นวัตกรรมเทคโนโลยีอิงก์เจ็ทสำหรับผลิตภัณฑ์พลาสติก

นวัตกรรมเทคโนโลยีอิงก์เจ็ทสำหรับผลิตภัณฑ์พลาสติก

ความต้องการการพิมพ์อิงก์เจ็ทดิจิทัลบนผลิตภัณฑ์พลาสติกสามมิติเพิ่มขึ้นแบบก้าวกระโดด ความท้าทายในการใช้งานเพื่อให้การดำเนินงานแข็งแกร่งคือ เคมีของหมึกและการออกแบบหัวพิมพ์ที่เหมาะสมที่สุด ความเข้ากันได้ระหว่างหมึกกับวัสดุรองรับพอลิเมอร์ และการบ่ม บทความนี้กล่าวถึงปัจจัยด้านกระบวนการที่สำคัญซึ่งผสานความเข้ากันได้ของพื้นผิวพอลิเมอร์ เมื่อขยายอิงก์เจ็ทไปสู่โอกาสใหม่ ๆ

การพิมพ์อิงก์เจ็ทซับซ้อนและละเอียดอ่อนกว่าการพิมพ์แบบอะนาล็อกมาก อิงก์เจ็ทต้องให้หัวฉีดยิงหยดหมึกที่มีขนาดตรงตามกำหนดด้วยความแม่นยำสูง ระบบพิมพ์อิงก์เจ็ทคุณภาพสูงต้องผสานหัวพิมพ์ ของเหลว ตัวควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ การปรับสภาพพื้นผิว และการบ่มเข้าด้วยกันพร้อมกัน ทุกองค์ประกอบเหล่านี้ต้องทำงานร่วมกันเพื่อให้ได้ผลตามที่ตั้งใจ บริษัทส่วนใหญ่ที่ลงทุนในเทคโนโลยีอิงก์เจ็ทต้องการตกแต่งวัสดุรองรับหลายชนิด เนื่องจากพลาสติกมักมีความแตกต่างทางเคมีและกายภาพอย่างมาก แม้อยู่ในตระกูลพอลิเมอร์เดียวกัน จึงเป็นเรื่องท้าทายที่จะพิมพ์บนวัสดุทั้งหมด ด้วยเหตุนี้จึงมีความท้าทายในรูปของข้อขัดแย้งทางเทคนิคของการพิมพ์ ซึ่งอธิบายได้ด้วยเก้าอี้สามขาที่มั่นคง (รูปที่ 1)

มีพารามิเตอร์ป้อนเข้ากระบวนการหลักสามข้อ โดยแต่ละข้อแทนด้วยหนึ่งขา ได้แก่ 1) วัสดุรองรับพอลิเมอร์ 2) เครื่องพิมพ์อิงก์เจ็ท และ 3) ความเข้ากันได้ของหมึกและการปรับสภาพพื้นผิว ทุกองค์ประกอบต้องมีเสถียรภาพจึงจะได้คุณภาพการพิมพ์ยอดเยี่ยม การเปลี่ยนแปลงขาใดขาหนึ่งของกระบวนการส่งผลให้เสียสมดุลและต้องปรับส่วนอื่น ๆ การพิมพ์อิงก์เจ็ทบนพลาสติกที่มีรูปทรงโค้งเว้ายิ่งซับซ้อนขึ้นเพราะมีตัวเลือกเครื่องพิมพ์/หัวพิมพ์จาก OEM ค่อนข้างน้อย OEM แต่ละรายจำกัดหมึกที่ได้รับการรับรองซึ่งพัฒนาขึ้นสำหรับช่วงการใช้งานที่จำกัด ความเข้าใจอย่างถี่ถ้วนในรายละเอียดของการพิมพ์อิงก์เจ็ทและวิทยาศาสตร์พื้นผิวช่วยให้ได้ขีดความสามารถและผลลัพธ์ที่ไม่เคยมีมาก่อน

ประเด็นสำคัญ

• หมึก UV บ่มตัวทันทีและไม่ปล่อยตัวทำละลาย แต่ยึดติดโดยตรงกับพลาสติกได้เพียงช่วงจำกัด
• ตัวประสาน (binder) เกิดขึ้นระหว่างการบ่มจากปฏิกิริยาลูกโซ่ของมอนอเมอร์และโอลิโกเมอร์ ซึ่งต่างจากหมึกชนิดอื่นทุกประเภท
• สีที่ใช้เม็ดสีอย่างเดียวมีข้อจำกัดจริง หมึก CMYK ทึบแสงบางส่วนและบดบังชั้นที่อยู่ด้านล่าง จึงไม่รวมสีสปอต Pantone ยอดนิยมจำนวนมาก
• ความหนืดต่ำและแรงตึงผิวต่ำเป็นอุปสรรคต่อการยึดเกาะบนอะซีทัล พอลิโอเลฟิน และพอลิยูรีเทน
• หมึกที่บ่มไม่สมบูรณ์เป็นอันตราย ไม่ใช่เพียงแค่คุณภาพด้านรูปลักษณ์ไม่ดี

