The effect of cationic-anionic polyelectrolyte multilayer surface treatment on inkjet ink spreading and print quality

The focus of the work reported in this thesis was to study and to clarify the effect of polyelectrolyte multilayer surface treatment on inkjet ink spreading, absorption and print quality. Surface sizing with a size press, film press with a pilot scale coater, and spray coating, have been used to surface treat uncoated wood-free, experimental wood-free and pigmentcoated substrates. The role of the deposited cationic (polydiallydimethylammonium chloride, PDADMAC) and anionic (sodium carboxymethyl cellulose, NaCMC) polyelectrolyte layers with and without nanosilica, on liquid absorption and spreading was studied in terms of their interaction with water-based pigmented and dye-based inkjet inks. Contact angle measurements were made in attempt to explain the ink spreading and wetting behavior on the substrate. First, it was noticed that multilayer surface treatment decreased the contact angle of water, giving a hydrophilic character to the surface. The results showed that the number of cationic-anionic polyelectrolyte layers or the order of deposition of the polyelectrolytes had a significant effect on the print quality. This was seen for example as a higher print density on layers with a cationic polyelectrolyte in the outermost layer. The number of layers had an influence on the print quality; the print density increased with increasing number of layers, although the increase was strongly dependent on ink formulation and chemistry. The use of nanosilica clearly affected the rate of absorption of polar liquids, which also was seen as a higher density of the black dye-based print. Slightly unexpected, the use of nanosilica increased the tendency for lateral spreading of both the pigmented and dye-based inks. It was shown that the wetting behavior and wicking of the inks on the polyelectrolyte coatings was strongly affected by the hydrophobicity of the substrate, as well as by the composition or structure of the polyelectrolyte layers. Coating only with a cationic polyelectrolyte was not sufficient to improve dye fixation, but it was demonstrated that a cationic-anionic-complex structure led to good water fastness. A threelayered structure gave the same water fastness values as a five-layered structure. Interestingly, the water fastness values were strongly dependent not only on the formed cation-anion polyelectrolyte complexes but also on the tendency of the coating to dissolve during immersion in water. Results showed that by optimizing the chemistry of the layers, the ink-substrate interaction can be optimized.

Print quality study of a laboratory offset press

PAPRO operates within the Forest Research company and their mission is to develop value-addingindustry solutions. At present there are no good ways for mills to easily test the printing quality on newsprintpaper. There is a great need for a fast way to do this on different paper qualities; with a laboratory-offset press this can be both a time and money saving method. At PAPRO Forest Research, NewZealand, a laboratory offset press has been developed and designed, during the past seven years, concerningthis issue. Earlier projects were made concerning the press, e.g. to establish the optimal settings.The mission with this project was to partly determine the present variability of the print quality andto evaluate if the fountain solution, distilled water and 2% Diol green concentrate, used at the momentmixed with different percentages of Isopropanol could decrease the variability and contribute to morestabile results. Throughout the whole project the print quality showed a high variation and was evenmore variable when the Isopropanol was added. All in all 50 print rounds times twelve printed paperstrips was carried out through the project divided into three parts. To analyse the print quality, amicroscope with an image capture camera has been used. Data from the taken images was analysedand inserted into charts to see the variations.The conclusions of the whole project are not satisfying because no final evaluations were possible tomake. Main conclusions are that the additive of Isopropanol to the ordinary fountain solution, used atpresent, only contributed to more unstable results of the print quality. And it seems to be difficult toget some stable results from the lab press as long as the room where it is placed is not fully conditionedas required for the process of offset printing. And the fact that the airbrush which applies theamount of fountain solution is also variable, as shown in earlier projects, which contributes to unstableresults as well. For further work more exact parameters as a conditioned room are required and thepossibility to further design the laboratory press to use waterless offset printing instead.

