The comparative dynamics of bulk liquid flow and interpolymer diffusion during inkjet ink imbibition in porous coating structures

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.author Lamminmäki, Taina
dc.date.accessioned 2012-05-31T07:29:48Z
dc.date.available 2012-05-31T07:29:48Z
dc.date.issued 2012
dc.identifier.isbn 978-951-38-7456-8 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-951-38-7455-1 (printed)
dc.identifier.issn 2242-1203 (electronic)
dc.identifier.issn 2242-119X (printed)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/3533
dc.description.abstract The focus of this thesis is to establish the timescale of interactions, physical and chemical, during dye-based inkjet ink imbibition into calcium carbonate (CaCO3) pigmented coatings. Comparison is made between conventional offset quality CaCO3 (GCC), and special inkjet qualities in the form of either modified (MCC) or precipitated (PCC) CaCO3 combined with swelling diffusion driving or non-swelling diffusion-inert binder. The selection of pigment is based on the control of pore volume, pore size distribution and connectivity of the coating layer. Pigments containing nano-size pores (intra-particle) are primarily exemplified. The final coating layers display discrete pore size bimodality in relation to the intra-particle and inter-particle pores, respectively. Polyvinyl alcohol (PVOH) is used as the diffusion sensitive binder and styrene acrylate latex (SA) as the bulk diffusion-inert binder. By changing the coating layer structures and using the contrasting binders the roles of liquid diffusion, capillary pressure and permeation flow are clarified both in the short and long timescale imbibition. The wetting force within the finest coating layer capillaries drives the inkjet ink into the porous structure, whilst the viscous drag within the pore structure resists the movement. The nano-size capillaries initiate absorption of the ink vehicle, though typical impact pressure of an inkjet droplet is shown to provide forced wetting. During the subsequent flow, the hydrophilic binder swells, acting to close the smallest pores and reduce the remaining pore diameters. The total pore volume decrease competes with the initial capillarity, reducing absorption rate. The diffusion is shown to have a marked effect on the polar liquid absorption rate into the PVOH-containing coatings over different timescales. The swelling opens the polymer matrix so that the colorant of the ink fits into the binder structure and can either hydrogen bond or become mechanically trapped there on drying. The diffusion coefficient of water in PVOH and on SA latex films is shown to be very similar, despite the difference between bulk diffusion and surface diffusion, respectively. The colorant fixing is enhanced mainly by the ionic interactions between the colorant and coating surface adsorption sites. The anionic colorant fixes under chromatographic separation to the cationic components of the coating layer. There is seen to be an optimal absorption rate beyond which the colorant has insufficient time to translate under the Coulombic attraction potential toward the cationic adsorption sites or to respond to the binder interpolymer matrix diffusion potential. The final print density of a high-speed inkjet printed surface depends on the colorant location in the coating layer and the optical properties of the whole coated paper. Therefore the competing mechanisms of liquid flow, ab- and adsorption are seen as crucial to developing a high quality print. The intercolour bleeding is additionally dependent on the coating layer capability to absorb enough ink at adequate high absorption rate in competition with colorant spreading on the surface. Spreading can be further curtailed using a cationic surface treatment. en
dc.description.abstract Väitöskirjatyön tavoitteena on selvittää vuorovaikutusilmiöiden, sekä fysikaalisten että kemiallisten, aikaskaaloja liukoisen mustesuihku- eli inkjet-värin asettumisessa kalsiumkarbonaattipigmentti-päällysteissä (CaCO3). Vertailuja tehdään perinteisen offset- (GCC) ja inkjet-laadun CaCO3 välillä. Inkjet-puolella on tutkittu sekä modifioitua (MCC) että saostettua (PCC) CaCO3:a, ja sideaineina on käytetty turpoavaa diffuusioherkkää tai ei-turpoavaan diffuusio-inerttiä sideainetta. Pigmentit on valittu siten, että päällystekerroksen muuttujiksi on saatu sekä huokostilavuus, -kokojakauma että -rakenne. Tämä on toteutettu muutamissa päällysteissä siten, että päällysteessä on käytetty nanohuokosia sisältäviä pigmenttipartikkeleita. Tällöin lopullisissa päällysteissä esiintyy bimodaalinen huokoskokojakauma, jossa on sekä partikkelien välisiä että sisäisiä huokosia. Diffuusioherkkänä sideaineena käytetään polyvinyylialkoholia (PVOH) ja diffuusio-inerttinä styreeni-akrylaatti-lateksia (SA). Päällystekerroksen rakenteen vaihtelulla ja erilaisten diffuusioherkkien sideaineiden käytöllä tutkitaan kapillaari- ja permeaatiovirtauksia sekä lyhyen että pitkän aikaskaalan nesteen imeytymisessä. Kostutusvoimat päällysteen pienissä kapillaareissa ajavat inkjet-väriä huokoisen rakenteen sisään, kun taas viskoottinen voima vastustaa liuoksen liikkumista. Inkjet-värin liuotinosan absorptio alkaa nanokoon kapillaareista, tosin inkjet-pisaran aiheuttamaa iskeytymispainetta ei pidä unohtaa tässä yhteydessä. Seuraavassa