新型聚胺類陽離子固著劑對彩噴紙及涂料性能的影響

李智斌楊 寧（1.制漿造紙國家工程實(shí)驗(yàn)室， 北京 100102；2.中國制漿造紙研究院， 北京 100102）

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新型聚胺類陽離子固著劑對彩噴紙及涂料性能的影響

李智斌1,2楊 寧1,2
（1.制漿造紙國家工程實(shí)驗(yàn)室， 北京 100102；2.中國制漿造紙研究院， 北京 100102）

摘 要：研究了高聚合度聚胺類陽離子固著劑對SiO2分散液及彩噴涂料黏度、沉降性能以及對圖像打印質(zhì)量、涂層防水性、彩噴紙白度等方面的影響因素，并與普通陽離子固著劑作比較。結(jié)果表明：高聚合度聚胺類陽離子固著劑能夠明顯降低SiO2分散液黏度；在一定添加量條件下，能減小彩噴涂料黏度，但隨著用量增加，其黏度又會(huì)逐漸增加；高聚合度聚胺類陽離子固著劑能夠防止SiO2分散液及彩噴涂料快速沉降；能提高圖像打印質(zhì)量以及圖像防水性；其在涂料中的添加用量，成本低廉。

關(guān)鍵詞：高聚合度聚胺類陽離子固著劑 彩色噴墨打印紙 SiO2黏度

0　前 言

隨著彩色噴墨打印紙?jiān)谌粘Ｉ钪械钠占耙约靶枨罅康娜找嬖鲩L，人們對彩色噴墨打印紙的打印質(zhì)量要求也越來越高。 提高彩色噴墨打印紙打印質(zhì)量，彩噴涂料中必不可少的組成成分——陽離子固著劑的作用顯得尤為重要。目前大多陽離子固著劑選用高分子量陽離子聚合物，如聚乙烯亞胺、聚乙烯胺、聚二甲基二烯丙基氯化銨（Poly－DMDAAC）及聚乙烯苯甲基三甲胺氯化物等聚銨類物質(zhì)。但普通陽離子固著劑與顏料粒子之間無相互作用或相互作用較小，新型高聚合度聚胺類陽離子固著劑不僅正電荷密度高，與染料之間的結(jié)合能力強(qiáng)，而且在較大添加量（對顏料質(zhì)量15%以上）時(shí)對SiO2的分散和防止分散液及涂料快速沉降等有明顯作用，且在降低成本方面有明顯優(yōu)勢。本試驗(yàn)就自行合成的高聚合度聚胺類陽離子固著劑對彩色噴墨打印紙圖像打印質(zhì)量和彩色噴墨打印紙涂料性能的影響與普通陽離子固著劑進(jìn)行了對比，并對高聚合度聚胺類陽離子固著劑在應(yīng)用方面的優(yōu)點(diǎn)和降低涂料成本等方面進(jìn)行了研究分析。

1　試 驗(yàn)

1.1 原料和儀器

陽離子固著劑（A自制，B二甲基二烯丙基氯化銨(Poly-DMDAAC)，C 聚乙烯亞胺季銨化合物 ），二氧化硅（北京航天賽德粉體材料有限公司），PVA，PVAc,其他添加劑，國產(chǎn)彩色噴墨打印紙?jiān)?上海樂凱紙業(yè)，定量108 g/m2，白度102%，)，X-Rite 528系列分光密度計(jì)(美國X-Rite公司)，Epson photo R270噴墨打印機(jī)，高速分散機(jī)，DNJ-5S旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)。1.2 試驗(yàn)方法

（1）SiO2的分散：取A、B、C三種固著劑（25℃下固含量為45%時(shí)，黏度分別為23 mPa·s，23.5 mPa·s及22 mPa·s），分別向SiO2中添加0份、5份、10份、15份、20份（對100份SiO2絕干量）陽離子固著劑，分散固含量為20%，分散機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為5 000 r/min，分散時(shí)間20 min，在25℃下測其黏度。分別取一定量SiO2分散液，靜置，24h后，測其沉降高度（沉積在容器底部固體堆積物的高度）及總高度。

