姚明月 孫加振

印刷業(yè)在圖文信息復(fù)制、存儲(chǔ)及傳播中發(fā)揮著重要作用，長(zhǎng)期以來推動(dòng)著人類的文化傳播、知識(shí)傳承及文明進(jìn)步，是輕工、文化及國(guó)防科技領(lǐng)域的重要載體，其產(chǎn)品廣泛遍布于人們生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。隨著新材料、新工藝及新技術(shù)的發(fā)展，新興的技術(shù)被大量吸納進(jìn)入印刷加工制備過程中，特別是新時(shí)期數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，使得當(dāng)前的印刷產(chǎn)業(yè)迎來了數(shù)字印刷新時(shí)期。作為一種高精度、大批量復(fù)制的加工生產(chǎn)技術(shù)，傳統(tǒng)印刷往往需要制版這一環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)印刷工藝，這導(dǎo)致了印刷成本高、工序繁瑣、環(huán)境污染大等缺點(diǎn)，使得一種無須印版的噴墨印刷技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)不經(jīng)過分色制版，省略了拼大版、定位、調(diào)墨、潤(rùn)濕等一系列工序，大大簡(jiǎn)化了印刷工藝。當(dāng)前所有的數(shù)字化技術(shù)在推動(dòng)印刷領(lǐng)域發(fā)展的過程中，噴墨印刷作為一種最徹底的直接印刷技術(shù)，被認(rèn)為是最具前景的印刷方式，將會(huì)發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著數(shù)字印刷技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，噴墨印刷技術(shù)迎來了跨越式發(fā)展。作為一種無須印版、非接觸印刷以及可以采用各種普適性材料作為墨水的印刷方式，噴墨印刷技術(shù)已經(jīng)在各種基材表面展現(xiàn)出來廣闊的應(yīng)用，如印刷電子、智能包裝、機(jī)械制備、生物化學(xué)分析等。因此，本文將圍繞數(shù)字印刷新時(shí)期，噴墨印刷技術(shù)的數(shù)字化發(fā)展，技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行探討，并對(duì)數(shù)字印刷背景下噴墨技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望。

噴墨印刷技術(shù)的發(fā)展

數(shù)字化已經(jīng)成為當(dāng)前各行各業(yè)不得不完成的任務(wù)，數(shù)字技術(shù)的廣泛應(yīng)用同樣推動(dòng)著噴墨印刷技術(shù)的不斷發(fā)展。噴墨印刷設(shè)備進(jìn)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(jī)輸出設(shè)備可以直接打印數(shù)碼圖片的噴墨印刷機(jī)。當(dāng)前，用來輸出各種數(shù)字信息的噴墨印刷機(jī)普遍使用在眾多領(lǐng)域之中。同時(shí)，噴墨印刷正在不斷嘗試與眾多生產(chǎn)工藝和先進(jìn)材料相結(jié)合，以求在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用。

1.噴墨印刷的分類

噴墨印刷技術(shù)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(shù)雖然得到了快速發(fā)展，但是獲得的圖案比較粗糙，不能實(shí)現(xiàn)高精度、高分辨率的打印。相比之下按需噴墨技術(shù)由于其高精度以及節(jié)約可控等優(yōu)勢(shì)很快獲得廣泛的關(guān)注和研究，并很快得以市場(chǎng)應(yīng)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(guān)注和研究最廣泛的是壓電式噴墨印刷。

2.壓電式噴墨印刷原理

壓電式按需噴墨印刷原理可以簡(jiǎn)單概括為電腦終端控制脈沖電壓信號(hào)，壓電晶體（鋯鈦酸鉛壓電陶瓷，具有優(yōu)良?jí)弘娦阅埽┙邮针妷喊l(fā)生形變，在整個(gè)墨水艙中產(chǎn)生壓力波將墨水?dāng)D壓出噴頭。

3.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(dāng)對(duì)壓電晶體施加脈沖電壓時(shí)，電壓下降會(huì)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(dǎo)致腔室體積變小，腔室內(nèi)的液體壓力會(huì)因此瞬間變?yōu)檎?，從而墨滴被擠壓出去。當(dāng)電壓保持不變的時(shí)候，壓電晶體及腔室的體積不變所以壓力不會(huì)改變。隨著電壓上升會(huì)導(dǎo)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(gè)負(fù)壓。當(dāng)產(chǎn)生瞬間的壓力足以克服液體的表面張力時(shí)，液滴會(huì)受到壓力作用而發(fā)生回吸現(xiàn)象從而擠斷噴出墨滴。

4.壓電式噴墨印刷墨滴的斷裂

當(dāng)墨水從噴頭噴出時(shí)，由于頭部速度較快，尾部速度較低，墨滴被拉長(zhǎng)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(huì)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(fù)壓回吸作用，與此同時(shí)受表面張力作用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(zhǎng)成錐形，墨滴尾部拉普拉斯壓較大。當(dāng)墨滴的曲率半徑達(dá)到某個(gè)閾值Rmin時(shí)，拉普拉斯壓達(dá)到峰值，因此墨線就從這個(gè)地方斷裂。

