噴墨印刷技術的發(fā)展

數(shù)字化已經(jīng)成為當前各行各業(yè)不得不完成的任務，數(shù)字技術的廣泛應用同樣推動著噴墨印刷技術的不斷發(fā)展。噴墨印刷設備進入印刷行業(yè)的最初嘗試是從數(shù)字噴墨輸出菲林膠片開始的，隨著噴墨打印分辨率及生產(chǎn)速度的不斷提高，開始出現(xiàn)了作為數(shù)碼相機輸出設備可以直接打印數(shù)碼圖片的噴墨印刷機。當前，用來輸出各種數(shù)字信息的噴墨印刷機普遍使用在眾多領域之中。同時，噴墨印刷正在不斷嘗試與眾多生產(chǎn)工藝和先進材料相結(jié)合，以求在更多領域發(fā)揮作用。

噴墨印刷的分類

噴墨印刷技術根據(jù)墨滴生產(chǎn)方式可分為：連續(xù)型噴墨打?。–AJ）和按需噴墨打?。―OD）。連續(xù)噴墨技術雖然得到了快速發(fā)展，但是獲得的圖案比較粗糙，不能實現(xiàn)高精度、高分辨率的打印。相比之下按需噴墨技術由于其高精度以及節(jié)約可控等優(yōu)勢很快獲得廣泛的關注和研究，并很快在市場得以應用。按需噴墨打印主要分為4類：壓電式噴墨打印、熱泡式噴墨打印、靜電力打印和聲波打印，而按需噴墨打印最受關注和研究最廣泛的是壓電式噴墨印刷。

壓電式噴墨印刷原理

壓電式按需噴墨印刷原理可以簡單概括為電腦終端控制脈沖電壓信號，壓電晶體（鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，具有優(yōu)良壓電性能）接收電壓發(fā)生形變，在整個墨水艙中產(chǎn)生壓力波將墨水擠壓出噴頭。

壓電式噴墨印刷墨滴的生成

墨艙截面圖如圖1所示，壓電晶體圍繞在墨水艙外側(cè)，當對壓電晶體施加脈沖電壓時，電壓下降會使壓電晶體體積發(fā)生變化，壓電晶體體積增大，由于壓電晶體與腔室緊密相連導致腔室體積變小，腔室內(nèi)的液體壓力會因此瞬間變?yōu)檎?，從而墨滴被擠壓出去。當電壓保持不變的時候，壓電晶體及腔室的體積不變所以壓力不會改變。隨著電壓上升會導致壓電晶體體積歸位，腔室體積也因此歸回原位，而給予液體一個負壓。當產(chǎn)生瞬間的壓力足以克服液體的表面張力時，液滴會受到壓力作用而發(fā)生回吸現(xiàn)象從而擠斷噴出墨滴。

壓電式噴墨印刷墨滴的斷裂

當墨水從噴頭噴出時，由于頭部速度較快，尾部速度較低，墨滴被拉長成如圖2所示的模樣。

液滴前端體積較大，稱為主液滴，尾部體積較小稱為尾液滴，除了噴射壓力造成的速度影響，表面張力也會促使液滴趨于球型，液體黏度則決定油墨斷裂難易。墨滴從噴口噴射出來，受到墨艙出現(xiàn)負壓產(chǎn)生的回吸作用，與此同時，受表面張力作用的墨線頭部的液體形成球形，根據(jù)拉普拉斯公式，壓力與曲率半徑r成反比，墨線頭部具有較小的拉普拉斯壓。墨線尾部液滴被拉長成錐形，墨滴尾部拉普拉斯壓較大。當墨滴的曲率半徑達到某個閾值Rmin時，拉普拉斯壓達到峰值，因此墨線就從這個地方斷裂。

衛(wèi)星墨滴生成原理

衛(wèi)星墨滴是獨立于主墨滴之外的墨滴形式，對噴墨印刷質(zhì)量往往帶來不利影響。墨滴噴射的動力主要來自壓電晶體變形的壓力，如果這個壓力過大、持續(xù)時間過長，會導致產(chǎn)生過長液線。當液線受到擾動時會出現(xiàn)波動，波動之后液線上各點的表面張力所引起的拉普拉斯壓就不再相等，所造成的結(jié)果是波谷處越來越細而波峰處越來越大，由此造成液線斷裂產(chǎn)生衛(wèi)星墨滴。因此控制脈沖電壓信號，選擇合適的波形將會有效抑制衛(wèi)星墨滴的產(chǎn)生。