（2）涂料配方與涂布方法： 涂料組份及添加順序，配方一：SiO2，膠黏劑（PVA +PVAc) ，其他助劑。配方二：陽離子固著劑 B（分散SiO2時(shí)加入），SiO2，膠黏劑（PVA +PVAC)，其他助劑。涂布方式采用實(shí)驗(yàn)室鋼絲刮棒刮涂，涂布量控制在10 g/m2，采用吹風(fēng)機(jī)熱風(fēng)干燥，干燥時(shí)間為30 s。

1.3 測試及評價(jià)

（1）洇色現(xiàn)象和打印整體效果的評價(jià)。用Epson photo R270打印機(jī)在同一打印模式下打印相同圖樣，分別測不同顏色區(qū)域CMYK光密度值（光密度值測量中K代表黑色，C代表青色，M代表品色，Y代表黃色）。以顯微鏡觀察打印圖像顏色邊緣區(qū)域的羽化程度來評判圖像的洇色程度，以羽化現(xiàn)象很明顯、明顯、一般、少、無等級來標(biāo)示。打印整體效果以眼睛觀察圖像整體效果來進(jìn)行簡單評價(jià)，用“*”數(shù)量標(biāo)示等級，分四個(gè)等級，*差，**一般，***好，****很好，*****最好。

（2）圖像抗水性的評價(jià)。在不同配方紙樣上打印CMYK四種色塊圖樣，分別測其光密度值d，再將每個(gè)圖樣樣品浸泡在去離子水中，20 min后取出晾干，分別測其光密度值do。圖像抗水性以D＝do/d來評價(jià)，D值越接近1，抗水性越好。

2　結(jié)果與討論

2.1 固著劑用量和不同陽離子固著劑對SiO2分散液黏度和涂料黏度的影響

圖1 SiO2分散液/彩噴涂料黏度的影響

圖1為不同陽離子固著劑在不同添加量條件下對SiO2分散液和彩噴涂料黏度的影響。

從圖1可以看出，加入三種陽離子固著劑，在開始SiO2分散液黏度均大幅下降，隨著陽離子固著劑用量的增加，SiO2分散液黏度繼續(xù)減小，但下降程度逐漸趨于平穩(wěn)；固著劑用量較少時(shí)黏度下降幅度A略大于B和C,A分散液黏度迅速減小，隨著加入量增加，黏度下降幅度基本相同。隨著陽離子固著劑加入量的增加，彩噴涂料黏度相應(yīng)也隨之降低，但加入到一定量后繼續(xù)增加，涂料黏度又趨于緩緩增加。

通常固-液懸浮體的黏度與固體顆粒表面和液體間的相互作用有關(guān)。相同溫度下，若固-液間相互作用強(qiáng)，則黏度高；若相互作用弱，則黏度低。相互作用受顆粒表面性質(zhì)和液體極性影響[1]。陽離子固著劑與SiO2接觸并發(fā)生作用，實(shí)際上是粉體顆粒表面的改性過程，陽離子固著劑改變了SiO2表面電荷的電性，使固體粒子間、固-液之間產(chǎn)生相斥作用，相互吸引力減小，從而使黏度降低。從結(jié)果來看，固著劑A與顏料粒子的相互作用明顯于固著劑B和C。陽離子固著劑加入涂料中，根據(jù)上述與SiO2粒子作用的原理，涂料黏度開始會(huì)降低，但由于不同陽離子固著劑的性質(zhì)和正電荷密度不同，其與SiO2粒子和涂料中其他組分作用程度也不完全一樣，所以隨著其加入量的增加，它與涂料中其他組分之間的作用程度也越來越明顯，所以涂料黏度會(huì)有一些增加，不同固著劑之間黏度影響亦有差異，固著劑A在涂料中相對穩(wěn)定些，所以在較大添加量（對絕干顏料質(zhì)量15%以上）時(shí)，涂料黏度變化相對較小。