หมึกอิงก์เจ็ทที่บ่มด้วย UV

หมึกอิงก์เจ็ทที่บ่มด้วยรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ได้รับการนำมาใช้อย่างกว้างขวางในการพิมพ์ผลิตภัณฑ์พลาสติกสามมิติ หมึกที่บ่มด้วย UV แห้งทันที ยึดติดโดยตรงกับพลาสติกได้จำนวนจำกัด ไม่ปล่อยตัวทำละลาย และมีให้ใช้กับแพลตฟอร์ม OEM บางรุ่น การขยายช่วงไปยังวัสดุรองรับพอลิเมอร์ที่ “ยึดติดยาก” ต้องอาศัยความเชี่ยวชาญด้านการปรับสูตรเฉพาะ เพื่อตอบสนองข้อกำหนดที่เข้มงวดของการตกแต่งและการพิมพ์ ผู้ปรับสูตรต้องรู้เคมีเฉพาะที่ให้ของเหลวที่ฉีดเป็นหยดขนาดจิ๋วได้ และกลไกการบ่มที่รับประกันการแข็งตัวอย่างรวดเร็ว รวมถึงสมบัติทางกายภาพและเคมีของหมึกที่ได้ ดังนั้นงานนี้จึงซับซ้อนกว่าหมึกชนิดอื่นทุกประเภท

ส่วนใหญ่ของหมึกแห้งคือตัวประสาน ซึ่งกักเก็บสีให้อยู่กับที่ ปกป้องจากการเสียดสี และยึดติดกับพื้นผิว ตัวประสานมักเป็นพอลิเมอร์ การพิมพ์ด้วยหมึก UV ต่างจากชนิดอื่นตรงที่พอลิเมอร์เกิดขึ้นระหว่างการบ่มจากปฏิกิริยาลูกโซ่ของมอนอเมอร์และโอลิโกเมอร์ มอนอเมอร์เป็นของเหลวความหนืดต่ำ จึงทำหน้าที่เป็นตัวพาหมึกเหลวด้วย และไม่ต้องใช้น้ำหรือตัวทำละลาย นั่นคือเหตุผลที่หมึกบ่มด้วย UV มีของแข็ง 100 เปอร์เซ็นต์ และเป็นทางเลือกแทนหมึกตัวทำละลายที่เหมาะสม โอลิโกเมอร์ (โมเลกุลเชิงปฏิกิริยาขนาดใหญ่กว่า) มีหมู่ฟังก์ชันทางเคมีหลายแบบและมีความสำคัญต่อการสร้างตัวประสานอย่างถูกต้อง

พอลิเมอไรเซชันเริ่มต้นจากการได้รับแสง UV ในช่วงสั้น ๆ ซึ่ง UV คือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าและพลังงานสูงกว่าแสงที่มองเห็น การบ่มด้วย UV ส่วนใหญ่ใช้ Near UV (ความยาวคลื่น 390–200 นาโนเมตร) ซึ่งแบ่งย่อยเป็น UV-A (390–320 นาโนเมตร) หรือคลื่นยาว UV-B (320–280 นาโนเมตร) หรือคลื่นกลาง และ UV-C (280–200 นาโนเมตร) หรือคลื่นสั้น นอกจาก Near UV แล้ว หมวด UV อื่นยังรวมถึง Far UV (200–10 นาโนเมตร) และ Deep UV (31–1 นาโนเมตร) ความยาวคลื่นสูงสุดที่พบบ่อยที่สุดของหลอดบ่มด้วย UV แบบปรอทเดิมคือ 365 นาโนเมตร หรือเรียกว่าเส้น I ของปรอท (สเปกตรัมแสง)

องค์ประกอบที่ไวต่อ UV คือโฟโตอินิชิเอเตอร์ (photo-initiator) ซึ่งเป็นสารประกอบที่ดูดซับพลังงานและแตกตัวเกิดเป็นสปีชีส์เคมีที่มีปฏิกิริยาสูง คือฟรีเรดิคัลหรือแคตไอออนิกตามชนิด แต่ละตัวสามารถจับกับส่วนหนึ่งของมอนอเมอร์หรือโอลิโกเมอร์ ซึ่งถ่ายทอดความว่องไวไปยังอีกส่วนหนึ่ง และส่วนนั้นก็ทำปฏิกิริยากับมอนอเมอร์ตัวอื่นต่อไปได้ เช่นนี้เรื่อยไปจนสร้างเป็นพอลิเมอร์

