水性颜料墨水技术文献综述.pdf

信息记录材料2 l l 9年 第 1 O卷 第4期 综 述 水性颜料墨水技术 文献综述 骆小红 中国乐凯胶片集团公司 研究院 保定0 7 1 0 5 4 摘要 介绍了喷墨打印技术概况 综述了水性颜料墨水的主要成分 配方和制备工艺 并分析了水性颜 料墨水的发展 以水作为主体溶剂 颜料而非染料作为发色剂 水溶性高分子树脂作为颜料颗粒的稳定剂和成 膜剂 粘结剂 多种助剂协同配合 借助颜料的高耐候性和稳定性 以及非有机溶剂的环保性 水性颜料墨水 成为优异的打印介质 其应用越来越广泛 关键词 喷 墨打 印 墨水 颜料 中图分 类号 TQ6 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 5 6 2 4一 2 0 0 9 0 4 0 0 3 7 0 7 喷墨打印技术概述 喷墨打印是将微量的墨滴喷到介质上 组合成 像 墨滴的尺寸小到可以仅有几十微米 喷墨打印 技术是多样 的 一般从两个角度来 划分 打印技术 一 种是按墨滴打印到介质分 为列表 按需式和连续 式 连续式喷墨因为成本高 维护复杂 目前不被 多数打印机采用 另一种是按 墨滴生成方式来划分 则较多 如热喷 气泡式 压 电式 声 波式 静 电 式等 其中热喷 气泡式 压电式两种较为成功 1 热泡喷墨技术原理如图 1所示 在喷墨头上有许多 喷孔 将电脉冲加到选定的热敏 电阻上 热敏电阻 以 1 0 0 0 ms的速度加热 墨水 在此大约 0 1 n n n 厚的墨水薄膜被加热到 3 4 0 左右 从而产生气泡 并爆破 然后从喷孔喷出墨滴 2 在热泡喷墨技术 中 墨滴的形成和喷射分 以下 4 个过程进行 收稿 日期 2 0 0 9 0 3 一O l 作者简介 骆小红 1 9 6 6 一 男 湖南 宁远县 人 高级工 程师 本科 主 要从事功能膜材料开发和涂布技术研发 热敏电阻 c c c Q c o M 一 v l 0 0 0 o o 0 墨 滴6 6 6 介 质 图 1 热泡喷墨技术示意图 F ig 1 T h e t e c h n o l o g y o f h o t b u b b l e j e t 1 生成气 泡核 热 敏电阻 以 l O 0 0 C ms的 速度加热 产生高热蒸汽爆炸 在少于 3 u s 的时间 内生成气泡核 2 形 成 墨 滴 由汽 泡 核 形 成 气 泡 需 3 1 0 u s 气泡扩张形成墨滴 3 喷射墨滴汽泡爆破 喷射墨滴 此时在 喷墨腔 中形成真空 吸进新墨水 整个时间需 1 O 2 0u s 4 高频喷射喷嘴形成半月形 并完成再次 墨水填充 在少于 3 5 u s内达到 3 0 k Hz 以上的喷射 频率 REVl l c V H I I t tt io r R e r l b 酗 t e r i a l s 2 0 0 9 t t 0 4 压电喷墨技术是利用电压直接转换原理 如图 2 所示 形成机械力 并以机械动作将墨水从墨道 中 挤 或 推 出去 将墨滴喷射到介质上形成 图像 图 2 压 电喷墨示意 图 F i g 2 Th e t e c h n o l o g y o f p i e z o e l e c t r i c i n k j e t 压电喷墨技术的优点 1 喷墨头在常温下进行工作 了喷头寿命 可达数千小时 墨水 对喷墨打印用墨水在打印性能上的要求主要 有 图像清晰 色彩逼真 具有 良好的耐水 耐光 牢度及光密度 干燥速度快 不易沾污 在喷嘴前 端不易形成硬壳 长期存放稳定性好 不应有化学 变化或沉淀生成等 4 随着技术的不断发展和进步 特别是纳米技术 的发展 颜料墨水在颗粒度 稳定性和色彩还原等 方面有了长足的进展 解决了长期以来水性颜料墨 