颜料改性热升华转印纸张涂层及其打印性能的研究



商悦传媒   2019-04-15 22:54

导读: 摘 要:研究了添加造纸常用涂布颜料( 二氧化硅、瓷土、研磨碳酸钙和锻烧高岭土) 对热升华转印纸羧甲基纤维素...

  摘 要:研究了添加造纸常用涂布颜料( 二氧化硅、瓷土、研磨碳酸钙和锻烧高岭土) 对热升华转印纸羧甲基纤维素钠(CMC) 涂层表面的影响,并探讨了添加不同颜料的热升华转印纸张涂层与打印性能( 墨水干燥吸收速率、打印精度、图像转移率) 之间的相互关系。结果表明,添加颜料明显增加热升华墨水的干燥吸收速率: 添加二氧化硅,墨水的干燥性能提高 3 倍以上; 添加研磨碳酸钙和锻烧高岭土,墨水的干燥吸收性能提高 2 倍。添加颜料降低涂层打印精度: 瓷土的打印精度最佳,其次为锻烧高岭土、二氧化硅,研磨碳酸钙的打印精度最差。添加颜料降低涂层的图像转移率: 研磨碳酸钙对涂层图像转移率的影响最小,转移率仅降低 4. 17% ; 锻烧高岭土对涂层图像转移率的影响最大,转移率下降 10. 08% 。

  DeVries 等人于 1977 年首次提出热升华转印纸的概念,近几十年来热升华转印纸得到了飞速的发展,目前广泛应用于各种瓷器、纺织品、商品标签印刷 等领域,具有良好的市场前景[1-5]。热升华转印技术与传统直接在承印物上印染的技术不同,是采用喷墨打印、胶印、丝印等印刷方式将图案印制到热升华转印纸上,然后将热升华转印纸上有图案的一面与被印 物相贴,再利用热压将纸上图像转移至织物等材料上,具有简捷、经济、高效、个性化高等优点[6,7]。

  目前,国内热升华转印纸来源可分为进口和国产两大类,进口纸样主要来源于韩国、荷兰、美国等企业。国产热升华转印纸质量参差不齐,打印性能与进 口纸样有很大的差距,尤其是国产热升华转印纸的墨 水干燥吸收速率明显慢于进口热升华转印纸。国内 大多数企业采用的生产方式是在纸面涂布一层聚乙烯醇或羧甲基纤维素钠( CMC) 等水溶性高分子材料作为吸墨涂层,这种涂层打印精度和图像转移率较高,但其墨水干燥吸收速度慢、容易产生堆墨的现象[8 - 10]。然而,常用于热升华转印的喷墨打印机不断更新换代,最新的热升华专用喷墨打印机速度达到180m2 / h,使用传统的热升华转印涂层墨水干燥吸收速率过慢,无法满足快速打印的要求。

  热升华转印涂层表面墨水干燥吸收速率慢的解决途径如下: (1) 对打印后图像表面加热烘干; (2) 采用高固含量的热升华转印墨水; (3) 提高热升华转印涂层的快干性能。目前国内研究者在此方面做了许多研究,但仍然存在很多问题。比如: (1) 加热烘干能耗高及功率有限无法满足高墨量高速打印; (2) 采用高固含量的墨水,最终印制到热升华转印纸上的墨量仍然高达原墨量 60% 以上[11]。无论采用哪种途径,大量的墨水最终都是由热升华转印纸涂层接收。

  因此,最好的解决途径是提高热升华转印纸涂层墨水干燥吸收的性能。本文以 CMC 为热升华转印纸涂层的主要原料,研究添加造纸常用涂布颜料对其打 印性能,包括墨水干燥吸收速率、打印精度、图像转移 率等的影响。

  涂布原纸: 62g / m2 热升华转印原纸( 浙江华邦特种纸业有限公司) 、研磨碳酸钙( 河南某公司提供) 、瓷土( 茂名某公司提供) 、锻烧高岭土( 内蒙古某公司提供) 、二氧化硅( 北京某科技有限公司提供) 、羧甲基纤维素钠 CMC( 江阴市恒达化工有限公司)

