彩色打印纸的研究现状与未来发展前景

彩色打印纸研究现状

　　在黑白打印机已基本在家庭、办公室普及的今天，彩色商务打印机已成为现在发展的潮流。无论在商务办公领域还是在家庭里的数字文档打印，彩色打印越来越受到人们的喜爱，因为色彩是一种作用神速的、强大的和极具吸引力的表达工具，有强烈的视觉冲击效果。尤其是在商业中，色彩通过强调突出一些重点细节，可更清楚、更有效地传达相关信息。有研究指出，色彩能为信息传递增加40％的读者，改善人们理解力的幅度达75％，同时对学习能力、兴趣的提升也高达75％。

　　在黑白文档、图像输出过程中，尽管喷墨打印机有许多优点，如自身价格较低，图像输出效果较好，但也许多不足之处，如单纯的文本打印效果较差，打印耗材使用周期短，成本高。而与喷墨打印机相比，激光打印机则在文本效果和打印成本方面优势明显，特别是在字符精度方面表现突出，打印效果能与工厂印刷媲美；因此，随着家庭、企业及商务办公应用的蓬勃发展，黑白型激光打印机已牢牢垄断了文档打印市场，而且呈现出强劲的上升势头。黑白型激光打印机文档输出介质主要是纸张，通常对这类纸张没有特殊的要求，不过要求纸张匀度好、白度较高、纸面要平整，目前用得较多的是电脑打印纸、静电复印纸，也可以使用普通印刷书写纸。

　　相反，在彩色打印领域，彩色喷墨打印机因其自身价格低，而且使用水性油墨，打印过程中不会散发出带电的有毒细小颗粒，危害人们的身体健康，因此得到广泛应用。而对彩色激光打印机来说，尽管其图像分辨率较高，色彩稳定性好，但打印的色密度与逼真度难以与彩色喷墨打印相媲美。因此，在彩色图像输出方面，喷墨打印机占有统治式的地位。

　　彩色喷墨打印技术进入中国市场不过十几年，但发展迅猛，已在办公自动化、数码照相、广告制作、电脑绘像、CAD效果图、地理信息系统、遥控测绘、印刷打样等领域得到广泛应用。

　　基于彩色喷墨打印的原理，用于彩色喷墨机的打印纸性能要求高，不能使用普通的喷墨打印纸；相反，彩色激光打印纸的要求不是很高，只有防水、防潮及耐气候性等功能要求的彩色激光打印纸才需要专门制作。

彩色商务打印纸的分类

　　由于打印技术的不断发展，用于彩色文档及图像输出的打印机种类繁多，根据彩色打印原理，形成全彩色的打印方式大致可分为：喷墨打印、彩色激光打印、热升华打印与热感应打印。相应地，根据彩色打印设备的输出方式和输出要求，彩色商务打印纸可细分为彩色喷墨打印纸、彩色激光打印纸、热感应打印纸及热升华打印纸。

　　1.1彩色喷墨打印纸

　　喷墨打印纸的种类很多，但彩色喷墨打印纸与一般纸张不同，彩色喷墨打印纸要有良好的油墨吸收和油墨固着性，既能吸收水性油墨，又能使油墨不向周边扩散，从而完整地保持原有色彩和清晰度。彩色喷墨打印纸的印刷性能主要决定于其吸墨徐层的结构和功能，不仅要快速均匀地吸收油墨，防止油墨干燥过程中出现泅色、毛细管现象和透印，而且要保证有良好的印刷质量，色彩还原性、墨点真圆度好，印字浓度高，有较高的色密度和颜色强度，特别是高光泽相纸级的彩色喷墨打印纸，要求打印的图像清晰，印刷密度高，在色彩的鲜艳度、细部层次和色牢度等方面能达到银盐相片的水平。

　　彩色喷墨打印纸可以分为普通彩色喷墨打纸、亚光涂布彩色喷墨打印纸及光泽徐布彩色喷墨打印纸，其中光泽涂布彩色喷墨打印纸的性能最好，价格也是最高的，拥有较高的光泽，纸的白度高，有良好的吸墨性，承印的图像层次清晰、色彩饱和，色彩表现力强，近似照片级的图像效果，但其吸收液体的速度和耐水性有所降低，是最高档次的喷墨打印纸，广泛用于商业领域中。

　　1.2彩色激光打印纸

　　彩色激光打印机是低成本、高效率的优质彩色打印输出设备。但与彩色喷墨打印机相比，彩色激光打印机的图像打印效果并不是非常出色，表现在画面整体色彩饱和度偏暗、过渡层次较少，比较接近印刷品而非银盐照片级的影像效果。而且传统的彩色激光打印机输出稿的打印面上总要附着一层硅油，整个画面的反光强烈。