水的不稳定性以及容易堵塞喷头的难题 5 加上光 稳定性强等固有优势 市场逐步扩大 特别是 E P S O N推出的世纪虹彩和世纪虹彩 K3 颜料墨水使颜 料墨水越来越受到市场上印刷 影象领域高端拥护 的青睐 因 而 大 大提 高 3 喷墨打印颜料墨水技术分析 2 在压力下而不是在热力下进行喷墨 墨滴 大小可以选择 形状 比较规则 墨滴直径小 分辨 率高 3 可以选择更广泛的墨水种类 可用染料型 和颜料型墨水 因而实现 了以户外为主 的应用范 围 4 与热泡式喷墨技术相 比 整体耗墨量较少 2 喷墨打印墨水 喷墨打印 的另一 个关 键技术是墨水 的开 发技 术 许多不 同类 型的墨水被开发 和使用 于喷墨打 印E 引 墨水即是把着色剂均匀分散在溶剂体系中 按溶剂不同可以分为水基体系墨水和溶剂型墨水 喷墨打印用墨水所用的着色剂主要有染料 水 溶性染料 和颜料 不溶性颜料 和分散染料 2种 类型 颜料的耐水牢度要优于染料且不易受天气影 响 但是 由于颜料不是溶解而是以颗粒形态分散于 墨水介质中 所以颜料型墨水 的液体稳定性差 在 长期储存 中颜料的分散性可能不稳定从而引起喷嘴 堵塞 染料的耐光 耐水牢度虽然不如颜料 但由 于染料全部溶解在墨水介质 中 因此 染料型墨水 不易在喷嘴和打印机头的墨水腔 中引起堵塞 因此 液体稳定性也优于颜料型墨水 另外与颜料相比 染料色谱齐全 且许多类型的染料已经商品化 因 此 目前喷墨打印用的商品化墨水大多属于染料型 圜一 目前 水性颜料墨水从技术上分为 2 类 一类 以 E P S O N为代表是将颜料用水溶性树脂包覆 再 利用分散剂使颜料颗粒稳定地分散在水中 其特点 是颜料颗粒小 一般平均粒径在 1 0 0 n m 以下 光 泽度高 耐水性能好 另一类以 C AB O T为代表 选用超分散剂将经过化学改性的颜料覆盖 不使用 高分子量的聚合物树脂 其特点是黏度低 流动性 好 但是需要在颜料生产过程 的后期处理过程进行 颜料改性 因此一般适合颜料生产企业从事墨水开 发 喷墨打印墨水根据补色法进行色彩还原 颜色 一 般四色一组 分别 为黑色 黄色 品红色 青 色 对颜色还原要求较高的场合用六色或七色甚至 八色 既增加了浅 品 浅青 以及浅黑 浅浅黑 7 如今墨盒已经进入八色时代 虽然惠普早在 2 0 0 3 年底就推出了八色喷墨产 品 P h o t o s ma r t 7 9 6 0 但顶级 喷 墨照 片打 印机 真 正步 八 色 时代 还 是在 2 0 0 4年 2 0 0 4年初 爱普生发布 了其最新 的顶级 8色喷墨打印机 S t y l u s P h o t o R 8 0 0 该款产品使用 了爱普生 世纪虹彩 亮光颜料墨 超越传统墨水 系统 增加了蓝色和红色墨水 色域更宽广 更加 接近 s R G B 使照片的色彩表现力达到前所未有 的高度 2 0 0 4 年 4月 佳能也推 出了拥有 8色墨 水和细小至 2微微升超精微 墨滴的 A3 无边距照 片打印机 i 9 9 5 0 它在原有 6种颜色的基础上 又 增加了橙色和绿色 2种色彩 使其在人物和景色 的 L L 厂 信息记录材料 2 州 一年 第 m卷 第4期 综 述 打印质量方面有 了质的提高 随后 在 P I XMA 系 列的顶级 A4喷墨打 印机 i P 8 5 0 0中 同样也采用 了 8色打印技术 且一样也是新加入了橙色和绿色 2 种颜色的墨水 而 HP在 2 0 0 4年 9月也更新 了 其顶级 喷墨 打 印机 由 P h o t o s ma r t 8 4 5 8替代 了 P h o t o s ma r t 7 9 6 0 但 同样是在原来品红 浅品红 青 浅青 黄色和照片黑六色墨基础上增加 了深灰 和浅灰 2个 颜色 并结合 HP 富丽图 P R O 技 术 