桑瑞娟，范振憲

(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京 210037)

UV噴墨打印技術(shù)具有非接觸打印、及時(shí)固化、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，基于油墨的UV固化特性[1]，其能夠在各種柔性及剛性材料表面進(jìn)行噴繪打印，如廣告紙、布、皮革、亞克力、金屬等卷材或板材，應(yīng)用領(lǐng)域也從戶(hù)內(nèi)外廣告、包裝衍生到家居領(lǐng)域內(nèi)的裝飾、木制品生產(chǎn)等[2-3]。而且隨著噴頭制造技術(shù)、油墨品質(zhì)的改良和適配軟件程序的優(yōu)化，尤其是打印基材的多樣化，UV噴墨打印技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多地被應(yīng)用于家具、裝飾、建材行業(yè)[4-6]。

目前在家具行業(yè)中，UV噴墨打印利用較多的基材有中密度纖維板、橡木以及其他硬木[7-8]。楊木由于其密度小、強(qiáng)度低，在家具中的應(yīng)用比較局限，一般用于外部不可見(jiàn)的結(jié)構(gòu)支撐部分，如木架構(gòu)、檀條、隔板等，很少用作裝飾材料[9]。但楊木質(zhì)量輕、彈性好、生長(zhǎng)速度快、生長(zhǎng)周期短，且在我國(guó)南北方均有種植，資源非常充沛[10]，除此之外楊木色澤較白、紋理淺、纖維長(zhǎng)且含量豐富，制備成膠合板、纖維板、細(xì)木工板等板材[11]，用于UV噴繪的裝飾基材，將會(huì)有很大的發(fā)展利用空間。本試驗(yàn)通過(guò)設(shè)置不同的楊木膠合板表面處理方法[12-13]，研究UV數(shù)碼噴繪技術(shù)在不同楊木承印面上標(biāo)準(zhǔn)色UV顏料墨水與板材結(jié)合的物理性能及界面結(jié)合效果，探討木質(zhì)基材表面工藝對(duì)UV噴墨打印裝飾涂層的影響，拓展速生木基材在家居裝飾領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

楊木膠合板，尺寸400 mm×350 mm×7 mm；UV油墨五色CMYKW(青色、品紅色、黃色、黑色和白色)(武漢銳諾斯數(shù)碼科技有限公司，XENONS YL-UV-I3200UI-1)；180#、360#砂紙；6B～6H中華鉛筆；UV水性附著劑(108010511)，UV膩?zhàn)?T-168010H)，UV透明砂光底漆(128010511H)，UV白色底漆(UVP5010)，均由江蘇海田技術(shù)有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

UV平板數(shù)碼打印機(jī)，南京雷勵(lì)數(shù)碼科技有限公司，HT2512UV，配置3個(gè)愛(ài)普生3200EI噴頭，分辨率為360 dpi；環(huán)境掃描電子顯微鏡，Quanta 200型；GZ-Ⅱ光電電澤儀；漆膜劃格儀；觸針式粗糙度測(cè)試儀，JB-C型；L*a*b*色差儀；QHQ型鉛筆劃痕硬度儀；滾涂設(shè)備，江蘇海田技術(shù)有限公司。

1.3 試驗(yàn)設(shè)置

準(zhǔn)備承印基材尺寸為450 mm×350 mm×7 mm楊木膠合板，依次用180#和360#砂紙順木紋打磨，去除表面及邊角毛刺至表面平整。承印面所用UV水性附著劑、UV砂光清漆與UV白底漆的涂飾工藝如表1所示。噴墨工藝分為白墨噴印層和彩墨噴印層兩部分，打印模式都為精度模式，打印速度6 pass，打印精度1 080 dpi ×720 dpi；在前期實(shí)驗(yàn)中因100%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的白墨量無(wú)法完全覆蓋楊木表面紋理，300%或更高的白墨噴墨設(shè)置效果與200%相近，但白墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高打印效率越低且油墨成本增加，因此，在本試驗(yàn)中直接以200%的白墨打印質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行打印設(shè)置。彩墨打印使用的標(biāo)版色塊圖案如圖1所示，5個(gè)色塊分別為CMYK色彩模式中的C、M、Y、K和四色黑(rich black，以下簡(jiǎn)稱(chēng)RK， C、M、Y、K各項(xiàng)數(shù)值分別為30%，30%，30%和100%所組成的顏色)。