หมึก UV อิงก์เจ็ทแบบฟรีเรดิคัลครองตลาดเพราะต้นทุนค่อนข้างต่ำและมีมอนอเมอร์ให้เลือกมาก ซึ่งโดยทั่วไปคืออะคริเลต มอนอเมอร์เหล่านี้ให้พอลิเมอร์หลากหลายที่มีสมรรถนะที่ต้องการ ตั้งแต่ความทนทานต่อการเสียดสีจนถึงความยืดหยุ่น ข้อเสียของพอลิเมอไรเซชันแบบฟรีเรดิคัลคือความไวต่อออกซิเจนในอากาศโดยธรรมชาติ ความยาวสายโซ่จึงมักสั้น แม้ปฏิกิริยาอาจเร็วมาก แต่การเชื่อมขวางหยุดลงอย่างมีประสิทธิผลเมื่อไม่มีแสง UV ดังนั้นสูตรจึงมีปริมาณโฟโตอินิชิเอเตอร์สูง แม้หมึกแบบฟรีเรดิคัลจะคิดเป็นการบริโภคหมึกอิงก์เจ็ทบ่มด้วย UV ส่วนใหญ่ แต่หมึกบ่มด้วย UV แบบแคตไอออนิกกำลังเกิดขึ้นสำหรับความต้องการขั้นสูง

พอลิเมอไรเซชันแบบแคตไอออนิกให้ตระกูลสารเคมีที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง โดยทั่วไปมีการยึดเกาะที่ดีกว่าและปฏิกิริยายังดำเนินต่อไปหลังหยุดรับแสง พอลิเมอไรเซชันอย่างทั่วถึงเป็นสิ่งจำเป็นเมื่ออาจมีการสัมผัสอาหารและไม่ต้องการมอนอเมอร์ที่ไม่ทำปฏิกิริยา นอกจากนี้ การเชื่อมขวางที่ต่อเนื่องยังเป็นประโยชน์กับสารเคลือบหนา หมึกบ่มด้วย UV จำเป็นต้องเป็นตัวดูดซับ UV ดังนั้นบริเวณด้านล่างของหมึกหนาจะได้รับรังสีน้อยกว่ามากและไม่บ่มตัวทันทีเท่าด้านบน แต่หมึกแบบแคตไอออนิกจะยังคงเกิดพอลิเมอไรเซชันต่อไปในชั่วโมงถัดมา

แม้หมึกแบบแคตไอออนิกไม่ได้รับผลจากการยับยั้งพอลิเมอไรเซชันโดยออกซิเจน แต่ความชื้นอาจมีผล เนื่องจากน้ำทำปฏิกิริยากับสารประกอบตัวกลางแบบแคตไอออนิกได้ ระดับความชื้นสัมพัทธ์เกิน 80 เปอร์เซ็นต์อาจทำให้การบ่มช้าลง หมึกแบบแคตไอออนิกใช้แหล่งกำเนิด UV พลังงานต่ำกว่าหมึกแบบฟรีเรดิคัลในการเริ่มพอลิเมอไรเซชัน ให้ความร้อนน้อยกว่าหลอดปรอท UV พลังงานสูงที่ใช้ในระบบฟรีเรดิคัลจำนวนมาก และพิมพ์บนวัสดุรองรับที่ไวต่ออุณหภูมิได้ ผู้ผลิตหมึกรายใหญ่ไม่เสนอหมึกแบบแคตไอออนิกเพราะปริมาณความต้องการน้อยเกินไปและความพยายามตอบสนองความคาดหวังของ OEM มากเกินไป อย่างไรก็ตาม มีจำหน่ายจากผู้ผลิตเฉพาะทางที่สนใจพัฒนาการใช้งานใหม่ ๆ