噴墨印刷墨水的應用

噴墨印刷墨水廣泛而多元的接納了新興先進材料，隨著噴墨印刷工藝的不斷進步將在很多領域發(fā)揮重要的作用，例如：噴墨印刷納米粒子墨水、先進功能材料等。下面將介紹噴墨印刷墨水的多元化發(fā)展與應用。

噴墨印刷納米粒子墨水

圖1 墨艙截面圖

圖2 壓電式噴墨印刷墨滴的斷裂

圖3

油墨的各方面性能是關系印刷品質(zhì)量的關鍵因素，在油墨中加入納米粒子會使得油墨具有某些特殊的功能從而提高印刷效果。納米油墨的最大優(yōu)勢是可以在油墨中添加不同納米粒子，同時提高油墨在不同方面的功能，比如在油墨中加入金屬納米粒子，可以將各種波長的光線吸收而使自身顯示黑色，加入具有導電性的納米粒子，可以屏蔽靜電從而制備抗靜電油墨，加入流動性較好的納米粒子可以提高油墨層的耐磨性，而加入了ZnO、Fe2O3等有天然抗擊紫外線能力的納米粒子可以明顯提高油墨的抗老化性，總之納米粒子的加入使得油墨的性能得到大幅度的提升。納米粒子的加入可以充分體現(xiàn)出噴墨印刷對原材料的廣泛兼容性，使用了納米粒子墨水的噴墨印刷將會從生產(chǎn)工藝和原料品質(zhì)兩個方面對印刷品質(zhì)量進行提高，從而滿足更高要求的工業(yè)生產(chǎn)。納米粒子的制備、分散及墨水化等關鍵科學問題越來越值得研究，噴墨印刷納米粒子墨水對于新興印刷領域顯得極為重要，值得大量的研發(fā)投入。越來越多的機構(gòu)認識到，這將成為國際科學技術領域重要的核心競爭力，由此使得噴墨印刷技術在新時期的重要性體現(xiàn)得更為清晰。

噴墨印刷先進功能材料

在所有的科學技術都向著智能化發(fā)展的今天，新進功能材料也迎來了自己的春天，如石墨烯、液態(tài)金屬及量子點等。這些材料大量合成制備用于印刷電子的生產(chǎn)，噴墨印刷先進功能材料催生了印刷電子應用。通過在特種油墨中添加不同的傳感材料，我們便可以用印刷的方式來打印諸如智能傳感標簽等產(chǎn)品。噴墨印刷技術完全可以實現(xiàn)上述操作，不過其缺點是速度慢、效率低，但是由于噴墨打印具有較大的發(fā)展空間，所以在未來必定是功能器件的重要生產(chǎn)方式。隨著人機交互界面時代的到來，印刷電子在電子制造技術領域掀起了新一輪技術浪潮，與傳統(tǒng)的電子器件制造技術相比，其沖擊力甚至不亞于20世紀70年代出現(xiàn)的硅芯片，其應用體系已延伸到紙電子、塑料電子、有機電子、自修復電子、透明電子、可食電子及可穿戴電子等領域，具有硅基微電子器件所不能勝任的優(yōu)勢。

噴墨印刷的前景

任何一項技術都不是橫空出世的，它需要其他技術的支撐與融合，需要借助其他技術的肩膀來推陳出新、發(fā)展自我。噴墨印刷所涉及的領域越來越廣泛，其發(fā)展正處于上升期，未來噴墨印刷技術必定會得到更大的飛躍。與此同時也帶來了更多的挑戰(zhàn)，比如，電壓信號的調(diào)控對于墨滴行為有著重要的影響，在使用油墨進行生產(chǎn)制造的過程中，如何更好更快地找出與該種油墨相適應的、獨一無二的電壓信號從而使墨滴不論是速度上還是質(zhì)量上都盡快滿足生產(chǎn)需要是我們需要進一步研究的，或者將墨滴的自身特性與電壓信號建立聯(lián)系。當我們得知墨滴諸如表面張力、黏度、密度等參數(shù)后，可以通過計算直接得出與之相匹配的電壓信號，如此一來不但減少了尋找最佳電壓信號的時間，也使得墨滴的行為合乎規(guī)范，噴頭技術的發(fā)展對生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品質(zhì)量的提高大有裨益。總之，噴墨印刷強大的適應性使得其能與眾多生產(chǎn)工藝相融合從而創(chuàng)造出無限的可能，相信在數(shù)字化印刷新時期，噴墨印刷的發(fā)展之路將會越走越寬。