　　彩色激光打印机的成像原理和黑白激光打印机相似，都是利用激光扫描，在硒鼓上形成电荷潜影，然后吸附墨粉，再将墨粉转印到打印纸上，只不过黑白激光打印机只有一种黑色墨粉，而彩色激光打印机要使用黄、红、青、黑四种颜色的墨粉。基于此，彩色激光打印纸性能要求不是很高，只要有高白度，纸面平整，两面差较小，对打印设备损耗较少即可。但是如果要用于制作高档效果图、标书、精美宣传画册以及某些防水、防潮的特殊用途，则应对原纸进行加工处理，以获得良好的彩色打印效果以及相应的功能。

　　1.3彩色热感应打印纸与热升华打印纸

　　热感应打印是使用经过特殊处理的热感应专用打印纸，是一种融合了银盐照相和感热记录的先进技术。打印过程无需色带和墨水，打印纸自身内部含黄（y）、洋红（M）、青（C）染料层，当打印纸接受打印头的热能和紫外定影灯照射时，颜色即释放出来。

　　热升华打印也是利用热感应技术，其原理就是将彩色染料通过某种手段“搬”到打印介质上，形成绚丽的图像。染料热升华转移打印采用专用纸输出，输出效果细腻精美，画质可与银盐照片媲美。虽然热升华打印照片效果很好，但由于其打印速度较慢，对打印纸要求较高，打印成本也非常高，难以在商务领域得到普及。

2.彩色喷墨打印纸的研究

　　调查数据显示，近几年来，随着彩色喷墨打印纸加工制造技术的进步，彩色喷墨纸的承印质量越来越高，而且价格也不断下降，使得彩色喷墨打印技术成为商务办公及家庭文档和图像输出的主要方式，占去彩色商务打印市场的70％，而且以超过40％的增长率持续增长。彩色喷墨打印纸的质量主要决定于其吸墨徐层的性能，尤其是相纸级彩色喷墨打印纸，要求打印出来的画面在彩色的鲜艳度、饱和度、细部层次、清晰度?彩色还原和色牢度都能达到彩色相纸的水平。彩色喷墨打印纸要达到高质量的图像效果，其涂层要具有以下特性：能够均匀快速地吸收墨水，不发生渗色、蹭脏，不透印；墨点真圆度高、边缘锐利，网点浓度高，图像分辨率高；色彩牢度好，图像和文字要有好的耐水性、耐光性、耐摩擦性及保存性；色彩还原性好，饱和度高，有较高的颜色密度和颜色强度。

　　2.1国内外彩色喷墨打印纸的研究现状

　　国外对彩色喷墨打印纸的研究开始得比较早，相关的报道和专利都比较多。研究内容主要集中在喷墨打印纸徐料、徐布工艺、徐料组成和打印图像等方面。例如，对彩色喷墨打印纸研究得较深入有Hyun-Kook，Margaret等人，他们研究认为（1）常规涂布颜料替代一部分铝土和二氧化硅以降低生产成本；（2）气相二氧化硅对徐层结构和打印性质量的影响；（3）二氧化硅和氧化铝对徐层结构和打印质最的影响；（4）颜料的化学性能和粒径对徐层结构的影响以及徐层结构对打印质量的影响等。（5）金属氧化物在光泽喷墨打印纸涂料中的研究。此外，还有RichY.R.等人研究了阳离子添加剂的加入对徐料性能有较大影响，增加了涂料的粘度、屈服应力和弹性模量。CawthorneJ.等人作了改性瓷土和二氧化硅混用生产无光喷墨打印纸的研究。BoylanJ.R.研究了聚乙烯醇作喷墨打印纸胶粘剂的研究。JopsonR.N.研究了胶粘剂改性及其在刮刀涂布生产喷墨打印纸中的应用。A.Hladnik采用自己开发的打印测试表格衡量打印图像质量，利用主要组分分析法（PCA）作了喷墨打印纸质量评价的研究。JonckherreeE.和Mabire作了提高无光泽和高光喷墨打印纸耐水性等方面的研究；KatriVikman作了涂布喷墨打印纸耐牢性能的研究；HenryWilhelm对喷墨打印彩色照片和传统冲洗的彩色照片的耐光性能进行了探讨等。

