专利名称：用于高速数字喷墨印刷的印刷介质的制作方法
用于高速数字喷墨印刷的印刷介质
背景技术：
高速数字喷墨卷筒纸轮转印刷机印刷(high speed, digital inkjet web press printing)是一种商业印刷工艺，其开发来用于在连续的卷筒纸上以每分钟几百英尺的速率印刷。印刷是在连续的卷筒纸印刷机上进行的。该卷筒纸(其是一种连续的纸卷)沿着纸通道传送，该通道包括固定喷墨印刷头，来将一系列的墨滴喷射到该卷筒纸上。本发明涉及一种改进的印刷介质，其特别适于这样的高速卷筒纸轮转印刷机印刷。
发明内容
大部分的喷墨油墨是含有着色剂的水基油墨，所述着色剂是颜料或者染料。卷筒纸吸收油墨溶剂的能力和速度对于数字喷墨卷筒纸轮转印刷机印刷中所用的介质是特别关键的。当常规的涂覆印刷介质例如胶版纸被用于高速数字卷筒纸轮转印刷机中时，遇到了挑战。差的图像品质例如油墨渗色外加差的黑色和彩色光密度是遇到的主要问题。在高速喷墨卷筒纸轮转印刷机中使用常规印刷介质的另外一个主要的问题与该介质缓慢的油墨吸收速率有关，其因此需要延长的油墨干燥时间。这样延长的干燥时间限制了印刷进行的速度。为了解决这些存在的问题，本发明提供一种改进的印刷介质，其设计来赋予快速的油墨吸收，同时易于将油墨中的着色剂固定到印刷纸表面上，来实现优异的图像品质。该改进的印刷介质包括由含有机械纸浆的纤维配料(fiber furnish)制成的原纸，和在该原纸的两个相对表面的至少一个上的涂层。用于制造印刷介质(即，纸张)的纤维素纤维纸浆可以分为化学纸浆或者机械纸浆(即，含有木材的纸浆)。化学纸浆指的是这样的纸浆，其已经进行了化学加工，在这里热和化学品破坏了木质素(将纤维素纤维粘合到一起的物质)，而不严重的降解纤维素纤维。 这种方法从纸浆中除去了木质素，由此产生具有非常少量的木质素的纤维素纤维。机械纸浆可以进一步分成研磨木浆和热机械纸浆(TMP)。TMP纸浆在一些情况中可化学增强，并且在这样的情况中，它被称作化学-热-机械纸浆(CTMP)。在研磨木浆生产中，将圆木在研磨石上依靠机械压力挤压。借助于水将该木材分离成纤维。作为其结果，释放出木纤维，但是仍然包含大量的多种污染物。研磨木浆具有大约95%的高产率和高的不透明度，但是它的强度是相当低的，这归因于它的木质素成分。在 TMP方法中，将木材加工成木屑，其大部分是均勻尺寸的。它们然后传输到浸渍站，在这里将该木屑用化学品饱和，并且加热。在这个阶段之后，将它们送过精制站，然后过筛和漂白。 成品仍然包含一些木质素，其来自于细胞壁，并且使得纸张变黄。在CTMP纸浆的情况中，在精制之前将木屑用碳酸钠，氢氧化钠，亚硫酸钠和其他化学品进行预处理。该化学处理的条件相比于化学纸浆的加工是明显不剧烈的(较低的温度，较短的时间，不太极端的PH)，因为其目标是使得纤维更易于精制，而非除去木质素(如完全的化学方法那样)。与机械纸浆制成的纸相比，由化学纸浆制成的纸通常表现出良好的物理性能例如良好的纸张强度、高亮度和白度，和良好的耐光性(即，耐纸黄变性)。化学纸浆典型的用于制造高品质纸。但是，化学制浆方法是低产率的方法，并且在化学加工中需要昂贵的化学
