投稿印刷技術噴墨印刷介質

..噴墨印刷介質簡介噴墨印刷〔Ink-jetPrinting是將墨滴噴射到接受體形成圖象或文字的印刷技術。作為一種非接觸、無壓力的數字印刷技術,由于噴墨印刷還具有印刷幅寬靈活、油墨和承印材料多樣化以及相對較低輸出成本的優(yōu)勢,該技術發(fā)展迅猛,目前已形成數字噴墨印刷、數碼打樣、彩色噴繪、寫真輸出等幾大市場。數字噴墨印刷機已經進入短版、快速印刷市場,形成與小型平版印刷機競爭的主要機型,代表機型有柯達的Versamark和即將推出的stream、HPInkjetWebPress、富士施樂的iGen3、奧西的JetStream、FujifilmJetPress、網屏的truepressjet等等。目前數字噴墨印刷機所用油墨基本為固體油墨〔又稱熱熔性墨或溶劑型墨,由顏料色漿、連接料〔聚合物樹脂、溶劑〔固體墨使用低熔點石蠟以及調整表面張力、粘度、附著力、耐候性的助劑組成,選擇印刷介質上與傳統(tǒng)膠印油墨有一定相通之處,用戶選擇具有高溶劑吸墨力、表面強度高、表面形態(tài)好的介質可滿足噴墨印刷需求。在本文中不做重點討論。θINKDROPLETADHESIONLAYERRECEIVINGLAYERBASEBacklayerPRINTSIDE數碼打樣、彩色噴繪、寫真輸出所用的噴墨印刷機油墨與承印材料的作用機理與傳統(tǒng)膠印油墨有很大區(qū)別,往往需要專門的噴墨介質配合才能實現(xiàn)高品質輸出,該市場一般印刷規(guī)模小,更屬于打印范疇。此類噴墨打印介質結構,概括來講可分成基材〔Base和吸墨層〔ReceivingLayer兩大部分〔圖1,基材從理論上講,纖維紙、聚乙烯涂塑紙〔RC紙基,聚合物薄膜〔如合成紙、PP、PVC、聚酯薄膜以及平面型的片材都可以用做噴墨介質基材。纖維紙的特點是本身能吸收墨水,有利于提高吸墨量。但紙中的纖維吸水膨脹,容易造成打印后色密度〔OpticalDensity低、洇滲、暈染、介質變形等弊病,耐水性也差。聚乙烯涂塑紙、聚合物θINKDROPLETADHESIONLAYERRECEIVINGLAYERBASEBacklayerPRINTSIDE噴墨印刷對介質的要求吸墨速度和吸墨總量。噴墨圖像是由眾多細小墨點組成的半色調圖像,這些四色〔CMYK墨點緊緊相臨,在視覺上呈現(xiàn)出各種色相和色調,色密度由單位面積的墨點數目決定,由于墨點非常細微,人眼必須借助光學顯微鏡才能分辨出單個墨點,因此觀察到的是近似連續(xù)圖像。圖3是某噴墨圖像灰色塊在光學顯微鏡下的照片,灰區(qū)由眾多的CMYK細小墨點以一定方式組合而成。墨點打印和形成過程大致這樣：墨滴噴射,與介質撞擊接觸,墨滴在吸墨層上經過滲透,揮發(fā),干燥,固著,最后形成墨點〔圖4。實黑色塊在600dpi精度下的打印出墨量大約在17ml/m2,彩色單色塊的出墨量也大約如此,而需要兩種原色混合的彩色色塊,比如綠由黃和品混合而成,出墨量大些,大約23ml/m2。這些墨量都需要被噴墨介質吸附,或在空氣和加熱裝置下?lián)]發(fā)干燥。加熱裝置能使墨水更多地"駐留"在介質表面迅速揮發(fā)而不發(fā)生干燥不足的弊病。