使打印系统可以产生 7 2 9 0多万种色彩 确保 打印图片的色彩表现更准确 阴影细节的表现力更 强 时至 2 0 0 5年末 市场上已经有 5款 8色喷墨 打印机在销售 使得顶级照片喷墨打印机 已经完全 进入 了 8色 时代 2 0 0 8年 爱 普 生 E p s o n S t y l u s P h o t o R1 9 0 0在打印喷头上采用了众多新技术 在 核心技术 墨水 上更采用 了独特 的全新 爱普生 世纪虹彩亮光 2代 颜 料墨水 与前一代 的 世 纪虹彩亮光 颜料墨水相 比 全新的 世纪虹彩亮 光 2 代 颜料墨水最显著的变化是使用全新的橙色 墨水替代蓝色墨水 同时具有更鲜艳的洋红色和带 一 点绿 的黄色 2 0 0 8年 1 1月 1 4日 一场 主题为 E p s o n S t y l u s P r o 7 9 1 0 9 9 1 0 GO 的发布会在上 海隆重召开 再 次为业界 上演 了一部色 彩魅力大 戏 爱普生发布 4款大幅面新 品打印机 其 中包括 了集全新 l 1 色 活的色彩 HD R TM 颜料墨水与 爱普生最新一代 TF P微压电打印头应 用于一身的 大幅面 打 印机 E p s o n S t y l u s P r o 7 9 1 0 9 9 l O 7 9 1 0 专业版 9 9 1 0专业版 无论是高端影像行业 印前打样领域 或是广 告设计 对色彩要求都十分严格 因为即便是细微 的色彩缺失都将大大削弱画面整体的表现力 一向 以 活的色彩 见长的爱普生 始终致力于墨水技 术 的研发与改进 而这次发布的 E p s o n S t y l u s P r o 7 9 1 0 9 9 1 0应用 的便是爱普生全新的 1 1 色 活的 色彩 HD RT M 颜料墨水 图 3 9 o 图 3 爱普生大幅面新品 1 1 色墨水 Fi g 3 Ne w Ep s o n l a r g e f o r ma t 1 1 c o l o r i n k s 回顾一下喷墨打印机技术 的发展历程 从四色 到六色 再从六色发展到八色 现在又发展到了十 一 色 一步一个台阶 今天的喷墨打印机早 已经不 是那个只能打印文字的 P C附属输出设备了 而是 能够独立于 P C并能够打印出高清晰度照片的影像 输出中心 了 没有最清晰 只有更清晰 这应该是 喷墨打印机技术发展的至高准则 4 水性颜料墨水的组成 水性颜料 墨水 的化学 组成 颜料 溶 剂 水 树脂 分散剂 表面活性剂 水 溶性 有机溶 剂 杀菌剂等 1 颜料 喷墨打印墨水使用的颜料有的使用 无机颜料 但绝大多数是有机颜料 黑色 颜 料 品种 有 C I 颜 料 黑 7 碳 黑 C I 颜料黑 1 1 C I 颜料黑 1 苯胺黑 等 其 中用量最大的是碳黑 7 黄色颜料品种有 C I 颜料黄 1 3 1 2 l 3 1 4 1 7 2 3 2 4 3 4 3 5 37 4 2 5 3 5 5 7 4 81 83 9 5 9 7 9 8 1 0 0 1 01 1 0 4 1 08 1 0 9 1 1 0 1 1 7 1 2 0 1 3 8 1 5 3 1 5 5等 其 中 C I 颜 料黄 7 4是使用 比较多的品种之一 结构如下 N C C一 I C OH l CH3 品红色颜料品种有 C I 颜料红 1 2 3 5 1 7 2 2 2 3 3 1 3 8 4 8 2 Ba 4 8 2 Ca 4 8 3 4 8 4 4 9 1 5 2 2 5 3 1 5 7 1 6 O 1 6 3 1 6 3 2 6 4 1 8 1 8 3 8 8 9 2 1 0 1 1 0 4 1 0 5 1 0 6 1 0 8 1 1 2 1 1 4 1 2 2 1 2 3 1 4 6 1 4 9 1 66 