Print quality study of newsprint : Further development of the laboratoryoffset press at PAPRO

A laboratory offset press has been developed over the last five years at PAPRO for testing print qualityon newsprint, as at present, there is no good way for the mills to test this issue. In this project a comparisonhas been made between a laboratory offset press and a commercial press to see if the laboratoryoffset press can be used as a reliable test method or if a further development is needed.To evaluate the method, similar papers have been printed in both presses and compared using imageanalysis techniques. All together eighteen samples were tested which is enough to give comparableresults. The print quality showed a high variation, the values from the laboratory offset press and thecommercial press were not following the same trends. At present time the laboratory offset press needsome further development before it can be used as a reliable test method for halftone prints. Even sosome conclusions were made.The newsprint that has been used came from Norske Skog Tasman Mill (Kawerau), since the otheraim of this project was to do a repeatability study of their three existing paper machines to distinguishpossible differences in the production. The paper samples were taken from each paper machine on sixdifferent dates to give a representative result. This also gave the opportunity to compare the machinesbetween themselves. Comparison between the machines shows that the wire side gives a better andmore even result than the topside on the prints from the laboratory offset press. According to the resultfrom the commercial press the wire side shows a higher degree of variability. Samples from papermachine 2 and 3 were less variable and had the lowest standard deviation of grey level for solid areas.This suggests that newsprints from PM 2 and PM 3 give a more even print quality with a better inkcoverage.

Demonstration Platform for Visual Quality Metrics

This thesis presents two graphical user interfaces for the project DigiQ - Fusion of Digital and Visual Print Quality, a project for computationally modeling the subjective human experience of print quality by measuring the image with certain metrics. After presenting the user interfaces, methods for reducing the computation time of several of the metrics and the image registration process required to compute the metrics, and details of their performance are given. The weighted sample method for the image registration process was able to signifigantly decrease the calculation times while resulting in some error. The random sampling method for the metrics greatly reduced calculation time while maintaining excellent accuracy, but worked with only two of the metrics.

Computational visual quality of digitally printed images

The problem of understanding how humans perceive the quality of a reproduced image is of interest to researchers of many fields related to vision science and engineering: optics and material physics, image processing (compression and transfer), printing and media technology, and psychology. A measure for visual quality cannot be defined without ambiguity because it is ultimately the subjective opinion of an “end-user” observing the product. The purpose of this thesis is to devise computational methods to estimate the overall visual quality of prints, i.e. a numerical value that combines all the relevant attributes of the perceived image quality. The problem is limited to consider the perceived quality of printed photographs from the viewpoint of a consumer, and moreover, the study focuses only on digital printing methods, such as inkjet and electrophotography. The main contributions of this thesis are two novel methods to estimate the overall visual quality of prints. In the first method, the quality is computed as a visible difference between the reproduced image and the original digital (reference) image, which is assumed to have an ideal quality. The second method utilises instrumental print quality measures, such as colour densities, measured from printed technical test fields, and connects the instrumental measures to the overall quality via subjective attributes, i.e. attributes that directly contribute to the perceived quality, using a Bayesian network. Both approaches were evaluated and verified with real data, and shown to predict well the subjective evaluation results.

Computational Evaluation of Print Unevenness According to Human Vision

Print quality and the printability of paper are very important attributes when modern printing applications are considered. In prints containing images, high print quality is a basic requirement. Tone unevenness and non uniform glossiness of printed products are the most disturbing factors influencing overall print quality. These defects are caused by non ideal interactions of paper, ink and printing devices in high speed printing processes. Since print quality is a perceptive characteristic, the measurement of unevenness according to human vision is a significant problem. In this thesis, the mottling phenomenon is studied. Mottling is a printing defect characterized by a spotty, non uniform appearance in solid printed areas. Print mottle is usually the result of uneven ink lay down or non uniform ink absorption across the paper surface, especially visible in mid tone imagery or areas of uniform color, such as solids and continuous tone screen builds. By using existing knowledge on visual perception and known methods to quantify print tone variation, a new method for print unevenness evaluation is introduced. The method is compared to previous results in the field and is supported by psychometric experiments. Pilot studies are made to estimate the effect of optical paper characteristics prior to printing, on the unevenness of the printed area after printing. Instrumental methods for print unevenness evaluation have been compared and the results of the comparison indicate that the proposed method produces better results in terms of visual evaluation correspondence. The method has been successfully implemented as ail industrial application and is proved to be a reliable substitute to visual expertise.