但加熱裝置會造成打印機制造成本上升和體積增大,除了一些寬幅溶劑墨型或弱溶劑墨型噴繪機帶有加熱裝置外,寫真機、噴繪機和桌面噴墨打印機幾乎不帶加熱裝置,因此噴墨墨量以介質吸附和揮發(fā)干燥為主,對于水性墨,打印過程中揮發(fā)干燥只占很少比例,介質的吸墨能力極為重要。衡量介質吸墨能力的指標：吸墨速度：單位重量吸墨層在單位時間內吸收的墨量吸墨總量：單位重量吸墨層達到飽和吸附時所吸收的墨量量墨滴從接觸介質到滲透、吸附完畢,液滴形態(tài)消失所需的時間稱為干燥時間。干燥時間是衡量介質性能的重要參數之一,干燥時間越短,吸墨速度越快,即墨滴液滴形態(tài)消失的速度越快,這樣臨近區(qū)域打上第二個墨滴造成的相互干擾就越小。假如涂層的吸墨速度不夠快,相臨墨點均以液滴形式凝集在涂層表面,很容易發(fā)生堆積弊病〔beading和出血弊病〔bleeding——只要有某種原因〔如擴散、流動、形變使得兩墨滴接觸,液體表面張力就會驅使墨滴融合混色。在深色密度即出墨量大的區(qū)域尤為如此,此時圖象的干燥速度和清晰度均大大下降〔圖5。照片級噴墨打印機為了提高圖像色階的細膩性,均引入了淺色墨盒,出墨量顯著增加,對介質的吸墨速度要求更高。當介質的干燥時間偏長時,有時可以特地通過提高打印精度的設置來降低打印速度,以期獲得相應的圖像質量。例如,使用膨潤型噴墨介質〔SwellableMedia,在高速模式打印時往往存在明顯的堆珠弊病,但關閉高速模式,圖像精度可獲得質的提高,當然,出圖速度大幅度降低。吸墨總量為吸墨層所能接受的最高墨量,比如對于一個孔隙型接受層〔PorousMeida,當接受層的孔隙率為60%時,對于出墨量在23ml/m2的混合色塊,那么需要的吸墨層厚度約38um才能完全吸附這些墨量,否則仍會發(fā)生堆珠甚至流淌弊病。BEADING圖點增益噴墨液滴非常小,一般墨滴的體積從4pL〔皮升到150pL不等〔現(xiàn)業(yè)內最小墨滴可達2pL,即2微微升,對應的墨滴直徑為從20um到65um,表1列出了墨滴體積與墨滴直徑的數據,注意該墨滴直徑為在噴射過程中墨滴呈球狀時的直徑大小,當墨滴撞擊介質時由于動能釋放或吸墨過程中橫向擴散形成直徑值更大的墨點。噴墨行業(yè)中所謂點增益〔dotgain是指墨點直徑與噴射出來的墨滴直徑的比值,噴墨打印點增益必定大于1。表2-2中列出了打印精度dpi與墨點直徑的對應關系,1440dpi的打印精度需要將墨點直徑控制在18um以下,因此墨滴直徑必須小于18um,對應的墨滴體積為4pL,如果點增益大,則須將墨滴體積控制得更小。表1墨滴體積與墨滴直徑體積pL墨滴直徑um179.670113.16065.55033.54014.1304.220表2打印精度dpi和墨點直徑的關系精度dpi墨點直徑um36071720351440182880957604墨滴噴射在介質上時,向承印體橫向、縱向擴散,縱向擴散速度慢,吸墨性容易不足；橫向擴散速度太快,打印墨點的直徑過大造成墨點點增益太大,圖像清晰度下降。因此必須精確控制印墨在介質吸收過程中的擴散性能,控制點增益大小。芬蘭技術研究中心〔VTT的JaliHeilmann采用高速微距攝影技術所拍攝的打印墨滴與兩種噴墨紙張接觸后墨滴形狀隨時間而變化的情況,如圖6所示：從這一系列的照片可以看出,墨滴到達紙張上就開始鋪展形成墨點,在30ms內墨滴的尺寸就達到了原始尺寸的兩倍,30ms之后,墨滴尺寸變化很小,從30ms到128ms之間墨滴尺寸只增加了5um。