ผลิตภัณฑ์พิมพ์สามมิติจำนวนมากถูกผู้บริโภคถือในมือและถูกตรวจสอบด้วยสายตาอย่างใกล้ชิดมาก ข้อความตัวอักษรและตัวเลขอาจมีขนาด 6 พอยต์หรือเล็กกว่า เพื่อหลีกเลี่ยงร่องรอยที่มองเห็นได้และรับประกันการอ่านออก จึงต้องพิมพ์ด้วยความละเอียดสูงมาก การพิมพ์อิงก์เจ็ทความละเอียดสูงมีสององค์ประกอบหลัก คือระยะห่างของจุดบนวัสดุรองรับ และขนาด (ปริมาตร) ของหยดหมึกที่ประกอบเป็นจุด เทคโนโลยีอะนาล็อกอ้างถึงระยะห่างเส้นหรือขนาดสกรีน ซึ่งมักประมาณ 300 เส้นต่อนิ้ว แต่มีช่วงขนาดจุดกว้างมาก คือตั้งแต่ความครอบคลุม 0 ถึง 100 เปอร์เซ็นต์ทีละขั้น 1 เปอร์เซ็นต์ หัวพิมพ์อิงก์เจ็ท UV ยังไม่สามารถเทียบกับจุดอะนาล็อกที่เล็กที่สุดได้ และไม่มีเกรย์สเกลที่ปรับได้ไม่จำกัด อีกทั้งระยะห่างหัวฉีดดั้งเดิมแทบไม่เคยสูงกว่า 300dpi ความละเอียดสูงได้มาจากการวางหยดหมึกชิดกัน (ปัจจุบันสูงถึง 1,800×1,800 dpi) ซึ่งต้องพิมพ์หลายรอบและเคลื่อนหัวพิมพ์ทีละก้าวเล็ก ๆ ในเครื่องพิมพ์แบบหัวแกว่งทั่วไป ผลลัพธ์น่าประทับใจ แต่ต้องแลกกับความเร็วในการพิมพ์

คำถามที่พบบ่อย

เหตุใดหมึกอิงก์เจ็ท UV จึงยึดเกาะกับพลาสติกบางชนิดได้แต่บางชนิดไม่ได้

หมึกอิงก์เจ็ทมีความหนืดต่ำและแรงตึงผิวต่ำ ขณะที่พลาสติกที่เฉื่อยทางเคมี เช่น อะซีทัล พอลิโอเลฟิน และพอลิยูรีเทน ไม่ชอบน้ำและไม่เปียกตามธรรมชาติ หากไม่ปรับสภาพพื้นผิวเพื่อเพิ่มพลังงานพื้นผิวของวัสดุรองรับ หมึกจะสัมผัสแนบสนิทตามที่การยึดเกาะต้องการไม่ได้

อิงก์เจ็ทพิมพ์ตรงกับสีสปอต Pantone ได้หรือไม่

ไม่แน่นอน หมึก UV ใช้เฉพาะสารให้สีชนิดเม็ดสี และชุด CMYK ให้ช่วงสีกว้างเพราะชั้นหมึกหนาได้ แต่เม็ดสีทึบแสงบางส่วนและบดบังสีที่อยู่ด้านล่าง ความเข้มไม่ถ่ายทอดเป็นสีทุติยภูมิได้อย่างสมบูรณ์ จึงไม่รวมสี Pantone จำนวนหนึ่งที่แบรนด์ใหญ่นิยมใช้

เหตุใดจึงเพิ่มสีสปอตลงในเครื่องอิงก์เจ็ทอย่างง่าย ๆ ไม่ได้

การเปลี่ยนสีสปอตในเครื่องพิมพ์อิงก์เจ็ทยากกว่าการพิมพ์เฟล็กโซกราฟีหรือแบบอะนาล็อกมาก เครื่องที่มีหัวพิมพ์หกหัว แปดหัว หรือสิบหัวสามารถรองรับได้ แต่ภาระในการเปลี่ยนงานทำให้แนวทางนี้ไม่เป็นที่นิยม

อะไรทำให้การปรับสูตรหมึก UV ยากกว่าหมึกชนิดอื่น

ผู้ปรับสูตรต้องส่งมอบของเหลวที่ฉีดเป็นหยดขนาดจิ๋วได้อย่างเชื่อถือได้ บ่มตัวอย่างรวดเร็ว และให้สมบัติทางกายภาพและเคมีที่ต้องการในฟิล์มสำเร็จรูป และพอลิเมอร์ตัวประสานจะเกิดขึ้นระหว่างการบ่มเท่านั้น การผสมผสานนี้ทำให้งานซับซ้อนกว่าหมึกชนิดอื่นทุกประเภท

การบ่มหมึก UV ไม่เพียงพอมีความเสี่ยงอะไรบ้าง

หมึกที่บ่มไม่สมบูรณ์เป็นอันตราย ไม่ใช่เพียงเหนียวเหนอะหรือเปราะ การบ่มต้องสอดคล้องกับเคมีของหมึกและข้อกำหนดของหลอดไฟ ไม่ใช่สันนิษฐานเอาเอง