表1 楊木膠合板數(shù)碼噴印裝飾工藝Table1 Poplar plywood digital printing decoration technology

圖1 標(biāo)版打印圖案Fig.1 Plate printing pattern

試驗(yàn)設(shè)置5組實(shí)驗(yàn)樣本，如表2所示：G1為楊木基材上直接打印彩墨噴印層；G2為楊木基材上打印白墨與彩墨噴印層；G3為楊木基材上清漆涂飾后打印彩墨噴印層；G4為楊木基材清漆涂飾后打印白墨與彩墨噴印層；G5為楊木基材清漆與白色底漆涂飾后打印彩墨噴印層。

表2 5組實(shí)驗(yàn)樣本工藝設(shè)置Table 2 The process setting of five groups of experimental samples

1.4 表征測(cè)試

通過(guò)測(cè)試5組樣本的附著力、表面粗糙度、硬度、耐磨性、光澤度和L*a*b*值，比較不同處理工藝條件下C、M、Y、K和RK 5種顏色與楊木膠合板的界面結(jié)合性能的差異。每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試方法如下[14-15]。

1)附著力：依據(jù)GB/T 9286—2021《色漆和清漆 劃格試驗(yàn)》進(jìn)行測(cè)試，在每個(gè)試件上測(cè)試3個(gè)點(diǎn)；使用電鏡觀測(cè)微觀狀態(tài)下噴墨涂層、底漆涂層與基材的結(jié)合情況，通過(guò)電鏡圖形貌分析判斷界面結(jié)合層的附著能力，將噴繪后的樣品切成小樣，在液氮中浸泡20 min后用切片機(jī)制備成10 mm×6 mm×5 mm的大小，試樣噴金后在電鏡下觀察圖層與基材結(jié)合界面的橫切面與徑切面。

2)表面粗糙度：使用JB-C型粗糙度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，每塊試件測(cè)5個(gè)不同的點(diǎn)取平均值作為結(jié)果。

3)硬度：依據(jù)GB/T 6739—2006《色漆和清漆 鉛筆法測(cè)定漆膜硬度》，采用QHQ型涂膜鉛筆劃痕硬度儀，每組試件平行測(cè)試3塊。

4)耐磨性：依據(jù)GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》中4.44表面耐磨性能測(cè)定方法三，使用180#研磨輪在施加(4.9±0.2)N的外力下與試件表面噴繪涂層相對(duì)摩擦100 r，計(jì)算磨耗值并觀察研磨后試件表面露白情況。

磨耗值計(jì)算公式為：

式中：F為磨耗值，每100 r磨耗量，mg；m1為試件磨前質(zhì)量，mg；m2為試件磨后質(zhì)量，mg；R為磨耗轉(zhuǎn)數(shù)，r。

5)光澤度：依據(jù)GB/T 4893.6—2013《家具表面漆膜理化性能試驗(yàn) 第6部分：光澤測(cè)度法》進(jìn)行測(cè)試，每組試件平行測(cè)試3次。60°入射角光澤低于10 GU時(shí)，85°入射角能給出更好的分辨率，此處選用85°入射角的分辨率。

6)L*a*b*值：使用L*a*b*色差儀進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 附著力

采用劃格測(cè)試的方法檢驗(yàn)涂層在楊木膠合板上的附著力，并結(jié)合SEM分別沿基材紋理的橫向與縱向切面表征涂層與基材界面結(jié)合的切面形貌，從微觀角度分析噴繪涂層的附著性能[16]。附著力等級(jí)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2，SEM切面表征圖像見(jiàn)圖3。

左)附著力劃格試驗(yàn)；右)附著力等級(jí)測(cè)試結(jié)果。圖2 附著力測(cè)試結(jié)果Fig. 2 Effects of adhesion test

在附著力實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，G1組打印的色塊試樣非常容易被劃透至基材表面，經(jīng)膠帶撕起后漆膜沿切割邊緣大片脫落，且有很多網(wǎng)格完全脫落，附著力極低；圖3G1a所示的橫向切面圖很難清晰分辨出木材與噴印層的完整分界面，圖3G1b的縱向切面中可較清晰地分辨出一層噴印層，表面凹凸不平。分析原因?yàn)閮H一層彩墨噴印層厚度很薄，5 mm楊木膠合板本身的結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)固，在膠合板表面僅有一層木皮且楊木孔質(zhì)比較稀疏，基材結(jié)合力很弱。

