立體塑膠的單道式 UV LED 噴墨列印：油墨化學與聚合物表面

立體塑膠的單道式 UV LED 噴墨列印：油墨化學與聚合物表面

工業噴墨列印正對傳統上採用移印、網印與柔版／凹版等傳統類比製程的裝飾領域產生重大影響。噴墨技術已從連續式單色溶劑型油墨，進展到按需滴墨的全色域色彩；從二元到灰階；從汞蒸氣燈到 UV LED 固化；並從掃描式平台印表機發展到 360° 旋轉式。新的前沿是使用全新的、通過無毒與生物相容性認證的油墨，在立體塑膠產品上進行單道式 UV LED 彩色列印。單道式比掃描式更快、更具成本效益，但技術更為複雜，需要精確的工程設計。這些因素再加上油墨在低表面能聚合物上附著的固有挑戰。本文檢視動態接觸角，以判定油墨黏度與表面潤濕性。

重點摘要

• 單道式比掃描式更快、更具成本效益，但在工程設計上複雜許多。
• 掃描式會掩蓋錯誤。多次掃描可遮蓋遺漏或錯位的墨點，單道式則毫無容錯空間。
• 油墨選擇是最關鍵的單一決策。它決定噴頭類型、固化參數，以及是否需要前處理。
• 色彩滲染是單道式的風險，因為大量油墨在一道次內施加。
• 低黏度、低表面張力的油墨在聚烯烴、尼龍與 TPE／橡膠上表現不佳，這些材料為非極性，且天生不易潤濕。

掃描式與單道式列印

噴墨印表機以單道次或多道次方式施加油墨進行列印。可以是噴頭在物件上方移動，也可以是物件在固定噴頭或噴頭陣列下方移動。掃描式或稱多道式列印，是指印表機對基材進行多次往返掃描，以完整覆蓋並提供所需的細節。

掃描式的好處在於使列印中的任何錯誤（例如遺漏或錯位的墨點）較不明顯。掃描式的缺點則是速度慢，因為需要對同一區域進行多次掃描才能提供完整的油墨覆蓋。單道式列印中，噴頭直接在移動輸送系統上移動的基材（或捲料）上列印。單道式的顯著優勢在於速度更高、生產力更強。

常見問題

掃描式與單道式噴墨列印有何差異？

掃描式（多道式）中，印表機對基材進行多次往返，以達到完整覆蓋與細節。單道式則由噴頭一次直接在移動的物件上列印。掃描式較慢，但容錯性較高；單道式更快、生產力更高，但對錯誤的容忍度低得多。

為什麼單道式列印更難做好？

因為沒有第二道次可以掩蓋錯誤。任何遺漏或錯位的墨點都清晰可見，且由於完整墨量是一次性沉積，而非逐步累積，控制色彩滲染變得至關重要。

噴墨專案中最重要的決策是什麼？

是油墨。油墨的選擇決定系統元件，包括噴頭類型、固化參數，以及是否需要表面前處理。流體化學、黏度與剪切，以及噴射每一滴墨滴的物理特性，都必須在極端條件下精確運作，而這些要求在單道式列印中更被放大。

為什麼噴墨油墨難以附著於某些塑膠？

噴墨油墨為低黏度、低表面張力，而聚烯烴、尼龍與 TPE 或橡膠基材是非極性、化學惰性、疏水，且天生不易潤濕。若不提高表面能，油墨便無法達成附著所需的緊密接觸。

單道式噴墨已在哪些領域證明其價值？

主要在 2D 應用，如捲料式彩券、智慧卡、陶瓷磚、紙板箱與紙盒。較新的前沿則是使用通過無毒與生物相容性認證的油墨，在立體塑膠產品上進行單道式彩色列印。

UV 固化油墨

對所有應用而言，油墨選擇都是最關鍵的單一決策，決定了系統元件，包括噴頭類型、固化參數，以及是否可能需要表面前處理。流體化學（黏度與剪切）以及噴射每一滴墨滴的物理特性，都必須在極端條件下精確運作。相較於掃描式，這些因素在單道式列印中會被放大。

單道式噴墨已問世一段時間，重點放在捲料式彩券、智慧卡、陶瓷磚、紙板箱與紙盒等 2D 列印。早期的技術挑戰已被克服，加上近期在油墨化學與聚合物科學的進展，使低表面能聚合物的全彩單道式 UV LED 噴墨列印成為可能。市面上已有全自動量產系統，並可選配線上前處理與視覺系統。本文探討 UV 固化油墨、聚合物表面與潤濕性。

UV 油墨是在油墨中的光起始劑與高強度紫外光源交互作用後，固化成固體。由於實質上不含溶劑，UV 油墨被視為更環保。然而，這些油墨有毒性疑慮。未固化的 UV 油墨含有未反應的單體，對人體有害。即使是已完成、已固化的列印品，也可能殘留未反應的單體。強烈建議使用輻射計。