1 6 8 1 7 0 1 7 2 1 77 1 7 8 1 7 9 1 8 5 1 9 0 1 9 3 2 0 9 2 1 9等 其中 C I 颜料红 1 R EVI EW t r g S n n a fi o t l R c c m l b g l C a t e t s 2 0 0 9 1 0 m4 1 2 2 是性能较好的品种之一 7 结构如下 CH C I Pi g me n t Re d 1 2 2 7 3 9 1 5 C 2 2 Hl 6 N2 02 M3 4 0 C C I Pi g me nt Re d 2 0 2 CL CL CL C 1 P i gm e n t Re d 2 0 9 青色颜料品种有 C I 颜料蓝 1 2 1 5 1 5 1 1 5 2 1 5 3 1 5 4 1 5 6 1 6 1 7 1 5 6 6 O 6 3等 青色颜料以酞菁类为主 用得 比较 多的品种是 C I 颜料蓝 1 5 3或 1 5 4 结构 式如下 C I P i g me n t B l u e 1 5 3 或 1 5 4 C 3 2 H1 6 N8 Cu M 5 7 6 2 树脂 为了获得颜料在水中分散体更为满 意的稳定性 采用高分子聚合物作为分散剂 可 以 紧密而又牢固地连接在颜料表面上 使颜料表面完 全被覆盖 其溶剂化部分伸展到作为分散介质的水 中 以形成有效厚度 的屏 障 阻止颜 料粒子 的凝 聚 8 正在开发应用 的高分子 聚合 物 有 以下品 种 丙烯酸一 丙烯酸酯共聚物 苯乙烯一 丙烯酸共聚 皿一 物 苯 乙烯一 马来酸酐共聚物 S MA 2 苯 乙烯一 马来酸酐部份酯化共 聚物 S ME 苯 乙烯一 丙烯 酸一 甲基丙烯酸 乙酯 丙烯酰胺一 丙烯酸一 二 甲基二 烯丙基氯化铵共聚物 8 3 E 加 树脂对颜料分散至关重要 不仅直接影响颜料 分散的稳定性 而且对墨水的光泽度 黏度等影响 巨大 大量的专利就是 围绕颜料墨水用树脂而申请 的 典型的专利如 C N1 4 9 5 2 3 8 A 使用马来酸酐 烯烃 马来酸单烷基酯合成 的接枝聚合物作为颜料 分散用树脂 3 分散剂 表面活性剂 表面活性剂作为 助剂的主要 成分 能 起到润 湿 渗透 乳化 分 散 助溶和增溶等作用 其在墨水 中使用是非常普 遍 的 表面活性剂 的分子含有两种极性相反或溶解 性相反 的基 团 极性部分为亲水基团 非极性部分 为憎水或亲油基团 通常可分为非离子 阴离子 阳离子与两性离子等类型 阴离子型 在水溶液中离子化产生具有表面活 性 的有机阴离子 此类表面活性剂在溶液中其极性 基 团带负 电荷 例如 烷基苯磺酸 烷基醇硫 酸 酯 烷基硫酸酰醚酯 长链脂肪酸的钠或钾盐等 阳离子型 在水溶液中离子化产生具有表面活 性的有机阳离子 例如 脂肪胺盐及季铵碱 这类 表面活性剂在溶液中 其极性部分带有正电荷 阳 离子型表面活性剂对色料分散有用 并且很多是具 有防霉性的 还有刺激性与毒性 非离子型 在水 中不产生离子 这种类型的表 面活性剂由于含有亲水性极强的功能基团 所以能 溶解于水 例如 脂肪醇 脂肪酸或烷基苯酚与氧化乙烯 的缩合产品 聚氧乙烯烷基酰胺等 非离子型表面 活性剂常与阴离子型表面活性剂合用 向颗粒之间 提供空间阻隔力 有助于防止下沉与絮凝 两性离 子型 根据介质 的不同 两性型表面活性剂可在水 溶液 中离子化并生成具有 阳离子或阴离子表面活性 剂特征的化合物 例如 咪唑啉 氨基羧酸 氨基 磺酸及氨基磷酸的取代衍生物等 两性离子型表面 活性剂既作 阴离子型也可作 阳离子型 取决于溶液 的 p H值u 4 水溶性有机溶剂 也叫有机共溶剂 主要 有各类醇 醚以及如纤维素衍生物 聚乙烯醇 聚 乙烯吡咯烷酮 丙烯酸酯等水溶性树脂 主要起增 信息记录材料2 0 0 9年第J