4品来除去木材的木质素。这使得基于化学纸浆的纸比基于机械纸浆的纸更昂贵。为了获得低成本高亮度的纸，现有技术的解决方案包括将高亮度的白色颜料涂层施涂到含木材的纸上，来克服由于木材的木质素引起的黄变效应。这些含木材的纸已经作为接受性介质而广泛用于常规商业印刷中，例如胶版印刷。如上所述，本发明的原纸是由含有机械纸浆的纤维配料(也称作含木材纸浆)制成的。合适的机械纸浆包括研磨木浆，热机械纸浆(TMP)，化学-热-机械纸浆(CTMP)。为了满足本发明的品质和成本目标，该原纸优选满足至少一种下面的条件，和甚至更优选全部下面的条件
(a)原纸中机械纸浆的总量不小于30重量％，和在优选的实施方案中不小于80重量％。(b)为了改变纸的性能例如强度，由化学加工制成的化学纸浆可以包括在该原纸中。(c)为了产生用于高品质印刷的良好表面，将该原纸的粗糙度限制到不大于 150 士 10ml，其是通过 Parker Print-Surf Roughness 测试仪型号 M590，并且参考 TAPPI 方法 T555 “Roughness of Paper and paperboard ( Print-surf method)，，来 贝Ij量白勺。(d)为了保证在高速喷墨卷筒纸印刷条件G00-800ft/min)下快速的油墨吸收性，该纤维原纸的平均孔尺寸理想的是限制到一定范围内。纸包括无规粘结的纤维层，因此可知该结构具有通过不同尺寸和分布的空穴所产生的不同程度的孔隙率。该纤维原纸的平均孔尺寸是0. 0lMm-5. OMm，其是通过Micrometritics Inc.所提供的水银施胶挤出测试仪来测量的。水银孔隙率仪通过向浸入到水银中的样品施加不同程度的压力来表征材料的孔隙率。水银浸入样品孔中所需的压力与孔尺寸成反比。(e)该原纸可以通过加入一种或多种本领域已知的内施胶剂来进行内施胶化，或者不使用内施胶剂，在这里该纤维粘合强度是通过纸浆中存在的木质素来提供的。无论是否使用内施胶剂，该原纸通过Hercules Sizing测试仪所测量的HST值优选是5_250s。该涂层是如下来形成的将含水涂料组合物施涂到原纸的至少一个表面上，随后干燥加工。该涂料组合物包括作为基础成分的油墨定色剂，预定比例组合的两种不同的粘合剂(第一和第二)，和至少一种白色无机颜料。该油墨定色剂的作用是将油墨中的着色剂颜料化学的、物理的和/或静电的粘合到待印刷的纸外表面处或者附近，来获得高度的水牢度，阴渗牢度和图像稳定性。该油墨定色剂的另外一种作用是降低油墨干燥时间。合适的定色剂包括金属盐。该金属盐可以选自水溶性单-或者多-价金属盐，其具有选自第I族金属、第II族金属、第III族金属或者过渡金属的阳离子，例如钠、钙、铜、镍、镁、锌、钡、铁、铝和铬离子。该金属盐还可以具有选自氯离子、碘离子、溴离子、硝酸根、硫酸根、亚硫酸根、磷酸根、氯酸根、乙酸根离子或者其各组合的阴离子。该油墨定色剂的存在量是最终的印刷图像品质的一个重要贡献因素。不足量的油墨定色剂仅仅会与油墨着色剂例如颜料进行部分的相互作用，产生较低的光密度。另一方面，过多的油墨定色剂量不仅会导致纸对于环境中的湿气过于敏感，而且还与涂料组合物中的粘合剂发生不利的相互作用，并由此对于涂料组合物的流变性产生不利影响。油墨定色剂的量取决于该原纸的积聚能力。对于具有几秒至10-120秒的强积聚能力的原纸来说 (通过它的HST值来测量)，油墨定色剂与第二粘合剂的相对重量比优选是15 2-75 :2。
