耿孟琛，陳金玲，張正健，顧 翀，萬超宇

(天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院,天津300222)

隨著社會發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對文化藝術(shù)的奢求也不斷提高。作為文化藝術(shù)精華的國畫，被越來越多的人所喜愛，已經(jīng)走進(jìn)更多的家庭，并成為饋贈親友、社會交往的禮品。然而，由于國畫價格和數(shù)量的原因，更多的人沒有辦法得到真品。因此，對國畫的仿真復(fù)制越來越多，而作為古典書畫用紙的宣紙成為了國畫復(fù)制重要的承印材料[1]。

近年，噴墨打印技術(shù)得到了快速發(fā)展，為復(fù)制出大量精美的國畫藝術(shù)品提供了新方向，但若直接使用普通宣紙進(jìn)行彩色噴墨打印，會產(chǎn)生紙張透印、光澤度差、圖像不清晰、色彩飽和度低等問題。針對上述問題，可以在其他條件符合要求的前提下，通過改善宣紙性能，制成具有強(qiáng)度高、質(zhì)感好、圖像清晰精致、效果傳神逼真、成本低、可裝裱等特點(diǎn)的噴墨印刷施膠宣紙[2-5]，從而提高國畫復(fù)制的質(zhì)量。

宣紙施膠用膠料的主要成分可選擇性能優(yōu)良的淀粉和聚乙烯醇。淀粉產(chǎn)量多，來源廣泛，價格便宜，是比較環(huán)保的可再生能源[6]。經(jīng)改性后的陽離子淀粉制備工藝成熟，可提高膠料的生產(chǎn)運(yùn)行性能和流變性能，使膠層形成一層均勻的多孔狀結(jié)構(gòu)，再加上其正電離子，使得膠層的油墨吸收性能變好。因此，改性陽離子淀粉可以改善紙張的物理性能和呈色效果，具有減少紙張透印、掉毛、掉粉、提高紙張的印刷性能、使印品具有更好的光澤度等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。聚乙烯醇的黏結(jié)力強(qiáng)，親水性能好，成膜性能優(yōu)良，可有效改善紙張的表面強(qiáng)度和表面吸收性能。同時，淀粉和聚乙烯醇具有良好的協(xié)同作用，將二者配合使用，可得到性能優(yōu)良的施膠紙張[8-9]。

本文以淀粉和PVA 為主要原料，配制不同配方膠料，對宣紙進(jìn)行施膠，研究膠料配方對宣紙物理性能和呈色性能的影響，從而獲得適于宣紙施膠、利于噴墨印刷和提升國畫印刷復(fù)制質(zhì)量的膠料配方。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

宣紙（定量約45 g/m2，平滑度2 s，端本堂國產(chǎn)宣紙）；淀粉（陽離子淀粉，白色粉末，型號SP－1，廣西明陽生物科技有限公司）；聚乙烯醇（白色粉末，型號PVA－1788）；消泡劑（固含量為33.8%，型號B－105，廣東中聯(lián)邦精細(xì)化工有限公司）；聚丙烯酸鈉（分散劑，固含量為43%，南通裕泰化工有限公司）；固色劑（固含量為46.25%，型號NF－30，杭州綠興環(huán)保材料有限公司）；保水劑為CMC（山東太陽紙業(yè)企業(yè))；甘油（天津賽帆化工有限公司）。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

DCP－KZ300 型電腦測控抗張試驗(yàn)機(jī)，四川長江造紙儀器有限責(zé)任公司；PDA.C 型動態(tài)滲透分析儀，德國Emtec 公司；STYLUS PRO 4880C 型噴墨打樣機(jī)，日本EPSON 公司；X－Rite 528 型分光光度計，美國愛色麗色彩儀器公司；30 號涂布計量棒，四川長江造紙儀器有限責(zé)任公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 膠料制備

（1）淀粉糊化：將淀粉用去離子水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的懸浮液，在三口燒瓶中攪拌浸潤30 min，然后于90 ℃恒溫水浴中攪拌糊化30 min，降溫至60 ℃?zhèn)溆谩?/p>

（2）聚乙烯醇溶液的制備：在PVA 中加入去離子水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的懸浮液，進(jìn)行水浴加熱并攪拌，當(dāng)溫度升至90 ℃時保持該溫度，再繼續(xù)攪拌50 min，冷卻至室溫備用。

（3）CMC 保水劑制備：稱取一定量的CMC，加入去離子水配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%的懸浮液，在90 C°的水浴鍋中加熱，低速攪拌至CMC 粉末完全溶解，冷卻至室溫備用。

