柔性与可穿戴塑料的喷墨打印

柔性与可穿戴塑料的喷墨打印

用于柔性/可拉伸及可穿戴塑料产品彩色打印的 UV LED 固化柔性油墨，是工业喷墨技术的最新进展之一。可定制的鲜艳图像和二维码可以喷印在各种柔性聚合物产品上，如聚烯烃瓶、运动健身拉力带以及弹性体/橡胶可穿戴产品，即使在高拉伸伸长率下，印刷图像也不会开裂或变形。这一突破采用了全新的专有全色域 UV LED 柔性油墨，该油墨针对特定应用已通过毒性和生物相容性认证。

要点摘要

• 高拉伸产品的伸长率为 50–200%，因此油墨必须随之拉伸，且不能开裂或使图像变形。
• 油墨与 LED 固化必须是相匹配的系统，波长、辐照度、能量密度、工作距离和冷却方式需一并明确规定。
• 皮肤接触认证很重要。可穿戴油墨可按 ASTM D 4236（LHAMA，16 CFR 1500.14）针对成人和儿童进行认证。
• 白墨是“问题儿童”：厚重、高颜料含量，易发生内聚破坏和沉降，因此需要持续循环。
• 采用配方正确的油墨，某些低表面能基材无需预处理，包括丁腈橡胶和乳胶。

常见问题

产品拉伸时喷墨油墨会开裂吗？

采用柔性 UV LED 配方则不会。专用柔性油墨可在聚烯烃瓶、健身拉力带和弹性体可穿戴产品上打印鲜艳图像和二维码，这些产品伸长 50% 至 200% 时，图像也不会开裂或变形。

可穿戴产品可以在哪些基材上打印？

丁腈橡胶、乙烯基、PVC、聚烯烃、热塑性弹性体、流延聚乙烯、乳胶、聚氨酯和氯丁橡胶，以及柔性包装薄膜、柔性印刷电子和可拉伸互连。

UV LED 喷墨油墨与皮肤接触安全吗？

可以通过认证。油墨经配方设计并鉴定，按 ASTM D 4236（LHAMA — 16 CFR 1500.14）可安全用于与人体皮肤接触的成人和儿童产品。认证针对特定油墨及其固化规格，因此固化不足或过度的膜层不应视为安全。

为什么从平板扩展到连续单程打印会出现问题？

油墨沉积和固化行为会发生根本变化。在平板机上，薄层经多次扫描叠加并反复固化；而在固定喷头的连续式设备上，所有颜色由单个打印排以湿压湿方式叠加，固化厚度可达单色的 250%，层间不相容会造成微观分离和层间失效。

为什么白墨的处理方式与工艺色不同？

有三个原因。它通常是遮盖有色或半透明基材的底涂层；它依靠光散射而非吸收，因此必须涂得更厚；此外白色颜料密度大、易沉降，所以油墨必须持续循环，停机时需将白墨从喷头中冲洗排出。

定制化可穿戴产品的需求

“可穿戴产品”“可穿戴设备”和“可穿戴技术”都是指消费者可以佩戴的电子技术或计算机，通常包含与健康和健身相关的追踪信息。泳帽、运动拉力带、头戴装备、头巾（hijab）、运动头带、骑行/跑步装备、腕戴设备、眼镜、手套、臂套、腿套、鞋类、皮肤贴片、外骨骼和电子织物均属此类，设备业务规模庞大。产品可以是刚性的，也可以是柔性的。

定制化需求推动销售，无论是健康和健身性能产品、智能手表，还是数以百计的其他互动腕带产品。领先的市场研究公司 IDTechEx 称，可穿戴产品蓬勃发展，2019 年市场总价值超过 500 亿美元，自 2014 年以来规模已增长一倍以上。贝恩公司（Bain & Company）指出：“通过提供定制化，品牌可在此刻比以往任何时候都更重要的时期提升客户忠诚度。

卖家正在发现让客户自行创造独特产品的价值。”亚马逊等零售商利用大数据向客户呈现个性化的产品组合。现在，品牌正把个性化向前推进一大步，进入大规模定制。提供定制服务的公司可以将消费者作为“商家”，不断从定制设计中获得洞察，并通过反馈循环对产品进行微调，帮助公司保持竞争领先。

整体工艺解决方案

压电式按需喷墨 UV 喷墨打印比模拟印刷复杂和精细得多。喷墨要求喷嘴以精确的准确度喷射尺寸精准的墨滴。高质量喷墨打印系统必须同时集成喷头、流体、控制器、预处理和固化。喷墨流体和固化的安全认证至关重要。要在对温度敏感的柔性聚合物材料上实现可靠打印，用户必须配套使用相匹配的 UV LED 柔性油墨和 LED 固化系统。

