Thermal studies of ink solvent and toner behaviour on coated paper: modelled in various printing methods using ink-coating component mixtures and laboratory scale print tests

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2020-03-19
Date
2020
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
124 + app. 80
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 3/2020
Abstract
This study is divided into three parts, each of which concerns the fixing of a given "ink" type on coated or uncoated paper substrate, namely, the adhesion of electrophotographic toner, setting and drying of offset inks and drying of water-based inkjet inks analysed with thermal methods. In the first part, dealing with electrophotography, thermal fusing is the final stage in the printing process, which determines largely the print quality properties such as fixing strength, gloss and density of the image. Melting starts from the surface of the toner particle and toner particles start to cohere together and subsequently the melted toner film adheres to the paper surface. The thermal properties of toner are a compromise between being soft enough to support the fusion, but hard enough not to be fused onto the photoreceptor within the development system or to the adjacent sheet (blocking) in storage. The results of this study show adhesion depends on viscosity and melting temperature of the toner. In the second part, setting and drying of offset inks and thermal behaviour of model ink and paper coating colour compound mixtures were studied. The thermal study reveals how certain model compounds, representing in this case ink and typical coating components, interact in increasingly complex mixtures. Thermogravimetric analysis (TgA) and differential scanning calorimetry (DSC) are techniques used in the analysis. To visualise the thermal data, a combination of the TgA and DSC measurements into a single comprehensible observation was achieved using a representation specially devised for the specific case of material evaporation expressed in relation to the respective observed specific evaporation energy, whereby the specific gravimetric change (TgA) and specific energy (DSC) ratios are calculated. A technique was also devised to differentiate between the effects of the extensional "length" of an offset ink and its film split tack behaviour, related to the blanket-paper ink film separation on a press. To study this phenomenon, two separation measurements were used: (a) that of constant force (Printack), and thus varying acceleration, giving sensitivity biased toward ink length, and (b) that of constant extensional strain rate (Hencky strain rate), giving sensitivity biased toward ink-on-paper tack and viscosity (ISIT). The third part of this study targets the identification of interactions between the components of water-based inkjet printing ink and those of the paper coating colour, and specifically their effects on print quality. The methods used to study these interactions are once again thermogravimetry (TgA) and differential scanning calorimetry (DSC).

Työ jakaantuu kolmeen osaan, jotka käsittelevät erityyppisten painovärien kiinnittymistä päällystetyn tai päällystämättömän paperin pinnalle. Nämä termisten analyysimenetelmien avulla tarkasteltavat osat ovat elektrofotografisen väriaineen adheesio, offsetpainovärin asettuminen ja kuivuminen sekä vesipohjaisen inkjet-värin kuivuminen. Ensimmäisessä osassa, elektrofotografiassa, kiinnittyminen on viimeinen vaihe painatusprosessissa, joka määrittelee paljolti painojäljen ominaisuudet, kuten kiinnityslujuuden, painojäljen kiillon ja optisen tummuuden. Sulaminen alkaa väriaineen pinnalta, ja väriainepartikkelit liittyvät ensiksi yhteen. Vasta tämän jälkeen sulanut väriainekalvo kiinnittyy paperin pintaan. Väriaineen termiset ominaisuudet ovat kompomissi kiinnittymiseen vaadittavan pehmenemisen ja toisaalta riittävän kovuuden välillä, jotta väriaine ei tartu fotoreseptoriin tulostimen kehitysvaiheessa tai toiseen paperiin varastoitaessa tulosteita.Tutkimuksessa adheesion todetaan riippuvan väriaineen viskositeetista ja sulamislämpötilasta. Toisessa osassa, offsetpainovärin asettumista ja kuivumista sekä mallipainovärin ja paperin päällystekomponenttien välisten seosten termisiä ominaisuuksia selvitettiin. Terminen tutkimus osoittaa, kuinka tietyt malliaineet, jotka tässä kuvaavat painoväriä ja tyypillisiä päällystekomponentteja, vuorovaikuttavat kasvavassa määrin monimutkaisissa seoksissa. Termogravimetria (TgA) ja differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria (DSC) ovat käytetyt analyysitekniikat. Termisistä analyyseista saadun tiedon havainnollistamiseksi, yhdistetyistä TgA ja DSC -mittaustuloksista muodostettiin yksi ymmärrettävä havainto, joka toteutettiin käyttäen erityisesti laadittua esitystä materiaalin haihtumisesta ilmaistuna suhteena vastaavaan haihtumisenergiaan, minkä mukaan tietyn massan muutoksen (TgA) ja vastaavan ominaisenergian (DSC) suhteet lasketaan. Yhdistelevää tekniikkaa käytettiin myös erottelemaan offsetpainovärin "pituuden" vaikutusta ja värikalvon halkeamiskäyttäytymistä, kuvaten värikalvon erottumistapainosylinterin ja paperin välillä painatuksessa. Ilmiön tutkimiseksi, kahta erottelevaa mittausta käytettiin: (a) Vakiollinen voima (Printack), ja (b) vakiollinen vetovenytysnopeus (Hencky venytysnopeus), joka antaa herkästi vääristyneen kuvan väri-paperilla tahmeudesta ja viskositeetista (ISIT). Kolmannessa osassa, pyritään tunnistamaan vesipohjaisten inkjet-värien komponenttien ja paperin päällysteen komponenttien välisiä vuorovaikutuksia ja erityisesti niiden vaikutusta tulosteiden laatuun. Termogravimetria (TgA) ja differentitiaalinen pyyhkäisykalorimetria (DSC) ovat malliaineseosten vuorovaikutuksiin käytetyt menetelmät.
Description
Date of Defence 19 November 2021 Väitöspäivä 19.11.2021 Datum för disputation 19.11.2021
Supervising professor
Gane, Patrick A.C. Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, Finland
Thesis advisor
Gane, Patrick A.C. Prof., Aalto University, Department of Bioproducts and Biosystems, Finland
Keywords
electrophotography, heatset ink drying, inkjet drying, inkjet printing, offset printing, print recycling, print quality, printing ink, elektrofotografia, offsetpainatus, inkjet-tulostus, painatuslaatu, termoanalyysi, painoväri, heatset-painovärin kuivaus, toonerin kiinnittyminen
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Hartus, T., Effect of toner fixing temperature in the electrophotographic process. TAGA Journal 4(2008)4, pp. 165-177
  • [Publication 2]: Hartus T., Effect of drying temperature profile and paper on mechanical print quality in heatset offset printing, TAGA Journal, 2008, Vol. 4, No. 4, p. 192-205
  • [Publication 3]: Hartus T., Gane P.A.C., Analysis of the shortness of offset ink as a function of tack on paper by comparing elastic and Hencky strain extension, TAPPI Journal, 2011, Vol. 10, No. 8, p. 9-15
  • [Publication 4]: Hartus T., Gane P.A.C., Relating ink solvent-coating component thermal properties to smearing and development of abrasion resistance in ink jet printing, Nordic Pulp and Paper Research Journal, 2012, 27(1):63-78.
    DOI: 10.3183/NPPRJ-2012-27-01-p063-078 View at publisher
  • [Publication 5]: Hartus T., Gane P.A.C., Relating thermal properties to potential interactions between compounds in application and recycling, exemplified by model ink-coating component mixtures, Industrial and Engineering Chemistry Research, 2017, 56:1, p. 20-36.
    DOI: 10.1021/acs.iecr.6b03136 View at publisher
Citation