数字印刷新时期： 喷墨印刷技术跨越式发展

喷墨印刷技术的发展

数字化已经成为当前各行各业不得不完成的任务，数字技术的广泛应用同样推动着喷墨印刷技术的不断发展。喷墨印刷设备进入印刷行业的最初尝试是从数字喷墨输出菲林胶片开始的，随着喷墨打印分辨率及生产速度的不断提高，开始出现了作为数码相机输出设备可以直接打印数码图片的喷墨印刷机。当前，用来输出各种数字信息的喷墨印刷机普遍使用在众多领域之中。同时，喷墨印刷正在不断尝试与众多生产工艺和先进材料相结合，以求在更多领域发挥作用。

1.喷墨印刷的分类

喷墨印刷技术根据墨滴生产方式可分为：连续型喷墨打印（CAJ）和按需喷墨打印（DOD）。连续喷墨技术虽然得到了快速发展，但是获得的图案比较粗糙，不能实现高精度、高分辨率的打印。相比之下按需喷墨技术由于其高精度以及节约可控等优势很快获得广泛的关注和研究，并很快得以市场应用。按需喷墨打印主要分为4类：压电式喷墨打印、热泡式喷墨打印、静电力打印和声波打印，而按需喷墨打印最受关注和研究最广泛的是压电式喷墨印刷。

2.压电式喷墨印刷原理

压电式按需喷墨印刷原理可以简单概括为电脑终端控制脉冲电压信号，压电晶体（锆钛酸铅压电陶瓷，具有优良压电性能）接收电压发生形变，在整个墨水舱中产生压力波将墨水挤压出喷头。

3.压电式喷墨印刷墨滴的生成

墨舱截面图如图1所示，压电晶体围绕在墨水舱外侧，当对压电晶体施加脉冲电压时，电压下降会使压电晶体体积发生变化——压电晶体体积增大，由于压电晶体与腔室紧密相连导致腔室体积变小，腔室内的液体压力会因此瞬间变为正值，从而墨滴被挤压出去。当电压保持不变的时候，压电晶体及腔室的体积不变所以压力不会改变。随着电压上升会导致压电晶体体积归位，腔室体积也因此归回原位，而给予液体一个负压。当产生瞬间的压力足以克服液体的表面张力时，液滴会受到压力作用而发生回吸现象从而挤断喷出墨滴。

图1

4.压电式喷墨印刷墨滴的断裂

当墨水从喷头喷出时，由于头部速度较快，尾部速度较低，墨滴被拉长成如图2所示的模样。

液滴前端体积较大，称为主液滴，尾部体积较小称为尾液滴，除了喷射压力造成的速度影响，表面张力也会促使液滴趋于球型，液体黏度则决定油墨断裂难易。墨滴从喷口喷射出来，受到墨舱出现负压回吸作用，与此同时受表面张力作用墨线头部的液体形成球形，根据拉普拉斯公式，压力与曲率半径r成反比，墨线头部具有较小的拉普拉斯压。墨线尾部液滴被拉长成锥形，墨滴尾部拉普拉斯压较大。当墨滴的曲率半径达到某个阈值Rmin时，拉普拉斯压达到峰值，因此墨线就从这个地方断裂。

图2

5.卫星墨滴生成原理

卫星墨滴是独立于主墨滴之外的墨滴形式，对喷墨印刷质量往往带来不利影响。墨滴喷射的动力主要来自压电晶体变形的压力，如果这个压力过大、持续时间过长，会导致产生过长液线。当液线受到扰动时会出现波动，波动之后液线上各点的表面张力所引起的拉普拉斯压就不再相等，所造成的结果是波谷处越来越细而波峰处越来越大，由此造成液线断裂产生卫星墨滴。因此控制脉冲电压信号，选择合适的波形将会有效抑制卫星墨滴的产生。

图3

图4

喷墨印刷墨水的应用

喷墨印刷墨水的多元化广泛接纳了新兴先进材料，随着喷墨印刷工艺的不断进步将在很多领域发挥重要的作用，例如喷墨印刷纳米粒子墨水、先进功能材料等。下面将介绍喷墨印刷墨水的多元化发展与应用。

1.喷墨印刷纳米粒子墨水

油墨的各方面性能是关系印刷品质量的关键因素，在油墨中加入纳米粒子会使得油墨具有某些特殊的功能从而提高印刷效果。纳米油墨的最大优势是可以在油墨中添加不同纳米粒子，同时提高油墨在不同方面的功能，比如在油墨中加入金属纳米粒子，可以将各种波长的光线吸收而使自身显示黑色，加入具有导电性的纳米粒子，可以屏蔽静电从而制备抗静电油墨，加入流动性较好的纳米粒子可以提高油墨层的耐磨性，而加入了ZnO、Fe2O3等有天然抗击紫外线能力的纳米粒子可以明显提高油墨的抗老化性，总之纳米粒子的加入使得油墨的性能得到大幅度的提升。纳米粒子的加入可以充分体现出喷墨印刷对原材料的广泛兼容性，使用了纳米粒子墨水的喷墨印刷将会从生产工艺和原料品质两个方面对印刷品质量进行提高，从而满足更高要求的工业生产。纳米粒子的制备、分散及墨水化等关键科学问题越来越值得研究及应用，喷墨印刷纳米粒子墨水对于新兴印刷领域显得极为重要。值得大量的研发投入。越来越多的机构认识到，这将成为国际科学技术领域重要的核心竞争力，也使得喷墨印刷技术在新时期的重要性体现得更为清晰。

2.喷墨印刷先进功能材料‍

在所有的科学技术都向着智能化发展的今天，新进功能材料也迎来了自己的春天，如石墨烯、液态金属及量子点等。这些材料大量合成制备用于印刷电子的生产，喷墨印刷先进功能材料催生了印刷电子应用。通过在特种油墨中添加不同的传感材料，我们便可以用印刷的方式来打印诸如智能传感标签等产品。喷墨印刷技术完全可以实现上述操作，不过其缺点是速度慢、效率低，但是由于喷墨打印具有较大的发展空间，所以在未来必定是功能器件的重要生产方式。随着人机交互界面时代的到来，印刷电子在电子制造技术领域掀起的新一轮技术浪潮，与传统的电子器件制造技术相比，其冲击力甚至不亚于20世纪70年代出现的硅芯片，其应用体系已延伸到纸电子、塑料电子、有机电子、自修复电子、透明电子、可食电子及可穿戴电子等领域，具有硅基微电子器件所不能胜任的优势。

喷墨印刷的前景

任何一项技术都不是横空出世的，它需要其他技术的支撑与融合，需要借助其他技术的肩膀来推陈出新、发展自我。喷墨印刷所涉及的领域越来越广泛，其发展正处于上升期，未来喷墨印刷技术必定会得到更大的飞跃。与此同时也带来了更多的挑战，比如电压信号的调控对于墨滴行为有着重要的影响，在使用油墨进行生产制造的过程中，如何更好更快地找出与该种油墨相适应的、独一无二的电压信号从而使墨滴不论是速度上还是质量上都尽快满足生产需要是我们需要进一步研究的，或者将墨滴的自身特性与电压信号建立联系。当我们得知墨滴诸如表面张力、黏度、密度等参数后可以通过计算直接得出与之相匹配的电压信号，如此一来不但减少了寻找最佳电压信号的时间，也使得墨滴的行为合乎规范，喷头技术的发展对生产效率以及产品质量的提高大有裨益。总之，喷墨印刷强大的适应性使得其能与众多生产工艺相融合从而创造出了无限的可能，相信在数字化印刷新时期喷墨印刷的发展之路将会越走越宽。