涂料组合物中的粘合剂组分是第一粘合剂和第二粘合剂的组合物/共混物。该第一粘合剂是水溶性材料，其可以粘合无机颜料粒子来形成涂层，但是对于金属盐是惰性的。作为此处使用的，术语“惰性”表示该粘合剂将不与定色剂相互作用来引起该粘合剂沉淀，凝胶或者形成任何种类的固体粒子，其不利的降低粘合剂的粘合能力和组合物的涂覆能力。该第一粘合剂选自天然大分子，其包括酪蛋白，大豆蛋白，多糖，纤维素醚，藻酸盐，未改性的和改性的淀粉，或者选自对金属盐惰性的合成化合物，其包括聚乙烯醇和聚乙烯基吡咯烷酮。该第二粘合剂选自具有比第一粘合剂更高的粘合能力的材料。该第二粘合剂与第一粘合剂的粘合能力的指数是1. 2-5。粘合能力指数定义为获得相同涂覆强度所需的重量相对量。合适的第二粘合剂包括聚合物乳胶，其包括但不限于丙烯酸乳胶，苯乙烯-丁二烯乳胶，聚乙酸乙烯酯乳胶，及其共聚物乳胶。该第二粘合剂的量对于涂料性能来说是关键的。虽然聚合物乳胶能够为涂料组合物提供额外的粘合能力，但是它也会与金属盐反应和使得该涂料组合物不稳定。已经发现某些比例的第一粘合剂与第二粘合剂产生了最佳的结果。该第一粘合剂与第二粘合剂的干重比优选是6 :1-200 :1。当该粘合剂混合物在涂料水溶液中与无机颜料混合时，该粘合剂混合物的动电性能对于该粘合剂使用相关的性能例如粘合能力和组合物稳定性来说是关键的。该动电性能是以ζ电势度量的。对上述粘合剂组合物中的第一和第二粘合剂的比例进行调整，来满足特定的ζ电势范围。作为此处使用的，术语电势”指的是分散体介质与附着在分散粒子上的流体固定层之间的电势差。ζ电势与表面电荷和电泳淌度有关，并且是一种公知的性能测量。已经发现最佳的ζ电势范围是士5mV，更优选是-2mV到lmV。已经发现这样的 ζ电势范围产生了这样的涂料水溶液，其具有令人期望的稳定性，良好的粘合能力和合适的流变性。如果该ζ电势过低，则该粘合剂共混物将与金属盐油墨定色剂不利的反应，并且产生凝胶。另一方面，该具有过高ζ电势的粘合剂共混物将产生无机颜料浆体的沉淀。该第二粘合剂的玻璃化转变温度(Tg)也是决定该第二粘合剂的MFFT(最低成膜温度)的重要因素，其反而控制了粘合能力。该第二粘合剂的Tg优选不大于50°C，更优选不大于30°C，和甚至更优选是_20°C到20°C。具有过低Tg的第二粘合剂将引起纸张结块， 但是另一方面，如果Tg过高，则粘合能力将受损害。如上所述，该涂料组合物包括至少一种白色无机颜料。术语“白色无机颜料”指的是选择具有高亮度和/或白度的颜料。合适的白色无机颜料包括碳酸钙，例如机械研磨碳酸钙(GCC)，或者化学生产的沉淀碳酸钙(PCC)。归因于这样的事实，即，本发明的原纸主要选自由机械含木材纸浆制成的纸，因此当它曝露于光线时，它具有赋予“黄化效应”的倾向。 为了减少纸的黄化，令人期望的是具有这样的涂料组合物，其提供了对于原纸良好的覆盖性和曝露于光时的稳定性。为此目的，可以加入第二颜料。该第二无机颜料优选具有小片形态(或者板状结构)，其有利于覆盖原纸表面上的纤维来平滑该纸表面，并且因此提高该纸的表面光滑度。该第二颜料的存在还减少了机械纸浆纤维随时间变化的黄化效应，由此提高纸的亮度和白度。另外，该第二无机颜料另外用于提高纸的不透明度。