A clarification of the complexity of ink-paper interactions in inkjet printing and their impact on printed paper properties

• Autorzy: Skowroński J. W.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The complexity involved in ink-paper interaction in the inkjet printing process results from the multiple phenomena which take place during printing phase and drying phase. Some of multiple phenomena occur in cascading way and others at the same time. Printing phase starts with spraying of ink on paper and wetting of fiber surfaces on paper surface area. These two phenomena are followed by penetration of ink into paper pores and fibers. Next, advanced penetration of ink into paper strukture causes fiber swelling, breakage of interfiber bonds and release of internal stresses. Phenomenon of paper shrinkage occurs in the subsequent drying phase and causes the curl and cockle. Contribution of each individual process impacts the optical and dimensional properties of printed paper. To characterize and clarify this complexity, a series of proper testing tools were identified, related fields of science were reviewed and multivariate analysis were used to determine interrelationships between identified processes. The overall task of defining the ink-paper complexity was pursued in a six steps process: 1. Identification of the proper testing tools to study the interaction between water-based ink and paper. 2. Improvement of the understanding of in-plane internal stresses in paper. 3. Improvement of the understanding of out-of-plane internal stresses in paper. 4. Identification of critical unprinted paper properties impacting ink penetration and the printed paper properties. 5. Developing mathematical models defining inkjet ink penetration into paper and predicting printed paper properties. 6. Development of a deeper understanding of the science involved in the ink-paper interaction through the clarification of its significance as well as building up the governing complex phenomenological model, using: a. physics and chemistry of wood fibers, b. paper's surface, structure and porosity, c. in-plane and out-of plane internal stresses, d. liquid penetration into porous structure, e. paper structure changes upon wetting and redrying. The study was performed using six different commercial papers. Printing was performed on HP inkjet printer using water-based ink. Unprinted papers were tested for: basis weight, caliper, air permeability,smoothness, bending stiffness in MD and bending stiffness in CD. The water-paper interaction behavior was represented by 10 measurements: a) HST and b) parameters obtained on ultrasonic Emtec Test (PDA, PEA, and WSD). The results obtained and their analysis using multivariate software led to certain conclusions and clarification of ink-paper interaction complexity by using phenomenological and mathematical models.

