用量對30～50 nm的孔隙體積減少的影響。

黏合劑用量對30～50 nm的孔隙體積減少影響的主要原因是由于毛細管力驅動的吸附。

用DIGAT設備觀測到，進入放在玻璃上的薄涂層的吸附速度隨著黏合劑用量的增加而變慢，見圖9（在不同CaCO3顏料研究中，根據表面強度與油墨吸附速度所選擇的PVA的用量是10%，青色染料的涂層為8 g/m2）。

圖8 黏合劑用量對30～50 nm的孔隙體積減少的影響

圖9 黏合劑用量對吸附時間的影響

在PCC粒徑較大的情況下，黏合劑的用量對打印密度的作用非常微小，見圖10。

但是，當黏合劑的用量為7%時，顏料由大粒徑PCC變為小粒徑PCC，能顯著增加打印密度。因此，在這樣的黏合劑水平和這樣短的吸附時間內，黏合劑的膨脹不能堵塞較大的孔隙。較大粒徑PCC的結構決定了這種情況下著色劑的運送和傳遞。

較高的黏合劑用量造成了滲透量的顯著增加。分別含有12%和30%PVA的涂料產生最寬的滲透距離（圖10）。有趣的是，滲透并沒有隨著黏合劑量的增加而無限地增加，但是不平穩，說明孔隙體積的損失很可能受PVA膨脹本性的抵抗，即一旦有足夠的PVA就會有吸附和保水的能力。其他的解釋可從油墨量出發。在印刷中油墨量可以降低至只有220 ms的吸附時間，這個時間對于防止滲透也是足夠短的。時間延誤的作用將在后面討論。

2.3.2 色素的作用

圖10 在PCC表面的基于染料的油墨的印刷密度與深色距離關于PVA用量的函數

圖11顯示了涂料中PVA用量為10%、由5種不同顏料生產的涂布紙時，水銀侵入后的累積孔隙體積（涂料已經部分滲入到原紙結構內部）。

圖11 進入涂布紙孔隙中水銀的累積量

在1～10 μm范圍內，所有的涂布紙都具有比涂布原紙更低的孔隙體積。

圖12顯示了涂料中PVA用量為10%時，所研究的涂料孔隙尺寸分布曲線（原紙的值已經從結果中除去）。

一般來說，紙中涂料的孔隙尺寸分布反映了涂層的主要特性和薄層的色譜特性。大粒徑MCC、大粒徑PCC和小粒徑PCC涂料都具有較小的孔隙，直徑在20～40 nm之間。而GCC和小粒徑MCC中含有的小孔隙就比較少。含有2個大的直徑為2.7 μm的顏料粒子的涂料（如大粒徑MCC和大粒徑PCC）有同樣數量的比較小的孔隙。GCC涂料主要含有直徑為0.1～0.3 μm的孔隙，而大粒徑PCC則有最大直徑的孔隙，即1.0～1.3 μm。大粒徑MCC和大粒徑PCC都既有小孔隙也有大孔隙。小粒徑的PCC涂料只有小尺寸的孔隙。

涂布紙對大粒徑PCC顏料的吸附速度最快，大粒徑MCC、大粒徑PCC和小粒徑PCC等3種顏料的吸附速度都較快。吸附最慢的是GCC，見圖13（青色染料的涂層為8 g/m2）。

這些數據很好地反映了毛細管引力和滲透性的相對要求。毛細管吸引力是由超細的孔隙和由涂料的滲透引起的液體轉移所提供的。

圖13 氣體滲透率對于吸附速度的影響

紙中涂層結構打印密度最高值來自于小粒徑PCC，最低值來自大粒徑MCC；同時，大粒徑 MCC和大粒徑PCC涂料具有最低的滲透值，見圖14。

圖14 涂布顏料類型對于染料的打印密度和滲色（距離由攝像系統測得）的影響

3 討論

3.1 PVA膨脹的影響

基于水銀多孔性結果，假定PVA黏合劑能夠進入或者越過連接孔，并且可以存在于較大的粒子孔隙之間，這正如前人研究中所假定的那樣。只要孔隙度的水平足夠高，任何黏合劑和油墨液相的相互作用都變得相當重要，不但是孔隙體積的結構改性而且液體通過聚合物網絡的稀釋都影響著PVA的膨脹。