而且從圖中可以看出,不同的紙張,墨滴鋪展之后的形狀也不一樣。第一種噴墨紙因紙張具有差異性發(fā)生不規(guī)則的擴散導致墨點形狀變形,將影響噴墨打印的清晰度。色彩的高重現(xiàn)性介質PH值,介質中吸收材料與著色劑的相互作用,以及著色劑的吸附形態(tài)顯著影響著色劑的光學效果,造成色相、色密度的偏差。因此打印介質必須與墨水匹配良好獲得高重現(xiàn)性的色彩還原。對于有一定遮蓋力的吸墨層,要特別注意控制著色劑的縱向分布。墨水中染料大分子的直徑為幾個納米,當介質中含有大于50nm的宏孔時,雖然吸墨速度快,吸墨總量大,當它吸附墨水時,墨中的染料和水將一同滲入孔隙,這意味著部分染料將停留在吸墨層深處。如果吸墨層具有一定的遮蓋力,這部分染料的色還原將被掩蓋,導致色密度降低。微孔和亞微孔〔小于50nm吸墨速度慢,吸墨總量小,但染料分子不容易深入,微孔和亞微孔占主導的吸墨層染料傾向于停留在吸墨層表面,色密度上升。噴墨介質需要平衡色密度、干燥速度、吸墨總量的三者關系。色密度〔色密度〔光學密度吸墨速度吸墨總量防水性能和防洇滲性能噴墨圖像防水能力差的弊病是長期困擾噴墨技術發(fā)展的難題。特別對于水性染料墨,墨水中的染料水溶性很好才能保證墨頭長期正常工作,但噴墨圖像遇水后染料傾向于重新溶解而造成擴散流失。吸墨層中往往添加針對噴墨陰離子染料作用的固色成分。例如最常用的季銨鹽基團：—NR4+〔R=H或烷基固色原理如下：固色反應式：Dye—SO-3+NR4+—GROUP=Dye—SO-3-----NR4+—GROUP這樣,原本水溶的染料通過強烈的靜電電荷吸引力與固色劑結合在一起,失去水溶性。染料耐水程度與相互作用的靜電作用力呈正比。對于填充二氧化硅的噴墨紙,需要對二氧化硅做陽離子化處理使其表面電荷呈正電性,所構成的陽離子型復合物就具有較高的固墨能力,即使有水滴時也能抑制染料的流淌。如果采用氧化鋁顆粒作為填充物,氧化鋁表面由于吸附Al3+而呈正電荷態(tài),因此以氧化鋁為主的吸墨層可很好地固著噴墨染料分子,獲得理想的耐水性能。吸墨層良好的防水性能同時也能防止圖像在存儲過程中發(fā)生洇滲情況。所謂洇滲是指：當圖像接觸水蒸氣時,墨水中高沸點溶劑、保濕劑、表面活性劑等物質吸附、遷移、揮發(fā)水分子,固色效果差的染料分子隨之遷移,這種因為潮氣引發(fā)的線條模糊、圖像亮度、濃度和色相改變等性能下降的弊病稱之為洇滲〔Humidity–InducedMigration。在洇滲過程中,染料分子持續(xù)遷移直到停留在固色力更強的涂層區(qū)域。圖像耐候性能雖然耐候性能主要取決于油墨的結構和性質,但介質與墨水的相互作用也有一定程度的影響。介質中必須添加相應的助劑緩解染料分子或顏料遭受空氣中臭氧、氧硫化合物的氧化和紫外線光分解而造成的衰退?？紫堵矢叩慕橘|,雖然吸墨速度快,但空氣也可以進出這些孔隙加劇圖像的衰退,這點要尤其注意。平滑度噴墨印刷中介質平滑度對圖像清晰度的影響比一般印刷方式要大。如果打印介質的表面形態(tài)是高度平滑的,墨頭噴嘴到介質表面的距離為恒定值,在墨頭行進/后退的一次雙向打印過程中,按照缺省設定的行進/后退噴射時間驅動的打印墨點應該在同一位置〔圖7。但如果打印介質的表面粗糙度過高,比如圖中示意的介質表面顯著凸起,噴嘴與介質表面的距離將從d縮短至d’,那么在行進/后退打印過程中,墨滴從噴嘴噴出到到達介質表面的時間也將縮短,因此墨滴撞擊介質的位置將比原設定點靠前。