PL

Kompleksowość oddziaływania między atramentem i papierem w drukowaniu cyfrowym "inkjet" wynika z faktu, że zachodzi w nim kilka zjawisk jednocześnie lub też następują one po sobie w sposób kaskadowy, nakładając się na siebie w fazie drukowania i fazie suszenia. W fazie drukowania oddziaływanie rozpoczyna się od natrysku atramentu na papier oraz zwilżania powierzchni włókien na powierzchni papieru. Po czym następuje jednocześnie penetracja atramentu w pory papieru oraz włókna. Tak zaawansowana penetracja wodnego atramentu powoduje pęcznienie włókien, zrywanie wiązań między włóknami oraz relaksacją naprężeń wewnętrznych. Zjawisko skurczu papieru zachodzi podczas fazy suszenia zadrukowanego papieru, powodując jego falowanie i pę-cherzykowanie na powierzchni papieru. W celu scharakteryzowania tych zjawisk oraz wyjaśnienia ich złożoności, zidentyfikowano odpowiednie metody ich badania, przeanalizowano odpowiednie dziedziny nauki oraz przeprowadzono eksperymenty i przeanalizowano otrzymane wyniki, używając programu pozwalającego na analizę czynników. Całość zagadnienia została zbadana poprzez rozwiązanie następujących zagadnień: 1. Zidentyfikowanie odpowiednich metod badania oddziaływania między wodnym atramentem i papierem. 2. Opracowanie bardziej wnikliwego naukowego zrozumienia zjawisk mających miejsce podczas kontaktu wodnego atramentu z papierem. 3. Wyjaśnienie znaczenia występujących zjawisk oraz zbudowanie zjawiskowego modelu obejmującego całość badanego oddziaływania w oparciu o: a. fizyczne i chemiczne właściwości włókien drzewnych, b. powierzchnie, strukturę i porowatość papieru, c. naprężenia wewnętrzne w płaszczyźnie i w kierunku grubości papieru, d. wnikanie cieczy w porowate struktury, e. stabilność struktury papieru po namoczeniu i suszeniu. 4. Określenie zmian struktury papieru podczas drukowania oraz wpływu tych zmian na penetracje atramentu oraz na właściwości zadrukowanego papieru. 5. Identyfikację ważnych właściwości niezadrukowanego papieru wpływających na penetracje atramentu oraz właściwości zadrukowanego papieru. 6. Opracowanie modeli matematycznych dla przewidywania: a. gęstości nadrukowanej farby na powierzchni papieru, b. przebicia farby, c. zwijania się zadrukowanego papieru, d. marszczenia na powierzchni zadrukowanego papieru. Eksperymenty zostały wykonane z użyciem 6 papierów przemysłowych. Właściwości niezadrukowanego papieru były testowane na gramaturę, grubość, przepuszczalność powietrza, gładkość, sztywność na zginanie w kierunku maszynowym i poprzecznym. Oddziaływanie między atramentem i papierem były mierzone jako: a) HST, b) wskaźniki mierzone na ultrasonicznych aparatach Emtek (PDA, PEA, WSD). Otrzymane wyniki w przeprowadzonych eksperymentach oraz ich analiza przy użyciu analizy czynników pozwoliła na zbudowanie: a) modelu zjawiskowego ilustrującego złożoność oddziaływania między papierem i atramentem druku cyfrowego inkjet oraz b) modeli matematycznych przewidujących zachowanie się papieru w procesie drukowania oraz jego końcowe właściwości optyczne i strukturalne.

Słowa kluczowe

EN

water ink; interaction between ink and paper; 'inkjet' digital printing

PL

wodny atrament; oddziaływanie między atramentem a papierem; drukowanie cyfrowe inkjet

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka
• Rocznik: 2008
• Tom: Z. 374
• Strony: 3--110
• Opis fizyczny: Bibliogr. 87 poz.

Twórcy

autor

Skowroński J. W.