5.衛(wèi)星墨滴生成原理

衛(wèi)星墨滴是獨(dú)立于主墨滴之外的墨滴形式，對(duì)噴墨印刷質(zhì)量往往帶來不利影響。墨滴噴射的動(dòng)力主要來自壓電晶體變形的壓力，如果這個(gè)壓力過大、持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生過長(zhǎng)液線。當(dāng)液線受到擾動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，波動(dòng)之后液線上各點(diǎn)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(xì)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(hào)，選擇合適的波形將會(huì)有效抑制衛(wèi)星墨滴的產(chǎn)生。

噴墨印刷墨水的應(yīng)用

噴墨印刷墨水的多元化廣泛接納了新興先進(jìn)材料，隨著噴墨印刷工藝的不斷進(jìn)步將在很多領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，例如噴墨印刷納米粒子墨水、先進(jìn)功能材料、3D打印等。下面將介紹噴墨印刷墨水的多元化發(fā)展與應(yīng)用。

1.噴墨印刷納米粒子墨水

油墨的各方面性能是關(guān)系印刷品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，在油墨中加入納米粒子會(huì)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(shì)是可以在油墨中添加不同納米粒子，同時(shí)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(zhǎng)的光線吸收而使自身顯示黑色，加入具有導(dǎo)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(dòng)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(duì)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(huì)從生產(chǎn)工藝和原料品質(zhì)兩個(gè)方面對(duì)印刷品質(zhì)量進(jìn)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(guān)鍵科學(xué)問題越來越值得研究及應(yīng)用，噴墨印刷納米粒子墨水對(duì)于新興印刷領(lǐng)域顯得極為重要。值得大量的研發(fā)投入。越來越多的機(jī)構(gòu)認(rèn)識(shí)到，這將成為國(guó)際科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域重要的核心競(jìng)爭(zhēng)力，也使得噴墨印刷技術(shù)在新時(shí)期的重要性體現(xiàn)得更為清晰。

2.噴墨印刷先進(jìn)功能材料

在所有的科學(xué)技術(shù)都向著智能化發(fā)展的今天，新進(jìn)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(diǎn)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(jìn)功能材料催生了印刷電子應(yīng)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(biāo)簽等產(chǎn)品。噴墨印刷技術(shù)完全可以實(shí)現(xiàn)上述操作，不過其缺點(diǎn)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(jī)交互界面時(shí)代的到來，印刷電子在電子制造技術(shù)領(lǐng)域掀起的新一輪技術(shù)浪潮，與傳統(tǒng)的電子器件制造技術(shù)相比，其沖擊力甚至不亞于20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的硅芯片，其應(yīng)用體系已延伸到紙電子、塑料電子、有機(jī)電子、自修復(fù)電子、透明電子、可食電子及可穿戴電子等領(lǐng)域，具有硅基微電子器件所不能勝任的優(yōu)勢(shì)。

3.噴墨印刷技術(shù)應(yīng)用于3D打印

三維打印技術(shù)是指基于數(shù)字化的新型成型技術(shù)，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)直接制造零件的科學(xué)技術(shù)，而噴墨技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)被用于制作產(chǎn)品和組件原型的三維固體模型，其打印的產(chǎn)品已經(jīng)涉及生活各個(gè)領(lǐng)域，3D打印為越來越多的企業(yè)和個(gè)人實(shí)現(xiàn)制造新穎、個(gè)性和自制產(chǎn)品的可能，更重要的是3D打印在3個(gè)方面減少了我們對(duì)自然資源的消耗。首先3D打印提高了制造方法的資源利用率，其次促進(jìn)了回收和維修次數(shù)的增加，最后3D打印實(shí)現(xiàn)了本地制造和按需制造，減少了交通運(yùn)輸、生產(chǎn)過剩和產(chǎn)品長(zhǎng)期存儲(chǔ)等間接的資源消耗。圖5、圖6為用大型打印機(jī)Bigrep制成的桌子以及澳大利亞將3D打印用于牙科治療。

噴墨印刷的發(fā)展前景

任何一項(xiàng)技術(shù)都不是橫空出世的，它需要其他技術(shù)的支撐與融合，需要借助其他技術(shù)的肩膀來推陳出新、發(fā)展自我。噴墨印刷所涉及的領(lǐng)域越來越廣泛，其發(fā)展正處于上升期，未來噴墨印刷技術(shù)必定會(huì)得到更大的飛躍。與此同時(shí)也帶來了更多的挑戰(zhàn)，比如電壓信號(hào)的調(diào)控對(duì)于墨滴行為有著重要的影響，在使用油墨進(jìn)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(yīng)的、獨(dú)一無二的電壓信號(hào)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(jìn)一步研究的，或者將墨滴的自身特性與電壓信號(hào)建立聯(lián)系。當(dāng)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(jì)算直接得出與之相匹配的電壓信號(hào)，如此一來不但減少了尋找最佳電壓信號(hào)的時(shí)間，也使得墨滴的行為合乎規(guī)范，噴頭技術(shù)的發(fā)展對(duì)生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品質(zhì)量的提高大有裨益?？傊瑖娔∷?qiáng)大的適應(yīng)性使得其能與眾多生產(chǎn)工藝相融合從而創(chuàng)造出了無限的可能，相信在數(shù)字化印刷新時(shí)期噴墨印刷的發(fā)展之路將會(huì)越走越寬。

作者單位：齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）輕工科學(xué)與工程學(xué)院