เม็ดสีและจานสี

หมึก UV ใช้เฉพาะสารให้สีชนิดเม็ดสี แต่ช่วงสีกว้างและไม่ใช่ข้อจำกัดร้ายแรง พัฒนาการด้านการปรับสูตรและการผลิตหมึกทำให้ผู้ผลิตเสนอสีขาว (W) ได้ ซึ่งมีประโยชน์เป็นพิเศษเป็นชั้นรองพื้นบนวัสดุรองรับสีเข้มหรือเป็นพื้นหลังบนวัสดุใส สีปฐมภูมิของอิงก์เจ็ท ได้แก่ ไซแอน มาเจนตา เหลือง และดำ (CMYK) เมื่อรวมกันให้ช่วงสีกว้างเพราะชั้นหมึกหนาได้ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากใช้เม็ดสีเป็นฐาน จึงทึบแสงอย่างน้อยบางส่วนและบดบังสีที่อยู่ด้านล่าง ความเข้มไม่ถ่ายทอดเป็นสีทุติยภูมิได้อย่างสมบูรณ์ จึงไม่รวมสี Pantone จำนวนหนึ่งที่แบรนด์ใหญ่นิยมใช้ การพิมพ์อะนาล็อกใช้สีสปอตที่ปรับสูตรเฉพาะ สีเหล่านี้อาจมีให้ในตลาดนี้ โดยเฉพาะกับเครื่องที่มีหัวพิมพ์ 6, 8 และ 10 หัว แต่ไม่เป็นที่นิยมเพราะการเปลี่ยนสีสปอตในเครื่องพิมพ์อิงก์เจ็ทยากกว่าการพิมพ์เฟล็กโซกราฟีหรือซิลค์สกรีนมาก ทั้งยังขัดกับความสามารถของระบบดิจิทัลในการสลับงานด้วยภาพที่ต่อเนื่องกัน ทางเลือกหนึ่งคือใช้ชุดหมึกช่วงสีขยาย (extended gamut) ที่มีหมึกเข้มข้นซึ่งเฉดสีอยู่ระหว่าง CM กับ Y แดง เขียว และน้ำเงิน (RGB) หรือส้ม เขียว และม่วง (OGV) ใช้ในงานพิมพ์ฉลากและโฆษณาเพื่อขยายช่วงสีและครอบคลุมสีแบรนด์ที่สดใส กำหนดไว้ และเข้มข้นเกือบทั้งหมด สีเหล่านี้ยังปรับสูตรเฉพาะสำหรับผลิตภัณฑ์พลาสติกสามมิติได้

การทำสีอ่อน โดยเฉพาะสีผิว เป็นความยากที่เกิดขึ้นสม่ำเสมอสำหรับอิงก์เจ็ทบ่มด้วย UV แม้หยดหมึก CMK ที่เล็กที่สุด ซึ่งปัจจุบันเล็กเพียง 4 พิโคลิตร ก็ยังใหญ่เกินไปสำหรับความสมจริงระดับภาพถ่าย อย่างไรก็ตาม หากเพิ่มชุดรองคือมาเจนตาอ่อน (lm) และไซแอนอ่อน (lc) ร่องรอยของแต่ละจุดจะหายไป ผู้ผลิตเครื่องพิมพ์ OEM มีตัวเลือก CMYKlclmW ให้กับตลาดนี้

การซีดจางจากแสงแดดอาจเป็นข้อกังวลสำคัญด้านความทนทานของงานพิมพ์ เนื่องจากหมึก UV ใช้เม็ดสีไม่ใช่สีย้อม จึงไวต่อแสงแดดน้อยกว่าหมึกเดสก์ท็อปโดยธรรมชาติ ได้ความทนทานต่อการซีดจางดีมากเมื่อผลิตหมึกด้วยเม็ดสีจากอุตสาหกรรมสีรถยนต์ แม้มีราคาสูงกว่า แต่ก็ใช้ในหมึกระดับพรีเมียม แสงแดดยังทำให้พอลิเมอร์เสื่อมสภาพ เกิดผงชอล์กและความเปราะได้

เสถียรภาพของพอลิเมอร์ภายใต้แสง UV เป็นสิ่งจำเป็นตั้งแต่ช่วงแรกของอิงก์เจ็ท UV เพื่อรองรับอุตสาหกรรมโฆษณากลางแจ้ง ได้มาจากการเลือกมอนอเมอร์และโอลิโกเมอร์ การเติมสารทำให้เสถียร และในสถานการณ์ที่ต้องการความทนทานสูงสุดคือการเคลือบเงาทับ การรับแสงกลางแจ้งห้าปีเป็นความคาดหวังที่บรรลุได้โดยทั่วไป