Bibliografia

• Part 1
• [1] Corte H., Kallmes O.J.: Formation and Structure of Paper (Ed. Bolam F., London 1962), p. 13.
• [2] Lyne B.: Handbook of Physical and Mechanical Testing of Paper and Paperboard (Ed. Mark R.E., Marcel Dekker, New York 1984), p. 103.
• [3] Niskannen K: Paper Physics, Tappi Press, Atlanta (1998), p. 14.
• [4] Lepoutre P.: Design Criteria for Paper Performance (Ed. Petter Kolseth at el., STFI MEDDELANDE, Stockholm 1987), p. 127.
• [5] Moutinho I., Figureiredo M., Ferreira P.: Evaluating the surface energy of laboratory-made paper sheets by contact angle measurement, Tappi 90, 6, 27 (2007).
• [6] Neimo L: Papermaking Chemistry, Finnish Paper Eng. Ass., Finland 1999, p. 151.
• [7] Reaville E.T., Mine W.R.: Contact angle testing on Paper, Tappi 50, 6,262 (1967).
• [8] Verhoeff J., Hart J.A., Gallay W.: Pulp and Paper Can. 64, 12,T509 (1967).
• [9] Bristow J.A.: Paper Structure and Properties (Ed. Bristow J.A. and Kolseth P., Marcel Decker, New York 1986), p. 183.
• [10] Corte H.: Handbook of Paper Science (Ed. Rance H.F., Elsevier, Amsterdam 1982), p. 10.
• [11] Salminen P.: Studies of water transport in paper during short contact times, Doctoral dissertation, Abo Akademi, Turku, Finland 1988.
• [12] Skowroński J.: Surface roughening of pre-calendared basesheets during coating, J. Pulp Paper Sci. 16, 3, J102 (1990).
• [13] Yang T.: Measurement of contact angle, Phil. Trans. Roy. Soc. 95, 65 (1805).
• [14] KSV Instruments Ltd.: www.ksvltd.com
• [15] Tappi Test Methods T530 pm 89.
• [16] Etzler F.M., Buche M., Bobalek J.F., Weiss M.A.: Surface free energy of paper and inks, Tappi Papermakers Conference Proceedings (1995).
• [17] Aurenty P.: An apparatus for characterization of the static and dynamic wettability of complex interfaces. Review of Scientific Instruments, 64, 4, 1 (1997).
• [18] Boone S.R.: Surface energy and contact angle, Tappi 79, 2,123 (1996).
• [19] Lepoutre P., Inoue M., Aspler J.S.: Paper wettability, Tappi 68, 12, 86 (1985).
• [20] Kaelble D.H.: Paper Physics Seminar, STFI, Stockholm, June 1984.
• [21] Emtec operating instruction, Emtec Electronic GmbH, Leipzig 2002.
• [22] Skowroński J.W., Bousfield D.W., DeGroot W.: Rapid Test to Predict Print Mottle Before Printing, Tappi Papermakers Conf. Proceeding, Milwaukee, Wl, May 2005.
• Part 2
• [1] Skowroński J.W.: Pomiar naprężeń wewnętrznych w papierze. Część 3. Natura wydłużenia papieru podczas jego naprężania i relaksacji, Przegl. Papiern. 64, 5, 285 (2008).
• [2] Skowroński J.W.: Pomiar naprężeń wewnętrznych w papierze. Część 1. Przegląd i dyskusja wcześniej opublikowanych wyników. Przegl. Papiern. 64,3, 153(2008).
• [3] Skowroński J.W.: Przegl. Papiern. Pomiar naprężeń wewnętrznych w papierze. Część 2. Zależność modułu początkowego podczas naprężania od jego struktury, Przegl. Papiern. 64, 4, 206 (2008).
• [4] Johanson F., Kubat J. and Pattyrmie C.: Experimental studies on stress relaxation in crystalline polymers. Part IV. Cellulose and paper, Svensk. Papperstidn. 70,10, 333 (1967).
• Part 3
• [1] Htum M.: Paper, Structure and Properties, Ed. J.A. Bristow and P. Kolselh (Marcel Dekker, Inc., New York, 1986), p. 227.
• [2] Johanson F., Kubat J. and Pattyrmie C.: Svensk. Papperstidn. 1967, 70, Nr 10,333.
• [3] Skowroński J.W.: Pomiar naprężeń wewnętrznych w papierze. Część 1. Przegląd i dyskusja wcześniej opublikowanych wyników. Przegl. Papierń. 64,3, 153(2008).
• [4] Skowroński J.W.: Pomiar naprężeń wewnętrznych w papierze. Część 2. Zależność modułu początkowego podczas naprężania od jego struktury, Przegl. Papierń. 64, 4, 206 (2008).