實驗對黏合劑膨脹對于孔隙作用進行了理論計算。首先，假定黏合劑在孔壁上形成均勻層，并且層的厚度取決于顏料的比表面積（比表面積越低，黏合劑層越厚）。同時簡化了孔隙的幾何結構，黏合劑在相當于毛細管的圓形內表面形成均勻層。這樣，可以計算黏合劑膨脹過程中孔隙入口面積的變化。

PVA是親水性黏合劑。圖15顯示了隨著時間的增加PVA膜吸水而不吸收非極性正己烷的情況。

圖15 PVA的吸附量對時間的函數

由圖15可見，當暴露在青色染料型油墨中5 s后，PVA膜有29.2%發生膨脹，這個值將在下面的計算中用到。

當涂布量是1 g，PVA的相對密度是1.26 g/cm3，5 s之后PVA膜膨脹了29.2%（青色染料，顏料的比表面積是10 m2/g），其計算結果如圖16所示。

在圖16中，孔隙體積和黏合劑的用量分別表示水銀多孔性和涂料配方。左邊的第1條線是，當只有顏料時所形成涂層結構的孔隙面積。向涂料中添加10%的黏合劑導致孔隙直徑減小，這是由于PVA層的吸收作用。當黏合劑有29.2%膨脹時孔隙直徑的關閉長度增加至24 nm。這可能導致孔隙的完全堵塞，但一般會減小孔隙的尺寸，而且當黏合劑被集中在孔節點處時，結構上就少了連接點。黏合劑的用量越多，黏合劑膜越厚，當然膨脹也會增加。膨脹增加的同時也會影響內部粒子的孔隙。這意味這些孔隙發揮作用，主要是依靠黏合劑膨脹所帶來的單純有效的液體吸收。

圖16 PVA膨脹作用的理論計算

所以理論上，黏合劑的膨脹能夠通過關閉較小孔隙來影響噴墨的吸收速度。表4顯示了在噴墨打印機中時間延誤的程度。

表4 在噴墨打印機中時間延誤的程度 s

在速度為100 m/min時，第1個噴嘴和開始干燥之間的延遲是2.6 s，離最后的干燥時間是3.8 s。這主要是因為考慮到黏合劑膨脹的5 s是在同一個時間范圍內。當液體只有較短的時間來影響黏合劑時，其膨脹的作用會達到最小，因此可以假設在較高印刷速度下膨脹的作用較小，但并不會完全消失。因此，即使在高速下，在噴墨印刷過程中也會發生向聚合物網絡擴散的現象。

PVA如何與不同類型的碳酸鈣產生協同作用？

從光學的觀點來講，由于小粒徑PCC顏料粒子太精細，以至于不能有效地產生光散射，在這個意義上來講，顏料是光學不活潑的，見圖17（PVA用量為10%）。

圖17 玻璃板上涂層的不透明度

根據kubelka-munk理論，直徑在光的波長（0.1～1 μm）順序內的粒子能嚴重影響光散射。小粒徑PCC涂層的不透明度和光散射系數仍然很小（因為顏料的尺寸很小，僅20～30 nm）。這個結果與以前的研究結果一致。在玻璃板上其他顏料有非常相似的不透明度。

整張紙的光學性質控制打印密度的形成。小粒徑PCC有光學惰性，然而其他顏料強烈影響光的散射和打印密度的水平，見圖18（相關系數：黑色-0.943，青色 -0.950）。

圖18 光散射系數對打印密度的影響

整張紙的孔隙體積和打印密度之間的相關系數在-0.904～-0.949范圍內，而單獨涂層的孔隙體積和打印密度之間的相關系數只是-0.050～-0.217。因此，整張紙的結構也影響打印密度，而不只是涂層。這當然依靠原紙的性質，但是如果有光干擾會影響背景光而使打印密度降低，特別是基于染料油墨的滲透。

如果考慮在許多新的高速噴墨設備中用到的基于顏料的油墨的情況，較細的油墨粒子之間會選擇性地排除油墨顏料，通過這種方式著色劑會被集中在粒子之間的滲水結構，如粒子孔隙內。因此，依靠目前的PVA量，無論是填滿孔隙之間還是孔隙之內，都可以預測到一個較大的油墨顏料向原紙底層的轉移，或者較好地抵抗油墨顏料，如達到好的抵抗油墨顏料，滲透性就會降低。在較為封閉的情況下，油墨顏料會形成濾餅，而這會導致滲透性的降低。因此，整張紙結構的性質對于決定打印密度大小的作用取決于滲透水平。

