噴墨打印技術(shù)已有10多年的商用歷史。隨著桌面打印技術(shù)的出現(xiàn)，紙張上已涂覆各種涂層和添加劑，以改善辦公文件色彩的耐光性。已經(jīng)完成的多項研究表明添加劑和顏料油墨在不同曝曬條件下對圖像的質(zhì)量有良好的保護效果。ANSI IT9.3 彩色圖像穩(wěn)定性分委會正在制定室內(nèi)光穩(wěn)定性和戶外耐久性的測試標(biāo)準(zhǔn)。此外，該分委會正在制定潮濕牢度、臭氧褪色、熱降解/黑暗穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。

而如今，一般商業(yè)報表、票據(jù)和數(shù)據(jù)中心都已開始采用全彩色噴墨打印技術(shù)。這些文件必須采用低成本的紙張，以降低運行成本。此外，由于高速數(shù)字印刷設(shè)備的速度很高，所以必須采用偶氮型染料，才能滿足其要求?？傮w來說，相比桌面噴墨設(shè)備印制的全彩色照片質(zhì)量的圖像來說，交易性文件和帳單對長期耐光性的要求較低。然而，某類文件必須有長期的可歸檔性。

對于噴墨印刷這一新技術(shù)，必須進行一些基礎(chǔ)性的研究，以確定非涂布紙或膠版紙與低成本涂布紙的相對耐光性。在這項研究中，我們給出了采用Scitex數(shù)碼印刷公司的VersaMarkTM全彩數(shù)碼印刷系統(tǒng)印刷的非涂布紙和涂布紙的耐光性。我們使用氙燈光源進行了逐步褪色率的比較，還與佛羅里達太陽光曝曬測試以及透過窗玻璃的室內(nèi)太陽光測試進行了對比。這些結(jié)果也與采用冷白光源和純熒光辦公室光環(huán)境的結(jié)果進行了比較。

熒光燈

從歷史上看，使用高輸出冷白熒光燈的光穩(wěn)定性試驗已用于彩色照片(ANSI IT9.9)測試。例如，標(biāo)準(zhǔn)測試條件為：450 lux/12小時的低瓦數(shù)冷白熒光燈照射一天，相對濕度為60%，室溫70°F，但這種條件無法準(zhǔn)確模擬用噴墨油墨打印各種計算機生成的圖像時所使用的最終環(huán)境。雖然冷白熒光燈的輸出可能會在一定程度上重現(xiàn)低光或博物館環(huán)境，但這些燈管的光譜卻是有限的。在本質(zhì)上，這些燈的輸出并不能完全重現(xiàn)透過窗玻璃的太陽光的光譜功率分布。對于主要應(yīng)用環(huán)境是燈光陳列柜或純室內(nèi)熒光照明的環(huán)境的產(chǎn)品，可用冷白熒光燈進行測試。但是，這種測試無法準(zhǔn)確預(yù)測典型室內(nèi)環(huán)境中(即在家中或辦公室)圖像的使用壽命。擺放在窗口、滑動玻璃門、天窗等附近的圖片，在晴朗的早晨，接收的全光譜太陽光(紫外線、可見光和紅外線)高達50,000 lux。圖 1 顯示了冷白熒光燈與透過窗玻璃的太陽光之間的的光譜輸出對比情況。

圖1 - 冷白熒光燈與透過窗玻璃的太陽光之間的比較

氙弧燈

1954年德國開始采用氙弧燈進行加速老化試驗。氙燈老化試驗箱，如Q-SUN氙燈老化試驗箱，最適于測試材料的耐光性，因為它們能模擬出較好可用的全光譜太陽光：紫外線、可見光和紅外線全都包括在內(nèi)。氙燈老化試驗箱使用濾光器來模擬相應(yīng)的光譜(如戶外太陽光或透過窗玻璃的太陽光)。

氙燈須配備濾光器，以減少不必要的輻射?！按安ＡА边@類濾光器可模擬透過窗玻璃的太陽光。通常用于測試產(chǎn)品在室內(nèi)的主要使用壽命。圖 2 顯示了配備窗玻璃濾光器的氙燈相較于透過玻璃后的夏天中午太陽光的光譜功率分布。

圖2 - Q-SUN試驗箱的氙燈與透過窗玻璃的太陽光

試驗

材料

本項研究中所用的材料由美國、歐洲和日本的各紙品公司提供。這些紙品分為涂布紙(CP)和非涂布紙(UC)。CP1 型和 CP2 型涂布紙的基重(紙品重量即 BW)分別為 54磅每令(80 g/m²)和72磅每令(107 g/m²)。CP1 型紙的涂層重量比 CP2 型紙更輕，所用的涂層類型也有所不同。CP3 型紙為單面涂層(C1S)的蠟光紙，基重為50 BW(74 g/m²)。UC1和UC2是非涂布紙，基重分別為 50 BW(74 g/m²)和 60 BW(89 g/m²)。UC1 是一種基本的膠版紙，而UC2 則采用了特殊配方，增強了其接觸到水時噴墨油墨的持久性。UC3 為機制加工紙，基重 60 BW(90 g/m²), 用于噴墨圖像時效果更好

