纸张表面结构对喷墨打印图像清晰度的影响

邰晶磊 陈广学 陈奇峰 唐宝玲

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510641)

纸张表面结构对喷墨打印图像清晰度的影响

邰晶磊 陈广学 陈奇峰 唐宝玲

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510641)

研究了几种涂布喷墨打印纸的性能，利用扫描电镜SEM分析涂层的孔隙结构，包括孔径、孔径分布、颜料颗粒的大小和形状，及其他表面特性。在此基础上，打印由线条和圆点组成的图像，通过图像分析仪分析了打印墨点和线条的质量，结果表明，表面涂层的质量对图像清晰度影响很大，尤其是孔的形状及孔径分布影响更大。

图像清晰度;涂层结构;喷墨打印;图像分析仪

为了得到高品质的喷墨打印图像，往往需要高质量的喷墨打印纸。目前的喷墨打印纸基本上都是高级涂布纸，其涂层细腻平滑，具有特殊微孔结构，具有适当而快速的吸墨性和高密度、宽色域等特点。为了保证打印图像质量，除了要保证图像具有良好的色彩还原性以外，还要有高清晰度。因此，研究喷墨打印墨水在涂层表面的铺展和在涂层中的渗透对图像清晰度的影响非常重要。本实验基于图像分析法［1］，对纸张表面特性与喷墨打印图像的清晰度之间的关系进行了初步探讨。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料 选择了4种市售彩色喷墨打印纸，分别是:德瀛FT190(1#)、欧标RC180(2#)、EP313半光泽度纸 (3#)和德瀛高光RC190(4#);Epson Ultrachrome K3 VM墨水。

仪器 Epson Stylus Pro 7880C喷墨打印机，PNBST平滑度仪，IRIC950白度仪，可勃吸收性测定仪，接触角测量仪，S-3700N扫描电镜 (日本日立公司)，Vector 33红外光谱仪 (德国 Bruker公司)，PIAS-ⅡQEA图像分析仪 (Quality engineering Associates.Inc.US)。

1.2 实验方法

对墨点和线条质量的测量评价是衡量印刷清晰度的重要指标。实验选取GATF标准图像中的一些测控条作为测试图像 (如图1)，包含墨点和横线条 (HLine)、竖线条 (V-Line)及 45°斜线条 (45°DLine)，线条有阴阳之分。在4种纸样上分别以720×

图1 打印图样

1.3 墨点质量

通过QEA图像采集和分析软件，可以获得墨点的直径D和圆度C值，以此来反映打印的墨点质量。Epson Stylus Pro 7880C是压电喷墨打印机，墨滴最小3.5 pl，而Epson Ultrachrome K3 VM墨水是颜料性墨水，颜料粒径小于0.5 μm，通过估算 (3.5 pl=0.5×10－6πr2)可知打印墨点直径的理论值是 26 μm。因此，打印墨点直径越接近26 μm，质量越好。而墨点的圆度C值越接近于1，质量越好，说明纸张几乎没有毛细管现象、羽化现象、渗透现象;C值小于1时，墨点不完整;C值大于1时，墨点扩散［2］。墨点圆度的QEA图像采集和分析软件定义公式如下:

式中，P为墨点周长;A为墨点面积。

1.4 线条质量

图2 打印线条测试图

通过测量线条的平均宽度以及两边的边缘粗糙度来评价线条边缘清晰度的丢失和图像的“出血”情况［3］，边缘粗糙度指的是所有边缘点与最优线边缘点的平均偏差，如图2所示。通过QEA图像采集和分析软件，可获得横/竖/45°线条的平均线宽、上/左边缘粗糙度及下/右边缘粗糙度。本实验中线条宽度的理论值为1 point，即0.35 mm，打印线条的平均线宽越接近于0.35 mm，则线条质量越好。

2 结果与讨论

2.1 纸张的物理性能

纸张的基本物理性能指标如表1所示。由于本实验用的喷墨油墨的流动性及与纸张的浸润性接近于水，因此这里用纸张的Cobb值来代替打印纸的吸墨性，对于喷墨印刷而言，吸墨性并不是越大越好，最佳的Cobb值在20～60 g/m2范围内［4］。用水在纸面的接触角评价打印纸 (实际上是涂层)的吸墨速度，接触角越小，油墨与纸张的润湿性能越好，纸张越容易吸墨。而表面粗糙度可以在一定程度上反映纸张涂层颜料的粒径和孔隙大小，粗糙度越小，说明颜料粒径越小、聚集越少、分布越均匀。由表1可知，纸样综合性能的排序为3#＞2#＞1#＞4#。