สารเติมแต่งเป็นสิ่งจำเป็นในสูตรหมึกทุกชนิด หมึกสำหรับพิมพ์พลาสติกมักมีสารส่งเสริมการยึดเกาะ การฉีดและการเกิดหยด ซึ่งเห็นได้ชัดว่าเป็นหัวใจของอิงก์เจ็ท ต้องอาศัยความสมดุลอย่างระมัดระวังของสารปรับความหนืดและสารลดแรงตึงผิว หากไม่ถูกต้อง หมึกอาจเป็นละอองหรือเปียกกระจายบนหัวพิมพ์ ซึ่งทั้งสองอย่างไม่เป็นที่ยอมรับ สารประกอบเหล่านี้ยังควบคุมการเปียกและการไหลของหมึกบนวัสดุรองรับ นั่นคือการยึดเกาะและการขยายตัวของจุด (dot gain) โดยทั่วไปมักปรับให้เหมาะกับเคมีพื้นผิวเฉพาะ แต่มีข้อจำกัด เช่น หมึกที่เปียกวัสดุรองรับพลังงานพื้นผิวต่ำได้จะรั่วออกจากหัวพิมพ์ ด้วยเหตุนี้ พื้นผิวจำนวนมากจึงต้องผ่านการปรับสภาพเพื่อให้อยู่ในช่วงที่หมึกทำงานได้

การปรับสภาพพื้นผิว – ความเข้ากันได้ระหว่างหมึกกับวัสดุรองรับพลาสติก

หมึกอิงก์เจ็ทมีความหนืดต่ำและแรงตึงผิวต่ำ ซึ่งสร้างความท้าทายด้านการยึดติดด้วยแรงยึดเกาะบนวัสดุรองรับพอลิเมอร์จำนวนมาก เช่น อะซีทัล พอลิโอเลฟิน และพอลิยูรีเทน พลาสติกที่เฉื่อยทางเคมีเหล่านี้ไม่ชอบน้ำและไม่เปียกตามธรรมชาติ พิจารณาหยดของเหลวเดี่ยวบนพื้นผิวของแข็งเรียบที่อยู่นิ่ง (สมดุล) มุมที่เกิดขึ้นระหว่างพื้นผิวของแข็งกับเส้นสัมผัสของผิวด้านบนที่จุดปลายเรียกว่ามุมสัมผัส (contact angle) คือมุม (θ) ระหว่างเส้นสัมผัสที่จุดสัมผัสกับเส้นแนวนอนของพื้นผิวของแข็ง ดูรูปที่ 2

รูปร่างของฟองหรือหยดเกิดจากแรงระหว่างโมเลกุล ซึ่งทำให้ของเหลวทุกชนิดมีแนวโน้มจัดปริมาตรที่บรรจุอยู่ให้เป็นรูปร่างที่มีพื้นที่ผิวน้อยที่สุดด้วยการหดตัวของพื้นผิว แรงระหว่างโมเลกุลที่ทำให้พื้นผิวหดตัวเรียกว่า “แรงตึงผิว” (surface tension) แรงตึงผิวซึ่งเป็นการวัดพลังงานพื้นผิว แสดงเป็น dynes/cm ยิ่งพลังงานพื้นผิวของวัสดุรองรับที่เป็นของแข็งสูงกว่าแรงตึงผิวของของเหลว (น้ำ หมึกพิมพ์ กาว/สารห่อหุ้ม สารเคลือบ ฯลฯ) มากเท่าใด “ความสามารถในการเปียก” (wettability) ก็จะยิ่งดีและมุมสัมผัสจะยิ่งเล็ก (รูปที่ 2) ตามหลักทั่วไป จะได้การยึดเกาะที่ยอมรับได้เมื่อพลังงานพื้นผิวของวัสดุรองรับสูงกว่าแรงตึงผิวของของเหลวประมาณ 8 ถึง 10 dynes/cm

ในความเป็นจริง ของเหลวและมุมสัมผัสเป็นแบบพลวัต ไม่ใช่แบบสถิต ดูรูปที่ 3 มุมสัมผัสแบบพลวัต (dynamic contact angle: DCA) สำคัญที่สุด เมื่อหยดของเหลวติดอยู่บนพื้นผิวของแข็งและเอียงพื้นผิวนั้น หยดจะพุ่งไปข้างหน้าและเลื่อนลงด้านล่าง มุมที่เกิดขึ้นเรียกตามลำดับว่ามุมรุก (advancing angle, θa) และมุมถอย (receding angle, θr)

