3D 塑料上的单通道 UV LED 喷墨打印：油墨化学与聚合物表面

3D 塑料上的单通道 UV LED 喷墨打印：油墨化学与聚合物表面

工业喷墨打印正对传统上由移印、丝网印刷和柔印/凹印等常规模拟工艺完成的装饰领域产生重大影响。喷墨技术已从连续式单色溶剂油墨发展到按需滴墨的全色域彩色，从二值发展到灰度，从汞蒸气灯发展到 UV LED 固化，从扫描式平板打印机发展到 360° 旋转打印。新的前沿是使用经毒性和生物相容性认证的新型油墨，在 3D 塑料制品上进行单通道 UV LED 彩色打印。单通道比扫描式更快、更具成本效益，但技术更复杂，需要精确的工程设计。这些因素还叠加了低表面能聚合物上油墨附着的固有挑战。通过研究动态接触角来确定油墨粘度和表面润湿性。

要点

• 单通道比扫描式更快、更具成本效益，但工程设计要复杂得多。
• 扫描式会掩盖误差。多次扫描可掩盖缺失或错位的墨点，而单通道则毫无容错空间。
• 油墨选择是最关键的决策。它决定了喷头类型、固化参数以及是否需要预处理。
• 渗色是单通道的风险，因为大量油墨在一次通过中落下。
• 低粘度、低表面张力的油墨在聚烯烃、尼龙和 TPE/橡胶上表现不佳，这些材料是非极性的，天然不易润湿。

扫描式与单通道打印

喷墨打印机通过单次或多次通过来施加油墨。要么喷头在物体上方移动，要么物体在固定喷头或喷头阵列下方移动。扫描式（即多通道）打印是指打印机在基材上来回多次通过，以完全覆盖并提供所需的细节。

扫描式的一个好处是使打印中的任何误差（如缺失或错位的墨点）不那么明显。其缺点是速度慢，因为同一区域需要多次通过才能实现完整的油墨覆盖。在单通道打印中，喷头直接在移动输送系统上移动的基材（或卷材）上打印。单通道的显著优势是速度更高、生产效率更高。

常见问题

扫描式与单通道喷墨有何区别？

扫描式（即多通道）中，打印机在基材上来回多次通过，以实现完整覆盖和细节。单通道中，喷头一次通过即直接在移动的物体上打印。扫描式速度较慢但容错性更高；单通道速度更快、效率更高，但对误差的容忍度低得多。

为什么单通道打印更难做好？

因为没有第二次通过来弥补错误。任何缺失或错位的墨点都清晰可见，而且由于全部油墨量一次性落下，而不是逐步累积，控制渗色变得至关重要。

喷墨项目中最重要的决策是什么？

油墨。它的选择决定了系统组件：喷头类型、固化参数以及是否需要表面预处理。流体化学、粘度和剪切，以及每个墨滴的喷射物理特性，都必须在极端条件下精确运作，而这些要求在单通道中更为突出。

为什么喷墨油墨难以附着在某些塑料上？

喷墨油墨粘度低、表面张力低，而聚烯烃、尼龙以及 TPE 或橡胶基材是非极性、化学惰性、疏水的，天然不易润湿。如果不提高表面能，油墨就无法获得附着所需的紧密接触。

单通道喷墨已在哪些领域证明了自己？

主要是在二维应用中：卷筒彩票、智能卡、瓷砖、纸板箱和盒子。较新的前沿是使用经毒性和生物相容性认证的油墨，在 3D 塑料制品上进行单通道彩色打印。

UV 固化油墨

对所有应用而言，油墨选择是最关键的决策，它决定了系统组件，包括喷头类型、固化参数以及是否可能需要表面预处理。流体化学（粘度和剪切）以及每个墨滴的喷射物理特性，必须在极端条件下精确运作。与扫描式相比，这些因素在单通道打印中被放大。

单通道喷墨已存在一段时间，重点是二维打印，如卷筒彩票、智能卡、瓷砖、纸板箱和盒子等。早期的技术挑战已被克服，加之油墨化学和聚合物科学的最新进展，使低表面能聚合物的全彩单通道 UV LED 喷墨打印成为可能。全自动量产系统可选配在线预处理和视觉系统。本文探讨 UV 固化油墨、聚合物表面和润湿性。

UV 油墨在油墨中的光引发剂与高强度紫外光源相互作用时固化成固体。UV 油墨基本不含溶剂，因此被认为更环保。然而，这些油墨存在毒性问题。未固化的 UV 油墨含有未反应的单体，对人体有害。即使是已固化的成品打印件，也可能含有残留的未反应单体。强烈建议使用辐射计。

