【集萃網觀察】主講人︰臺北科技大學有機高分子研究所 趙豫州教授
今天跟大家報告噴墨印刷與印花。最早是從噴墨印刷慢慢轉變到噴墨印花,噴墨印花跟紡織品有很大的關聯(lián)性,所以它在整個市場的需求量非常之大,尤其印花的產品一直在紡織的產品里面算是高附加價值,傳統(tǒng)的印花產生非常多的污染、耗費非常多的時間,所以交工的期限非常的長,沒辦法符合現(xiàn)階段消費者的要求,在這種情況下,我們便把噴墨印刷轉變到噴墨印花,但是兩者有很大的差異點,這就是今天跟大家報告的主題。
Ink-jet Printing(噴墨印刷)最早的發(fā)展是在1878年,到了1951年Siemens公司將液態(tài)的墨水轉變成墨滴的技術申請專利,1964年藉由一個特殊機臺,可以控制墨滴的大小及噴出的速率,這是噴墨機的雛形,直到1967年,Hertz發(fā)展出連續(xù)式的噴墨印表機,這就是目前在工業(yè)上使用的Continuous Ink-jet Printing。1972年Siemens推出Piezoelectric(壓電式)的Drop-on-Demand Ink-jet Printing,1979年Canon推出Thermal的Drop-on-Demand Ink-jet Printing,但稱為Bubble Ink-jet Printing,1984年HP也推出Thermal的Drop-on-Demand Ink-jet Printing,以上是Ink-jet Printing的發(fā)展歷史。 Ink-jet Printing大體上分為兩大類,一類是Continuous(連續(xù)式的)、一類是Drop-on-Demand(可控制噴印式的);Continuous主要用在工業(yè)方面,譬如標簽、車票、紙箱等粗糙表面、金屬表面、塑膠表面,優(yōu)點是速度快,物質表面的平滑度并不很重要,噴頭和物質之間有相當大的距離,所以被印材料的厚度不受影響,缺點是解析度不是很高,通常用在粗糙的、不很注重解析度的物質表面,目前Continuous發(fā)展出Binary Deflection(雙向偏斜)和Multiple Deflection(多向偏斜),都是利用電壓產生偏斜的原理,前者依據帶電時噴墨和不帶電時不噴墨的方式供墨,后者墨滴噴出后經過高壓偏斜板,可以控制偏斜的方向,并且更精確達到需要噴墨的地方,不帶電的墨滴則導入導墨槽,可回收再使用。 rop-on-Demand和Continuous相反,它的噴印速度較慢,但解析度非常好,可達2880dpi,噴頭和被印物間的距離很短,所以被印材料的厚度就受到了限制,被印材料的表面必須很光滑,不然噴印效果將打折扣。Drop-on-Demand分為Thermal、Piezoelectric、Electrostatic、Acoustic四種類型,主要使用前兩種類型,后兩種無法在市場上與前兩者競爭,Acoustic是使用超音波的方式控制墨滴,Electrostatic使用靜電環(huán)的方式控制墨滴,通過靜電環(huán)的墨滴會變成墨霧,就不會噴到被印材料上面,沒有經過靜電環(huán)的墨滴會帶電,所以會噴到被印材料上面,這兩種類型的缺點是解析度無法加以突破,因此發(fā)展受到限制。而目前發(fā)展快速的是Thermal和Piezoelectric,前者有Canon和HP等大廠在研發(fā),后者有Epson和Sharp等大廠,HP的熱泡式(Thermal)噴墨系統(tǒng),主要利用電晶體加熱,在3~5μ-sec,即百萬分之3秒到百萬分之5秒內瞬間加熱到達400℃,墨水變成氣泡,氣泡受到擠壓而噴出成墨滴,這就是Thermal噴墨的原理。Epson的壓電式(Piezoelectric)噴墨系統(tǒng)是利用壓電元件而噴出墨滴。全球的Ink-jet Printing市場,HP是占有率最高的,大約占了50%,而在臺灣市場占有率最高的是Epson,約占了40%,HP居次,約占30%左右,Canon不論在臺灣或全世界的市場占有率并不是如我們想象中的那么高,雖然Canon是最早發(fā)明Bubble Ink-jet Printing。還有一家Piezoelectric技術的廠商Tektronix,是以蠟為基材,噴墨時是液態(tài)的,附著在被印物上變成固態(tài),所以有特殊的效果,但印在物質上有凸面,手感不是很好。 目前一般印表機的噴頭與墨水匣的設計方式大致有三種類型,即 1. 噴頭與墨匣分離:噴頭在列印機臺上面,以Epson為代表,更換墨水匣時噴頭并沒有更換,所以墨匣的單價較便宜。 2. 噴頭與墨匣合一:以HP和Lexmark為代表。 3. 噴頭與墨水座合一:以Canon為代表,更換墨水匣的時候一起更換噴頭。