在這些試驗中，特種涂料應用于預涂布的紙，著色劑在涂層內而不向原紙內部滲透，見圖19。

圖19 基于染料的油墨印刷表面的橫截面

但是，包括大粒徑MCC在內的著色劑在涂層內的分布相對來說是比較均勻的，大粒徑MCC顏料的陽離子性質決定了其固定著色劑的方式與陰離子與涂布所用的GCC有明顯的不同。這說明：（1）用來固定著色劑表面積是不夠的；（2）油墨沒有達到顏料所需要的陽離子性質；（3）由于涂層滲水而不能為著色劑提供表面接觸。較細的顏料有輕微的檢出濃度梯度，這反映了減少的內部孔隙網絡結構的滲透性。

圖20顯示了橫截面吸收了青色墨水的PVA所形成的膜（在30 s的時間內約有20 μm厚的膜沉積到青色油墨上）。

圖20 基于青色染料的油墨進入PVA膜的橫截面

圖20表明，30 s的吸附時間之后油墨的著色劑能滲入黏合劑膜內，但不完全。因此，著色劑可以和水一起擴散到PVA層內。這個結果與前人研究的情況一致。在涂層結構中，著色劑的分布非常均勻，這說明PVA覆蓋了顏料和著色劑。因此，當PVA用作黏合劑時，顏料的類型與電荷密度的大小對著色劑的位置基本沒有影響。

但是，實驗觀察到油墨的滲透距離取決于涂層的孔隙體積而不是整張紙的孔隙體積。這就證實了這種涂層構造油墨不向原紙內轉移。表5說明涂層的多孔性結構易于滲透。

表5 滲色距離和孔隙結構特征的關系

另外，表面能的增加也會減少滲透距離。如果對基于染料的油墨和基于顏料的油墨，2種油墨的滲透結果進行比較，基于顏料的油墨的滲透距離較小，因為濾餅的形成阻止了其橫向轉移。但是，必須想到的一點是，涂層的滲透特性與原紙結構的相互影響。

含有較大孔隙的大粒徑MCC和大粒徑PCC涂料有相似數量和尺寸的精細孔隙。但是在雙峰分布的大尺寸面積（粒子間的孔隙）中，大粒徑PCC有大約直徑是1.2 μm的孔隙，而大粒徑MCC粒子間的孔隙較小，只有0.8 μm。PCC較大的孔隙有利于油墨較快地滲入涂層結構中，因此很少發生滲色現象。另外，黏合劑的膨脹對MCC顏料涂層的影響比對PCC的影響更大。因為MCC顏料的比表面積較小，所以MCC涂層中黏合劑層的厚度較大。

圖21顯示了所研究的涂層表面的滲色情況（滲色由高分辨率的照相機測得）。

圖21 所研究的涂層表面的滲色情況

PVA的膨脹現象相對于其他類型的顏料，有較少的超小孔隙，對GCC和小粒徑MCC的涂料有強烈影響。由于小粒徑MCC確實有一些比GCC較小的孔隙，所以膨脹會影響這些孔隙而使它們失效，但滲色值確實很相似。

對小粒徑MCC和小粒徑PCC涂料進行比較，其多孔性很相似，但小粒徑PCC有較多很小的孔隙。小粒徑MCC涂層吸收油墨的速度明顯比小粒徑PCC慢。在油墨吸附過程中黏合劑的膨脹會堵塞孔隙。在中等孔隙度區域，有較小孔隙的涂層不易發生滲色。這說明滲色作用可以根據表面速度進行定義。

網部干燥會加速噴墨干燥過程，并且影響油墨滲透的程度。但是，目前流行烘干機的一個較為重要的方面，也就是當熱軋印刷紙沒有裂口和暴露在新的環境系下時網部的行為，即以后的烘干效果。當剝離印刷輥之后紙的印刷質量應該仍然很高。此外，如果在進入復卷之前油墨沒有充分干燥，油墨就會轉移到紙頁背部，透印問題就會變得非常明顯。