表1 纸张的物理性能

2.2 喷墨打印纸涂层结构

图3 纸样涂层表面SEM照片

通过扫描电镜 (SEM)照片来比较打印纸的表面涂层结构 (见图3)。理想的涂层结构是孔隙量大，尺寸小且范围窄，孔隙分布均匀，即涂层质量要尽量均一、稳定。由图3可见，在20000～30000的放大倍率下，打印纸涂层可观察出不均匀的多孔结构。1#、2#和4#纸样涂层都是以粒径小于1 μm的二氧化硅作为主要颜料。其中1#纸样的孔径从小于1 μm到几微米不等，整体分布较为均匀，上面有少量细小裂缝;2#纸样的孔径主要集中于1 μm以下，分布较匀，仅有少量孔径在1～2 μm的孔和细小裂缝;4#纸样的孔径呈两极分化，以小于1 μm的孔为主，分散较为均匀的几微米的孔相对较多。这3种纸样的涂层质量由好到差依次为2#、4#和1#。

此外，3#纸样未得到清晰的表面结构图。在显微镜下观察，发现3#纸样表面有一层高分子树脂涂层，通过红外光谱 (见图4)分析，该高分子树脂涂层是聚乙烯醇 (PVA)［5］。由此，可以判断3#纸样是膨润型涂布打印纸，其吸墨原理不同于微孔型打印纸。膨润型打印纸通过聚合物吸水膨胀来干燥，一般而言，色彩还原性好，但干燥较慢。

图43 #纸样涂层表面红外光谱图

2.3 打印质量分析

2.3.1 墨点质量

图5是在不同分辨率下各纸样上各色打印墨点的大小。图6是不同分辨率下各纸样上各色打印墨点的圆度。综合图5和图6发现，720*720dpi分辨率下各纸样上各色打印墨点的直径和圆度基本一致，直径均较理论值26 μm偏大很多，而圆度比较接近理论值，这可能是打印机在较低分辨率下加大墨滴大小的缘故。在1440×720dpi和2880×1440dpi下，2#、3#纸样的墨点直径趋于理论值，但圆度显著下降;而1#、4#纸样的墨点直径有所减小，但依然比理论值偏大较多，但圆度依然接近理想值。这是由于2#、3#纸样涂层结构均一性好，且具有恰当快速的吸墨性，而1#、4#纸样涂层中均存在较大尺寸孔隙或裂纹，而且Cobb值和接触角相对较大，导致打印墨点尺寸偏大，也因此墨点圆度相对较好。

2.3.2 线条质量

各阳线平均线宽情况见图7。通过图7可以看到，对于所有纸样，各打印阳线条的平均线宽均大于理论值0.35 mm，尺寸偏差由小到大依次是横线条(8.1% ～14.8%)、45°斜线 (14.4% ～17.2%)、竖线条 (23.5%～28.5%)，这种情况是由于纸张的加工方式造成纸张在纵横向上存在特性差异;对于同一纸样，不同分辨率下各线条平均线宽随着打印机分辨率的提高稍有增加，变化不大;几种纸样的情况差别也不大，2#、3#很接近，比1#、4#稍好，这与纸张性能和涂层质量情况是相一致的。但实验发现，随着打印分辨率的提高，打印线条的平均线宽对打印纸的性能及涂层结构的差别敏感性降低，如图8所示。

图7 各阳线条平均线宽情况

图9 各阴线条的平均线宽

表2 横、竖阳线条的边缘粗糙度

图8 在2880×1440dpi分辨率下各纸样的平均线宽

阴线条的平均线宽与阳线条具有相同的趋势(见图9)，均大于理论值，只是竖线条 (尺寸偏差22.1% ～25.4%)与45°斜线条 (尺寸偏差20.3% ～23.9%)的情况比较接近，横线条平均线宽的尺寸偏差为9.5%～19.5%。

