《International Journal of Heat and Mass Transfer》：Transport and drying of aqueous co-solvent solutions in cellulose-based porous media at elevated temperatures
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：干燥是纸张生产及溶剂型油墨喷墨打印后处理中的关键工艺步骤。本研究针对含水共溶剂溶液在纤维素基多孔介质中的接触干燥过程开展了实验研究。研究人员采用商用喷墨优化打印纸作为基底，以甘油及乙二醇低聚物（EGOs）的水溶液作为模型油墨，在20–80 °C的透明加热器表
：干燥是纸张生产及溶剂型油墨喷墨打印后处理中的关键工艺步骤。本研究针对含水共溶剂溶液在纤维素基多孔介质中的接触干燥过程开展了实验研究。研究人员采用商用喷墨优化打印纸作为基底，以甘油及乙二醇低聚物（EGOs）的水溶液作为模型油墨，在20–80 °C的透明加热器表面进行干燥实验。通过光学透射成像、同步长波红外热像测温及重量分析法对干燥过程进行原位监测。结果表明，对于含水共溶剂溶液，透射率曲线呈现两次跃迁：第一次跃迁与水分损失相关，第二次跃迁与孔-纤维输运及共溶剂蒸发相关。研究发现，加热温度升高会加剧共溶剂在孔隙中分布的非均匀性。实验数据可通过准稳态传质与传热模型得到合理解释，为理解高温条件下多组分油墨在纸基上的干燥动力学及孔-纤维输运行为提供了定量依据。
论文解读
一、研究背景与问题
干燥是造纸工业和喷墨打印工艺中的核心步骤。在纸张生产中，干燥条件直接影响纸张的最终物理性能；在喷墨打印中，水性油墨以液态沉积于纸基表面后，必须快速固着为稳定且不可迁移的沉积物。为兼顾生产效率与能耗，工业上通常采用35–90 °C的基材预热温度和60–120 °C的干燥温度。然而，现有关于纸张干燥的研究大多未考虑孔-纤维输运过程，因为造纸脱水后水分主要存在于纤维素纤维内部。对于喷墨打印后的干燥，多数研究仅关注最终印刷品的性质，且使用成分复杂的商业油墨，难以评估单一油墨组分对干燥过程的影响。
共溶剂（如甘油）通常占水性喷墨油墨的5–50 wt%，主要作为保湿剂以防止喷嘴堵塞和结皮。其低挥发性导致共溶剂在纸张网络中滞留数小时至数月不等，并会渗透至纤维间和纤维内的孔隙空间，引起纤维溶胀、增强保湿性并影响纸张的力学响应。因此，共溶剂与纤维素的相互作用及其迁移行为对油墨固着和纸张形态的长期稳定性至关重要。然而，以往室温下研究共溶剂与纤维素相互作用的工作均未考虑干燥过程，且为保证孔-纤维输运与干燥动力学可分离，通常使干燥时间远长于孔-纤维输运时间尺度。高温条件下共溶剂蒸发不可忽略，这使得在工业相关温度范围内系统研究干燥时间与油墨组成及加热温度的关系、以及孔-纤维输运动力学的温度依赖性成为必要。
二、研究内容与结论
本研究通过实验手段系统考察了模型油墨液滴沉积后纸张的接触干燥过程。研究人员采用商用喷墨优化打印纸（Mondi DNS High-Speed Inkjet Natural Feel，定量80 g/m2，厚度约104 μm）作为基底，以甘油、乙二醇（EG）、二乙二醇（DEG）、三乙二醇（TrEG）和四乙二醇（TEG）的水溶液作为模型油墨，初始共溶剂浓度范围为0–60 wt%，液滴体积固定为2.5 μL。实验在环境温度（24±1 °C）及加热器温度40、60、80 °C下进行，环境相对湿度为40±10%。
研究得出以下主要结论：对于含水共溶剂溶液，透射率随时间曲线呈现两次明显跃迁，第一次跃迁与水分损失相关，第二次跃迁与孔-纤维输运及共溶剂蒸发相关；加热温度升高会加剧共溶剂在孔隙中分布的非均匀性；在铺展时间远短于水分损失时间的时间尺度范围内，干燥动力学与铺展过程可有效解耦，实验数据可通过准稳态传质与传热模型得到合理解释。
三、关键技术方法
本研究采用了三种互补的原位监测技术：光学透射成像用于直接观察液滴在纸基内的润湿与干燥过程；长波红外热像测温用于同步监测干燥过程中的表面温度分布及蒸发冷却效应；重量分析法用于测量仅与质量损失相关的动力学数据。实验装置的核心为透明氧化铟锡（ITO）导电玻璃加热器，通过焦耳加热精确控制基底温度，加热器温度经电功率-温度标定曲线确定。实验设计确保油墨铺展时间远短于水分损失时间，从而实现干燥动力学与铺展过程的解耦。
四、研究结果
干燥过程的透射成像与红外热像监测：通过光学透射成像和红外热像测温，研究人员直接观察到了干燥过程中的蒸发冷却效应以及蒸发质量损失与共溶剂孔-纤维输运的耦合效应。对于纯水液滴，透射率呈现单一跃迁；而对于含水共溶剂溶液，透射率曲线呈现两次跃迁，表明干燥过程存在两个不同的阶段。
第一次跃迁与水分损失的关系：第一次透射率跃迁与水分蒸发损失相关，对应于液滴中水分的快速去除阶段。该阶段的质量损失动力学可通过准稳态传质模型进行定量描述。
第二次跃迁与孔-纤维输运及共溶剂蒸发的关系：第二次透射率跃迁对应于共溶剂从纤维内向孔隙空间的输运以及随后共溶剂的蒸发过程。该阶段反映了共溶剂与纤维素纤维之间的相互作用及其在孔隙网络中的再分布行为。
温度对共溶剂分布均匀性的影响：实验结果表明，加热温度升高会加剧共溶剂在孔隙中含量的空间非均匀性。这一发现揭示了高温干燥条件下共溶剂在纸基内部分布的不均匀特征，对印刷品质量的一致性具有重要影响。
五、讨论与结论
讨论部分指出，以往室温研究未考虑干燥过程，而本研究在高温条件下系统考察了干燥时间与油墨组成及加热温度的关系，并获得了孔-纤维输运动力学的温度依赖性信息。研究结果表明，在铺展时间远短于水分损失时间的条件下，干燥动力学与铺展过程可有效解耦，实验数据可通过准稳态传质与传热模型得到合理解释。
研究结论为：对于含水共溶剂溶液，干燥过程呈现两次透射率跃迁，分别对应水分损失和孔-纤维输运及共溶剂蒸发；较高的加热温度会加剧共溶剂在孔隙中分布的非均匀性。该研究为理解高温条件下多组分油墨在纸基上的干燥动力学提供了系统的实验数据和定量模型框架，对喷墨打印工艺中干燥条件的优化和印刷品质量的控制具有重要的理论和工程指导意义。