应用基材包括丁腈橡胶、乙烯基、PVC、聚烯烃、热塑性弹性体（TPE）、流延聚乙烯（CPE）、乳胶、聚氨酯和氯丁橡胶。其他应用包括柔性包装薄膜、柔性印刷电子和可拉伸互连。

UV LED 固化油墨与消费者安全认证

一款新型 UV LED 固化喷墨油墨 Apollo FTX 系列油墨，已按 ASTM D 4236（LHAMA – 16 CFR 1500.14）配方设计并鉴定为可安全用于成人和儿童（与人体皮肤接触）。它不仅仅是又一种油墨，其化学体系与特定的 UV LED 固化规格精确匹配，确保最终固化性能和外观可靠，既不会固化不足（发粘），也不会固化过度（发脆）。喷墨油墨设计的挑战在于，必须与特定喷头协同开发油墨。每一滴墨的喷射所涉及的流体化学和物理必须表现精准且一致，以便在极端条件下运行，这是按需喷墨打印作业所必需的。

这款新油墨表现出高度一致的流动性（稳定的流变行为）以及油墨离开喷嘴时的出口接触角（一致的射流断裂）。它具有卓越的基材润湿性和附着力，以及白墨（底层）与全色域彩色墨之间的分子间附着力。对于某些传统上难以打印的低表面能基材，例如丁腈橡胶和乳胶，无需表面预处理。这些特性使高速、在线、单程喷墨打印成为可能。将颜料分散至精确的粒径并保持分离，对喷射性能和印刷质量至关重要。UV 固化油墨由四种成分组成：单体、低聚物、颜料和光引发剂。

过大或团聚的颗粒会影响喷射精度，导致印刷质量不可接受。任何干燥油墨的最主要部分是粘合剂，它将颜色固定在原位，保护其免受磨损，并与表面结合。粘合剂通常是聚合物。UV 油墨印刷与其他类型不同，其聚合物是在固化过程中由单体和低聚物的链式反应形成的。单体是低粘度液体，因此也充当液态油墨载体，无需水或溶剂，这就是 UV 固化油墨为 100% 固含量、是理想的溶剂型油墨替代品的原因。低聚物是较大的反应性分子，具有多种化学官能团，对正确构建粘合剂至关重要。

LED 与传统 UV 固化的比较

UV 油墨与 LED 固化必须是相匹配的系统。波长、辐照度、能量密度、工作距离和冷却机制等因素必须有明确规格。并非所有 UV LED 系统都一样。遗憾的是，大量 UV LED 系统和供应商宣称具有相似的产品特性和固化所有 UV 油墨的能力。Apollo FTX 油墨专为使用 LED 固化而设计，LED 是 UV 弧光灯系统的替代方案。UV LED 不同于汞蒸气固化系统，它不聚焦，也不使用反射器，照射到基材上的光是漫射的。对于 UV LED 系统，发射波长相对单色，呈窄正态曲线分布，标称峰值辐照度位于 395 nm，容差范围通常为 +/- 5 nm。请注意，98% 的功率发射在 377 nm 至 422 nm 的范围内。

随着 4 瓦以上、395 nm 的 UV LED 光源的推出，油墨可在丝网印刷和数字印刷典型的高加工速度下有效固化。低于 4 瓦的系统则需要更薄的油墨沉积、颜料含量更低的油墨、灯与印刷油墨之间更近的距离，以及固化时更慢的扫描/传送带速度。UV LED 灯的灯头和电子器件需要冷却，才能高效、有效地运行。良好的冷却系统应使灯在连续使用下的寿命达到 20,000 小时或以上。UV LED 灯的灯头和电子器件需要冷却，才能高效、有效地运行。良好的冷却系统应使灯在连续使用下的寿命达到 20,000 小时或以上。

喷墨喷头、打印分辨率与单程/多程设备

仅靠油墨化学体系和 LED 固化系统，并不能确保打印成功、附着力或质量。需要考虑多个因素，包括打印分辨率 DPI、打印速度，以及多程与单程的油墨考量。用于塑料产品打印的装机量最大的，是至少具备四种基本色（RGBK）、通常还有白色（W）和透明（Cl 或罩光油）、偶尔配有扩展色域套组（CMYRGBK）的小型平板 UV 固化喷墨打印机。这类龙门式打印机通常价格低廉，因此单件成本使许多新市场变得有利可图。

然而，对更高生产效率的需求正在快速增长。机器人上下料减少了平台上下料造成的换型时间。但是，与图文印刷一样，产量仍无法与打印产品连续通过固定喷头下方的系统相比。从平板扩展到连续在线，乍看似乎很简单，但从油墨沉积和固化的角度看，二者存在实质性差异。平板“龙门式”打印机的喷头往复运动，前后两端均设有灯。考虑到具备 UV 固化油墨能力的喷头价格昂贵，为了经济性，基础型打印机中每种颜色的油墨只有单排喷嘴。