同樣的,如果打印介質表面凹凸不平,墨點位置也將發(fā)生不同程度的偏移,造成圖像清晰度下降?？柜薨櫲缜八?噴墨油墨滲透性強,出墨量大,對于在纖維紙上加工的涂布紙,如果油墨滲透入纖維層,要求紙張有合適的緊度和均一性,避免吸墨后紙張變形甚至產生褶皺。其它性能要求為使噴墨印刷能精確進行,紙張的平整度、表面摩擦力、靜電、水分含量、紙張表面強度及其它指標也有相應要求,這些要求與印刷紙有相通之處,在此不做詳述。噴墨介質種類由于噴墨印刷具有油墨和承印材料多樣化的特點,其種類繁多,應用范圍廣泛。在此列出一些常見的分類方法。按光澤分類噴墨介質的光澤度G〔glossindex定義為介質在一定角度下的鏡面反射率與標準黑玻璃在同樣角度下的鏡面反射率之比來表示。測量角度一般采用60度入射角。高光〔HighGlossy光澤度一般高于40；光澤〔Semi-Glossy或Luster光澤度在27-15之間；亞光〔Semi-Matt光澤度在5-10；消光〔Matt表面發(fā)生完全的漫反射,光澤度低于3。按基材分類低于綜合目前已經上市的產品情況,噴墨基材有涂塑紙、膠片〔聚乙烯、聚酯,纖維紙、銅版紙、合成紙、PVC、織物、油畫布、乃至金屬薄膜等。在高檔人像和展覽展示方面當前使用最多的是膠片和涂塑紙基類材料；在廣告領域一般使用合成紙和膠片；在藝術品復制領域一般使用棉漿類纖維紙和油畫布；在數碼打樣領域一般使用銅版紙和涂塑紙基；在辦公領域使用纖維紙；在巨幅廣告領域,PVC和織物占主要比例。按使用用途分類高光/光澤/亞光相紙：紙質厚實的相紙,經過特殊的涂層處理,能產生近似傳統(tǒng)照片的圖像,逼真地再現(xiàn)攝影效果。用于需要大出墨量而又要求圖像銳度高的圖象。高光膠片：是一種高強度聚脂膠片。打印圖像具有極好的高光澤度,能產生華美的圖象品質。數碼打樣紙：白度穩(wěn)定,涂層均一,顏料墨吸墨力強,色域寬,用于數碼打樣和藝術品復制。彩噴紙：是經過特殊涂層處理的纖維紙張,吸墨量大,成本低,輸出圖象色彩和清晰度好于普通涂布紙。比較適用于打印如個人簡歷、正式報告等重要的文件。防水背膠PP：適用于水性染料和顏料墨,出色的防水性能,戶外表現(xiàn)尤為出色。如果使用顏料墨水,圖像在無護膜條件下保持7個月不褪色,在加護膜時,戶外可持續(xù)24個月依然艷麗如初。熱轉印紙：在熱轉印紙上打印熱轉印墨,通過高溫轉印至布、金屬、木板甚至陶瓷表面,圖像艷麗圖象不易褪色。噴繪布：布類基材經過吸墨層深加工,可在油畫布、旗幟布、宣影布等材料上實現(xiàn)噴墨輸出。藝術水彩紙：使用藝術水彩紙打印圖象,能產生逼真的水彩畫效果。這種紙張將把一種機理和外觀都象水彩畫一樣帶入您的生活。銀質膠片：這種帶有銀質涂層的膠片,能產生引人注目的特殊效果。用于制作正式的邀請函、節(jié)日賀卡、時裝設計圖板,以及室內設計。幻燈片：透明的涂層聚脂膠片,特殊的涂層加快干燥速度,提高生產率。適用于BACKLIT展示、工程計劃展示和打印OVERPLAYS。背噴燈箱片：材料背面有特殊涂層,可以使光線漫反射,使色彩更為明亮艷麗。并且能夠耐受長時間燈光照射所產生的熱量。圖像噴繪在背面,不會受到損害。應用范圍：燈箱,游戲機,售貨機,貿易展示,宣傳資料,劇院裝飾,內部設計等。