　　然而，国内是近几年才专注于涂布喷墨打印纸的研究。目前，国内从事彩色喷墨打印纸研究的主要机构主要有湖南造纸研究所、华南理工大学、山东轻工业学院、西北科技大学、南京林业大学和天津远大材料有限公司等。研究内容主要包括彩色喷墨打印纸的分析、徐层性能、涂料组成和专用化学品等方面。大多集中介绍二氧化硅涂布颜料、涂布化学品的应用等方面，而开展的实验研究则比较少。已有的研究包括：对高光泽彩色喷墨打印纸徐层结构及纸页性能的研究，对喷墨打印纸涂层的研究，以及北京制浆造纸研究院和湖南造纸研究所对彩色喷墨打印纸的开发研究等。

　　2.2彩色喷墨打印纸涂料研究

　　研究表明，涂层微观及宏观孔隙结构对彩色喷墨纸的打印质量有很大的影响，因为油墨组成中大部分是水（2％-5％的染料或颜料，2％-5％的表面活性剂和添加剂，30％保湿剂，65％的水），涂层为了固着油墨，必须快速吸水，并防止水渗入纸基，以免影响打印质量。在传统的高岭土、碳酸钙及二氧化钦等涂布颜料中，利于液体吸收的孔隙（。.2-0.4um）有效体积分数较小以及利于液体流动（0.OZ-0.04um）的孔隙直径较窄，不适宜大量用作彩色喷墨打印纸涂布颜料。而由于硅、铝的氧化物的吸油量大（20。克氧化硅吸油量达200-350克）、BET比表面积大（250-600m2/g），且能形成类似于海绵状的高孔隙率网状结构，当油墨接触含硅的徐层时，多孔状的徐层快速吸收油墨溶剂，而染料和着色剂则固着在涂层表面，呈现出良好的光学印刷密度，所以比较适合用作喷墨打印纸涂布颜料。

　　根据涂层吸墨机理，彩色喷墨打印纸的吸墨涂层可以分为膨润型和空隙型，或者是树脂类和颜料类。膨润型吸墨涂层主要由一些能够吸水膨胀的高分子组成，如明胶、聚乙烯醇、聚乙烯毗咯烷酮、PT-丙基纤维素等组成，承接油墨后，树脂发生轻度膨胀，粘住墨液，吸收油墨，但油墨干燥速度慢，抗水性差；而空隙型吸墨涂层则是由具有微孔性结构的颜料或能形成多孔性结构的材料构成，如无定形氧化硅、氧化铝等，形成内部孔隙结构，实现对墨滴的快速吸收和颜色固着作用，油墨干燥速度快，抗水性好。

　　氧化硅是目前应用最广泛的空隙型吸墨涂层颜料。氧化硅颜料的吸墨性强，亮度大，不透明性高，比容积大，油、水吸收性好。多孔状的氧化硅颜料可分为胶体（纳米）硅、烟法硅、沉淀硅及凝胶硅或硅胶。表1总结了各种氧化硅颜料的物理特性。胶体硅在水中是非孔状的稳定性分散，这些粒子是由密集相硅元素组成，大小在1Onm1至100nm之间?颜料中的多孔性主要来源于胶体硅粒子的堆集，表面积由球形粒子外部表面积构成，因此与粒子直径有关。
 
　　由于聚合或聚集，形成连续的、刚性的和多孔状的三维网状结构类似于传统徐料，用作彩色喷墨打印纸涂料的粘合剂种类也有很多，常见的有聚乙烯醇（PVA）、聚醋酸乙烯醋（PVAC）、干酪素、大豆聚合物、梭甲基纤维素（CMC）、竣基丁苯胶乳、改性淀粉等。与乳胶及天然胶粘剂相比，PVA的勃结强度最大，况且PVA有很好的成膜性能，因为它是水溶性的合成胶乳，所以能根据需要调控PVA的性能，例如，尽管PVA是亲水性的，但也能制成疏水的PVAoPVA能在室温下形成易变形的膜，且膜的耐磨性较好。此外，PVA的相容性好，能与其它水状胶体、胶粘剂、颜料及辅料共混，不影响其它物质的性能。

　　为了保证图像色彩有一定的牢度，特别是彩喷图像遇水再干燥后不会发生图像变模糊或色彩扩散现象，通常在涂料中加入阳离子电荷的聚合物固色剂。之所以使用的是阳离子固色剂，这是因为彩色喷墨打印纸所使用的油墨通常是由阴离子染料、水和其它特殊助剂诸如润湿剂等组成。当阴离子染料接触到徐层中的阳离子聚合物时，就会生成不溶于水的络合物，从而将油墨固定在徐层颜料颗粒的表面，防止了墨水的渗透和扩散，同时也提高了打印图像的色彩密度。在配置涂料时，同时将几种固色剂混合使用有利于色彩表现真实。