โดยทั่วไปถือว่ามุมสัมผัสได้รับผลจากทั้งการเปลี่ยนแปลงของเคมีพื้นผิวและการเปลี่ยนแปลงของลักษณะภูมิประเทศพื้นผิว มุมสัมผัสรุกไวที่สุดต่อองค์ประกอบพลังงานต่ำ (ที่ไม่ได้ปรับสภาพ) ของพื้นผิววัสดุรองรับ ขณะที่มุมถอยไวกว่าต่อหมู่ออกซิไดซ์พลังงานสูงที่เกิดจากการปรับสภาพพื้นผิว ดังนั้น มุมถอยจึงเป็นการวัดที่บ่งชี้องค์ประกอบที่ถูกปรับเปลี่ยนของพื้นผิวหลังการปรับสภาพได้ดีที่สุด เมื่อวัดโดยใช้สารละลายไดน์ ดังนั้นจึงสำคัญที่ต้องวัดทั้งมุมสัมผัสรุกและมุมถอยบนวัสดุที่ปรับเปลี่ยนพื้นผิวทุกชนิด

ความเร็วของเครื่องพิมพ์ยังส่งผลต่อแรงตึงผิวที่มีประสิทธิผลของหมึกได้ หมึกที่วัดแรงตึงผิวแบบสถิตได้ 25 dynes อาจมีพฤติกรรมแบบพลวัตเหมือนหมึกที่มีแรงตึงผิว 40 dynes บนเครื่องพิมพ์ความเร็วสูง2 การทำงานของหัวพิมพ์และระบบพิมพ์อิงก์เจ็ทต่อของเหลวที่จ่ายออกไปอาจส่งผลอย่างมากต่อการจัดเรียงตัวใหม่ของส่วนประกอบของของเหลวระหว่างการจ่ายและการทำปฏิกิริยากับพื้นผิวพิมพ์และชั้นหมึกหรือสารเคลือบอื่น เมื่อความถี่ที่หัวพิมพ์อิงก์เจ็ทสามารถฉีดหยดหมึกสูงขึ้น และความเร็วของเครื่องพิมพ์อิงก์เจ็ทและเครื่องพิมพ์ความเร็วสูงเพิ่มขึ้นด้วยอาร์เรย์เต็มความกว้างแบบผ่านครั้งเดียว ปฏิสัมพันธ์ของแรงตึงผิวระหว่างหมึก สารเคลือบ และวัสดุรองรับก็สร้างความท้าทายเพิ่มขึ้น

ผู้ผลิตมีแนวโน้มอย่างมากที่จะมุ่งเน้นเฉพาะการวัดมุมสัมผัสเป็นตัวทำนายเพียงอย่างเดียวในการระบุปัญหาการยึดติดและการทดสอบพื้นผิวตามปกติ สิ่งที่สำคัญไม่แพ้กันคือหมู่ฟังก์ชันทางเคมีของพื้นผิว ซึ่งเป็นตัวที่ทำให้พื้นผิวไม่ชอบน้ำถูกกระตุ้นให้เป็นพื้นผิวชอบน้ำที่ยึดติดได้ กระบวนการปรับสภาพด้วยการออกซิเดชันพื้นผิวแบบ “กลาวดิสชาร์จ” (glow-discharge) ในวัฏภาคแก๊สใช้สำหรับการกระตุ้นพื้นผิวทางเคมี การปรับสภาพพื้นผิวจะแก้ปัญหาการยึดเกาะของหมึกได้เกือบทั้งหมดโดยเพิ่มพลังงานพื้นผิวของวัสดุรองรับและสร้างหมู่ฟังก์ชันเคมีเชิงออกซิเดชัน

วิธีการออกซิเดชันพื้นผิวในวัฏภาคแก๊สประกอบด้วย การปรับสภาพด้วยโคโรนาจากการปล่อยประจุไฟฟ้า การปรับสภาพด้วยเปลวไฟ พลาสมาแก๊สเย็น และการฉายรังสีอัลตราไวโอเลต แต่ละวิธีเหมาะกับการใช้งานเฉพาะและมีข้อได้เปรียบเฉพาะตัวรวมถึงข้อจำกัดที่อาจมี ปฏิกิริยาเคมีและกายภาพพื้นฐานที่เกิดกับอิเล็กตรอนอิสระ ไอออน เมตาสเตเบิล อนุมูล และ UV เมื่อถูกสร้างขึ้นในพลาสมา สามารถกระทบพื้นผิวด้วยพลังงานที่มากพอจะทำลายพันธะโมเลกุลบนพื้นผิวของวัสดุรองรับพอลิเมอร์ส่วนใหญ่ ซึ่งสร้างฟรีเรดิคัลที่มีปฏิกิริยาสูงบนพื้นผิวพอลิเมอร์ และฟรีเรดิคัลเหล่านี้สามารถเกิดการเชื่อมขวาง หรือเมื่อมีออกซิเจนจะทำปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วจนเกิดหมู่ฟังก์ชันทางเคมีต่าง ๆ บนพื้นผิววัสดุรองรับ หมู่ฟังก์ชันมีขั้วที่เกิดขึ้นได้และช่วยเพิ่มความสามารถในการยึดติด ได้แก่ หมู่คาร์บอนิล (C=O) คาร์บอกซิล (HOOC) ไฮโดรเปอร์ออกไซด์ (HOO-) และไฮดรอกซิล (HO-) แม้หมู่ฟังก์ชันเชิงปฏิกิริยาปริมาณเล็กน้อยที่รวมเข้าไปในพอลิเมอร์ก็เป็นประโยชน์อย่างมากต่อการปรับปรุงหมู่ฟังก์ชันทางเคมีและความสามารถในการเปียกของพื้นผิว