• [5] Skowroński J.W.: Pomiar naprężeń wewnętrznych w papierze. Część 3. Natura wydłużenia papieru podczas jego naprężania i relaksacji. Przegl. Papierń. 64, 5, 285 (2008).
• [6] Skowroński J.W.: Pomiar naprężeń wewnętrznych w papierze. Część 4. Relaksacja w trzech zakresach krzywej naprężenie-wydłużenie. Przegl. Papierń. 64, 6, 339 (2008).
• [7] Dodson C.T.J., Sampson W.W.: J. Statist. Phys. 96, 1/2, 447 (1999).
• [8] Perez M.: Tappi. 53, 12, 2237 (1970).
• [9] Nanko H., Wu J.: Mechanism of Paper Shrinkage During Drying, 1995 International Paper Physics Conf., CPPA, Montreal, p. 103.
• [10] Giertz H.W., Roedland W.: 1979 International Paper Physics Conf. CPPA, Montreal, Canada, p. 129.
• [11] Göttsching L.: Paperi ja Puu: 52, 655 (1970).
• [12] Cox H.L: J. Appl. Phys. 3, 3, 72 (1952).
• Part 4
• [1] Skowroński J., Lepoutre P.: Water-paper interaction in paper coating. Part 1. Changes in paper structure. Tappi 68,11, 98 (1985).
• [2] Skowroński J.: Roughening of pre-calendared base sheets during coating. J. Pulp Paper Sci. 16, 3, J102 (1990).
• [3] Niskanen K.: Paper Physics. Tappi Press, Atlanta, (1998), p. 14.
• [4] Niskanen K., Nilsen N., Hellen E., Alava M.: The Fundamentals of Papermaking Materials, Ed. Baker C.F., Pira International (1997), p. 1273.
• [5] Wandelt P.: Technologia mas włóknistych, Wyd. Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa(1980).
• [6] Surma-Ślusarska B.: Wpływ struktury i składu chemicznego na wydajność i właściwości mas celulozowych siarczanowych, rozprawa habilitacyjna, Politechnika Łódzka, Zeszyty Naukowe Nr 651, Łódź 1992.
• [7] Niskanen K.: Fundamentals of Papermaking, Baker C.F., Fundamental Research Committee (1989), p. 275.
• [8] Norman B.: Fundamentals of Papermaking, Baker C.F., Fundamental Research Committee (1989), p. 73.
• [9] Praast H. Gottsching L: The Fundamentals of Papermaking Materials, Ed. Baker C.F., Pira International (1997), p. 1293.
• [10] Retulainen E., Moss P., Nieminen K.: Products of Papermaking, Ed. Baker C.F. Pira International (1993), p. 849.
• [11] Alince B.: Fundamentals of Papermaking, Ed. Baker C.F., Fundamental Research Committee (1989), p. 495.
• [12] Kerekes R.J., Soszynski R.M., Tam Doo PA: Papermaking Raw Materials, Ed. Punton V., Fundamental Research Committee (1985), p. 311.
• [13] Kawka W.: Theoretical and experimental analysis of paper dewatering with through air blowing., Tappi 84, 2, 1 (2001).
• [14] Page D.H., Tydeman P.A.: Consolidation of Paper Web, Ed. Bolam F. BPBMA, London (1966), p. 271.
• [15] Kerekes R.J., Pye I.: An Experimental Comparison of Temperature and Loading Effects, Pulp & Paper Canada 75, 11, T379 (1974).
• [16] Browne T.C., Crotogino R.H.: The Science of Papermaking, Ed. Baker C.F., Fundamental Research Committee (2001), p. 1001.
• [17] Przybysz K.: Cz. 2. Wymiary i kształt włókien. Przegl. Papiern. 61, 4, 216 (2005).
• [18] Ehrnrooth E.M.: The chemical and physical characteristics of fibers, Academic Dissertation, University of Helsinki, Helsinki 1982, p. 12.
• [19] Page D.H.: Fundamentals of Papermaking, Ed. Baker C.F., Fundamental Research Committee (1989), p. 1.
• [20] Nanko H., Ohshawa J.: J. Pulp Pap. Sci., 15, 1, J17 (1989).
• [21] Scallan A.M.: Wood Sci. 6, 3, (1974) 266.
• [22] Page D.H., Tydeman P.A.: The Formation and Structure of Paper, Ed. Bolam F. BPBMA, London (1962), p. 397.
• [23] Skowroński J. W.: Pomiar naprężeń wewnętrznych w papierze. Część 2. Zależność modułu początkowego podczas naprężania papieru od jego struktury wewnętrznej, Przegl. Papiern. 64, 4, 206 (2008).
