喷墨材料涂层厚度对其性能的影响*

吴 捷，刘 丽，姜 波，姜再兴，黄玉东**，孙文慧，张英俊

（1.哈尔滨工业大学 化工学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.黑龙江科技学院，黑龙江 哈尔滨 150027）

喷墨材料涂层厚度对其性能的影响*

吴 捷1，2，刘 丽1，姜 波1，姜再兴1，黄玉东1**，孙文慧1，张英俊1

（1.哈尔滨工业大学 化工学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.黑龙江科技学院，黑龙江 哈尔滨 150027）

采用物理与化学相结合的方法制备了喷墨打印用纳米喷墨材料。利用原子力显微镜（AFM）分析了复合材料的表面结构和粗糙度，结果显示其粗糙度随着吸墨层的厚度发生了改变。利用表面张力仪（DCAT）和分光测色计分别测试了材料的接触角和色差，结果表明涂层厚度对打印质量的影响是非常显著的，并且当吸墨层厚度是50μm时，喷墨材料的综合性能是最好的。

喷墨材料；涂层；吸墨性；印刷质量

前 言

喷墨打印材料由于其快捷的打印方式和优越的打印质量，近年来得到了迅速的发展，且在3D打印、电子材料和生物材料等领域也显示了其潜在的应用价值[1～3]。同时，对其的研究也引起了人们的广泛兴趣[4]。喷墨打印材料的吸墨层涂料主要由胶黏剂、颜料和其他一些助剂组成。涂层中的胶黏剂、颜料和助剂的配比不同，吸墨层的吸墨能力、打印清晰度、干燥速度会有很大的不同。而许多研究表明喷墨材料的印刷适用性和其它性能在很大程度上都取决于涂层结构的特性及其它性能[5～7]。

本文旨在利用纳米二氧化硅和PVA制备不同厚度的吸墨涂层，并对其表面结构及其接触角以及吸墨性能进行测试分析，从而得到一种经济的制备吸墨性能优良的吸墨层的方法。

1 实验

1.1 主要实验原料和设备

PET薄膜，上海山富数码喷绘复合材料有限公司提供；KH-550，江苏晨光偶联剂有限公司；纳米二氧化硅，德国德固赛公司；PVA，长春化工厂；乳化剂，上海弗鲁克机械制造有限公司；涂布机，英国Elcometer公司。

1.2 喷墨材料的制备

1.2.1 吸墨层涂料的制备

称取一定量的去离子水，加入少量的硅烷偶联剂，按照分散液20%的浓度加入称量好的纳米二氧化硅，在乳化机中乳化40min，即制备好纳米二氧化硅分散液。按照10%的浓度将PVA加入室温水中，不断搅拌，让PVA充分溶胀后放入水浴锅中，并升温至95℃左右，使PVA充分溶解，然后冷却至室温，取二氧化硅分散液，加入少量的润湿剂、酒精等各种助剂，搅拌均匀溶解后，和PVA溶液混合，并利用乳化机分散至均匀为止，即制得吸墨层涂料。将吸墨层涂料静置24h即可使用。

1.2.2 喷墨材料的制备

将涂料利用涂布机按照不同的涂层厚度涂覆于PET基材上，放入85℃烘箱中烘干，就得到可用于喷墨打印的喷墨材料。本试验中吸墨层的厚度分别为 25μm，50μm，75μm和 100μm，依次将其命名为 S_1，S_2，S_3 和 S_4。

1.3 喷墨材料的性能测试

利用俄罗斯solver公司的P47型原子力显微镜（AFM）对喷墨打印材料吸墨涂层的微观形貌进行了分析，并且计算了其表面粗糙度。利用德国Data physics公司的DCAT21对喷墨材料的接触角进行了测试。为了进行吸墨性能分析，利用EPSON270打印机将打印纸样（如图1）打印在喷墨材料上。纸样包括100%青色（Cyan）、100%品红色（Magenta）、100%黄色（Yellow），100%黑色（black）四个色块，每个色块的大小为25mm×25 mm。为了测量喷墨材料吸墨层的吸收性，用柯尼卡美能达风光测色计测量打印纸样上的实地色块密度L*,a*,b*（如图2），并且计算其与标样的色差（ΔE*）。色差计算公式如下：

图1 打印纸样Fig.1 The print sample

图 2 CIE 色域空间（-a*,；绿色;+a*,红色;-b*,蓝色;+b*,黄色 L*，明度.）Fig.2 The CIE L*,a*,b*color space（-a*,green;+a*,red;-b*,blue;+b*,yellow;L*,light）

2 结果与讨论

2.1 喷墨材料表面性能分析

对喷墨材料的表面结构进行原子力显微镜分析，如图3所示。基材的表面非常光滑，而试样的涂层可以看到许多均一的凸起，可见涂层涂到基材上之后，改变了基材的表面结构。另通过AFM所附带的软件对涂层表面进行分析，得到吸墨层表面粗糙度。表面粗糙度，是指材料表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。其表面粗糙度如表1所示，由表1可知，同基材相比较，喷墨材料的粗糙度发生了变化，并且随着涂层厚度的增加，其粗糙度值也逐渐变大。喷墨材料表面结构的变化会影响其吸收性[8]。

表1 基材和试样S_1,S_2,S_3及S_4表面粗糙度Table 1 Surface roughness of the substrate,S_1,S_2,S_3 and S_4