含颜料的 UV 固化油墨的各个组分通常包括单体（低粘度液体）、低聚物（附着力和固化性能）、颜料（颜色）、光引发剂（UV 固化）和添加剂（润湿和分散）。

每种组分在优化最终油墨配方的性能方面都发挥着重要作用。与单通道喷墨打印的四色油墨相比，配制 UV 白墨颇具挑战，因为其 TiO2 颜料颗粒大而重，容易沉降。

粘度（严格地说是剪切粘度）是调节流经喷头喷嘴的流动和触发脉冲的关键参数。在压电式按需滴墨喷头中，触发脉冲是产生压电体运动以引起压差的电压（图 1）。

墨滴喷出后，压力的交替振荡随时间减弱（阻尼效应）。由于流速高、喷嘴直径小，流体在高剪切速率状态下工作。此外，粘度还会影响油墨向喷头墨腔的填充。粘度通常随剪切速率的增大而降低，这称为“剪切稀化”流体（粘度随剪切速率增大而增大的相反现象称为“触变”流体）。

随着油墨变稠或变稀，剪切变化会对喷射性能产生不利影响。在喷嘴中，油墨既受剪切又被拉伸，而拉伸粘度会影响墨丝的形成与断裂以及随后的墨滴形成，因此了解拉伸粘度十分重要。

例如，Apollo FTX 油墨系列经配制和认证，按 ASTM D 4236（LHAMA – 16 CFR 1500.14）对成人和儿童（与人体皮肤接触）是安全的，并已通过生物相容性测试†。其化学配方与特定的 UV LED 固化性能和外观精确匹配，既不欠固化（发粘），也不过固化（发脆）。

这种油墨具有高度一致的流动性（稳定的流变行为）和油墨离开喷嘴时的出口接触角（均匀的射流断裂）。这种油墨具有出色的润湿性、附着力，以及白色油墨（底层）与 CMYK++ 颜色之间的层间附着力。对许多低表面能基材（包括丁腈橡胶和乳胶）无需表面预处理。

最终固化性能表现出无与伦比的耐刮擦/耐磨损性和耐化学性，包括洗碗机测试。这种油墨与 Ricoh、Mimaki、Xaar、Toshiba、Konica Minolta 的特定喷头型号兼容。

聚合物表面与润湿性

与扫描式打印机相比，准确的油墨粘度对于单通道打印控制渗色（由于一次通过中落下大量油墨）至关重要。喷墨油墨粘度低、表面张力低，这会在许多聚合物（如聚烯烃、尼龙、TPE/橡胶等）上造成附着问题。这类基材是非极性、化学惰性的塑料，疏水且天然不易润湿。

考虑静置（平衡状态）下平整固体表面上的单个液滴。固体表面与液滴上表面在端点处的切线所形成的角度称为接触角。它是接触点处切线与固体表面水平线之间的夹角。

然而，油墨流体和接触角是动态的，而非静态的。当液滴附着在固体表面上并使固体表面倾斜时，液滴会向前冲并向下滑动。所形成的角度分别称为前进角（θa）和后退角（θr）（图 2）。

液滴的形状源于分子力：所有液体都通过表面收缩，趋向于使所含体积形成表面积最小的形状。使表面收缩的分子间力称为“表面张力”。喷墨油墨的表面张力控制着喷头的正常喷射。

表面张力是表面能的度量，以达因/厘米表示。固体基材的表面能相对于液体（油墨）的表面张力越高，其润湿性越好，接触角越小。通常，当基材的表面能比液体的表面张力大约高 8 至 10 达因/厘米时，即可实现可接受的粘接附着力。

接触角通常受表面化学变化和表面形貌变化的影响。前进接触角对基材表面的低能（未改性）组分最为敏感，而后退角则对表面预处理引入的高能氧化基团更为敏感。

后退角是最能表征预处理后表面改性组分的测量值。测量动态接触角对于了解表面相互作用、最佳喷射以及墨滴落下与开始固化之间所需的时间非常重要。缺少这些信息，就会出现严重的喷墨打印质量问题，如卫星墨滴、过喷、雾化等。建议使用采用弹道沉积的接触角测量仪器，而不是达因笔溶液。

结论

刚性和柔性/可拉伸产品的单通道 UV LED 彩色打印，是改变工业喷墨技术的最新进展之一。要成功实现生产，必须在任何项目开始时就了解许多工艺因素及其相互关系。

参考文献

• Sabreen, S., Taylor D., Inkjet Printing for Flexible and Wearable Plastic, Plastics Decorating, January/February 2020

†Apollo FTX 油墨系列可供购买。请致电 972.820.6777 联系 The Sabreen Group，或发送邮件至 [email protected]。

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的创始人兼总裁，该公司是一家工程咨询公司，专注于塑料二次加工制造工艺，包括表面预处理、附着粘接、喷墨打印、激光打标、装饰与表面精饰以及产品安全。Sabreen 三十多年来一直致力于开发开创性技术并解决制造难题。您可致电 972.820.6777 联系他，或访问 www.sabreen.com。

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