不同分辨率下，横阳线条和竖阳线条的边缘粗糙度见表2。边缘粗糙度都是成对出现的。由表2可以看出，在720×720dpi分辨率下，1#、4#纸样横线条与竖线条的边缘粗糙度相差不多，而2#、3#纸样竖线条的边缘粗糙度明显大于横线条的边缘粗糙度，尤其是3#纸样。这可能是纸张涂布生产造成涂层存在纵横向差异的缘故，即颜料颗粒的排列及长型孔缝可能在两个方向上的取向分布有差异，但由于扫描区域太小，在图3的电镜图中没有明显印证。此外，值得关注的是1#、2#纸样在低分辨率时，横线条上下两侧的边缘粗糙度差异较大，这是由于喷墨打印时纸张的输送移动导致墨滴落在纸面上时产生一定的取向 (见图2(a))，再结合纸张表面涂层吸收性的不同而产生的结果。比较这4种纸样的表面特性和结构，发现涂层吸收性过大或过小，均会导致墨点的明显取向。另外，输纸的速度与分辨率有关，分辨率越大，输纸速度越小，由表2的横线条边缘粗糙度的情况得到了印证。关于纸张与喷墨头之间相对运动对墨点和线条清晰度的影响还需要进一步做针对性实验才能得到可靠结论。

总体而言，随着分辨率的提高，所有纸样的横、竖线条的边缘粗糙度都逐渐变小，且趋于相等。可以说，高分辨率利于获得高质量的线条。比较不同纸样的线条边缘粗糙度，可见2#、3#纸样的横线条边缘粗糙度明显优于1#、4#纸样。而在低分辨率下，1#、4#纸样的竖线条边缘粗糙度明显优于2#、3#纸样;在高分辨率下，4种纸样的竖线条边缘粗糙度基本相同。综合而言，2#、3#纸样的线条质量、打印清晰度相对较好。

3 结语

打印纸涂层结构的均一性对打印墨点和线条质量影响最大。因此，涂层孔径小、分布均匀的2#纸样和膨润型树脂涂层的3#纸样在打印墨点的尺寸、打印线条的平均线宽和边缘粗糙度方面表现较好。打印分辨率的提高有利于获得高质量的线条。在很高的打印分辨率下，一定范围内打印纸的质量差别对打印清晰度的影响较小。

［1］陈 港，陶劲松．纸张喷墨打印质量分析技术及其进展［J］．中国造纸，2002，21(6):50．

［2］司占军．基于图像分析法对喷墨打印机墨点保真度的研究［J］．天津科技大学学报，2007，22(3):80．

［3］司占军，宋慧慧．基于图像分析法对喷墨打印纸图像清晰度的研究［J］．包装工程，2008，29(9):41．

［4］李名良．高光泽彩色喷墨打印纸的研究［D］．南京:南京林业大学，2005．

［5］龚建勋，刘正义，邱万奇，等．真空蒸镀聚乙烯醇薄膜［J］．真空科学与技术学报，2004，24(5):359．

Influence of Coated Paper Properties on Sharpness of Ink-jet Printing Image

TAI Jing-lei*CHEN Guang-xue CHEN Qi-feng TANG Bao-ling
(State Key Lab of Pulp and Paper Engineering，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong Province，510641)
(*E-mail:jltai@scut．edu．cn)

Surface properties of several ink-jet papers were measured，and coating layer structure(including pore size，pore size distribution，pigment particle size and shape，etc．)was analyzed by using Scanning Electron Microscope(SEM)．A testing image composed of a series of lines and dots was printed on four ink-jet papers by Epson printer．The printing dots and lines quality，which could reflect the sharpness of image was measured by Image Analyzer．Dot quality(diameter and circularity)is influenced by paper coating structure，ink absorption and contact angle．With increasing the printing resolution，the line quality(width and edge roughness)is less influenced by paper properties．

sharpness of image;coating structure;ink-jet print;Image Analyzer

TS761.1

A

0254-508X(2011)11-0017-05

邰晶磊女士，讲师，在读博士研究生;主要研究方向:印刷包装材料等。

2011-06-08(修改稿)

国家自然科学基金 (No．60972134)项目。720dpi、1440×720dpi和 2880×1440dpi的分辨率打印。

(责任编辑:郭彩云)