以 300 dpi 系统为例：覆盖单位 300 x 300 dpi 像素所需的油墨量很大，既浪费，其本身也清晰可见。按喷头宽度的 ¼ 步进多程打印，可将原生分辨率提高到 1200 dpi。当双向打印时，单个 300 dpi 像素变成 4 x 4 的小方格矩阵。每一程中，打印机将为每种颜色在其中四个位置沉积油墨。这样视觉效果更好，油墨用量更少。此外，每一程需要固化的油墨层相对较薄。每一程中，其他颜色不是涂在湿墨之上，而是涂在无墨或墨已固化的位置，因此只需少量湿压湿油墨。固化过程简单，每一层都会被多次曝光。在连续式喷头上，任何一种颜色的全部油墨都由单个打印排施加，即由喷头首尾相接组成、覆盖整个打印宽度的组件。若由 300 dpi 喷嘴组装，两排相当于 600 dpi，四排相当于 1,200 dpi。为达到全色密度，较大的像素需要相应更多的油墨。具备灰度（可变墨滴体积）能力的喷头已成为标配，因此低密度区域每个像素内含有小墨点，而不是偶尔出现的大墨点。所有喷头依次排列时，各色油墨以湿压湿方式叠加，因此需固化的厚度可达最浓颜色的厚度，甚至可能高达 250%。层表面的不相容可能导致微观分离，就像油浮于水上，这在最好的情况下只是轻微的视觉瑕疵，但也可能导致层间失效。需要根据顺序来处理油墨表面化学。要彻底固化紧邻基材的油墨，通常需要更高强度的灯和更有效的光引发剂组合。

正因如此，从平板扩展到连续打印，在某些方面必须重新开始寻找或修改配方。对于固定喷头的连续打印，通常会将工艺色喷头彼此靠近安置，并在最后统一固化。在图文印刷卷筒纸印刷机上，喷头间距可能更大，其间可设置低功率固化单元来增稠或“定位”油墨。保持相当于 1,200 dpi 的套准精度的卷材控制很常见。对于未被传送带或链条牢固固定的零件，即使是轻微振动也会改变各色之间的点位置，紧凑排布可将此影响降到最低。白墨的处理方式与工艺色不同，有三个原因。第一，它通常是用于遮盖有色基材或使半透明材料不透明的底涂层。对于透明基材的背面印刷，它当然是最后一层，且是单独的一程。第二，白墨和涂层依靠光散射而非吸收。

它们的效率低于任何一种颜色，必须涂得更厚。第三，与白色混合的颜色偏浅。如果在沉积其他湿墨之前，白墨至少已部分固化，就可以避免分离。最后，白色颜料密度大、易沉降，必须使油墨持续循环通过喷头。如果打印机要停机，应将白墨从喷头中冲洗排出。

打印质量的关键属性之一是打印分辨率。这可从两个角度来考察。第一，对于细小文字、线条和实色之间的清晰边界，直线和曲线的偏差必须小于人眼可见的最小特征。其基础是像素数或原生分辨率，它取决于一个方向上的喷嘴间距，以及另一个方向上的喷头或基材步进。灰度能力使得可以在较大的点之间使用小点，从而使较低分辨率的喷头获得表观分辨率的提升。丁腈手套，Apollo FTX UV 油墨经毒理学认证，符合 ASTM D 4236（LHAMA – 16 CFR 1500.14）安全要求，4 www.plasticsdecorating.com 2020 年 1/2 月。

分辨率的第二个要素，是在平滑过渡区域或浅色区域避免出现生硬的特征。例如，300 dpi 打印排产生的少量青色或黑色点，在粉彩区域中很容易被看见。

同样，灰度喷头可以用若干细小、分散的墨点取代单个较大的可见墨点。与分辨率相关的还有不同颜色之间以及与被打印物体之间的套准。在平板机上，物品可被紧密固定，这类设备的设计可确保振动等小于墨滴位置的允许偏差。对于固定喷头设备，放在传送带上的零件未被牢固固定，且会受到传送带振动的影响，因此可能需要在初始规格中给予更大的套准余量，或计入先进物料搬运的额外成本。到目前为止，软件一直是背景问题。