O卷 第4 期 综 述 稠 保湿等作用 5 颜料墨水的制备工艺 一 般为了生产方便和降低成本 首先制备颜料 色浆 颜料分散体 液 然后用色浆进行稀释 补 加各种助剂 过滤后成为墨水 颜料色浆 的制备以 研磨 为最 常用方法 专利 中也能见 到使 用胶体 磨 高压均质 3 三辊磨 等方式 6 颜料墨水的分析方法 经过检索发现少量文献介绍对个别颜料墨水的 测试 剖析文章 作为对墨水性能的认识 具有一 定的参 考 价 值 1 2 2 2 2 引 如 表 1 2 3 所列 表 1 专利配方例 1 Ta b l e 1 F o r mu l a o f p a t e n t c a u s e s 颜料 颜料用量 g 苯乙烯一 马来酸酐共聚物 1 0 0 0 0 1 5 1 K0H H2 O 吐温 8 O S E l O 平平加 A1 0 N一 甲基一2 一 吡咯烷酮 g E 咯烷酮 1 3 一 丙二醇 乙二醇 聚乙二醇 一缩二乙二醇 异丙醇 丙三醇 C I 1 5 3 4 1 O 1 5 7 3 1 0 z o 6 C L 1 2 2 5 2 O 2 5 56 0P一1 O 2 l O 1 5 1 0 1 坞 钙 肿 脚6 0 0 C 7 w 垃m g 厶 猢9 懈 t O 4 7 结论 水性颜料墨水经过多年的发展 解决了颜料分 散难和难以稳定 的痼疾 同时在与水性染料墨水相 比较 中光泽度较低 色彩不鲜艳等诸多问题也随着 技术的深入发展而一一得到解决 借助颜料墨水的 优良耐候性和非有机溶剂水性墨水的环保性 水性 颜料墨水的应用领域越来越广 随着墨水种类的细 化和数量的增加 打印精度和色彩表现力与染料墨 水相 比毫不逊色 水性颜料墨水打印的图片的保存 性也异常优 良 几大公司的产品都宣称可以超过 1 0 0年 市场的进 多扩展也使水性颜料墨水 的成 本大幅下降 与染料墨水的竞争更趋激烈 优势也 越来越明显 l 参考文献 1 赵钧 喷墨打印技术展望以及在中国开展研发制造之探 讨E J 中国机械工程 2 0 0 5 1 6 7 3 2 3 5 2 1刘惕生 喷墨打印技术概述 J 影像技术 2 0 0 5 3 4 2 6 2 9 3 付冰 喷墨打印技术的进展和发展趋势 二 J 信息 记录材料 2 0 0 2 3 4 1 8 2 2 4 张妹飞 苗蔚荣 喷墨打印用墨水的发展现状 J 染料 与染色 2 0 0 3 4 0 2 6 1 6 4 5 章杰 喷墨打印用着色剂技术进展 一 J 精细与专 用 化学 品 2 0 0 1 2 O 6 9 6 殷幼芳 世纪虹彩 K 3颜料墨水的实际测试 J 今 日印 刷 2 0 0 5 7 7 7 7 温卫东 吴铭 喷墨打印和喷墨印花用染料和有机颜料 的进展 J 染料工业 2 0 0 1 3 8 2 2 4 2 7 信息记录材料 2 C 9 年 第 1 O卷 第4期 综 述 8 3 陈荣忻 水溶性染料与有机颜料商品化技术的助剂应用 续 J 染料与染色 2 0 0 5 4 2 2 5 5 5 9 9 3 h t t p s e r v i c e z o 1 c o m c n d o e l i s t a u t h o r p h p a u t h o r 一 李刚 c l a s s i d 1 9 4 1 0 3 周煜 俞丹 唐善发 等 水溶性高分子聚合物对喹丫啶酮 颜料分散体系统流变性的研究D 印染助剂 2 0 0 3 2 0 4 1 5 1 8 1 1 3 张俊 李忠平 董川 表面活性剂在墨水制造中的应用 J 日用化学工业 2 0 0 4 3 4 6 3 8 1 3 8 4 1 2 C AP UT O P E T E R A S t a b l e o i l i n w a t e r i n k e mu l s i