提高该不透明度降低了从纸的反面看到在纸的正面上形成的印刷图像的可能性。合适的第二无机颜料可以选自例如但不限于具有硅酸铝结构的化合物，例如高岭粘土。在优选的实施方案中，该第二颜料与第一颜料的重量比不大于30份，基于总共100份的无机颜料。所用的硅酸铝具有大约0. 9 Mm-大约1. 6 Mm的中等ESD (当量球形直径)，其是通过Microtrac_UPA150激光散射装置来测量的。在优选的实施方案中，不大于5重量％的硅酸铝粒子的ESD大于4. 5 Mm,和优选不大于10重量％的硅酸铝粒子的ESD小于0. 3 Mm。较高百分比的小ESD粒子倾向于降低覆盖效应。任选的，其他涂料添加剂例如pH控制剂、保水剂、增稠剂和不同的表面活性剂可以加入本发明的涂料组合物中。对于打算用于高速喷墨卷筒纸印刷中的印刷介质来说，吸收喷墨油墨中的含水液体的能力对于实现令人满意的图像品质来说是非常令人满意的。该吸收能力直接与原纸的孔隙率和涂层结构有关，该涂层结构与涂料组合物和涂覆方法有关。纸孔隙率是存在于印刷纸中的垂直和水平二者的总的相连气穴的度量。纸的孔隙率是吸收率或者纸张接受油墨的能力的指示。在实际中，该纸孔隙率可以使用TAPPI "Air Permeance of Paper (Sheffield方法)”，Test Method T547 om_07中所定义的方法，通过测量纸的空气阻力来表示。这种方法被用于如下来测量孔隙率强制空气穿过该纸，并且测量空气流速。 结果作为Sieffield单位来报告。常规的颜料化涂层会具有变化非常大的孔隙率，这取决于颜料类型，粒度和分布， 粘合剂类型和量，涂覆条件和涂覆后加工例如压延。在本发明中，最终的纸孔隙率具体是通过调整涂料组合物和涂覆方法来获得的。具有较低体积的孔隙的涂覆纸表示了差的孔隙率值，其会导致延长的干燥时间和在印刷过程中产生阴渗和油墨渗色。但是，过高的孔隙值代表了过高的多孔结构，其可能将大部分油墨着色剂吸收到原纸中，由此产生低的光密度 (褪色)图像。本发明最终的、完成的(即，干燥的和压延的)涂覆纸的孔隙率(通过空气透过性来表示)优选是15-40 Sheffield单位，基于Parker I^rint-Surf测试仪。根据本发明的一种制造涂覆纸的方法，其包括
(a).在混合槽中混合水和无机颜料；
(b).在分别的混合槽中预混合第一粘合剂和第二粘合剂，并且调整粘合剂的比例，来确保该共混物的ζ电势在+/_5mV的范围内；
(c).将粘合剂共混物加入到该混合槽中，并且混合其中的组分，来形成分散体；
(d).将金属盐(如果该起始材料是干燥固体的形式，则将它预先溶解在水中)加入该混合槽中，并且混合来形成涂料溶液；
(e).任选的，加入另外的涂料添加剂到该涂料溶液中；
(f).将该涂料溶液施涂到主要由机械纸浆制成的原纸的至少一个面上，来在其上形成涂层；
(g).干燥该涂覆的原纸，和