高光背膠PVC：這種極具光澤的PVC材料能更生動地表現(xiàn)所有的圖象。牢固的背膠適合于所有的表面并能夠適合溫度劇烈變化,能以濃墨覆蓋,色彩厚重豐富。應用范圍：招貼,指示牌,賣點展示,短期促銷宣傳,帶背膠的橫額,貿易展示,橫額,零售店,書店等。全天候耐用織布：該產品以柔韌性較好絲織品為基材,適用于溶劑型油墨,專門用于戶外圖像的解決方案。不但能抗強烈撕拉,而且無需加任何護膜就可用于戶外。應用范圍：戶外招貼、地圖、電影海報、季節(jié)橫幅等。新型噴墨印刷介質技術上噴墨印刷介質的涂層結構經歷了膨潤型〔Swellable、孔隙型〔Porous、鑄涂型〔Cast-coating、微孔型〔Microporous結構幾個發(fā)展階段,鑄涂型和微孔型結構是近年來快速發(fā)展的涂層技術,在寫真領域噴墨輸出以取代傳統(tǒng)銀鹽相紙為追求目標,微孔型介質最為接近照片輸出的效果。膨潤型結構采用RC紙基為基材,吸墨層主要由水溶性聚合物如聚乙烯醇、明膠組成,業(yè)內又稱膠質涂層。當墨滴落在介質表面時,聚合物為了吸收水分必須膨脹,這顯現(xiàn)出吸墨與防水的基本沖突。因為快速膨脹意味著必須采用高吸水性聚合物,必然防水性差,濕強度低。而且由于聚合物的膨脹速度畢竟有限,吸墨速度較慢,高速模式打印時圖像存在嚴重的堆珠弊病,清晰度很低。膨潤型結構介質易被污染,打印完需要覆膜處理,但由于成本低目前在噴繪廣告市場大量使用?？紫缎徒Y構使用纖維紙、PP、PVC做為基材,吸墨層采用微米級的陽離子改性二氧化硅顆粒,業(yè)內又稱粉質涂層,表面粗糙發(fā)生漫反射,光澤度無法提高。由于使用粗的無機顆粒,油墨易滲透入涂層內部,圖像色密度低,清晰度也差。鑄涂型結構涂層配方上與孔隙型相似,但采用特殊的鑄涂工藝以獲得鏡面的光澤度。鑄涂法生產高光噴墨介質時,將濕的帶塑性狀態(tài)的涂料緊貼在一定溫度光澤度極高的鍍鉻鑄缸上,由于涂層接觸缸面受了較大的線壓力,貼壓得比較緊,因而不能發(fā)生在一般自由狀態(tài)下的干燥收縮現(xiàn)象,其濕層表面保持鑄缸的平整度,干燥后涂層從鑄缸剝離,光澤度極高的鑄缸面可以賦予涂層表面極高的光澤度。受限于特殊的鑄涂工藝,基材不能使用RC紙基,否則在鑄涂生產時水蒸氣無法透過聚乙烯〔PE淋膜層而造成生產事故。因此鑄涂介質的吸墨層和纖維原紙直接相鄰,打印時墨水容易直接穿透吸墨層滲入原紙纖維。由于紙基本身吸墨,打印時易發(fā)生卷曲、變形弊病。同樣,產品遇水時,涂層和基材都吸水導致明顯變形。微孔型結構吸墨層中含大量納米級的無機顆粒,顆粒是如此之小,乃至于它們小于可見光波波長的二分之一而變得透明。微孔性結構首先由日本Konica公司開發(fā)成功,Konica描述該結構使用的是"間隙"漢字,因此國內也有直譯成間隙型結構的。微孔型介質采用傳統(tǒng)銀鹽的RC紙基作為基材,保持了銀鹽相紙的光澤和平滑度。微孔型介質不需要為了吸水而膨脹,吸墨層的多孔性結構呈現(xiàn)出能接受油墨的類似蜂巢的孔,因此在吸墨速度和防水之間沒有基本沖突。微隙型涂層能達到很高的吸墨速度,事實上,表面油墨吸收如此快以至于堆積和流淌可以完全被消除,畫質質量向鹵化銀照相紙發(fā)起強有力的挑戰(zhàn)。微孔型介質一般采用亞微米級的氧化鋁分散液,分散粒徑D50僅為160nm左右,加入高分子聚合物后,