塑膠噴墨列印

聚丙烯、尼龍與其他塑膠的噴墨列印

塑膠工業噴墨列印

了解如何使用 UV LED 噴墨墨水，在聚丙烯產品與低表面能塑膠的噴墨列印上取得強力墨水附著與嚴苛戶外耐候性。經專業工程化的噴墨列印製程與奈米級疏水塗層，讓室內外塑膠產品獲得長達 30 年 UV 曝曬與風化的保固。新的墨水與塗層技術大幅拓展了數位隨選噴墨（drop-on-demand）UV LED 列印的應用。

奈米級疏水塗層

聚丙烯上的 UV LED 噴墨列印（智慧型手機實拍）

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在聚合物與軟性基材上進行壓電式隨選噴墨 UV LED 列印，比傳統類比印刷更複雜精細。隨選噴墨技術要求噴嘴以精確的尺寸與精度噴出墨滴。高品質噴墨列印系統必須同時整合噴頭、墨水、電子控制器、前處理與固化——所有環節必須無縫協作，才能產出預期的效果。

主要輸入製程參數有三：1）聚合物基材、2）噴墨印表機、3）墨水化學與基材表面相容性。所有要素都必須精確穩定，才能達到卓越的列印品質。改變其中任何一項參數都會產生失衡效應，需要調整其他參數。在立體與曲面幾何上列印更加複雜，因為 OEM 印表機／噴頭的選擇相對有限，且每家 OEM 只認證針對有限範圍開發的墨水。透徹理解噴墨列印與表面科學的細節，才能實現前所未有的能力與成果。

SABREEN 近期開發並商業化了 UVLED 墨水與噴墨列印製程，用於客製化伸長率超過 100% 的軟性塑膠與橡膠產品，包括治療用彈力帶、泳帽、衛生穿戴用品等。獨立毒理學分析符合 CAL Prop 65、美國毒性風險評估與 ASTM D 4236（LHAMA – 16 CFR 1500.14）。

我們的噴墨列印製程採用高品質墨水與先進列印技術，確保在各類塑膠上呈現鮮明持久的影像。

對噴墨列印而言，附著力至關重要。影響附著的變數包括聚合物材料（含著色劑、填料與添加劑）、成型製程、表面狀態、紋理以及儲存與搬運。設計與製造工程師必須選擇既能達到現場性能標準、又容易列印的最佳熱塑性塑膠。保護性透明塗層（面漆）可提供更長效的耐化學與耐磨保護，例如熱水洗碗機清洗（超過 500 次連續循環）。這些塗層以噴墨液或噴霧霧化方式施加在彩色墨水之上。

熱塑性塑膠分為非晶與結晶兩個子類。極長的鏈狀分子由相對較弱的凡得瓦力維繫。一般而言，非晶聚合物的附著性能優於結晶聚合物。「非晶」意指沒有固定形狀、或形狀容易改變；「結晶」則表示分子聚集體具有規律、明確的排列。ABS、苯乙烯與聚碳酸酯等非晶樹脂呈現隨機、如麵條般的結構，受熱時逐漸軟化，沒有明確的熔點。

聚烯烴、PET 與尼龍等結晶樹脂具有規律的排列，就像螺旋彈簧——正如金屬彈簧能減震，結晶材料亦然，並具有明確的熔點。在聚合物中，這兩種狀態並存：相鄰的聚合物鏈段緊密堆疊成結晶束，由次級吸引力維繫；同一分子的其他鏈段則無法移入結晶晶格而保持非晶。見圖 2。

圖 2：非晶與結晶熱塑性塑膠

熱塑性塑膠選擇——製程相容性

噴墨列印要成功，高溫墨水必須能順利自噴頭噴出、與基材適當交互作用並取得強力附著。這種緊密接觸稱為「潤濕」表面，指墨水在表面鋪展的能力。然而，大多數聚合物表面天生疏水、抗拒潤濕。這類塑膠的特徵是化學惰性、無孔隙且表面能低，使列印附著幾乎不可能。表面能是存在於固體表面（相對於本體）的過剩能量。

一次成型加工是實現聚合物材料標稱性能的關鍵。將適當的電漿表面前處理與表面紋理及良好製造規範結合，可以解決大多數（如果不是全部）附著與潤濕問題。為特定應用挑選最佳熱塑性塑膠並不容易——零件設計師追求的化學本體材料與表面性能往往非常難以列印。讓我們檢視幾個應用實例，說明聚合物選擇與列印難易度之間的關鍵平衡。

在聚醯胺（尼龍）上進行彩色噴墨列印是最搶手的應用之一。尼龍的化學組成賦予其高熔點，使其成為汽車引擎與其他高摩擦機械等高溫環境中金屬零件的絕佳替代品。與其他熱塑性材料一樣，尼龍在熔點時轉為液態而非燃燒，因此可熔融重塑或回收。尼龍在高摩擦應用中也不易發熱。然而，若無專用墨水與前處理，噴墨墨水並不容易附著於尼龍（或大多數低表面能聚合物），部分原因在於其疏水特性。參見圖 3。