vaiheessa hydrofiilinen sideaine turpoaa, sulkee pienimmät huokoset ja pienentää jäljellä olevien huokosten halkaisijoita. Kokonaishuokostilavuuden pieneneminen kilpailee alkuperäisten kapillaari-ilmiöiden kanssa hidastaen absorptionopeutta. Työssä osoitetaan, että diffuusiolla on merkittävä vaikutus polaarisen liuoksen absorptionopeuksiin PVOH:ta sisältävissä päällysteisissä. Turpoaminen aukaisee polymeerimatriisia siten, että värin väriaineosa mahtuu sideainerakenteeseen ja voi joko sitoutua vetysidoksilla polymeeriin tai jäädä polymeerimatriisin sisään sen kuivuttua. PVOH- ja SA-lateksi-filmin veden diffuusiokerroin on samaa suuruusluokkaa, tosin PVOH:n yhteydessä on kyse massadiffuusiosta ja SA-lateksilla pintadiffuusiosta. Väriaineen kiinnittymistä päällysteen pintaan voidaan parantaa ionisilla vuorovaikutuksilla. Anioninen väriaine sitoutuu kromatografisen erkanemisen aikana päällystekerroksen kationisiin komponentteihin. Tulokset osoittavat, että on löydettävissä optimaalinen värin absorptionopeus, jossa väriaineella on riittävästi aikaa sitoutua Coulombisilla attraktiovoimilla kationisiin ryhmiin tai siirtyä sisään sideainepolymeerin matriisiin diffuusiolla. Nopean tulostuksen inkjetin painojäljen densiteetti riippuu väriaineen sijainnista päällystekerroksessa sekä koko päällystetyn paperin optisista ominaisuuksista. Liuoksen virtauksen kanssa kilpailevat absorptio- ja adsorptioilmiöt ovat välttämättömiä, jotta saavutettaisiin hyvä painojäljen laatu. Värien välinen sekoittuminen (bleeding) riippuu siitä, miten paljon päällystekerros kykenee absorboimaan väriä ja miten nopeasti väri siirtyy pinnan sisään. Lisäämällä kationista pintakäsittelyainetta päällysteen pinnalle pystytään vähentämään värin leviämistä. fi
dc.format.extent 276
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher VTT Technical Research Centre of Finland en
dc.publisher VTT fi
dc.relation.ispartofseries VTT Science en
dc.relation.ispartofseries 2
dc.relation.haspart [Publication1]: T. Lamminmäki, J. P. Kettle, P. Puukko, P. A. C. Gane, and C. Ridgway. 2009. Inkjet print quality: The role of polyvinyl alcohol in speciality CaCO3 coatings. Journal of Pulp and Paper Science, volume 35, numbers 3-4, pages 137-147. © 2009 Pulp and Paper Technical Association of Canada (PAPTAC). By permission.
dc.relation.haspart Taina Lamminmäki, John Kettle, Pasi Puukko, Jukka Ketoja, and Patrick Gane. 2010. The role of binder type in determining inkjet print quality. Nordic Pulp and Paper Research Journal, volume 25, number 3, pages 380-390. © 2010 by authors. [article2.pdf]
dc.relation.haspart Taina Lamminmäki, John Kettle, Hille Rautkoski, Annaleena Kokko, and Patrick Gane. 2011. Limitations of current formulations when decreasing the coating layer thickness of papers for inkjet printing. Industrial & Engineering Chemistry Research, volume 50, number 12, pages 7251-7263. © 2011 American Chemical Society (ACS). By permission. [article3.pdf]
dc.relation.haspart T. T. Lamminmäki, J. P. Kettle, P. J. T. Puukko, and P. A. C. Gane. 2011. Absorption capability and inkjet ink colorant penetration into binders commonly used in pigmented paper coatings. Industrial & Engineering Chemistry Research, volume 50, number 6, pages 3287-3294. © 2011 American Chemical Society (ACS). By permission. [article4.pdf]
dc.relation.haspart T. T. Lamminmäki, J. P. Kettle, P. J. T. Puukko, and P. A. C. Gane. 2011. The chromatographic separation of anionic dye in inkjet coating structures. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, volume 377, numbers 1-3, pages 304-311. © 2011 Elsevier. By permission. [article5.pdf]
dc.relation.haspart T. T. Lamminmäki, J. P. Kettle, P. J. T. Puukko, C. J. Ridgway, and P. A. C. Gane. 2012. Short timescale inkjet ink component diffusion: An active part of the absorption mechanism into inkjet coatings. Journal of Colloid and Interface Science, volume 365, number 1, pages 222-235. © 2011 Elsevier. By permission. [article6.pdf]
dc.relation.haspart T. T. Lamminmäki, J. P. Kettle, and P. A. C. Gane. 2011. Absorption and adsorption of dye-based inkjet inks by coating layer components and the implications for print quality. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, volume 380, numbers 1-3, pages 79-88. © 2011 Elsevier. By permission. [article7.pdf]
dc.subject.other Paper technology en
dc.title The comparative dynamics of bulk liquid flow and interpolymer diffusion during inkjet ink imbibition in porous coating structures en
dc.title Liuoksen virtausdynamiikka ja polymeerien diffuusio mustesuihkuvärin asettumisessa huokoisiin päällysterakenteisiin fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Chemical Technology en
dc.contributor.department Puunjalostustekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Forest Products Technology en
dc.subject.keyword diffusion en
dc.subject.keyword absorption en
dc.subject.keyword permeability en
dc.subject.keyword porosity en
dc.subject.keyword ionic charge en
dc.subject.keyword coating binder en
dc.subject.keyword coating en
dc.subject.keyword inkjet printing en
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-951-38-7456-8
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Gane, Patrick, Professor
dc.opn Ström, Göran, Professor
dc.date.defence 2012-05-04


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account