Kuivatusmenetelmien vaikutus heatset offset- ja syväpainetun SC-paperin laatuun

Työssä tutkittiin heatset offset- ja syväpainetun SC-paperin painojäljen laatua, kun koepaperikoneella valmistetun SC-paperin valmistuksessa käytettiin eri kuivatus-menetelmiä. Erityisesti kiinnostus kohdistui eri kuiva-ainepitoisuuksissa käytetyn ilmakuivatuksen aiheuttamiin painojäljen laatuvaikutuksiin. Painojäljen lisäksi työssä tarkasteltiin pohjapaperin ominaisuuksia kuivatuksen jakalanteroinnin jälkeen. Perinteisen sylinterikuivatuksen kuivatuskapasiteettia voidaan nostaa kuivattamalla paperia kuuman ilman avulla, jolloin paperin haihdutusnopeus nousee yli viisinkertaiseksi sylinterikuivatukseenverrattuna. Ilmakuivatus voidaan sijoittaa välittömästä kuivatusosan alkuun ennen ensimmäistä kuivatussylinteriä tai korkeampaan kuiva-ainepitoisuuteen sylinterikuivatuksen keskelle. Kuivattua paperia tarkasteltaessa kuuman ilman avulla kuivatun paperin ominaisuudet poikkesivat huokoisuuden ja öljynabsorption suhteen sylinterikuivatusta paperista sekä heatset offset- että syväpainopaperilla. Kalanterointi tasoitti koepisteiden välisiä muutoksia. Kalanteroidusta paperista havaittiin, että ilmakuivatuksen sijoittuminen välittömästi puristimen jälkeen kasvatti paperin molempien pintojen opasiteettia. Vastaavasti paperin tiheys kasvoi, kun paperia kuivattiin kuumalla ilmalla sekä ennen sylinterikuivatusta että sylinterikuivatuksen keskellä. Yhteistä ilmakuivatuksen käytölle kaikissa koepisteissä oli paperin huokoisuuden pieneneminen. Heatset offsetpainoprosessissa käytettävä kostutusvesi asettaa paperin kuitu-karhenemiselle vaatimuksia. Tutkimuksessa havaittiin, että puristimen jälkeen sijoitettu ilmakuivatus pienensi paperin taipumusta karhentua painoprosessissa. Muiden ominaisuuksien osalta paperin kuivatus kuuman ilman avulla yhdessä sylinterikuivatuksen kanssa ei jättänyt paperiin sellaisia jälkiä, jotka näkyisivät heatset offset- ja syväpainetun SC-paperin painojäljessä verrattuna kokonaan yksiviira-vientisesti sylinterikuivattuun paperiin.

Paperin pinnan karakterisoinnin ja painettavuuden tutkimusmenetelmät

Työn tarkoituksena on ollut tutkia paperin pinnan karakterisoinnin menetelmiä ja tehdä katsauspaperin painettavuuden ennustamisen tutkimuksiin. Kaikkien kehitettyjen menetelmien tarkoituksena on tavalla tai toisella mitata paperin visuaalista vaikutelmaa loppukäyttäjän kannalta sekä ennustaa paperin painettavuutta. Menetelmiä on kehitetty aina 1940-luvulta lähtien ja tekniikan kehittyessä markkinoille tulee uusia menetelmiä, jotka ovat nopeampia ja tarkempia kuin edeltäjänsä. Työssä tarkasteltavat menetelmät on jaoteltu mekaanisiin, optisiin ja elektronisäteilyn läpäisyyn perustuviin menetelmiin. Lopuksi on tarkasteltu tutkimuksia, joiden pääasiallinen tarkoitus on ollut kehittää mittalaitteita ennustamaan paperin painotulosta todellisissa painatusolosuhteissa. Laboratoriolaitteita ja on-line-mittareita ei ole jaoteltu erikseen, koska menetelmän perusteella on helppo havaita, voiko laite mitata jotakin paperin ominaisuutta jopa yli 40 metriä sekunnissa liikkuvalla paperirainalla.

