喷墨印刷技术的改进路径分析论文

喷墨印刷技术的改进路径分析论文

　　喷墨印刷设备的改进

　　目前喷墨印刷按墨滴形成原理分为：热发泡喷墨、压电喷墨、静电喷墨和声波喷墨，其中应用较为广泛的是热发泡式和压电式。热发泡喷墨通过电阻通电加热，使油墨产生气泡，将一定量的油墨挤出喷嘴；在电阻无电压时则停止加热，无墨滴喷出。压电喷墨采用压电晶体的振动来产生墨滴。在墨水腔的一侧装有压电板，当电流通过压电板时，压电板产生微小的变形，这种变形的结果使墨水腔容积减少，挤压墨水而使微量墨水从喷孔挤出，并形成墨滴。对两者的喷印质量比较：热发泡喷墨时墨水是通过气泡喷出的，墨水微粒的方向性与体积大小不好掌握，喷印线条边缘容易参差不齐，影响喷印质量；压电式具有墨点形状规则、没有溅射、墨点大小可控、喷射速度可控、定位准确等优点，其喷印精度的提高大有空间。

　　1.压电喷墨印刷设备的改进

　　在压电喷墨印刷中，墨滴体积的影响因素包括喷嘴的直径，生成墨滴时的脉冲波形，以及墨水本身的张力。目前常见的压电式打印喷嘴直径为21μm，减小墨滴的最佳途径是减小喷嘴直径，但是并不能做到无限缩小，一般情况下固体颗粒的粒径要小于喷嘴的1%，喷墨墨水黏度要小于40cP，甚至能达到1cP左右。当喷嘴缩小到一定尺寸后，一方面喷墨印刷设备要克服巨大的毛细作用力；另一方面，对功能性墨水的固体颗粒粒径大小、黏度等方面的要求会更高。在这样的情况下，为防止喷嘴堵塞，小喷嘴喷墨印刷设备对所用墨水的颗粒尺寸、黏度、表面张力、挥发速度等方面要求非常苛刻，成本也会大幅增加。调节喷墨墨滴体积的另一个方法是：优化喷墨的驱动电脉冲波形和电压，改变喷头中的压电材料形变规律来调节喷出油墨体积。驱动电压越高，压电材料的变形越大，喷出的液滴越大，速度越快。压电脉冲存在一个最优脉冲宽度，即对于一个给定的脉冲振幅，存在一个脉冲宽度值能达到最高的液滴速率和喷墨质量。驱动脉冲的波形也从简单的“推”出墨水变成了既“推”又“拉”，由简单的波形扩展到双极波形。波形的首部分功能不变，第二部分用于消除液滴从装置喷出的剩余声波震荡（如图1所示），即在墨水喷出喷嘴时施加一个回拉的力，使液滴尾部尽快与喷嘴分离，减少尾部墨丝断裂造成的“卫星点”。最优双极波形是正负振幅相等且第二部分停留时间是首部分的两倍。

　　2.新的喷墨方式

　　在既有普通喷墨方式不能满足需求的时候，出现了改进的喷墨方式。Rogers课题组发明了电流体力学喷墨印刷技术，在喷嘴和喷印基底之间施加电场作用，使油墨在喷嘴处形变，当电压恰当时，墨水会突破自身的黏度和表面张力而产生巨大阻力射出喷嘴。与传统喷墨方法相比，这类方法喷头结构更为简单，喷印尺寸更小，油墨适用范围更广。该方法可以采用300nm甚至更小直径的喷头，实现高分辨率喷印。气流喷印又叫气溶胶喷印，是另一种非传统的喷墨打印方式。气流喷印的工作原理是将墨水在储墨盒里进行雾化处理（有超生起雾和气动起雾两种），油墨被雾化成1～5μm的液相颗粒，与气体混合形成气溶胶，然后通过气流将气溶胶送出喷嘴。由于喷出的是连续的含有大量微墨滴的气流，是一种连续喷墨式的喷印方式，并非普通喷印喷出的独立墨滴，因此只能通过阻断喷射来断开气流，喷印的图像也是由线条组成。喷头的夹层结构，可以让喷嘴喷出相当于喷嘴1/10的气流，这样的工作机理使其喷印精确度非常高，线条宽度可达到5μm。气流喷印的优势在于更广泛的油墨适用范围，只要能够雾化，油墨的黏度范围可以为0.7～1000cP。与此同时，较大的固体颗粒分散系也适用于气流喷印。

　　优化墨水配方，改善承印物表面

　　墨水的组分直接影响墨滴形成、飞行过程以及在承印物表面（铺展和润湿）的形态，对喷印精度有着直接的影响。喷墨印刷对油墨的黏度、表面张力、挥发性等要求较为苛刻。前面讨论过黏度、表面张力与墨滴的喷射有着直接的关系，同时也会对墨水与承印物的相互作用有着影响。更高的分辨率就需要墨水在承印物上有较低的铺展，要求墨水具有较高的黏度。但是墨水的黏度越高，从喷嘴中喷出需要突破的阻力越大，甚至无法喷出。英国谢菲尔德大学机械工程系的Schubert采用热敏凝胶聚合物包覆二氧化钛粒子的墨水。该墨水的特点是在临界温度下，聚合物在溶剂中呈现伸展状态，墨水黏度较低，而在临界温度以上时，聚合物卷曲，墨水黏度迅速增大。当低黏度的墨水从喷嘴喷出到达加热的承印物上时，黏度增大减少了墨滴的铺展行为。液滴的挥发性也是非常重要的影响因素。若墨水挥发性太强，可能导致溶质在喷嘴处析出从而堵塞喷嘴，墨滴到达承印物时有可能变成粉末而不是液体，影响墨水的附着性，降低喷印质量。而较低的挥发性又容易使墨滴在承印物表面形成“咖啡环”，影响表面的平整度。“咖啡环”的产生通常认为是在喷印图案干燥过程中，由于液滴中心和边缘的干燥速度不同，溶质或分散的颗粒由中间向边缘移动沉积，导致液滴的边缘留下了大量的溶质或分散颗粒。去除“咖啡环”可以通过使用不同沸点和表面张力的溶剂配制混合溶液，增加墨滴与承印物表面的接触角，减少油墨的流动性等手段实现。韩国延世大学的Moon等在溶液中添加高沸点、低表面张力的乙二醇。由于水在液滴边缘的蒸发速率大于液滴中心，而乙二醇挥发速率较慢，因此随着蒸发过程的进行，液滴边缘乙二醇浓度会逐渐高于液滴中心乙二醇浓度。乙二醇的浓度差进一步降低了液滴边缘的表面张力。实验结果显示，随着乙二醇含量的增加，粒子的沉积形貌变得更均匀；当乙二醇在恰当的质量分数时，“咖啡环”现象消失。优化承印物基材表面的化学组成或物理结构，也是提高喷印精度的重要途径。承印物的多孔结构处理、表面疏水化处理、对承印物加热等手段同样可以限制喷墨液滴的铺展，或者控制液滴的铺展方向，实现高精度喷印。

　　总结

　　通过改进喷墨印刷设备，控制调节喷印墨水挥发性、墨滴大小、油墨温度、承印材料加热、油墨与承印物表面接触角等因素，可以有效提高喷墨印刷精度。但是，仍有许多问题需要解决，例如喷墨印刷针对性较强，喷印速度有待提高等。尽管如此，喷墨印刷以其成本低廉、环境友好、制备简单等优势仍然具有广阔的应用前景。

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