2.2 喷墨材料动态接触角分析

对制备的喷墨材料进行动态接触角分析，测定吸墨层对水和1-溴萘两种液体的接触角，结果如表2所示。从表2中可以看出，随着吸墨层厚度的增加，喷墨打印用喷墨材料的接触角也逐渐变大。这可能是因为随着吸墨厚度的增加，其粗糙度在增加，粗糙度的变化，导致其接触角也发生变化。接触角越小，其吸收性越好。但是其接触角的变化幅度不是很大，其原因是由于用的原材料是一样的，只是厚度不同，厚度不同导致纳米二氧化硅的排列发生变化所致。

表2 试样S_1,S_2,S_3及S_4在不同液体中的动态接触角Table 2 Dynamic contact angles of S_1,S_2,S_3 and S_4 with different test liquids

2.3 喷墨材料吸墨性分析

喷墨材料的墨水吸收性主要受吸墨涂层的影响。这里用色差来衡量喷墨材料的吸收性。色差影响最终的视觉效果和色彩逼真度。差值越小，表明色块平均密度越高，说明墨点的连贯性好，打印图像的色彩鲜艳逼真[9]。

用打印机将打印样打印在喷墨用喷墨材料上，其打印后效果如图4所示。通过肉眼观察其喷墨打印效果都很理想，色带边界都很清晰，不晕墨。经过色差计测试计算，其结果如图5所示，从图中可以知道ΔE*，当喷墨材料的吸墨层厚度是50μm（即试样S_2），其色差值ΔE*不论对哪一个色块来说，都是最小的。因而可以判断出其吸墨性也是最好的。其原因是对喷墨打印材料，其涂层厚度不同，导致其粒子的分散发生变化，从而其微观结构不同，而对于制备的这种喷墨材料一个原因就是依靠其微观的结构。另外，当同样量墨水浸入其中，涂层过厚（S_3和S_4），不足以达到其吸收量，也是一个导致其色差过大的原因。

从经济方面来说，S_1（吸墨层厚度是25μm）的成本最低，但是其打印质量不是最好的。所以从经济效益和吸墨性能来说S_2是非常适合用作喷墨材料的。

图4 打印材料打印后效果图Fig.4 The color chart of test prints of the inkjet materials

图5 涂层厚度对材料打印质量的影响Fig.5 The effect of thickness on print quality of the inkjet materials

3 结论

本文制备了含有纳米二氧化硅和PVA的喷墨材料。对喷墨材料进行AFM分析，其表面凸起均一，并且其粗糙度随着涂层厚度的增加而增加，原因是由于随着涂层厚度的增加其粒子的排列发生了变化。通过动态接触角测试分析，其接触角随着涂层厚度的增加也是在逐渐的增加，但是变化幅度不大，这也是和粒子的排列有关。利用分光测色计分别测试了色差，结果表明涂层厚度对打印质量的影响是非常显著的，且吸墨层厚度是50μm时，喷墨材料的综合性能是最好的。

［1］VIKMAN K,SIPI K.Applicability of FTIR and Raman spectroscopicmethods to the study of paper-ink interactions in digital prints［J］.Journal of Imaging Science and Technology,2003;47（2）：139～148.

［2］DE GANS B J,DUINEVELD P C,SCHUBERT U S.Inkjet printing of polymers：state of the art and future developments［J］.Advanced Materials,2004,16（3）：203～213.

［3］CALVERT P.Inkjet printing for materials and devices［J］.Chemistry of Materials,2001,13（10）：3299～3305.

［4］JEON S J,BOUSFIELD D W.Print gloss development with controlled coating structures［J］.Journal of Pulp and Paper Science,2004,30（4）：99～104.

［5］HEILMANN J,LINDQVIST U.Effect of drop size on the print quality in continuous ink jet printing［J］.Journal of Imaging Science and Technology,2000,44（6）：491～494.

［6］LEE H K,JOYCE M K,FLEMING P D,et al.Influence of silica and alumina oxide on coating structure and print quality of inkjet papers［J］.Tappi Journal,2005,4（2）：11～16.

［7］RIDGWAY C J,GANE P A C.Correlating pore size and surface chemistry during absorption into a dispersed calcium carbonate network structure ［J］.Nordic Pulp ＆ Paper Research Journal,2006,21（5）：563～568.

［8］MAATTANEN A,IHALAINEN P,BOLLSTROM R,et al.Wetting and print quality study of an inkjet-printed poly（3-hexylthiophene）on pigment coated papers ［J］.Colloids and Surfaces A,2010,367（1）：76～84.

［9］HEARD P J,PRESTON J S,PARSONS D J,et al.Visualisation of the distribution of ink components in printed coated paper using focused ion beam techniques［J］.Colloids and Surfaces A,2004,244（1）：67～71.

The Influence of Coatings Thickness of Inkjet Materials on its Properties

WU Jie1，2，LIU Li1，JIANGBo1，JIANG Zai-xing1，HUANG Yu-dong1，SUNWen-hui1and ZHANGYing-jun1
（1.College of Chemical Engineering and Technology,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China;2.Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin 150027,China）

The inkjet materials were prepared by the combination of physical and chemical methods.The surface microstructure and roughness of materials was analyzed byatomic force microscope（AFM）.The AFMresults indicated that the surface roughness was changed with thickness.The contact angle of this material was determined by the dynamic contact angle analysis test（DCAT）and the chromatic aberration was measured byspectrophotometer.The result showed that the effect ofthe thickness on print quality was remarkable.When the thickness was 50μm,the comprehensive properties ofthis inkjet material were the best.

Inkjet material;coatings;ink absorption;print quality

TQ638

A

1001-0017（2012）04-0001-04

2012-03-05 *

国家自然科学基金项目（编号：51073047，91016015，51003021和51103031）和长江学者奖励计划项目

吴捷（1980-），女，黑龙江肇东人，哈工大在读博士，黑龙江科技学院教师，主要从事高分子材料的研究。