Drying of Ink in Inkjet Printing

Tämän diplomityön tavoitteena oli saada perustietoa tekijöistä, jotka vaikuttavat musteen kuivumiseen erilaisilla paperipinnoilla inkjet tulostuksessa. Tavoitteena oli saada tietoa erilaisista musteista, joita käytetään yleisimmissä inkjet tulostustekniikoissa, miten paperit vaikuttavat musteen kuivumiseen ja minkälaisia menetelmiä on olemassa musteen kuivumistekijöiden määrittämiseen. Lisäksi tarkoituksena oli varmistaa, voidaanko inkjetmusteiden absorptioajan määrittämiseen käytettävää DIGAT-laitetta käyttää määrittämään ja ennustamaan erilaisten musteiden kuivumista erilaisilla paperipinnoilla sekä etsiä korrelaatioita musteen absorptioajan ja teknisten paperiominaisuuksien sekä inkjet tulostuksen laadun välillä. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin erilaisia inkjet tulostusmenetelmiä, niissä käytettäviä musteita ja musteiden koostumuksia. Tutkittiin myös paperin ja musteen välisiä vuorovaikutuksia sekä inkjet tulostuksen laatua. Kokeellisessa osassa tutkittiin musteenabsorboitumista paperiin DIGAT-laitteen avulla. kuudella eri musteella. Paperinäytteistä määritettiin teknisiä paperiominaisuuksia sekä ominaisuuksia, jotka liittyvät inkjet tulostuksen laatuun. Inkjet tulostuksen laatua tarkasteltiin tulostamalla testikuva kolmella eri tulostimella, jotka olivat Canon Bubble Jet i950, HP DeskJet Cxi970 ja Epson Stylus C46. Havaittiin, että DIGAT-laite ei sovellu määrittämään musteen absorptioaikoja kiiltäville näytteille.Tässä tutkimuksessa näyte, jonka kiilto oli 65 %, oli liian kiiltävä mitattavaksi DIGAT-laitteella. Lisäksi absorptiomäärityksissä havaittiin, että erilaiset musteet asettuvat erilailla paperin pintaan ja että pigmenttipohjaisella musteella asettumisaika oli kaikista pisin. Musteiden absorptioajat olivat nopeimpia erikoisinkjetpaperilla ja hitaimpia päällystetyillä, tiiviillä papereilla. Musteen absorptioajan ja teknisten paperiominaisuuksien ja inkjet tulostuksen laadun välisiä korrelaatioita oli vaikea havaita. Voidaan sanoa, että tulokset olivat muste- ja printterikohtaisia. Havaittiin vain muutamia teknisiä paperiominaisuuksia, jotka korreloivat hyvin musteen absorboitumisen kanssa. Nämäolivat Gurley-Hill huokoisuus, paperin tuhka- sekä kalsiumkarbonaattipitoisuus ja K&N värinabsorptio. Myöskään inkjet tulostuksen laadun ja musteen absorption välisiä korrelaatioita ei löytynyt kuin muutama; densiteetti, mottling sekä bleeding. Tämän tutkimuksen perusteella voidaan todeta DIGAT-laitteen soveltuvan hyvin kuvaamaan inkjet tulostuksen laatuominaisuuksista densiteettia, mottlingia sekä bleedingiä. DIGAT-laitetta voidaan siis käyttää avuksi ennustettaessa kuivumisaikaa ja sen vaikutusta edellä mainittuihin ominaisuuksiin. Läpipainatusominaisuuksia DIGAT-laitteen avulla ei voida tutkia, sillä ne ovat enemmän riippuvaisia paperin neliömassasta, paksuudesta ja huokoisuudesta kuinmusteen absorptioajasta. Teknisistä paperiominaisuuksista Gurley-Hill huokoisuus, paperin tuhka-sekä CaCO3-pitoisuus ja K&N värinabsorptio kuvaavat hyvin musteen imeytymisaikaa paperiin, kun taas ominaisuudet Cobb, HST ja polaari- sekädispersiokomponentit eivät kuvaa. Näyttää siltä, että testikuva, joka on tällä hetkellä käytössä UPM Tutkimus-keskuksessa, ei sovellu suurtehotulostuksen laadun tarkkailuun. Testikuva toimii hyvin pöytätulostimilla ja perinteisillä kopiopapereilla ja inkjetpapereilla, jotka on tarkoitettu tulostettaviksi hitaasti. Tulostusnopeuden ja musteen kuivumisnopeuden välisiä ilmiöitä seei tuo esille, joten se ei sovellu kuvaamaan suurtehotulostusta.

Pölymittausmenetelmien luotettavuuden arviointi ja prosessiolosuhteiden vaikutus pölyävyyteen