显然，工艺速度不断提高，以跟上行业在更短时间内打印大量产品的需求。但软件现在在其他方面也很有效。对于曲面（例如前缘或后缘成形处）所观察到的瑕疵，容忍度更低。由此产生的图像密度差异可通过灰度功能得到改善。在其他情况下，可以仅对图像的一部分调整产生墨点喷射的电脉冲结构，以再次解决表面形貌可能引起的局部瑕疵。这是对最佳色彩管理系统能力的进一步提升：不仅在校准期间针对某种颜色或单个喷嘴调整脉冲，还可以动态使用。另一项技术进步，是将动态套准集成到高产量、宽幅、单程、双面卷材打印机中，依据仅在打印机前几英寸处的摄像头，使打印内容匹配可变形基材上的可变特征。显然，相比之下，将整幅图案对准随意放在传送带上的物体要简单得多。另一方面，软件和视觉系统在用于汽车部件等 3D 零件的机器人打印机中发挥着核心作用。在这类应用中，喷头与基材之间的距离是变化的，因此必须选择所用喷嘴并根据喷射距离调整墨滴喷射。跟踪已打印区域、避免相邻不同角度打印程之间产生的瑕疵，是正在解决的另一项挑战。促成这种扩展的，还有用于聚合物网络的新单体、带有可与最终聚合物结合的烯键的光引发剂，以及颜色更纯的更细颜料和更有效的分散剂。

采用 UV 固化的印刷和涂层行业，受益于在增材制造和 3D 建模方面投入的大量努力，为此已出现可模拟传统挤出聚合物的配方。这些定制化需求推动销售，无论是健康和健身性能产品、智能手表，还是数以百计的其他互动腕带产品。这些新型聚合物提供了原始图文印刷配方所无法达到的物理化学性能组合。例如，在相同厚度下，可在大得多的拉伸强度范围内提供柔韧性。在可穿戴产品市场，很大一部分产品是高拉伸材料，如一次性手套、运动拉力带和泳帽。这些产品的伸长率高达 50% 至 200%。过去，这类产品采用移印和丝网印刷，但由于是模拟式的走停方式，与连续单程喷墨相比生产效率相对较低，大宗商品的多色印刷几乎成本高得难以承受。UV 固化喷墨的成功应用，得益于源自汽车乙烯基市场的高拉伸配方。不过，可穿戴产品的要求更高，因为它们必须在很宽的温度范围内保持柔韧和拉伸性。

高拉伸产品需要解决的第二个因素是附着力。丁腈橡胶和其他 TPE 橡胶常用于可拉伸产品。薄弱点出现在墨层之间的结合，尤其是彩色墨与白墨之间，以及油墨自身内部。白墨厚重且颜料含量高，尤其容易发生内聚破坏。墨层间的结合取决于在界面处聚集的化学物质，必须能够在各层之间形成一定的直接结合。此外，在叠层组装或打印时，各层性能应呈规律的梯度变化。例如，在模拟式湿压湿印刷中，油墨粘度依次递减，因此分裂总是发生在最上层的油墨。喷墨是非接触式的，对湿墨没有这一要求，但固化后需要具备类似的内部及层间结合强度顺序。行业专家知道如何管理从白墨开始的配方顺序。在开发和放大阶段，专家能识别出瑕疵及其根本原因，例如附着力丧失时，失效机理是什么？失效发生在哪里？答案可能与最明显的位置不同。

这里讨论的响应主要并非来自喷射的油墨，因为要成功实现墨滴喷射和液滴形成，喷头和供墨系统都有精确的温度调节。就基材或物品的温度而言，油墨非常薄，在沉积到灯照之间温度就会变化。这种效应是图文印刷（该技术的发源地）与在期望长期耐久的塑料制品上打印之间的一个重要区别。

结论

用于柔性/可拉伸及可穿戴塑料产品彩色打印的 UV LED 固化柔性油墨，是工业喷墨技术的最新进展之一。鉴于各因素之间复杂的相互关系，不应将优化生产效率和最终使用性能看作一系列线性研究，而应视为由配方、油墨沉积、固化、速度和温度构成的完整工艺系统，其中任何一个因素的改变都可能影响其他结果，并需要对工艺或材料做出进一步调整。领先的 OEM 正是这样为基材种类很少的图文印刷开发了喷墨解决方案。而对于可穿戴产品，基材、形状种类繁多，需要复杂的工程解决方案，才能实现高效且盈利的运营。

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的创始人兼总裁，该公司是一家专注于塑料二次加工制造工艺的工程咨询公司，业务涵盖喷墨打印、激光打标、表面预处理、粘接、装饰与表面精饰以及产品安全。Sabreen 开创技术并解决制造难题已超过 30 年。您可致电 972.820.6777，或访问 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com 联系他。Dene Taylor 博士于 2000 年创立 SPF Inc.，服务于印刷和包装行业，专注于使数字印刷适应新的市场和应用。他本身是纳米化学家，其 25 项美国专利中约有一半与数字印刷相关。他是 SGIA、TAPPI 和 RadTech 的会员。您可通过 [email protected] 联系他。

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