2.2 不同陽離子固著劑對SiO2分散液和彩噴紙涂料沉降性能的影響

在低固含量、低黏度的涂料體系中，涂料沉降性能顯得非常重要。沉降性能是衡量超細(xì)顏料分散效果好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。如果超微粉體分散的不好，粉體顆粒就會(huì)因分子間的運(yùn)動(dòng)、接觸而附著在一起，形成較大的團(tuán)聚體，在重力作用下會(huì)很快沉積下來。這樣會(huì)對涂料配制和工業(yè)生產(chǎn)帶來較大麻煩，尤其是如果涂料沉降速度過快，再次攪拌，容易產(chǎn)生大量氣泡，影響生產(chǎn)[2]。圖2為不同陽離子固著劑對SiO2分散液和彩噴紙涂料沉降性能的影響。圖中：沉降系數(shù)為沉降高度與總高度之比值，沉降系數(shù)=沉降高度/總高度[5]；陽離子固著劑加入量為相對100份SiO2絕干量份數(shù)。

圖2　不同陽離子固著劑與SiO2分散液/涂料沉降系數(shù)的關(guān)系

從圖2可以看出，加入陽離子固著劑，在相同時(shí)間內(nèi)，SiO2分散液沉降系數(shù)明顯減小，隨著加入量的增加，減小速率趨緩。隨著用量逐漸增加，不同陽離子固著劑沉降速度和沉降系數(shù)變化有所不同，說明不同陽離子固著劑對SiO2的分散影響變化不盡相同。從曲線看，固著劑A對SiO2分散液和涂料的防沉降性影響變化比較平穩(wěn)，且效果相對較好。這是因?yàn)樵赟iO2和水的體系中，SiO2粒子表面存在的羥基或含水基團(tuán)，易發(fā)生相互作用，使粒子間凝聚成團(tuán)。加入了陽離子固著劑，羥基或含水基團(tuán)與固著劑之間發(fā)生偶聯(lián)作用，改變了SiO2的表面電荷性，起到表面改性作用，抑制了粒子間的相互吸引，從而提高了SiO2的分散性能，減小了沉降體積。由于固著劑A的高聚合度和強(qiáng)陽離子性使其對SiO2粒子表面的改性“更迅速、更徹底”，顏料粒子之間再次聚集的機(jī)會(huì)變得更少，所以相比較而言，在防止顏料粒子快速沉降方面固著劑A明顯優(yōu)于B和C。

2.3 不同陽離子固著劑對噴墨打印質(zhì)量的影響

高質(zhì)量彩色噴墨打印紙要求墨水噴到紙面上，整個(gè)墨滴輪廓應(yīng)均勻擴(kuò)展，即在紙面上具有相同的擴(kuò)展速度；反之，就會(huì)出現(xiàn)洇色現(xiàn)象[3]；另外油墨中的染料分子與涂層中顏料顆粒之間結(jié)合強(qiáng)度越強(qiáng)，染料分子保留在紙面的量就越多，相應(yīng)獲得打印密度值也就越高；反之，染料分子就會(huì)隨載體繼續(xù)向紙里面遷移，結(jié)果會(huì)降低打印圖像密度值和分辨率。所以染料分子要盡可能的集中在涂層表面，以提高打印效果，從而實(shí)現(xiàn)色域范圍寬、色彩還原性好和圖像飽和度高的目的[4，8]。

表1　不同陽離子固著劑對圖像打印質(zhì)量的影響

加入不同陽離子固著劑，CMYK 密度值均有明顯增加，見圖3。隨著陽離子固著劑用量的增加，光密度值也越來越高,但增加值趨緩，陽離子固著劑用量繼續(xù)增加，A樣的密度值仍繼續(xù)增加，而B 和C樣密度值有所降低，且B和C的涂料黏度隨之略有增加，圖像打印整體效果A要明顯好于固著劑B和C。分析原因，固著劑B和C在一定添加量時(shí)與SiO2顆粒及涂料中其他組分之間的作用較A明顯，使其陽離子性受到干擾，所以影響了其固色效果，A相對穩(wěn)定一些。