圖 3：尼龍塑膠（PA）的典型性能

首先務必確保尼龍材料經妥善乾燥與加工，達到「如成型時乾燥」的性能。樹脂製造商的化學製程各不相同，會影響附著表現。應按樹脂／等級評估替代供應商，並留意尼龍 6 與尼龍 66（以及尼龍 11 與 12）的差異。不同於尼龍 6，尼龍 66 由己二胺與己二酸兩種單體組成，各提供六個碳原子，因此得名 66。此材料比尼龍 6 更具結晶性，剛性以及拉伸與彎曲模數更佳。

尼龍 6 的吸濕性略高於尼龍 66。成型後、二次加工前，產品最好以聚酯袋包裝，而非一般塑膠袋（polybag）——塑膠袋中的低分子量物質會遷移到表面，造成交叉污染問題。儲存時間長短與溫度同樣影響附著表現。成型後應儘快列印。

若列印問題無法解決，可考慮改用性能相近、但更容易列印或雷射打標的替代塑膠。這一點凸顯了設計師與製造工程師共同制定產品規格的重要性。聚丙烯與高密度聚乙烯（HDPE）對成型、材料與列印問題較不敏感，且成本較低。HDPE 因熱力學上更穩定，是三者中最容易列印的。參見圖 4。

噴墨墨水黏度低、表面張力低，在縮醛、聚烯烴、聚胺酯等許多聚合物基材上造成附著挑戰。這類化學惰性塑膠疏水、天生不易潤濕。想像一滴液體靜置於平坦固體表面（平衡狀態）：固體表面與端點處上表面切線所形成的夾角稱為接觸角，即接觸點切線與固體表面水平線之間的夾角（x）。參見圖 2。

氣泡／液滴的形狀源自分子力：所有液體都傾向透過表面收縮，使所含體積形成表面積最小的形狀。使表面收縮的分子間力稱為「表面張力」。

表面張力是表面能的一種度量，以 dynes/cm 表示。固體基材的表面能相對於液體（水、印刷墨水、黏著劑／封裝材、塗料等）表面張力越高，其「潤濕性」越好，接觸角越小（圖 2）。

一般而言，當基材表面能比液體表面張力高出約 8 至 10 dynes/cm 時，即可達到可接受的黏著附著力。

圖 2：接觸角與潤濕程度

圖 3：流體流動與動態接觸角

實際上，流體與接觸角是動態而非靜態的。參見圖 3。動態接觸角（DCA）最為重要。當液滴附著在固體表面、且固體表面傾斜時，液滴會向前挺進並向下滑動，形成的角度分別稱為前進角（advancing angle）與後退角（receding angle）。

一般認為接觸角同時受表面化學變化與表面形貌變化的影響。前進接觸角對基材表面低能量（未改質）成分最敏感，後退角則對前處理引入的高能量氧化官能基更敏感。因此後退角其實是最能代表前處理後表面改質成分的量測值（以 dyne 測試液量測）。所以對所有表面改質材料，前進角與後退角都應量測。

材料純度同樣是重要因素。經處理塑膠的保存期限取決於樹脂種類、配方與儲存區的環境。抗氧化劑、塑化劑、滑劑與抗靜電劑、著色劑與顏料、安定劑等物質的存在會縮短處理後產品的保存期限。處理過的表面暴露於高溫會提高分子鏈遷移率——鏈遷移率越高，處理效果老化越快。處理材料中的聚合物鏈移動會使處理所產生的鍵結位點離開表面，這些成分最終可能遷移至聚合物表面。因此建議在前處理後儘快進行黏接、塗裝、噴漆、列印或裝飾。

UV 墨水僅使用顏料著色劑，但色域廣泛，並非嚴重限制。配方與製墨技術的發展讓製造商能提供白色（W），特別適合作為深色基材上的底色或透明基材上的背景。噴墨原色——青、洋紅、黃、黑（CMYK）——合計可提供大色域，因為墨層可以較厚。但由於以顏料為基礎，墨水至少部分不透明、會遮蓋下層色彩；其濃度無法完全轉化為二次色，因此無法呈現一些主要品牌喜愛的 Pantone 色。

類比印刷使用專門調配的特別色。此市場理論上也可提供——尤其是 6、8、10 噴頭的機型——但並不流行，因為在噴墨印表機中更換特別色遠比在柔版或網版印刷中困難，也與數位印刷連續切換作業的能力相衝突。替代方案是採用擴展色域墨水組，加入介於 CM 與 Y 之間的高濃度中間色。紅綠藍（RGB）或橘綠紫（OGV）已用於標籤與廣告印刷以擴展色域，覆蓋大多數鮮明、指定的品牌色。這些顏色也可為立體塑膠產品客製調配。

重現淺色——尤其是膚色——是 UV 固化噴墨列印一貫的難題。即使是最小的 CMK 墨滴（現已小至 4 皮升）對照片級真實感而言仍太大。但若加入淡洋紅（lm）與淡青（lc）的輔助色組，單獨墨點的瑕疵便可消除。印表機 OEM 已為此市場提供 CMYKlclmW 選項。

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