含顏料之 UV 固化油墨的各成分通常包括單體（低黏度液體）、寡聚物（附著與固化特性）、顏料（色彩）、光起始劑（UV 固化）及添加劑（潤濕與分散）。

每種成分在最佳化最終油墨配方的性能特性方面都扮演重要角色。與單道式噴墨列印的四色油墨相比，調配 UV 白色油墨頗具挑戰，因為其 TiO2 顏料顆粒大且重，容易沉降。

黏度（嚴格而言為剪切黏度）是一項關鍵參數，影響流經噴頭噴嘴的流動與驅動脈衝。壓電式按需滴墨噴頭中，驅動脈衝是一種電壓，使壓電元件產生位移，進而引發壓力差（圖 1）。

墨滴一經噴出，交替振盪的壓力會隨時間減弱（阻尼效應）。由於高流速與小噴嘴直徑，流體在高剪切速率的狀態下運作。此外，黏度也會影響油墨填充噴頭墨室的情況。黏度通常隨剪切速率增加而降低，這稱為「剪切稀化」流體（黏度隨剪切速率增加而上升的相反現象，則稱為「搖變性」流體）。

當油墨變稠或變稀時，剪切變化可能對噴射性能造成不良影響。在噴嘴中，油墨同時受到剪切與拉伸，了解拉伸黏度非常重要，因為它會影響墨絲的形成與斷裂，以及隨後的墨滴形成。

例如，Apollo FTX 系列油墨的配方與認證，依 ASTM D 4236（LHAMA – 16 CFR 1500.14）對成人與兒童（接觸人體皮膚）皆屬安全，並通過生物相容性測試†。其化學組成與特定的 UV LED 固化特性及外觀精確匹配，不會固化不足（發黏）或過度固化（脆化）。

此油墨具有高度穩定的流動性（穩定的流變行為），以及油墨離開噴嘴時的出口接觸角（均勻的噴射斷裂）。此油墨具有卓越的潤濕性、附著力，以及白色油墨（底層）與 CMYK++ 色彩之間的層間附著。許多低表面能基材，包括丁腈橡膠與乳膠，無需表面前處理。

最終固化特性展現無與倫比的耐刮／耐磨損與耐化學性，包括洗碗機測試。此油墨相容於特定的 Ricoh、Mimaki、Xaar、Toshiba、Konica Minolta 噴頭型號。

聚合物表面與潤濕性

相較於掃描式印表機，單道式列印中準確的油墨黏度對控制色彩滲染（因單道次施加大量油墨）至關重要。噴墨油墨為低黏度、低表面張力，這在許多聚合物上會造成附著問題，例如聚烯烴、尼龍、TPE／橡膠等。這類基材是非極性、化學惰性的塑膠，具疏水性且天生不易潤濕。

考慮一滴單一液滴靜止（平衡）於平坦固體表面上。固體表面與液滴上表面在端點處切線之間所形成的角度，稱為接觸角。它是接觸點處切線與固體表面水平線之間的夾角。

然而，油墨流體與接觸角是動態的，而非靜態。當液滴附著於固體表面，且固體表面傾斜時，液滴會向前衝並向下滑動。所形成的角度分別稱為前進角（θa）與後退角（θr）（圖 2）。

液滴形狀源自分子作用力，所有液體都會透過表面收縮，傾向將所含體積形成表面積最小的形狀。使表面收縮的分子間作用力稱為「表面張力」。噴墨油墨的表面張力控制著噴頭的正常噴射。

表面張力是表面能的量測，以 dynes/cm 表示。固體基材的表面能相對於液體（油墨）表面張力越高，潤濕性越好，接觸角也越小。通常，當基材的表面能比液體的表面張力高約 8 至 10 dynes/cm 時，即可達到可接受的接合附著力。

接觸角通常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的低能量（未改質）成分最為敏感，而後退角則對前處理所引入的高能量氧化基團更為敏感。

後退角是最能代表前處理後表面改質成分的量測值。量測動態接觸角，對於了解表面交互作用、最佳噴射，以及墨滴落下到開始固化之間所需的時間至關重要。若無此資訊，將出現嚴重的噴墨列印品質問題，例如衛星墨滴、過噴、霧化等。建議使用採用彈道沉積的接觸角量測儀器，而非達因液。

結論

硬質與軟性／可拉伸產品的單道式 UV LED 彩色列印，是改變工業噴墨技術的最新進展之一。要成功量產，必須在任何專案開始時就了解許多製程因素及其相互關係。

參考文獻

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

†Apollo FTX Ink 系列可供購買。請來電聯絡 The Sabreen Group：972.820.6777，或寄信至 [email protected]。

Scott R. Sabreen 為 The Sabreen Group, Inc. 創辦人暨總裁，該公司為專精於塑膠二次加工製程的工程顧問公司，涵蓋表面前處理、附著接合、噴墨列印、雷射打標、裝飾與表面加工，以及產品安全。Sabreen 三十多年來持續開發開創性技術，並解決製造難題。歡迎來電 972.820.6777，或造訪 www.sabreen.com 與他聯絡。

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