  称取绝干量相当于 10g 的 CMC,在 80℃ 条件下,边搅拌边加入到 90g 水中,使之成为均一的 CMC 溶液; 然后,称取3g 二氧化硅( 瓷土、研磨碳酸钙或锻烧高岭土) 加入到上述溶液中,经过高速搅拌分散得到所需涂料。

  采用实验室小型线m / min 的速度下进行涂布,通过选用合适型号的涂布棒获得相应的 涂布量。涂布后的纸样放置于 85℃ 下恒温干燥。

  使用喷墨打印机在相应的纸样上打印 100% 黑色长条色块,在黑色色块图案上覆盖另一张纸并按压 图案,未完全干燥吸收的图案经纸片按压后会转移到 纸片上。按压操作为在覆盖的纸片上放置长宽高为3. 0 × 1. 5 × 2. 0cm 的橡皮,同时在橡皮上放置重量为1. 5kg 的铁饼,按压时间为 3s。在不同时间点用纸片按压完整黑色色块,根据黑色色块的残余率和转移到 纸片的黑色图案对纸样的墨水干燥吸收速率进行评价。

  采用扫描电子显微镜( SEM) 观察涂布后纸张表观形貌和尺寸特征; 扫描电子显微镜( SEM) 的加速电压为 10KV。

  将喷墨打印机调节至 100% K 墨水条件下,打印直径和线μm 的圆点和直线。打印的圆点和直线待墨水干燥吸收后使用研究级正置显微镜 ( OLYMPUS BX51TF) 拍照观察,并使用其自带的标尺测量圆点和直线 图像转移率分析

  使用喷墨打印机在纸样上分别打印 100% 青色( C) 、100% 品红色( M) 、100% ( Y) 和 100% 黑色( K) 四色色块,每个颜色至少打印三个色块,待油墨完全干燥吸收后使用平板加热机将色块转印到布样上; 平板加热机温度 220℃ 、转印时间 30s; 转印完成后使用 X - Rite938 色密度计测量布上对应 CMYK 四色的色密度值[12,13]。

  表 1 为样品的涂布配方和涂布量,图 1 为涂布纸样干燥吸收测试后纸样的扫描图片。结合表 1 和图1 可以发现: 二氧化硅/ CMC 涂层的墨水干燥吸收速度最快,其在 5min 时基本完全干燥吸收,使用纸片按压后,纸片上基本没有黑色墨水残留; 纯 CMC 涂层及瓷土/ CMC 涂层样品经过 17min 后,打印的 100% K 色块仍然没有完全干燥吸收,使用纸片按压后的纸片 上仍然能明显观察到黑色色块的墨水残留; 研磨碳酸钙/ CMC 涂层和锻烧高岭土/ CMC 涂层样品黑色色块在 7min 的干燥吸收效果与纯 CMC 涂层和瓷土/ CMC 涂层样品在 17min 时的效果相差不大。研磨碳酸钙/CMC 涂层样品在 7min 时的黑色色块墨水转移到纸片上的颜色较锻烧高岭土/ CMC 涂层的浅,说明研磨碳酸钙/ CMC 涂层黑色色块墨水的干燥吸收速率较锻烧高岭土/ CMC 涂层快。不同样品干燥吸收速率的排序为二氧化硅/ CMC 涂层 研磨碳酸钙/ CMC 涂层 锻烧高岭土/ CMC 涂层 瓷土/ CMC 涂层 纯CMC 涂层。以上结果表明,二氧化硅的加入,能显著改善热升华转印涂层对墨水的干燥吸收速率,相比纯CMC 涂层对墨水干燥吸收性能提高 3 倍以上; 相同份数的研磨碳酸钙和锻烧高岭土/ CMC 涂层的墨水干燥吸收速率较二氧化硅差,但仍比纯 CMC 涂层的墨水干燥吸收性能提高 2 倍,且研磨碳酸钙对于提升CMC 涂层的墨水的干燥吸收性能优于锻烧高岭土。瓷土的加入没有改善 CMC 涂层对墨水的干燥吸收速率。