3.2 黏合劑用量的影響

通過改變PVA的用量，研究了大粒徑PCC和小粒徑PCC顏料。所有的打印密度結果彼此非常接近，氣體滲透率是PVA用量的函數，見圖22。

圖22 打印密度與氣體滲透率之間的關系

圖23顯示了印刷紙的橫截面（不同含量PVA的涂料，并且PVA和青色染料一起使用）。

圖23 不同含量PVA的涂料的印刷紙橫截面圖像

在PVA用量為7%條件下，油墨在涂層內分布而且涂料并沒有向原紙內滲透。當涂層中PVA用量為30%時，有較多的著色劑集中在涂層的頂層。但是，著色劑能進入原紙是由于涂層的裂縫，這在減小打印密度同時會增加小范圍內的斑點值，見圖24。

圖24 青色油墨印刷表面的斑點

所有紙的光散射結果彼此非常接近。因此，由此得出了不同的顏料有不同的光散射性質，在這一點上整張紙的性質是顯性的。

需要再次說明的是，滲色距離是由精細孔隙涂層特性決定的。因此，毋庸置疑的是，當涂層中黏合劑的含量最低時其滲色距離最小，較高的黏合劑用量會增加滲色，見圖25（滲色距離由掃描儀系統測量，吸附時間由DIGAT測量，8 g/m2青色染料）。

圖25 滲色距離與吸附時間成反比

圖26顯示了PVA用量對氣體滲透率的影響（青色染料的涂層為8 g/m2）。

由圖26可見，當黏合劑用量從7%增加至12%時，其吸附時間逐漸增加。但是，當黏合劑的用量分別為30%和12%時，其吸附時間卻是相同的。這些結果同前人的研究結果相似。當黏合劑用量較低時，油墨主要依靠毛細管力進入涂層。當黏合劑的量為30%時，較小的毛細管已經被堵塞，主要的液體轉移機制是靠黏合劑層的擴散。但是，一旦PVA的用量達到一定的界限值，對于每種具體的顏料，擴散將占主導地位并且有一個恒定的吸附速度。涂料中黏合劑膨脹的界限值應該是12%。

圖26 PVA用量對氣體滲透率的影響

另一方面，關于PVA用量為30%時產生的涂層，其主要問題是涂層的分布。圖27的SEM圖像顯示了含有30%PVA的涂層分布是不均勻的，并且黏合劑已經結塊，類似于膜一樣的層。結果分析可見，在其膜層內洞的分布清晰可見。

圖27 含有30%PVA的大粒徑PCC顏料涂層的掃描電鏡圖

雖然，增加PVA的用量能堵塞涂層結構，但是在較高的PVA含量情況下，與可溶性黏合劑形成的收縮能導致不均勻的涂層結構，而這一點會反映在印刷紙的質量惡化上。

4 結論

決定液體油墨滲入多孔性噴墨涂層結構中的主要控制參數是毛細管力和滲透性，它們分別與較小孔隙，以及較大的相互關聯的孔隙有關。即使是在中等的多孔涂層結構中，也能實現油墨的較快吸收，這是因為涂層中有許多納米尺寸的孔隙。

PVA在涂料中的作用是綜合的，不僅表現在與孔隙結構的改性有關，而且影響通過擴散而引起的液體吸收。在擴散過程中PVA會發生膨脹。雖然由PVA的膨脹引起的液體吸收的體積在較低用量的黏合劑水平下比較小，但它卻控制著油墨與顏料表面的相互作用，隨著黏合劑用量的增加使得較小孔隙的結構發生變化。以染料油墨為主的著色劑在涂層結構中的分布似乎更加均勻，這是因為PVA覆蓋了顏料的表面，同時掩蔽了顏料表面的陽離子電荷。染料隨著水性液體進入PVA的表面層。即使在高的印刷速度下也能發現擴散過程對印刷效果的影響，雖然干燥時間越短，所包含的液體體積越小。膨脹的黏合劑容易進入多孔顏料的內部孔隙。

涂層通過油墨的吸附速度和體積容量與印刷質量相互聯系在一起。在涂層表面油墨的吸附越慢，意味著著色劑有更多的時間混合在一起，以及滲色問題更明顯。涂層的表面能量也會影響著色劑的行為。

整張涂布紙的光學性質決定了實際的打印密度。這是因為噴墨涂層顏料的光散射潛力較低，所以原紙與涂層的光學活性會呈現明顯的對比。

（天之驕子 編譯）