(h).任选的，后整修，例如压延。该无机颜料、粘合剂共混物和金属盐如上面的涂料组合物中所述。该无机颜料粒子可以直接加入混合槽中或者可以预分散来形成滤饼浆体。该涂层的涂覆重量是每个面上 l-20gsm，和优选每个面上3-15gsm。该原纸可以采用适于卷筒纸轮转印刷机印刷的卷筒纸形式。在一种实施方案中，用于制造该原纸的纤维配料包含80重量％或者更高的机械纸浆 (研磨木浆，或者热-机械纸浆(TMP)，或者化学-热-机械纸浆(CTMP))。该纤维配料还可以包含10%-20重量％的化学纸浆和4%-15重量％的无机颜料/填料例如碳酸钙、粘土或者滑石。特效颜料例如TiO2 (用量不大于3重量％)也可以作为另外的矿物加入，来为该纸产生额外的不透明度和亮度。该原纸的定量是30-170gsm。本发明的改进的涂覆纸可以制成定量为35-48gsm的超轻重量纸。即使这种涂覆纸是超轻重量的，在其上仍然能够产生具有可忽略的油墨删除线的良好的印刷图像，这归因于涂料组合物中所述组分的独特组合。使用常规涂覆技术来将该涂料溶液施涂到原纸表面上，例如表面施胶，来在该原纸上形成涂层。该表面施胶方法包括使用施胶压榨例如胶泥施胶压榨，薄膜施胶压榨等等。 该胶泥施胶压榨可以配置成具有水平、垂直或者倾斜的辊子。该薄膜施胶压榨可以包括计量系统，例如栅-辊计量，叶刀计量，密尔棒计量或者狭缝计量。在一些实施方案中，可以使用具有短驻留叶刀计量的薄膜施胶压榨作为施涂器，用于施涂该涂料溶液。对于具有较厚涂层的介质来说，使用离线涂覆机。合适的沉积技术/制造方法的一些非限定性例子包括辊涂，常规狭缝口模涂覆，刀涂，弯刀涂覆，棒涂，剪切辊涂覆，狭缝口模层叠涂覆，池涂覆， 帘涂和/或其他相当的方法，包括使用循环和非循环涂覆技术的这些。在某些情况中，可以使用喷涂、浸涂和/或流延涂覆技术。下面的实施例将用于说明代表性的实施方案，并且不应当解释为以任何方式对本发明的限制。其中提到的全部的份数指的是重量单位的，除非另有指示。
实施例实施例1
制备了粘合剂混合物(B1-B9)，其具有不同的粘合剂比例，并且pH是大约6. 0，并且通过Malvern hstruments提供的型号ZEN3600的kta Sizer (Nano系列)测量了它们的ζ 电势。在将与粘合剂的重量比为1 :2的氯化钙溶液混入该粘合剂混合物中之后，观察了该混合物的稳定性。第一粘合剂是Panforc^80，一种来自Panford Inc.的市售的乙基化的改性玉米淀粉。该第二粘合剂是Dow XU 3U64. 5，一种来自Dow Co的市售SBR(苯乙烯-丁二烯橡胶)胶乳。为了对比，作为单个粘合剂，对于Panford 280和XU 3U64.5还进行了相同的测量和观察。表1表示了 ζ电势测量和稳定性观察。表权利要求
1.一种用于高速数字喷墨印刷的印刷介质，其包含由含有至少30重量％的机械纸浆的纤维配料形成的原纸；和在该原纸的至少一个表面上形成的涂层，所述的涂层包含金属盐；第一粘合剂，第二粘合剂；和至少一种无机颜料，其中该第一粘合剂是选自下面的水溶性粘合剂酪蛋白、大豆蛋白、多糖、纤维素醚、藻酸盐、未改性的和改性的淀粉、聚乙烯醇和聚乙烯基吡咯烷酮， 该第二粘合剂选自Tg不大于50°C的聚合物乳胶， 该第一粘合剂与该第二粘合剂的干重比是6 :1-200 1, 所述的至少一种无机颜料选自研磨碳酸钙(GCC)和沉淀碳酸钙(PCC)，和其中所述的印刷介质的孔隙率值是15-40 Sheffield单位。
2.权利要求1的印刷介质，其中该涂层进一步包含选自具有硅酸铝结构的化合物的第二无机颜料，并且其存在量不大于30份，基于总共100份的无机颜料。
3.权利要求1的印刷介质，其中所述的第二无机颜料是高岭粘土。