  图 2 为不同样品的表面 SEM 图。由( a) 和( b) 可以发现,纯 CMC 涂层表面非常平滑,纤维间的孔隙基本被 CMC 涂层完全遮盖,防止热升华墨水往纤维间渗透。由( c) 和( d) 可以明显观察到二氧化硅颗粒存在于涂层表面,二氧化硅颗粒形成的微结构增大了 热升华墨水与空气之间的接触面积,从而使得墨水的 干燥吸收速率增加; 同时二氧化硅表面有较多微孔可以吸收一定量的墨水[14],这也是二氧化硅/ CMC 涂层墨水的干燥吸收速率比研磨碳酸钙/ CMC 和锻烧高岭土/ CMC 涂层要快的原因。由( e) 和( f) 可以发现,瓷土/ CMC 涂层表面较平滑,平滑的表面无法增加墨水与空气的接触面积加快干燥吸收速率。由 ( g) 、( h) 、( i) 和( j) 可以发现,研磨碳酸钙/ CMC 涂层和锻烧高岭土/ CMC 表面也能明显观察到凸起研磨碳酸钙颗粒和锻烧高岭土,凸起的颗粒也同样增加 了热升华墨水与空气的接触面积,加快了墨水的干燥 吸收速率; 另外,颜料的尺寸对涂层的干燥吸收性能也具有很大的影响。从图 1 和图 2 可知,颜料颗粒尺寸较大时有助于提高涂层的干燥吸收速率,颜料的颗 粒越大对颜料/ CMC 涂层的干燥吸收性能提高越大; 颜料表面的微孔也可以增大颜料/ CMC 涂层的干燥性能。

  图 3 为涂布后纸样点精度和线精度分析图,本文测试所用所采用的点的直径与线μm。打印后点的直径和线μm, 说明其打印精度越高。由从图 3 中可以发现,纯CMC 涂层的整体精度最好,点精度和线μm,瓷土/ CMC 涂层的线μm,纯 CMC 涂层的点精度最好为 461μm。结合图 2,1#和 3#涂层的精度较其他样品更好,主要是因为由于涂层表面较光滑,墨水朝 XY 方向的扩散较少[15]; 二 氧 化 硅/ CMC 涂 层 的 点 精 度 最 差,为492μm; 同时研磨碳酸钙/ CMC 涂层的线#样品的精度较差原因是二氧化硅/CMC 和研磨碳酸钙/ CMC 涂层表面的粗糙度较高,使得墨水在与涂层接触不仅朝 XY 方向扩散,同时也向Z 轴方向扩散,导致精度下降[16,17]。锻烧高岭土/CMC 涂层的点和线μm 左右,与纯 CMC 涂层较为相近。从颜料对打印精度的影响来看,瓷土的 打印精度最佳,其次为锻烧高岭土、二氧化硅和研磨碳酸钙。

  图 4 为不同涂布后纸样转印到布上的色密度大小,色密度值越大表示墨水的图像转移率越高。总体 来说,纯 CMC 涂层的各色转移率最高,其次为研磨碳酸钙/ CMC 涂层、二氧化硅/ CMC 涂层、瓷土/ CMC 涂层,锻烧高岭土/ CMC 涂层的图像转移率最低。对于青色 C 转移率,纯 CMC 涂层的色密度最高为 1. 87,锻烧高岭土/ CMC 涂层的色密度最低为 1. 55。对于品红色块转移率,纯 CMC 涂层与研磨碳酸钙的色密度约为 2. 98,二氧化硅/ CMC 涂层的色密度最低为2. 74。对于转移率,瓷土/ CMC 和锻烧高岭土/CMC 涂层的色密度最低为 1. 22,而纯 CMC 涂层的色密度为 1. 31。对于黑色 K 的转移率,瓷土/ CMC 涂层的转移率最低仅为 2. 83,纯 CMC 涂层的黑色色密度达到 3. 2。总的来说,研磨碳酸钙对 CMC 涂层的图像转移率的影响最小,其总转移率仅下降 4. 17% ; 其次为二氧化硅、瓷土; 锻烧高岭土对涂层的转移率的影响最大,其总转移率下降高达 10. 08% 。

  ( 2) 颜料的添加会影响热升华转印纸 CMC 涂层的打印精度,瓷土的打印精度最佳,其次为锻烧高岭土、二氧化硅,研磨碳酸钙的打印精度最差。