• [24] Skowroński J.W.: Pomiar naprężeń wewnętrznych w papierze. Część 3. Natura wydłużenia papieru podczas jego rozciągania i relaksacji naprężeń. Przegl. Papiern. 64, 5, 286 (2008).
• [25] Skowroński J.W.: Pomiar naprężeń wewnętrznych w papierze. Część 4. Relaksacja w trzech zakresach krzywej naprężenie-wydłużenie, Przegl. Papiern. 64, 6, 339 (2008).
• [26] Robertson A.A.: Pulp Paper Mag. Can. 65, 3, (1964) T162.
• [27] De Yong J., Higgins H.G., Irvine G.M.: Fiber-Water Interaction in Papermaking, Ed. FRC, BPBMA, London (1978), p. 589.
• [28] Jang H.F.: The Science of Papermaking, Ed. Baker C.F., Fundamental Research Committee (2001), p.193.
• [29] Gray D.G.: J. Pulp Paper Sci. 15, 3, (1989) J105.
• [30] Skowroński J.W., Kryczka M.: Challenges and barriers of maintaining paper flat in and after printing, to be published in Przegl. Papiern.
• [31] Waterhause J., Stera, S. and Brennan D., J. Pulp Paper Sci. 13, 1, (1987) J.33.
• [32] Skowroński J.W, Kryczka M.: Verification of simplified concept for paper flatness, to be published in Przegl. Papiern.
• [33] Johanson F., Kubat J. and Pattyrmie C.: Experimental studies on stress relaxation in crystalline polymers. Part IV. Cellulose and paper. Svensk. Papperstidn: 70, Nr 10,333 (1960).
• Part 5
• [1] Skowroński J.W.: Surface roughening of pre-calendared base sheets in coating, J. Pulp Paper Sci. 16, 3, J102 (1990).
• [2] Enomae T. at. el.: Anisotropy of internal stresses related to paper surface roughening, Tappi Coating Fundamentals Proceedings (1999).
• [3] Skowroński J.W., Lepoutre P., Bichard W.: Effect of pretreatment of LWC basesheets on coated paper properties, Tappi 71, 7, 125 (1988).
• [4] Skowroński J.W., Lepoutre P.: Water-paper interaction and internal stresses, TS of CPPA Annual Meeting, Montreal, Canada, p. A45 (1986).
• [5] Skowroński J.W., Lepoutre P.: Water-paper interactions, Tappi 68, 11, 98 (1985).
• [6] Forseth T., Wiik K., Helle T.: Surface roughning mechanism for printing papers containing mechanical pulp, Inter. Printing & Graphic Arts Conf. (1996).
• [7] Enomae T., Huang T., Lepoutre P.: Effect of softcalendering temperature, pressure and speed on sheet properties, Finishing and Converting Conf. (1995).
• [8] de Roever E.W.F., Cosper D.R.: Fiber rising and surface roughening, Scanning 18, 500(1996).
• [9] Blohm E., Borg J.: Methods for measuring dynamics out-of-plane dimensional stability of base paper, Inter. Coating Conf. (2001).
• [10] Schaffrath H.J., Götsching L.: The behavior of Paper under Cpmpression in Z-Direction, Proc. Int. Paper Physics Conf. Hawaii, USA, p. 489 (1991).
• [11] Stenberg N., Fellers C., Östlund S.: J. Pulp Paper Sci. 27, 6 213 (2001).
• Part 6
• [1] Skowroński J.W., Lapoutre P., Bichard W.: Effect of pretreatment of LWC basestock on coated paper properties, Tappi 71, 7,125 (1988).
• [2] Skowroński J.W.: Surface roughening of pre-calendared base sheets during coating, Journal of Pulp and Pap. Sci. 16, 3, J102 (1990).
• [3] Carlsson L: Paper dimensional stability and curl, Fiber Sci. technol. 14, 201 (1981).
• [4] Kajanto I.: Paper cockles, in Products of Papermaking (Ed. Baker C.F), Pira International, Leatherhead, 1993 pp. 237.
• [5] D'Souza E.S., Hayes R.E. and Oliver J.F.: Penetration of liquids into paper: Quantification of the Ultrasonic test method using model pore structures and commercial printing papers. Department of Chemical and Materials Engineering, University of Alberta, Edmonton, Canada, August 2004.