噴墨印刷技術(shù)的改進路徑分析
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目前噴墨印刷按墨滴形成原理分為：熱發(fā)泡噴墨、壓電噴墨、靜電噴墨和聲波噴墨，其中應(yīng)用較為廣泛的是熱發(fā)泡式和壓電式。熱發(fā)泡噴墨通過電阻通電加熱，使油墨產(chǎn)生氣泡，將一定量的油墨擠出噴嘴；在電阻無電壓時則停止加熱，無墨滴噴出。壓電噴墨采用壓電晶體的振動來產(chǎn)生墨滴。在墨水腔的一側(cè)裝有壓電板，當(dāng)電流通過壓電板時，壓電板產(chǎn)生微小的變形，這種變形的結(jié)果使墨水腔容積減少，擠壓墨水而使微量墨水從噴孔擠出，并形成墨滴。對兩者的噴印質(zhì)量比較：熱發(fā)泡噴墨時墨水是通過氣泡噴出的，墨水微粒的方向性與體積大小不好掌握，噴印線條邊緣容易參差不齊，影響噴印質(zhì)量；壓電式具有墨點形狀規(guī)則、沒有濺射、墨點大小可控、噴射速度可控、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點，其噴印精度的提高大有空間。
1.壓電噴墨印刷設(shè)備的改進
在壓電噴墨印刷中，墨滴體積的影響因素包括噴嘴的直徑，生成墨滴時的脈沖波形，以及墨水本身的張力。目前常見的壓電式打印噴嘴直徑為21μm，減小墨滴的最佳途徑是減小噴嘴直徑，但是并不能做到無限縮小，一般情況下固體顆粒的粒徑要小于噴嘴的1%，噴墨墨水黏度要小于40cP，甚至能達到1cP左右。當(dāng)噴嘴縮小到一定尺寸后，一方面噴墨印刷設(shè)備要克服巨大的毛細作用力；另一方面，對功能性墨水的固體顆粒粒徑大小、黏度等方面的要求會更高。在這樣的情況下，為防止噴嘴堵塞，小噴嘴噴墨印刷設(shè)備對所用墨水的顆粒尺寸、黏度、表面張力、揮發(fā)速度等方面要求非常苛刻，成本也會大幅增加。調(diào)節(jié)噴墨墨滴體積的另一個方法是：優(yōu)化噴墨的驅(qū)動電脈沖波形和電壓，改變噴頭中的壓電材料形變規(guī)律來調(diào)節(jié)噴出油墨體積。驅(qū)動電壓越高，壓電材料的變形越大，噴出的液滴越大，速度越快。壓電脈沖存在一個最優(yōu)脈沖寬度，即對于一個給定的脈沖振幅，存在一個脈沖寬度值能達到最高的液滴速率和噴墨質(zhì)量。驅(qū)動脈沖的波形也從簡單的“推”出墨水變成了既“推”又“拉”，由簡單的波形擴展到雙極波形。波形的首部分功能不變，第二部分用于消除液滴從裝置噴出的剩余聲波震蕩（如圖1所示），即在墨水噴出噴嘴時施加一個回拉的力，使液滴尾部盡快與噴嘴分離，減少尾部墨絲斷裂造成的“衛(wèi)星點”。最優(yōu)雙極波形是正負振幅相等且第二部分停留時間是首部分的兩倍。
2.新的噴墨方式
在既有普通噴墨方式不能滿足需求的時候，出現(xiàn)了改進的噴墨方式。Rogers課題組發(fā)明了電流體力學(xué)噴墨印刷技術(shù)，在噴嘴和噴印基底之間施加電場作用，使油墨在噴嘴處形變，當(dāng)電壓恰當(dāng)時，墨水會突破自身的黏度和表面張力而產(chǎn)生巨大阻力射出噴嘴。與傳統(tǒng)噴墨方法相比，這類方法噴頭結(jié)構(gòu)更為簡單，噴印尺寸更小，油墨適用范圍更廣。該方法可以采用300nm甚至更小直徑的噴頭，實現(xiàn)高分辨率噴印。氣流噴印又叫氣溶膠噴印，是另一種非傳統(tǒng)的噴墨打印方式。氣流噴印的工作原理是將墨水在儲墨盒里進行霧化處理（有超生起霧和氣動起霧兩種），油墨被霧化成1～5μm的液相顆粒，與氣體混合形成氣溶膠，然后通過氣流將氣溶膠送出噴嘴。由于噴出的是連續(xù)的含有大量微墨滴的氣流，是一種連續(xù)噴墨式的噴印方式，并非普通噴印噴出的獨立墨滴，因此只能通過阻斷噴射來斷開氣流，噴印的圖像也是由線條組成。噴頭的夾層結(jié)構(gòu)，可以讓噴嘴噴出相當(dāng)于噴嘴1/10的氣流，這樣的工作機理使其噴印精確度非常高，線條寬度可達到5μm。氣流噴印的優(yōu)勢在于更廣泛的油墨適用范圍，只要能夠霧化，油墨的黏度范圍可以為0.7～1000cP。與此同時，較大的固體顆粒分散系也適用于氣流噴印。