（4）膠料的制備：按照表1 膠料配方要求，將所有的原料以合適的分量混合，攪拌均勻。通過改變淀粉與PVA 的份數(shù)比，分別配制出5 組膠料。其中，各組分的絕干質(zhì)量比用“份”表示。

表1 膠料配方

1.3.2 宣紙的表面施膠

以縱向?yàn)殚L度方向（長邊直絲綹），將宣紙裁切成A4 大小的試樣，采用30 號絲棒進(jìn)行施膠，施膠量要控制在3～6 g/m3，室溫干燥。

1.3.3 紙張抗張強(qiáng)度測試

依據(jù)GB/T 12914—2018《紙和紙板抗張強(qiáng)度的測定》，采用抗張試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試。

1.3.4 動態(tài)滲透性能測定

以去離子水為測試液，采用動態(tài)滲透儀分析儀進(jìn)行測試。將試樣通過專用雙面膠帶粘貼在測試頭上，壓緊試樣，設(shè)置參數(shù)，選擇高水位，超聲波頻率為2 MH，測試時間12 s，通過去離子水與宣紙接觸時超聲波能量的變化表征水在紙張上的動態(tài)滲透情況，得出超聲波能量強(qiáng)度隨著時間變化的曲線。

1.3.5 噴墨印刷性能測定

采用噴墨打印檢測版，以宣紙試樣為承印材料，通過噴墨打樣機(jī)進(jìn)行樣張輸出。采用分光光度計檢測噴墨打印試樣的印刷色密度和階調(diào)，并得出網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)大和相對反差。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗張強(qiáng)度性能分析

圖1 為施膠對宣紙抗張強(qiáng)度的影響。施膠宣紙的抗張強(qiáng)度均大于未施膠宣紙（原紙），說明施膠可以明顯提高紙張的強(qiáng)度，有利于提高宣紙的噴墨印刷適性。這是因?yàn)榈矸?PVA 的黏合性使纖維與纖維及纖維與膠層之間結(jié)合在一起，填充了宣紙中的孔隙，增強(qiáng)了各組分之間的相互作用力，從而提高了宣紙的強(qiáng)度，改善了紙張的形態(tài)穩(wěn)定性能，提升了紙張印刷適性[10－11]。針對1 號至5 號施膠宣紙，隨著PVA用量的減少，縱向和橫向抗張強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢，縱向抗張強(qiáng)度的變化趨勢比橫向抗張強(qiáng)度更明顯，這是因?yàn)榫垡蚁┐嫉酿そY(jié)強(qiáng)度要優(yōu)于淀粉所致。

圖1 施膠對紙張抗張強(qiáng)度的影響

2.2 動態(tài)滲透性能分析

由于宣紙的表面多孔，滲透能力強(qiáng)，如果直接噴墨打印，會出現(xiàn)墨點(diǎn)快速滲透到紙張內(nèi)部，導(dǎo)致噴墨印刷網(wǎng)點(diǎn)色密度降低、形狀不規(guī)則、印刷質(zhì)量降低等問題。因此，采用動態(tài)滲透分析儀，基于超聲波在水中的衰減小、在空氣中衰減大的原理，通過其能量隨著時間的變化，可以分析紙張的動態(tài)滲透特性，從而預(yù)測出紙張的噴墨打印性能[12]。圖2 給出了試樣的動態(tài)滲透情況。

圖2 施膠對紙張動態(tài)滲透性能的影響

從圖2 可以看出：未施膠宣紙的超聲波能量強(qiáng)度最大值（Max 處）只能達(dá)到33.57%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于施膠宣紙，這是因?yàn)槲词┠z宣紙對水的吸收速度快、且不均勻，產(chǎn)生氣泡多，使超聲波能量接收值難以達(dá)到100%的強(qiáng)度。宣紙經(jīng)施膠后，表面形成一層膠層，有利于水的整體均勻滲透，超聲波能量強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。對比不同施膠宣紙的tmax（能量達(dá)到最大的時間）和t95（能量降至95%的時間）可以看出：不同施膠宣紙的tmax值比較接近，說明紙張表面都形成了均勻膠層；然而，由于淀粉和PVA 的物理化學(xué)性能不同，成膜效果和協(xié)同作用存在差異，所以導(dǎo)致t95有所不同；還可以看出，4 號和2 號試樣的t95值較大，膠層抗拒水滲透的能力較強(qiáng)，1 號、3 號和5 號試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好控制水在膠層表面的滲透，從而獲得較好的滲透性能。