Pölyäminen aiheuttaa ongelmia sekä paperin valmistuksessa paperikoneella että asiakkaalla painokoneella. Pölyäminen painokoneella aiheuttaa kumulatiivisia kertymiä painokumeille, -levyille ja kostutusvesijärjestelmään. Pölykertymistä seuraa painojäljen heikkenemistä, pesukertojen lisääntymistä ja tuotantokatkoja. Lisääntynyt painaminen tahmeilla offsetväreillä ja täyteaineiden käyttö paperin raaka-aineena on aiheuttanut paperin pölyämisherkkyyden kasvamista. Paperin pölyävyyteen vaikuttavia tekijöitä valmistuksessa, jälkikäsittelyssä ja jatkojalostuksessa on useita, mikä tekee ilmiöstä monimutkaisen. Paperin painatuksessa esiintyvän pölyävyyden ennakoimiseksi tutkittiin erilaisten pölymittausmenetelmien käytettävyys ja luotettavuus. Työssä käytetyt menetelmät olivatMac Millan Bloedel pölytesteri, R.A. Emerson & Company:n pölymittalaite, Finntesteri, SOLA, Masuga, arkkipainatus sekä IGT ja Prüfbau laboratoriopainatukset. Menetelmien luotettavuus arvioitiin vertaamalla saatuja pölytuloksia testipainatuksesta saatuihin pölytuloksiin ja Gage R&R testiä käyttäen. Lisäksi työssä selvitettiin paperin pölyävyyteen vaikuttavia tekijöitä, ja tutkittiin prosessiolosuhteiden vaikutusta paperin pölyävyyteen. Tutkimus osoitti tuotantoprosessin olosuhteissa tehtyjen muutosten aiheuttavan oleellisia muutoksia paperin pölyävyyteen. Käytettävän massan ominaisuuksilla, tuotantoprosessin kemian hallinnalla sekä paperin ominaisuuksista etenkin lujuus- ja formaatio-ominaisuuksilla on selkeästi yhteyttä paperin pölyävyyteen painatuksessa. Pölymittauksilla paperin valmistuksen yhteydessä voidaan tasollisesti arvioida paperinpölyävyys painatuksessa, mutta absoluuttisten tulosten saaminen on ilmiön monimuotoisuudesta johtuen mahdotonta. Käytetyistä menetelmistä tähän tuotantoprosessiin toimivin pölyävyyden mittamenetelmä on R.A. Emerson & Company:n pölymittalaite. Laite on yksinkertainen ja nopea käyttää, eikä toteutus vaadi suuria investointeja.

The use of branched ketenedimers in solving the deposit problems related to the internal sizing of uncoated fine paper

Alkyl ketene dimers (AKD) are effective and highly hydrophobic sizing agents for the internal sizing of alkaline papers, but in some cases they may form deposits on paper machines and copiers. In addition, alkenyl succinic anhydrides (ASA)- based sizing agents are highly reactive, producing on-machine sizing, but under uncontrolled wet end conditions the hydrolysis of ASA may cause problems. This thesis aims at developing an improved ketene dimer based sizing agent that would have a lower deposit formation tendency on paper machines and copiers than a traditional type of AKD. The aim is also to improve the ink jet printability of a AKD sized paper. The sizing characteristics ofketene dimers have been compared to those of ASA. A lower tendency of ketene dimer deposit formation was shown in paper machine trials and in printability tests when branched fatty acids were used in the manufacture of a ketene dimer basedsizing agent. Fitting the melting and solidification temperature of a ketene dimer size to the process temperature of a paper machine or a copier contributes to machine cleanliness. A lower hydrophobicity of the paper sized with branched ketene dimer compared to the paper sized with traditional AKD was discovered. However, the ink jet print quality could be improved by the use of a branched ketene dimer. The branched ketene dimer helps in balancing the paper hydrophobicity for both black and color printing. The use of a high amount of protective colloidin the emulsification was considered to be useful for the sizing performance ofthe liquid type of sizing agents. Similar findings were indicated for both the branched ketene dimer and ASA.