　　通常使用阳离子固色剂有聚乙烯亚胺、Poly-DADMAC或聚乙烯胺，在徐料中的用量为113份。阳离子把阴离子染料分子吸引到非常高比表面积的二氧化硅颜料上，并在这里被截留，阻止了染料分子横向移动。这种横向移动会引起印刷图像的渗化，或者减少光学密度，加速纸的透印。有研究表明，阳离子染料固色剂同样也能提高耐水性。

2.3彩色喷墨纸涂层结构特点

　　涂层结构决定着徐层的性能，进而决定着徐布纸的性能指标。彩色喷墨打印纸是一类有特殊功能的徐布纸，既具有常规涂布纸的性能又有较大的差别，最突出的特点是吸收性能较好和光泽度高。彩色喷墨打印纸的徐层结构包括外孔隙结构和龟裂结构两种。

　　外孔隙结构就是在涂层表面能看到均匀分布的小孔或凹坑存在，表面具有与内部相一致的孔隙结构，包括表面封闭和开放两种形式，涂层的孔隙包括颜料间孔隙和颜料内孔隙。这种徐层结构在扫描电镜下（SEM）。

　　龟裂结构因涂层结构表面具有类似龟壳表面图案的裂纹结构而得名，形成这种结构的原因可能有两个：一是通过胶粘剂改性来控制它的分子量和表面电荷，从而影响其表面张力，使得它在干燥过程中发生微龟裂。二是将涂层在低于所添加的聚合物的玻璃转化温度（Tg）下干燥，聚合物由于表面张力的作用发生破裂不能形成完整的膜，形成的沟纹就是这种类似龟壳的裂纹结构。

　　2.4彩色喷墨打印纸的质量要求

　　彩色喷墨打印纸是一种新型记录纸，因为发展快，还没有统一的质量标准。但是，根据其实际使用情况，油墨吸收性、光泽度、墨滴点圆性、接触角、打印色密度等是空隙型彩色喷墨打印纸最重要的指标，分别决定着油墨的干燥速度、图像的明亮度、打印分辨率和图像的色彩强度，共同影响着图像的打印效果。色密度是衡量打印图像质量的一个重要性能参数，影响着打印图像最终的视觉效果、色域和色彩逼真度，它不仅与纸页接触角、墨滴点圆性和表面吸收性能有关，还与着色剂在纸页表面留着有关。因此，可以看出，彩色喷墨打印纸性能指标是相互影响，在生产中必须综合考虑各项性能指标，才能获得质量较好的彩色喷墨打印纸。

3.彩色商务打印纸的发展前景

　　前几年，国内市场上的彩色喷墨打印纸还是以进口为主，但现在，由于国内一些厂家在引进、消化、吸收国外彩色喷墨打印纸生产技术的基础上，都先后致力于研制开发彩色喷墨打印纸，其生产的彩色喷墨打印纸不仅价格较低，比进口的同类产品低20％-50％，而质量则可以与进口产品媲美，在国内市场上占据相当的市场份额。因此，国产彩色喷墨打印纸具有很强的市场竞争力。

　　据行业统计显示，在2000年，中国彩色喷墨打印纸年消耗量不到1.5万吨，但到2005年，彩色喷墨打印纸的产量超过8万吨，年增长幅度达40％。这是由于彩喷设备的旺销推动了彩色喷墨打印纸的快速发展。

　　同样，彩色激光打印机的发展也促进了彩色激光打印纸需求量不断增加。在过去，由于彩色激光打印机的价格很高，其在商务领域难以得到普及。自去年开始，由于彩色激光打印机价格走平民化路线，使得彩色激光打印成为企业办公领域的新宠，因为其在打印品质和打印成本方面要比喷墨打印机更胜一筹。为了获得理想的效果，喷墨打印机要求使用价格不菲的特殊打印纸，打印成本高昂，但彩色激光打印即使在普通纸张上也能打出质量优异的图像，耗材使用成本要低得多。因此，据资料介绍，今年以来，彩色激光打印机的市场需求呈现爆发性地增长，增幅超过110％，因此也促使彩色激光打印纸的市场需求量不断加大。近期，日本开发了多种功能性的彩色激光打印纸，如耐光性及耐水性的彩色激光打印纸，扩大了彩色打印纸的应用范围。这种耐水性的激光打印纸，是经过特殊的徐层，光泽度和白度有所升高，同时印刷质量也更加卓越，有超群的画像再现性。