2.3 呈色性能分析

2.3.1 實(shí)地色密度

圖3 給出了施膠對宣紙實(shí)地色密度的影響。由圖3 可知：各配方施膠宣紙的各色密度均有所提高，其中1 號、3 號和5 號配方施膠宣紙的實(shí)地密度相對較高，這與動態(tài)滲透分析所得結(jié)論一致。其中，5號配方施膠宣紙的青色墨、黑色墨和品色墨密度均達(dá)到最高值，1 號配方施膠宣紙的品色墨密度最高?？傮w對比分析發(fā)現(xiàn)，5 號配方在改善宣紙實(shí)地色密度方面優(yōu)于其他配方。這是由于PVA 作為合成膠黏劑具有優(yōu)異的強(qiáng)度和成膜性能，而淀粉作為天然膠黏劑具有較好的開放結(jié)構(gòu)，二者協(xié)同施膠后，能產(chǎn)生較好的協(xié)同作用；經(jīng)過施膠后宣紙的滲透性能得到有效控制，更加適合于噴墨打印，實(shí)地印刷密度得到提高，印刷出的顏色更加鮮艷逼真。

圖3 施膠對宣紙實(shí)地色密度的影響

2.3.2 階調(diào)再現(xiàn)

圖4 中的A、B、C、D 分別給出了施膠對CMYK四色顏色階調(diào)再現(xiàn)的影響。如圖4所示，通過測量網(wǎng)點(diǎn)面積率10%至100%的CMYK 四色密度，繪制階調(diào)再現(xiàn)曲線，曲線的斜率越大，彩色紙張的范圍越大，階調(diào)再現(xiàn)越好。整體上看，施膠宣紙的階調(diào)再現(xiàn)范圍均優(yōu)于原紙，其中5 號配方施膠宣紙在各色油墨中階調(diào)再現(xiàn)性最優(yōu)，其原因在于淀粉和PVA 的協(xié)同作用不僅控制了墨滴在紙張表面的滲透和擴(kuò)散，還通過淀粉與墨水的正負(fù)電荷作用，提高了其階調(diào)再現(xiàn)范圍，有利于國畫的高保值復(fù)制[6]。

圖4 施膠對宣紙階調(diào)再現(xiàn)的影響

2.3.3 網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)大

圖5 中給出施膠對CMYK 四色網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)大的影響。由圖5 可以看出，經(jīng)過施膠后，特別是1 號、3 號和5 號配方，各色油墨的網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)大現(xiàn)象都有不同程度的改善。其中針對青色油墨，5 號施膠宣紙的網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)大程度較其他紙張更小；對于其他顏色油墨，在網(wǎng)點(diǎn)面積率0～50%的部分，3 號施膠宣紙的網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)大程度較小，在50%之后，5 號施膠宣紙的網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)大程度較小。綜合對比分析得出，5 號配方相對較好，這是因?yàn)榈矸酆蚉VA 之間較好的協(xié)同效果，減小了墨滴在承印物膠層表面發(fā)生的滲透和擴(kuò)散現(xiàn)象，有效降低了網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)大，提升了紙張的噴墨印刷性能。

圖5 不同配方施膠宣紙的網(wǎng)點(diǎn)面積擴(kuò)大值

2.3.4 相對反差分析

在印品質(zhì)量檢測過程中的相對反差反映了密度之間的內(nèi)在關(guān)系，當(dāng)墨水量較多時，網(wǎng)點(diǎn)區(qū)域增大、相對反差降低，雖然此時墨水的飽和度高，但色調(diào)水平和清晰度差。當(dāng)墨水量較小時，實(shí)地密度不協(xié)調(diào)，相對反差度也降低，此時，雖然網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)大率小、清晰度高，但是整體圖像飽和度不高，顏色再現(xiàn)較差。因此，相對反差度越接近1，打印質(zhì)量越好。

各配方施膠宣紙的相對反差值見圖6。由圖6可知：對于CMYK 四色油墨，未施膠宣紙的相對反差相對較小，印品質(zhì)量較差，施膠能夠有效增加噴墨印刷相對反差，提高印刷效果。從整體上看，在施膠宣紙中，5 號配方施膠宣紙的相對反差最大。因此，要想獲得理想的噴墨印刷相對反差，需要合理選擇施膠配方，優(yōu)化施膠工藝，獲得優(yōu)質(zhì)宣紙膠層。

圖6 施膠對宣紙噴墨印刷相對反差的影響

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，研究了淀粉與PVA 施膠對宣紙抗張強(qiáng)度、動態(tài)滲透性能和呈色性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過施膠后，宣紙的抗張強(qiáng)度性能明顯提高，動態(tài)滲透性能得到有效控制，呈色性能獲得較大改善。綜合得出，當(dāng)?shù)矸叟cPVA 絕干質(zhì)量比例為14:6 時，能夠較好地改善宣紙的噴墨印刷適性。