在這項研究中所使用的噴墨油墨為 Scitex 數(shù)碼印刷公司的青色#6092001，品紅色#6092002，黑色#6092003和黃色#6092004。這些油墨都是水性油墨，除了青色染料由酞菁基染料制備外，其它的都由偶氮型染料制備。眾所周知這些染料在用于制造商用作宣傳的噴墨圖像時具有相對良好的耐光性。這些油墨與其他成分進行配制，用于Scitex 連續(xù)噴墨打印機，油墨的粘度為 1. 1 厘泊。

印刷

所有紙張和油墨都在Scitex數(shù)碼印刷公司的VersaMarkTM商務(wù)彩色印刷機上使用，該機印刷速度為每分鐘 500英尺。連續(xù)噴墨打印頭采用的是 9 英寸寬的 9500 系列打印頭，PS -90打印臺和流體系統(tǒng)。所有圖像都是單面打印的，油墨飽和度足夠高，以獲得“較好”的圖像質(zhì)量，但又不會導(dǎo)致墨水完全滲透紙張而出現(xiàn)在未打印的一面。本研究項目中的印刷圖像都為 0.5 平方厘米。

自然曝曬和加速老化試驗

自然曝曬和加速老化試驗都是在 Q-Lab 老化研究服務(wù)中心進行的。每10 h在樣品的4個區(qū)域讀取儀器測色儀和密度計的讀數(shù)。對印刷好的涂布紙和非涂布紙的6種樣品，每種樣品3個重復(fù)樣(共18個樣品)，進行了如下試驗：

I. 戶外玻璃框下曝曬，在佛羅里達45 °朝南的通風(fēng)良好的曝曬箱中曝曬72 h(3天)。

II. 在QUV紫外老化試驗箱中按照 ASTM G154標(biāo)準(zhǔn)進行冷白熒光燈暴露測試，420 nm處的輻照度為0.60 W/m²，箱體溫度為31-35°C，試驗時間為40 h 。

III. 按照ASTM G155標(biāo)準(zhǔn)在配備窗玻璃濾光器的Q-SUN氙燈老化試驗箱中進行氙弧燈暴露測試，340 nm處的輻照度為0.35 W/m²，黑板溫度按ASTM D3424標(biāo)準(zhǔn)中的方法3為63°C。

IV. Scitex數(shù)碼印刷公司的商業(yè)文件暴露測試在大樓內(nèi)部走廊(室內(nèi)館)進行，采用熒光燈和日光共同照射30周或5000 h。V. Scitex數(shù)碼印刷公司, 室內(nèi)(室內(nèi)熒光燈)暴露測試，采用 2000 h的熒光燈照射。

LAB及ΔE值的測量

所有L*A*B*值的測量采用的都是 Gretag SPM 50分光光度計，按照 ASTM D2244標(biāo)準(zhǔn)進行測量。測量條件為D65光源，10°觀察角，鏡面反射包含。每種紙型制備三個重復(fù)樣品，其上都印刷了彩色圖像，在指定的時間間隔內(nèi)，對這些樣品進行測量。對盡可能避光保存的印刷圖像進行 LAB 測量后計算出 ΔE 值。

密度測定

密度測定采用的是Macbeth TR927密度計。R, G, B 和 Othro 濾光器分別用于印刷青色，品紅色，黃色和黑色的圖像

測試結(jié)果與分析

暴露測試結(jié)果

Q-SUN 氙燈老化試驗箱氙弧燈暴露測試初步顯示涂布紙(CP)出現(xiàn)了相當(dāng)大的ΔE值。眾所周知，在染料及噴墨行業(yè)，品紅色和黃色油墨經(jīng)氙弧燈照射40 h后，會出現(xiàn)相當(dāng)大的褪色，如圖 3 所示。對于CP1和CP3來說，在氙弧光照射下，青色油墨褪色的 ΔE值小于品紅色和黃色油墨，而黑色油墨的ΔE值是最小的。CP2的值在CP1和CP3之間。ΔE值大于10表明油墨或染料褪色程度相當(dāng)高。

圖3 – 紫外線光源下涂布紙的褪色情況

這些 ΔE值也與72 h佛羅里達玻璃框下太陽光曝曬的ΔE值進行了比較。從圖 3 可以看出，這些值與40 h氙弧燈暴露測試得出的ΔE值相差無幾。為了得到進一步的比較結(jié)果，圖3中的這些數(shù)值再與2000 h到5000 h在室內(nèi)大廳的自然室內(nèi)光和熒光測試所得的數(shù)值進行了比較。同樣，室內(nèi)大廳暴露測試的 ΔE值與40 h的氙弧燈暴露測試和72 h佛羅里達太陽光曝曬測試的結(jié)果相當(dāng)。