4.权利要求1的印刷介质，其中该第二粘合剂选自Tg为-20°C到20°C的乳胶聚合物。
5.权利要求1的印刷介质，其中该金属盐选自水溶性的单-或者多-价金属盐，其具有选自第I族金属、第II族金属、第III族金属或者过渡金属的阳离子，和选自氯离子、碘离子、溴离子、硝酸根、硫酸根、亚硫酸根、磷酸根、氯酸根、乙酸根离子或者其组合的阴离子。
6.权利要求1的印刷介质，其中该原纸的平均孔尺寸是0.0lMffl-5.0Mffl，其是通过水银施胶挤出测试仪来测量的。
7.权利要求1的印刷介质，其中该涂层的涂覆重量是l-20gsm，和该原纸的定量是 30-170gsm。
8.权利要求1的印刷介质，其中该金属盐与该第二粘合剂的重量比是152-75 :2。
9.权利要求1的印刷介质，其中原纸是由含有至少80重量％的机械纸浆的纤维配料形成的。
10.一种制造用于高速数字喷墨印刷的印刷介质的方法，所述的方法包括(a).在混合槽中混合水和至少一种无机颜料；(b).预混合第一粘合剂和第二粘合剂，并且调整粘合剂的比例，来确保该粘合剂混合物的ζ电势在士5mV的范围内；(c).将粘合剂混合物加入到该混合槽中，并且混合其中的组分，来形成分散体；(d).将金属盐加入该混合槽中，并且混合来形成涂料溶液；(e).将该涂料溶液施涂到原纸的至少一个面上，来在其上形成涂层；和(f).干燥该涂覆的原纸，其中所述的原纸是由含有至少30重量％的机械纸浆的纤维配料形成的， 其中所述的第一粘合剂是选自下面的水溶性粘合剂酪蛋白、大豆蛋白、多糖、纤维素醚、藻酸盐、未改性的和改性的淀粉、聚乙烯醇和聚乙烯基吡咯烷酮，所述的第二粘合剂选自Tg不大于50°C的聚合物乳胶，和该第一粘合剂与该第二粘合剂的干重比是6 :1-200 1, 禾口其中所述的至少一种无机颜料选自研磨碳酸钙(GCC)和沉淀碳酸钙(PCC)。
11.权利要求10的方法，其中通过所述方法形成的印刷介质的孔隙率值是15-40Sieffield 单位。
12.权利要求10的方法，其进一步包括在干燥后压延该涂覆的原纸。
13.权利要求10的方法，其进一步包括在步骤(a)加入不大于30份量的第二无机颜料，基于总共100份的无机颜料，所述的第二无机颜料选自具有硅酸铝结构的化合物。
14.权利要求10的方法，其中该金属盐选自水溶性的单-或者多-价金属盐，其具有选自第I族金属、第II族金属、第III族金属或者过渡金属的阳离子，和选自氯离子、碘离子、 溴离子、硝酸根、硫酸根、亚硫酸根、磷酸根、氯酸根、乙酸根离子或者其组合的阴离子。
15.权利要求10的方法，其中该原纸是由含有至少80重量％的机械纸浆的纤维配料形成的。
全文摘要
公开了一种用于高速数字喷墨印刷的印刷介质，其具有高的亮度和耐黄化性。该印刷介质包括由含有至少30重量%的机械纸浆的纤维配料形成的原纸，和在该原纸的至少一个表面上形成的涂层。该涂层包含金属盐，预定比例的两种不同粘合剂的组合，和至少一种无机颜料。还公开了一种制造该印刷介质的方法。
文档编号B41M5/395GK102470682SQ200980160520
公开日2012年5月23日 申请日期2009年7月17日 优先权日2009年7月17日
发明者埃德蒙森 D., 周晓奇, 巫绪龙 申请人:惠普开发有限公司