這些設計當然跟機臺本身的設計原理有關系,像Canon和HP,它們本身是Bubble系統(tǒng),墨水加熱時需要很高的溫度,噴頭容易損耗,所以將噴頭列為損耗元件,而使用Piezo技術的Epson,它的墨水不需要加熱,噴頭損耗機率較低,所以將噴頭直接設計在機臺上面,更換墨水匣時就不需要更換噴墨頭,它的耗材的費用就比較低。 ◆噴印墨水的型態(tài)分為三種: 1. 油溶型:不適合用在密閉的辦公室空間,因為會產生空氣污染。所用的色料又可分為顏料型和染料型兩種,油溶型的特點是干燥快,所以常用在工業(yè)方面。 2. 水溶型:市面上最常使用。亦可分為顏料型和染料型,顏料因為不溶于水,會沉淀,因此顏料粒子要弄得非常細小,要小到30μm以下,才會有比較好的噴印效果,否則使用高解析度時容易造成阻塞。顏料本身的耐候性、耐光度、耐水洗牢度、耐磨牢度都非常好,為它的特色。染料的優(yōu)點是溶解度沒有問題,而且色彩種類非常多,鮮艷度較好,但是牢度較差。 3. 熱溶型:前面所說的Tektronix公司使用此種墨水,它使用的蠟溫度在60℃時是液態(tài)的,噴到紙面上馬上冷卻變成固態(tài)。亦可分為顏料型和染料型。熱溶型墨水較少使用。 ◆水溶性墨水的物化性質與條件 1. 為了不會阻塞噴墨頭,所以必須通過0.2μm過濾器。 2. 不會產生結粒(Clogging)現(xiàn)象,墨水結粒易阻塞噴墨頭。 3. 氯化鈉含量須低于100 ppm,氯化鈉會使染料沉降下來,而且氯化鈉含有腐蝕性,尤其在Bubble系統(tǒng)容易將噴頭腐蝕,雖然噴頭都是用鈦金屬制成,但在高溫下還是會被氯化鈉腐蝕。 4. 黏度控制(1~5 cp):Piezo系統(tǒng)的粘度要求較高,Bubble系統(tǒng)的粘度要求較低。 5. 表面張力(30~60 dyne/cm ):Piezo系統(tǒng)的表面張力要求較低,Bubble系統(tǒng)的表面張力要求較高。 6. 具備緩沖溶液的效果:墨水的pH值要穩(wěn)定,有些染料會因pH值的變化而沉淀。 7. 日光堅牢度(Light Fastness)、水牢度(Water Fastness)均要高。 8. 保存期限:墨水從工廠制造再到消費者使用完畢最快三個月,通常為一年,一般墨水存放一年須能通過0.2μm的過濾器。 9. 熱穩(wěn)定性:針對Bubble系統(tǒng)的染料熱穩(wěn)定性要好,因為Bubble系統(tǒng)的墨水要加熱至400℃的高溫,如果染料不能耐高溫將會分解或變色。 10. 干燥速度要剛好,太快容易塞住噴墨頭或斷墨,太慢容易擴散,使網點重迭嚴重。 ◆噴墨印花用染料 1. 標準三原色是青色(Cyan)、洋紅(Magenta)、黃色(Yellow),但三原色無法調制出純黑,因此要加入黑色(Black),而且要有灰階效果也需要黑色。 2. 無毒性(Ames Test Negative):做噴墨印花時通常在密閉空間,所以必須無毒。 3. 日光牢度、水洗牢度與水牢度:噴墨印刷要求前兩者,噴墨印花三者都必須要求。 4. 耐熱性:噴墨印刷和噴墨印花都要求耐熱性。 5. 溶解度:噴墨印刷對染料濃度要求較低,噴墨印花對染料濃度的要求大概是噴墨印刷的五倍左右。 6. 莫耳吸光度:染料吸光度高,少量的染料就會產生很深的顏色,可以解決溶解度的問題。吸光系數(shù)最好超過2×104的吸光效果。 7. 色澤的穩(wěn)定性:對被印材料材質的變化不敏感,這樣對消費者在使用上較為方便。 ◆噴印墨水面臨的問題與瓶頸 因為三原色及黑色的色彩不純正,搭配出來的色彩受到限制,印出來的顏色效果容易產生色彩偏移。噴墨印刷(Ink-jet Printing)除了應用在噴墨印花,也還有其他可發(fā)展的領域,如下列所示: 糕餅裝飾:例如把奶油取代墨水,藉以噴 印出消費者要求的圖案。 焊接電路板:例如將錫粉取代墨水,并提 高解析度。 有機薄膜電晶體(TFT) ◆數(shù)位印花與傳統(tǒng)印花之比較 ◆Digital Printing Systems公司所制造的DPS 65噴墨印花機 DPS 65噴墨印花機技術資料:解析度可達600dpi,共有6個噴頭,速度為185 m2/hr,幅寬可達1.6公尺,可使用在聚酯(Polyester)、純棉(Cotton)、羊毛(Wool)、尼龍(Nylon)等紡織品,墨水色數(shù)有6種(黃色、洋紅色、青色、黑色、橘色、金色)、適用分散性、反應性和酸性染料。 ◆常見水溶性墨水的基本組成(重量比) 染料 2~15% 去離子水 45~95% 保濕劑 1~50% 殺菌劑 0.001~0.01% 界面活性劑 0.001~5%
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