非涂布紙(UC)的暴露測試如圖 4 所示。從圖中可以看出，UC1和UC2的ΔE值和相對褪色程度要低得多。在大多數(shù)情況下，青色、品紅色和黃色油墨的ΔE值不會超過圖3中所示涂布紙的50%。尤其是與佛羅里達玻璃框下太陽光曝曬和室內(nèi)大廳暴露測試存在較大差異。對于室內(nèi)大廳暴露測試的非涂布紙來說，經(jīng)5000 h后，黃色油墨以外的所有油墨的ΔE值均都在10 以下。

圖4 – 紫外線光源下非涂布紙的褪色情況

本項目的主要研究重點在于說明，對于不同光源在相同的暴露時間下，涂布紙相比非涂布紙的褪色更厲害。需要考慮的主要因素是涂布紙的初始密度比非涂布紙高，如表1所示。從表中可以看出，對于大多數(shù)顏色來說，涂布紙(CP)的初始密度比非涂布紙(UC)的高。這種密度差異可以歸因于一個事實，即油墨主要是由涂布紙的表層所吸收。

表1 – 涂布紙和非涂布紙的初始密度值

涂布紙上一般都涂有涂料，含有二氧化鈦、碳酸鈣和其它物質(zhì)，能迅速吸收油墨的組分，從而使得染料保留在紙張的表面上，增加了油墨和染料顏色的光密度。CP2 的涂層最厚，所以除了品紅色外，這種涂布紙的光密度值都是最高的。相比較而言，在非涂布紙或膠版紙上印刷低粘度的水性噴墨油墨時，墨水和染料很快會被紙張的內(nèi)部結(jié)構(gòu)吸收，使紙張表面的光密度變得較低。在UC1這種基本膠版紙上就可以看到這種情況。UC2和UC3經(jīng)過了機械加工，除黑色外，光密度都比UC1型紙高。

氙弧燈試驗的結(jié)果表明，各種涂布紙的褪色程度顯著高于非涂布紙，從中可得出結(jié)論，初始光密度是一個影響因素。這個因素可以歸因于一個事實，即涂布紙的表面上有更多的染料分子。所以，這些染料分子能更直接地接觸到光源。而對于非涂布紙來說，整張紙都被較高濃度的染料分子滲透了。因此，紙纖維和配方組分可保護若干部位上的染料免受光源的直接照射。

在QUV試驗箱中進行冷白熒光燈暴露測試，如圖5和圖6所示。從圖5可以看出，在QUV熒光燈下暴露40 h后，涂布紙上黃色油墨的褪色程度ΔE值大于10。這些值與通常在辦公環(huán)境中使用的室內(nèi)熒光燈照明的值進行比較。CP3型紙上品紅色油墨在該類光照下褪色程度很高。與圖3的氙弧燈褪色相比，熒光光源下的褪色程度很輕。但與室內(nèi)大廳暴露(5000 h)相比，其中也包括熒光光源，CP1黃色、CP3黃色和CP3品紅色經(jīng)高達2000 h的室內(nèi)熒光燈照射后結(jié)果相當(dāng)。對于黑色油墨，CP2的值在CP1和CP3之間。

圖5 - 熒光光源下涂布紙的褪色情況

非涂布紙的情況如圖6所示，在熒光光源照射下褪色程度非常低，而UC3黃色再次是一個例外。熒光照射2000 h后的ΔE約為30，與UC3在室內(nèi)大廳(未示出)暴露2000 h后的ΔE為38.63 這一結(jié)果相差無幾。黑色染料在熒光燈下的褪色程度非常低。對于黑色油墨，UC2的值在UC1和UC3之間。

圖6 - 熒光光源下非涂布紙的褪色情況

排序相關(guān)性

對于大多數(shù)材料來說，將實時(自然)曝曬與實驗室結(jié)果聯(lián)系起來是非常困難的一件事(X小時自然曝曬= Y小時實驗室加速暴露)。一些有用的方法之一是對相對排序進行比較。斯皮爾曼等級順序是一種統(tǒng)計方法，可提供一整套性能排序的數(shù)值。例如，如果比較兩組數(shù)據(jù)，排序表示兩組數(shù)據(jù)之間匹配的緊密程度。數(shù)值為1. 0表示完全相關(guān)。隨機的相關(guān)性表示值為0。負相關(guān)性表示值為-1.0。斯皮爾曼等級相關(guān)系數(shù)(rs)常用在有關(guān)的老化測試上。參見下面的表2。