o n s b a s e d u p o n w a t e r r e d u c i b l e sol v ent d y e s f o r i nk j e t p r i n t e r s a n d f e l t t i p a n d mi l e r b a l l p e n s E P US 5 8 3 7 7 5 3 1 9 9 8 1 1 1 7 1 3 Z I MI N AL E J AN D RO UT 0 P ET E R A Wa t e r r edu c i b l e d y e c o mp o s i t i o n s P E P 6 2 5 5 5 2 1 9 9 4 1 1 23 1 4 Z I MI N S R AL 町A ND R O C AP U TO P E T E R A Wa t e r r e d u c i b l e d y e c o mp o s i t i o n s c o mp r i s i n g s o l v e n t d y e s a n d c i t r u s sol v e n t s P US 5 6 0 3 7 3 5 1 9 9 7 0 2 1 8 E 1 5 x d 军 陆毅 多微孔性墨水 P C N 1 3 0 4 9 6 6 A 2 0 0 1 一 O1 1 8 1 6 房宽峻 付少海 一种纳米颜料的制备方法 P C N 2 0 0 5 1 0 0 4 0 1 1 2 0 2 0 0 5 0 5 1 8 1 7 肖珂 宋延林 江雷 用于喷墨打印墨水的纳米级无机颜料 色浆 P C N 2 0 0 4 1 0 0 0 0 3 2 2 2 0 0 4 一O 卜 0 7 1 8 林一之 森井弘子 岩崎敬介 喷墨打印墨水用色料 喷墨 打印墨水 含该色料的颜料水分散液及有机和无机复合颗 粒 明 C N 0 2 1 2 2 2 5 1 7 2 0 0 2 0 6 0 3 1 9 刘晓东 品牌签字笔中碳素成分的测定 J 警察技 术 2 0 0 3 3 2 6 2 7 2 O 吴小琴 邓安民 周韦 蓝色中性墨水的剖析 J 南昌 航空工业学院学报 自然科学版 2 0 0 3 1 7 4 4 8 5 0 2 1 3 王雪峰 黄毓礼 孙芳 等 水基喷墨打印墨水性能研究 J 北京化工大学学报 2 0 0 4 3 1 3 2 5 3 5 6 2 Z J P 3 骆光林 宋卫生 填充式喷墨打印机墨水 的研究 J 印刷杂志 2 0 0 4 2 2 5 1 2 8 8 8 9 2 3 田安丽 蔡玉青 房宽峻 等 S MA共聚物 的合成及对 超细颜料水性体系得分散作用 J 高分子材料科学与 工 程 2 0 0 5 2 1 6 1 0 2 1 0 5 2 4 陈中元 谢建伟 许青青 水溶性黑色喷墨打印墨水的 研制 J 应用化工 2 0 0 5 3 4 7 4 4 9 4 5 1 2 5 S A NO TS I HI 1 I q 门 r O K nr0H Q P r o c e s S es f o r p r o d u c i n g p ig me n t d i s p e r s i o n a n d i n k c o mp o s i t i o n P US 2 0 0 3 1 8 8 6 6 5 2 0 0 3 1 0 0 9 2 6 3 房宽峻 王潮霞 张霞 一种纳米颜料喷墨打印墨水及 其制备方法 P C N 1 6 8 7 2 5 8 A 2 0 0 5 0 5 1 8 2 7 3 房宽峻 付少海 一种纳米颜料的制备方法 P C N 1 6 8 7 2 5 2 A 2 0 0 5 0 5 1 8 2 8 间清二 水性颜料分散体 喷墨墨水以及水性颜料分散体 的