An Optimum Coating Colour Formula for CSWO-printing

Pigmenttipäällystyksen tarkoituksena on parantaa painopapereiden pintaominaisuuksia. Tämän työn tarkoituksena oli löytää sopiva päällystyspasta päällystetylle coldset-paperille. Kirjallisuusosassa on käsitelty coldset-painatusta ja sen ongelmia. Päällystysmenetelmän perusteita, pastan ominaisuuksia ja niiden vaikutusta päällystystulokseen on myös käsitelty. Lisäksi on esitelty joitakin päällystetyn paperin pinnantutkimusmenetelmiä. Kokeellisessa osassa on tutkittu erilaisten pastakoostumusten ja päällystemäärien sekä kalanteroinnin vaikutusta paperin painettavuuteen. Paperit on päällystetty Helicoaterilla ja joitakin pastoja on testattu myös pilot-mittakaavaisessa päällystyksessä. Selitystä paperin käyttäytymiseen painatuksessa on etsitty päällystetyn paperin pintarakenteesta. Paras painettavuus saavutetaan päällysteellä, jossa pigmenttinä on vain karbonaatti. Painojälkeä voidaan parantaa käyttämällä kalsinoitua kaoliinia yhdessä karbonaatin kanssa, mutta tämän päällysteen pintalujuus ei ole riittävä CSWO-painatukseen. Tärkkipigmentti parantaa veden ja painovärin absorptiota ja siten tekee painetun tuotteen kuivemmaksi ja miellyttävämmän tuntuiseksi, mutta aiheuttaa smearingia. Tämä johtuu liian nopeasta musteen asettuvuudesta. "Pehmeä" SB-lateksi soveltuu paremmin offset-painatukseen kuin "kova" lateksi, joka sisältää myös PVAc:ta. "Pehmeällä" lateksilla saadaan parempi pintalujuus ja painojälki kuin "kovalla" lateksilla. Paperin pölyävyyttä painatuksessa voidaan vähentää nostamalla päällystemäärää ja laskemalla pastan kuiva-ainepitoisuutta. Kalanteroinnilla ei pintalujuutta tai painojälkeä voida parantaa. Selitys tutkimuksessa käsiteltyjen papereiden painojäljelle ja painettavuudelle löydetään tutkimalla päällysteen pintarakennetta. Painojälkeen vaikuttaa eniten päällysteen peittoaste. Huonoa peittävyyttä voidaan parantaa nostamalla päällystemäärää. Pölyäminen painatuksessa johtuu pigmenteistä, jotka eivät ole sidottuja paperin pintaan. Tämä taas johtuu pastan huonosta vesiretentiosta. Hyödyllisintä tietoa näiden papereiden pintarakenteesta saadaan tutkimalla pintaa pyyhkäisyelektonimikroskoopilla (SEM), atomivoimamikroskoopilla (AFM) ja laserindusoidulla plasmaspektrometrilla (LIPS). LIPSin etuna on se, että päällystemääräjaukauma voidaan määrittää sekä x-y- että z-suunnassa samanaikaisesti samasta kohdasta. LIPSissä myös näytteen preparointitarve on hyvin vähäinen.

Effects of Surface Properties and Wood Modification into Direct Printing on Wood

Building industry is a high volume branch which could provide prominent markets for wood based interior decoration solutions. Competition in interior decoration markets requires versatility in appearance. Versatility in wood appearance and added value could be achieved by printing grain patterns of different species or images directly onto wood. The problem when planning wood printing’s implementing into durable applications is basically how to transfer a high quality image or print sustainably onto wood, which is porous, heterogeneous, dimensionally unstable, non-white and rough. Wood preservation or treating, and modification can provide durability against degradation but also effect to the surface properties of wood which will effect on printability. Optimal adhesion is essential into print quality, as too high ink absorbance can cause spreading and too low ink absorbance cause pale prints. Different printing techniques have different requirements on materials and production. The direct printing on wood means, that intermedias are not used. Printing techniques with flexible printing plates or in fact non-impact techniques provide the best basis for wood printing. Inkjet printing of wood with different mechanical or chemical surface treatments, and wood plastic composite material gave good results that encourage further studies of the subject. Sanding the wood surface anti-parallel to the grain gave the best overall printing quality. Spreading parallel to the grain could not be avoided totally, except in cases where wood was treated hydrophobic so adhesion of the ink was not sufficient. Grain pattern of the underlying wood stays clearly visible in the printed images. Further studies should be made to fine tune the methods that already gave good results. Also effects of moisture content of wood, different inks, and long-term exposure to UV-radiation should be tested.