G2組附著力測(cè)試結(jié)果有所提高，從表3可見(jiàn)，RK試樣的附著力表現(xiàn)較為突出，達(dá)到1級(jí)；黑色和品紅試樣的附著力達(dá)到2級(jí)，觀察樣品的劃格時(shí)脫落非常少，僅在切割交叉處有少許脫落；其余顏色試樣為3級(jí)附著力；圖3的G2a與G2b顯示出3層結(jié)構(gòu)，由上至下依次是彩墨噴印層、白墨噴印層和基材，200%質(zhì)量分?jǐn)?shù)白墨噴印層厚度明顯高于彩墨噴印層，且兩層噴印層切面紋理差異不大。

G3組附著力等級(jí)均達(dá)到2級(jí)；由圖3G3a與G3b可知，清漆的流動(dòng)滲透性使之與楊木較大的纖維空隙完美填補(bǔ)，由此可解釋G3組的附著力優(yōu)于G2組。

G4組的附著力表現(xiàn)最優(yōu)，所有試件達(dá)到1級(jí)，交叉切割測(cè)試后基本無(wú)脫落，由于有200%白墨鋪底，噴印層的厚度有所增加，在切割測(cè)試時(shí)需要施加很大力度才能劃破至基材表面，可判斷其硬度也得到一定程度的提高；圖3中G4a與G4b可觀察到4層結(jié)構(gòu)，依次是彩墨噴印層、白墨噴印層、清漆涂飾層和基材，噴印層的切面紋理與清漆涂飾層切面紋理有較大差異易于分辨。

G5組的品紅色塊試樣附著力保持在1級(jí)，其余色塊下降到2級(jí)，不光交叉處有脫落，沿切割線(xiàn)邊緣也有脫落，脫落部分會(huì)露出白底漆，黑色和RK色塊試樣甚至出現(xiàn)整個(gè)方格顏色的脫落，露出白底漆；圖3G5b中顯示噴印層與白底漆涂飾層發(fā)生分層現(xiàn)象，而G4交叉處的脫落并沒(méi)有露白而是顯露楊木基材，由此可說(shuō)明彩色墨水與白墨的結(jié)合力優(yōu)于與白底漆的結(jié)合力，進(jìn)一步分析深色墨水與白底漆的結(jié)合力更差，有待設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)繼續(xù)驗(yàn)證。

通過(guò)比較楊木膠合板表面噴印層附著力測(cè)試的結(jié)果：在未作表面處理的楊木膠合板上，色塊試樣的附著力均為4級(jí)屬于最差；G4涂刷了兩道透明漆并有200%白墨鋪底的試樣，色塊附著力均達(dá)到1級(jí)最為堅(jiān)固；G3和G5的附著力表現(xiàn)良好，均達(dá)到2級(jí)及以上。

a)橫切面；b)徑切面。圖3 不同工藝下的切面SEM圖Fig. 3 SEM images of section under different processes

2.2 粗糙度

5組試驗(yàn)樣品的粗糙度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。G1與G2的粗糙度整體偏高，最大值達(dá)到7.846 μm；G3、G4、G5 3組的粗糙度顯著降低且均在2.5 μm以下，最低值僅1.099 μm。

圖4 粗糙度測(cè)試結(jié)果Fig. 4 Effects of roughness test

在楊木膠合板上打印白墨噴印層或涂刷底漆都可以使粗糙度有效降低，涂飾底漆起到的效果更好[17]。與G3相比，G4的粗糙度平均水平更高，這是因?yàn)閲娪邮遣捎冒葱鑷娔姆绞骄鶆虻馗采w在基材上，且經(jīng)過(guò)紫外光照射立即固化，在平整度較好的承印面上噴印時(shí)，油墨未能夠在固化前流動(dòng)到承印面凹陷處[18]，對(duì)基材的平整度產(chǎn)生的影響很小，甚至還會(huì)增加粗糙度。