要把加速老化測試和實時曝曬聯(lián)系起來，必須將暴露于這兩種環(huán)境中的材料的性能等級作比較，從而建立起測試之間的聯(lián)系強度。

具體測試等級排序的討論結(jié)論

暴露測試前后對所有測試樣品進行儀器測色。以ΔE值記錄每個試樣的顏色變化。排序的相關(guān)性是按如下方法測定的：通過一個暴露測試得出C, M, Y 和 K(黑色)各類型樣品在單個襯底上的ΔE值，同時得出另一個暴露測試在相同襯底上的ΔE值，然后將兩組ΔE值作比較。例如，樣品CP1在美國佛羅里達玻璃框下曝曬后的ΔE值(Y值)與CP1在Q-SUN氙燈老化試驗箱中測試40 h后的ΔE值(Y值)相比較。

6種紙型襯底和油墨顏色中每一種的ΔE值都與另一種暴露測試中的相應(yīng)值(例如，室內(nèi)大廳暴露與QUV冷白熒光燈暴露)進行比較。然后根據(jù)有效數(shù)據(jù)確定斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)。這些相關(guān)性的例子如圖7 – 10所示。

圖7 – 黃色油墨印刷品在QUV與室內(nèi)熒光燈暴露下的排序

圖8 – 品紅色油墨印刷品在室內(nèi)熒光燈與室內(nèi)大廳暴露下的排序

圖9 – 品紅色油墨印刷品在Q-SUN與室內(nèi)大廳暴露的排序

圖10 – 青色油墨印刷品在Q-SUN與佛羅里達玻璃框下暴露的排序

圖7顯示了QUV老化試驗箱暴露測試的結(jié)果與室內(nèi)熒光燈褪色暴露測試結(jié)果之間的良好相關(guān)性，表明QUV老化試驗箱能很好地確定室內(nèi)辦公環(huán)境中印刷品褪色的耐久性。圖8表明品紅色染料的強褪色表現(xiàn)與光源無關(guān)。圖9中的差異可能是 Q–SUN老化試驗箱和典型的室內(nèi)辦公環(huán)境之間的溫度差異造成的。然而，在圖10中較高的排序相關(guān)性表明氙弧燈暴露測試與佛羅里達玻璃框下曝曬可很好地應(yīng)用于噴墨成像材料。

測試中的問題

進行耐光性測試時有多個必須考慮的問題，包括：光照、溫度、材料的溫度敏感性、濕度、黑暗穩(wěn)定性、褪色的線性度、協(xié)同失效、氣體(臭氧)褪色，紙張發(fā)黃及l(fā)ux與W/m²之間的關(guān)系。由于有這么多參數(shù)，噴墨印刷品的耐光性測試結(jié)果可能會有差異。因此，只有對這些參數(shù)進行充分的調(diào)查研究，才能對使用壽命作出準(zhǔn)確的預(yù)測。

結(jié)論

從本項研究可以得知，印刷在涂層襯底上的噴墨油墨比印刷在膠版襯底或非涂層襯底上的更容易受到紫外線照射的影響而退化。

帶窗玻璃濾光器的氙燈老化試驗箱可以預(yù)測帶窗玻璃的室內(nèi)環(huán)境中的油墨/襯底的耐光性。另外，配備冷白熒光燈管的QUV 紫外老化試驗箱可以模擬室內(nèi)環(huán)境的加速效果，適用于室內(nèi)辦公或零售環(huán)境中打印商業(yè)文件的噴墨油墨和襯底。佛羅里達玻璃框下自然曝曬可以作為加速試驗，以模擬帶窗玻璃的室內(nèi)環(huán)境。本項研究中的差異性，可能與溫度或濕度的差異有關(guān)。

室內(nèi)大廳暴露，室內(nèi)熒光燈暴露，實驗室加速暴露(Q-SUN氙燈試驗箱 和 QUV紫外老化試驗箱)及佛羅里達玻璃框下太陽光暴露測試之間的排序相關(guān)性極好。自然和加速測試，都能區(qū)分產(chǎn)品耐光性的好壞。

本項研究表明，黑色噴墨油墨受自然和加速光穩(wěn)定性測試的影響最小。黑色油墨使非涂布紙和涂布紙都有優(yōu)良的可歸檔性。

噴墨油墨、有涂層襯底和無涂層襯底的進一步測試應(yīng)包含對環(huán)境濕度、溫度和臭氧的模擬。目前，不同暴露方法的可重復(fù)性和可再現(xiàn)性尚不清楚。因樣品制備和顏色測量技術(shù)造成的差異也是未知數(shù)。根據(jù)現(xiàn)實世界中的實際使用情況，為今后的研究確定一個適當(dāng)?shù)谋┞稖y試基準(zhǔn)大有用處。研究中的一個注意事項是選擇一種耐光性已知的參考材料，將其與試樣一起進行暴露測試。然后，可按參考材料的性能將測試樣品的數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化。