喷墨打印纸张涂层中的二氧化硅
喷墨打印纸张涂层的作用是提供底质与墨水相互反应,它应该有以下特性:
1. 湿的墨滴应在相互临近墨滴发生混合以前变干;
2. 最初的接触角应足够大以防止扩散过大和墨滴变大;
3. 接触角要降到一定值保证干燥有较快速率;
4. 孔的大小要足够小到能阻止染料渗透到涂层底部,因此墨水中的水要先被吸收,这样就干了。
从以上看来,对涂层纸张制造有很大影响的特性是接触角(墨水在纸表面)和涂层的孔隙率。
二氧化硅对水的具体吸附作用也很重要。Okra和Kimura已经讨论过以PVA为基础的涂层中,二氧化硅、阳离子聚合物和阴离子染料的相互作用。从他们的测试中可以得出吸附到二氧化硅上的阳离子聚合物不溶解染料,这个作用的实现替代了游离阳离子聚合物。加入和没有加入阳离子聚合物的二氧化硅都会提供一个必要的填充位置吸收墨水中的水,这就提高了墨水的干燥。
多孔底质对墨水的吸收速率遵照液体表面的Washburn方程。
密度:γ
粘度:η
多孔底质的孔半径: r
孔的高: h
dh/dt=rγcosθ/4ηh
θ是液体与底质的接触角。积分以后,用液体质量M来代替h,密度ρ通过质量为M的墨滴被一个代表性面积为A的孔吸附的时间来确定。
M=ρA√rγcosθt/2η
在大孔中墨水流动比小孔快,但是每一种型号涂层的孔数将决定干燥的速率。表1(a)显示了一种孔容量干燥的相对速率。如果假定喷墨打印机的墨滴体积为约100pL,而孔的直径大于1μm,墨滴几乎都能在瞬间被吸收。
每个墨滴面积上有确定直径的孔的数量可由水银孔计算出,孔体积(如下)由它们的长度估算出来。
用惠普黑墨(墨滴面积50μm,,粘度5cP,表面密56mN/m)在刚接触纸张的0.5秒,用以上关系进行了半定量的吸收速率计算,接触角取30度,所测值在t=0用Fibro DAT动态接触角测量仪测,一滴4μL的惠普黑墨滴到实验室所涂的纸上(用G110H),孔的长度等于10μm(纸涂层的厚度)。
在这个计算中接触角随时间的减小不计。接触角随时间的减小会使吸收速率比计算所得快。但最初的30度接触角在吸收速率上的影响可以忽略,这个结果见表1(b)。
微孔和中孔(到0.1μm)吸收墨水相对慢一些。它们的大小与染料分子大小相比,可能会在水被多孔系统吸收时在纸表面起隔离作用。
较大中孔和大孔会被很快渗透,不会有任何的染料隔离作用,特殊的表面使渗透发生之前水就已经干了。可以想象的到较大中孔和较小大孔(0.1μm-1μm)能造成涂层表面下的部分墨水“消失”,这会导致光学密度下降。
当二聚物和低聚物以及受到染料密度影响的超轻吸收带形成时,如果染料可以均匀分布在纸表面,色彩的纯度就可以得到保证。当染料分子的大小为几个纳米时,主要由微孔和中孔组成的涂层会使染料聚合体变小。
涂层另一个关键特性是墨水在纸张上的接触角。高接触角的影响是使墨滴的扩散变慢,增强了干燥(通过水的吸收和汽化)。这在理论上提高了打印的清晰度和光学密度,使孔隙率(包括孔的容积和大小)保持恒定。