圖3　不同陽離子固著劑與CMYK平均光密度值之間的關(guān)系

2.4 不同陽離子固著劑對彩色噴墨打印紙涂層防水性的影響

圖像防水性是指圖像被水潤濕至某種程度時(shí)墨滴流動(dòng)、擴(kuò)散現(xiàn)象的程度[6]。

涂料中加入不同陽離子固著劑，打印圖像防水性亦有差異見圖4，不同添加量條件下圖像防水效果不同。開始涂料中未加陽離子固著劑，樣張打印圖像基本沒有防水性能，色料在水中的擴(kuò)散現(xiàn)象非常明顯，光密度值下降程度較大；加入一定量陽離子固著劑的樣張，打印圖像防水性明顯得到改善，且隨著加入量的增加，顏色在水中的擴(kuò)散現(xiàn)象越來越不明顯。在油墨吸收過程中，陽離子固著劑能夠吸附陰離子性油墨粒子，以化學(xué)鍵迅速與之結(jié)合在一起，生成不溶于水的絡(luò)合物，油墨粒子被固著在涂層SiO2顆粒表面，不隨水分子的遷移而發(fā)生擴(kuò)散，起到防水作用。隨著陽離子固著劑用量的增加，越來越多的油墨粒子被固著，圖像的防水性也會(huì)越來越好。從圖4可以看出相同添加量條件下，固著劑A的防水性要好于B和C。也是因?yàn)楣讨鴦〢的高聚合度、強(qiáng)陽離子性，其化學(xué)鍵能強(qiáng)于B和C，所以與油墨粒子之間結(jié)合更加牢固，從而具有更加優(yōu)良的防水效果。

圖4　不同陽離子固著劑添加量對圖像防水性的影響

（3）高聚合度聚胺類陽離子固著劑與SiO2粒子和涂料中其他組分之間相互作用穩(wěn)定。在涂料中的添加比例能夠達(dá)20%以上,且成本低廉。

（4）陽離子固著劑對彩色噴墨打印紙白度影響不大。

2.5 陽離子固著劑對彩色噴墨打印紙白度的影響

本試驗(yàn)對加與未加陽離子固著劑的彩色噴墨打印紙白度進(jìn)行測試，分別為105.3%和105.5%，差別不大，所以除了固著劑本身顏色對紙張白度的略微影響外，其他方面沒有太大影響。由于涂料中常用的增白劑多為陰離子型，所以對增白劑的作用效果會(huì)產(chǎn)生一定負(fù)面影響[7]。

3　結(jié)束語

（1）高聚合度聚胺類陽離子固著劑能對SiO2顏料粒子起表面改性作用。降低SiO2分散液黏度，防止顏料和彩噴紙涂料快速沉降，與普通陽離子固著劑相比較，具有明顯優(yōu)勢，但隨著添加量的增加，彩噴紙涂料黏度也會(huì)逐漸增大；但與普通固著劑相比，增加較小，相對較穩(wěn)定。

（2）高聚合度聚胺類陽離子固著劑與普通陽離子固著劑相比能夠明顯改善提高打印圖像光密度、提高打印圖像分辨率以及圖像抗水性，減小油墨擴(kuò)散，防止洇色現(xiàn)象。

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Influence of Aromatic Polyamide Cationic Additive for Ink-jet Print Quality and CoatingLI Zhibin

1,2

YANG Ning

1,2

（1,2.China National Pulp and Paper Research Institute,BeiJing,100102 ）

Abstract:The effect of cationic resin additive for properties of silica pigment and paper coating used on inkjet print quality was studied, and discussed colour fixation mechanism in this paper. The results showed that cationic resin additive can decrease the viscosity of dispersant silica pigment and paper coating, and decrease the sedimentation rate of coating and silica pigment, and improve ink-jet print quality that density and water fastness of the print image and so on.

Keywords:cationic resin additive；ink-jet paper；SiO2viscosity