Elintarvikekelpoisten painovärien vertailu offsetpainatuksessa

Tässä diplomityössä tutkittiin kolmen eri painovärivalmistajan elintarvikekelpoisia arkkioffsetpainovärisarjoja ja verrattiin niitä keskenään. Tavoitteena oli löytää optimaalinen elintarvikekartonkipakkausten painamiseen soveltuva arkkioffsetpainoväri. Työn kirjallisessa osassa selvitettiin yleisesti offsetpainatusprosessia, painovärien koostumusta ja elintarvikekelpoisten painovärien eroavaisuutta verrattuna perinteisiin offsetpainoväreihin. Kirjallisuusosassa tuotiin esille myös niitä tekijöitä, joilla elintarvikekelpoisuus määritellään. Näistä yksi tärkeä osa-alue on migraatio-ongelmat, joka on lainsäädännön kannalta ajankohtainen. Kokeellista osaa varten koepainovärejä painettiin taivekartongille arkkioffsetpainokoneella. Painetuista arkeista tehtiin mittauksia, joissa käytettiin densitometrisia, kolorimetrisia, kromatografisia ja aistinvaraisia menetelmiä. Näillä pyrittiin tuomaan esille eroavaisuuksia tutkittavana olleiden painovärien välille. Koeajojen ja mittausten perusteella analysoitiin painatuksen laatua, painettavuutta, painovärien elintarvikekelpoisuutta ja kestävyyttä. Työn tulosten perusteella ei voida suoraan osoittaa, että jokin painovärisarja olisi toimivampi kuin toinen. Yksi johtopäätös olikin, että painovärien koostumusta ja painatusprosessia on mahdollista modifioida monella tavalla, jolloin voidaan parantaa joitakin painovärin ominaisuuksia. Yleisesti kokeet osoittivat, että perinteinen aistinvarainen tapa testata painovärin elintarvikekelpoisuutta on hyvin subjektiivinen ja antaa arveluttavia tuloksia. Koetuloksista oli kuitenkin havaittavissa, että uuden sukupolven vähemmän migraatiota aiheuttavat painovärit ovat elintarvikekelpoisempia kuin aikaisempien kehitysasteiden painovärisarjat.

Influence of plasma modification on surface properties and offset printability of coated paper

The properties of the paper surface play a crucial role in ensuring suitable quality and runnability in various converting and finishing operations, such as printing. Plasma surface modification makes it possible to modify the surface chemistry of paper without altering the bulk material properties. This also makes it possible to investigate the role of the surface chemistry alone on printability without influencing the porous structure of the pigment-coated paper. Since the porous structure of a pigment coating controls both ink setting and optical properties, surface chemical changes created by a plasma modification have a potential to decouple these two effects and to permit a better optimization of them both. The aim of this work was to understand the effects of plasma surface modification on paper properties, and how it influences printability in the sheet-fed offset process. The objective was to broaden the fundamental understanding of the role of surface chemistry on offset printing. The effects of changing the hydrophilicity/ hydrophobicity and the surface chemical composition by plasma activation and plasma coatings on the properties of coated paper and on ink-paper interactions as well as on sheet-fed offset print quality were investigated. In addition, the durability of the plasma surface modification was studied. Nowadays, a typical sheet-fed offset press also contains units for surface finishing, for example UVvarnishing. The role of the surface chemistry on the UV-varnish absorption into highly permeable and porous pigment-coated paper was also investigated. With plasma activation it was possible to increase the surface energy and hydrophilicity of paper. Both polar and dispersion interactions were found to increase, although the change was greater in the polar interactions due to induced oxygen molecular groups. The results indicated that plasma activation takes place particularly in high molecular weight components such as the dispersion chemicals used to stabilize the pigment and latex particles. Surface composition, such as pigment and binder type, was found to influence the response to the plasma activation. The general trend was that pilot-scale treatment modified the surface chemistry without altering the physical coating structure, whereas excessive laboratory-scale treatment increased the surface roughness and reduced the surface strength, which led to micro-picking in printing. It was shown that pilot-scale plasma activation in combination with appropriate ink oils makes it possible to adjust the ink-setting rate. The ink-setting rate decreased with linseed-oil-based inks, probably due to increased acid-base interactions between the polar groups in the oil and the plasma-treated paper surface. With mineral-oil-based inks, the ink setting accelerated due to plasma activation. Hydrophobic plasma coatings were able to reduce or even prevent the absorption of dampening water into pigmentcoated paper, even when the dampening water was applied under the influence of nip pressure. A uniform hydrophobic plasma coating with sufficient chemical affinity with ink gave an improved print quality in terms of higher print density and lower print mottle. It was also shown that a fluorocarbon plasma coating reduced the free wetting of the UV-varnish into the highly permeable and porous pigment coating. However, when the UV-varnish was applied under the influence of nip pressure, which leads to forced wetting, the role of the surface chemical composition seems to be much less. A decay in surface energy and wettability occurred during the first weeks of storage after plasma activation, after which it leveled off. However, the oxygen/carbon elemental ratio did not decrease as a function of time, indicating that ageing could be caused by a re-orientation of polar groups or by a contamination of the surface. The plasma coatings appeared to be more stable when the hydrophobicity was higher, probably due to fewer interactions with oxygen and water vapor in the air.