優(yōu)化墨水配方，改善承印物表面
墨水的組分直接影響墨滴形成、飛行過程以及在承印物表面（鋪展和潤濕）的形態(tài)，對噴印精度有著直接的影響。噴墨印刷對油墨的黏度、表面張力、揮發(fā)性等要求較為苛刻。前面討論過黏度、表面張力與墨滴的噴射有著直接的關(guān)系，同時也會對墨水與承印物的相互作用有著影響。更高的分辨率就需要墨水在承印物上有較低的鋪展，要求墨水具有較高的黏度。但是墨水的黏度越高，從噴嘴中噴出需要突破的阻力越大，甚至無法噴出。英國謝菲爾德大學(xué)機械工程系的Schubert采用熱敏凝膠聚合物包覆二氧化鈦粒子的墨水。該墨水的特點是在臨界溫度下，聚合物在溶劑中呈現(xiàn)伸展?fàn)顟B(tài)，墨水黏度較低，而在臨界溫度以上時，聚合物卷曲，墨水黏度迅速增大。當(dāng)?shù)宛ざ鹊哪畯膰娮靽姵龅竭_加熱的承印物上時，黏度增大減少了墨滴的鋪展行為。液滴的揮發(fā)性也是非常重要的影響因素。若墨水揮發(fā)性太強，可能導(dǎo)致溶質(zhì)在噴嘴處析出從而堵塞噴嘴，墨滴到達承印物時有可能變成粉末而不是液體，影響墨水的附著性，降低噴印質(zhì)量。而較低的揮發(fā)性又容易使墨滴在承印物表面形成“咖啡環(huán)”，影響表面的平整度。“咖啡環(huán)”的產(chǎn)生通常認(rèn)為是在噴印圖案干燥過程中，由于液滴中心和邊緣的干燥速度不同，溶質(zhì)或分散的顆粒由中間向邊緣移動沉積，導(dǎo)致液滴的邊緣留下了大量的溶質(zhì)或分散顆粒。去除“咖啡環(huán)”可以通過使用不同沸點和表面張力的溶劑配制混合溶液，增加墨滴與承印物表面的接觸角，減少油墨的流動性等手段實現(xiàn)。韓國延世大學(xué)的Moon等在溶液中添加高沸點、低表面張力的乙二醇。由于水在液滴邊緣的蒸發(fā)速率大于液滴中心，而乙二醇揮發(fā)速率較慢，因此隨著蒸發(fā)過程的進行，液滴邊緣乙二醇濃度會逐漸高于液滴中心乙二醇濃度。乙二醇的濃度差進一步降低了液滴邊緣的表面張力。實驗結(jié)果顯示，隨著乙二醇含量的增加，粒子的沉積形貌變得更均勻；當(dāng)乙二醇在恰當(dāng)?shù)馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)時，“咖啡環(huán)”現(xiàn)象消失。優(yōu)化承印物基材表面的化學(xué)組成或物理結(jié)構(gòu)，也是提高噴印精度的重要途徑。承印物的多孔結(jié)構(gòu)處理、表面疏水化處理、對承印物加熱等手段同樣可以限制噴墨液滴的鋪展，或者控制液滴的鋪展方向，實現(xiàn)高精度噴印。
總結(jié)
通過改進噴墨印刷設(shè)備，控制調(diào)節(jié)噴印墨水揮發(fā)性、墨滴大小、油墨溫度、承印材料加熱、油墨與承印物表面接觸角等因素，可以有效提高噴墨印刷精度。但是，仍有許多問題需要解決，例如噴墨印刷針對性較強，噴印速度有待提高等。盡管如此，噴墨印刷以其成本低廉、環(huán)境友好、制備簡單等優(yōu)勢仍然具有廣闊的應(yīng)用前景。（本文作者：高志強、韓雨彤、楊勇 單位：天津科技大學(xué)）