2.3 硬 度

5組試驗(yàn)樣品的硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，G4組硬度最高，G1的硬度測(cè)試最低僅3B～4B，G3的硬度次之，在H～2H等級(jí)。G5組的硬度表現(xiàn)與G4十分接近，前者通過(guò)涂刷白底漆覆蓋木材紋理樣貌，后者通過(guò)打印白墨噴印層達(dá)到這一效果，但綜合生產(chǎn)成本、時(shí)間和附著力測(cè)試的結(jié)果，涂刷白底漆的生產(chǎn)效果會(huì)優(yōu)于打印白墨噴印層。

表3 硬度測(cè)試結(jié)果Table 3 Effects of hardness test

2.4 耐磨性

5組試驗(yàn)樣品的耐磨性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5，G4組在100 r磨耗測(cè)試后磨損量最小，各顏色試樣磨損量均在50～60 mg；G2組次之；G5組的磨損量最大。從這一結(jié)果可見(jiàn)，G4與G2由于存在白墨噴印層其耐磨性?xún)?yōu)于其他3組；G5組采用白色底漆覆蓋耐磨性顯著下降。

圖5 耐磨測(cè)試結(jié)果Fig. 5 Effects of abrasion test

2.5 光澤度

5組試驗(yàn)樣品的光澤度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6，G3組的涂裝處理方式下光澤度最高。G1和G2兩組未做底涂處理的試樣光澤度都較低，是因?yàn)闂钅灸z合板木紋顏色偏黃且粗糙度較高，使得最終效果光澤度變差[19]；通過(guò)將G2與G1對(duì)比，G4與G3對(duì)比，可見(jiàn)有200%質(zhì)量分?jǐn)?shù)白墨噴印層的試件光澤度會(huì)有所降低。

圖6 不同工藝方案對(duì)5種顏色樣品光澤度的影響Fig. 6 Effects of different process scheme on glossiness of five colors

2.6 L*a*b*值

采用L*a*b*色彩模式進(jìn)行分析主要原因在于其色域廣，涵蓋了肉眼可見(jiàn)的所有顏色，以及與設(shè)備無(wú)相關(guān)性[20-21]。5組樣品的L*a*b*測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7，ΔE*、ΔL*、Δa*、Δb*分別表示色差、明度差和a*、b*色相差。在5組試樣中每組色塊樣品的L*a*b*值與其標(biāo)準(zhǔn)值的差異呈現(xiàn)出比較一致的趨勢(shì)變化，G4與G5兩組的色差值較低，G1組的色彩變化幅度較大。通過(guò)觀察圖2，G1和G3兩組飽和度較高，對(duì)比發(fā)現(xiàn)這兩組沒(méi)有白色底漆或白墨噴印層，且楊木膠合板的色澤偏黃，故不存在白色覆蓋層時(shí)顯色效果會(huì)偏暖。

圖7 不同工藝方案對(duì)5種顏色的色差影響Fig. 7 Effects of different process schemes on chromatic aberration of five colors

3 結(jié) 論

通過(guò)將UV噴墨打印的楊木膠合板基材進(jìn)行表面底漆工藝處理及打印涂層的設(shè)置，研究楊木基材承印面的表面處理對(duì)UV噴墨涂層的界面結(jié)合、表面效果及涂層性能的影響，確定優(yōu)化的楊木承印面底漆處理及打印工藝：

1)在楊木膠合板上涂刷兩道透明漆并噴繪200%質(zhì)量分?jǐn)?shù)白墨鋪底的表面處理方式，能有效提高UV噴印層的附著力，同時(shí)硬度表現(xiàn)也是最好的。彩色墨水與白底漆的結(jié)合力不及白墨鋪底的處理方式，在電鏡觀測(cè)中也佐證了這一點(diǎn)。

2)涂刷透明底漆和白底漆等底漆工藝能夠有效提高承印面的平整度，減少UV噴墨涂層的粗糙度，提高打印表膜涂層的均勻一致性，一定程度上也提高了UV噴墨打印涂層的色彩表現(xiàn)。

3)白墨噴印層能有效提高涂層耐磨性和硬度，但在平整度較好的表面打印時(shí)由于其及時(shí)固化的特點(diǎn)會(huì)使粗糙度有所提高。

4)楊木膠合板的色澤偏黃，在不覆蓋底色的前提下打印會(huì)使圖案光澤度有所降低，圖像飽和度偏高。