ระดับหรือคุณภาพของการปรับสภาพได้รับผลจากความสะอาดของพื้นผิวพลาสติก พื้นผิวต้องสะอาดจึงจะได้การปรับสภาพที่เหมาะสมที่สุดและการยึดเกาะของหมึกตามมา สิ่งปนเปื้อนบนพื้นผิว เช่น สารช่วยถอดแบบซิลิโคน สิ่งสกปรก ฝุ่น จาระบี น้ำมัน และรอยนิ้วมือ ขัดขวางการปรับสภาพ ความบริสุทธิ์ของวัสดุก็เป็นปัจจัยสำคัญเช่นกัน อายุการเก็บของพลาสติกที่ปรับสภาพแล้วขึ้นกับชนิดเรซิน สูตร และสภาพแวดล้อมของพื้นที่จัดเก็บ อายุการเก็บของผลิตภัณฑ์ที่ปรับสภาพแล้วถูกจำกัดโดยวัสดุ เช่น สารต้านอนุมูลอิสระ พลาสติไซเซอร์ สารลื่นและสารป้องกันไฟฟ้าสถิต สารให้สีและเม็ดสี สารทำให้เสถียร ฯลฯ การที่พื้นผิวที่ปรับสภาพแล้วสัมผัสอุณหภูมิสูงจะเพิ่มความเคลื่อนที่ของสายโซ่โมเลกุล ยิ่งสายโซ่เคลื่อนที่ได้มาก การเสื่อมของผลการปรับสภาพก็ยิ่งเร็ว ความเคลื่อนที่ของสายโซ่พอลิเมอร์ในวัสดุที่ปรับสภาพแล้วทำให้ตำแหน่งยึดติดที่เกิดจากการปรับสภาพเคลื่อนห่างจากพื้นผิว ส่วนประกอบเหล่านี้อาจเคลื่อนตัวมายังพื้นผิวพอลิเมอร์ในที่สุด ดังนั้นจึงแนะนำให้ยึดติด เคลือบ ทาสี พิมพ์ หรือตกแต่งผลิตภัณฑ์โดยเร็วที่สุดหลังการปรับสภาพ

บทสรุป

อิงก์เจ็ท UV ดิจิทัลกำลังปฏิวัติการพิมพ์และการตกแต่งผลิตภัณฑ์พลาสติกสามมิติ อิงก์เจ็ทเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและมีหลายตัวแปร มีความท้าทายสำคัญในการพิมพ์บนพอลิเมอร์ที่ยึดติดยาก ซึ่งเกินกว่าหมึกและเครื่องพิมพ์มาตรฐานของ OEM หมึกความหนืดต่ำที่ฉีดลงบนพลาสติกพลังงานพื้นผิวต่ำเข้ากันไม่ได้ทั้งทางเคมีและกายภาพ และมักต้องปรับสภาพพื้นผิวเพื่อแก้ปัญหาการยึดเกาะ แม้เทคโนโลยีการบ่มด้วย UV จะมีประโยชน์สำคัญ แต่หมึกที่บ่มไม่สมบูรณ์เป็นอันตราย การเข้าใจรายละเอียดของการพิมพ์อิงก์เจ็ทและวิทยาศาสตร์พื้นผิววัสดุช่วยให้พัฒนาโซลูชันเฉพาะเพื่อตอบสนองความต้องการของการใช้งานใหม่ ๆ ได้

เอกสารอ้างอิง

• “Solving the Problems of Plastics Adhesion”, Plastics Engineering, April 2011, Scott R. Sabreen, The Sabreen Group Inc.
• “Some Things to Remember About Dynamic Surface Tension”, PFFC, April 2003, Dr. Richard M. Podhajny, Ph.D.

Scott R. Sabreen เป็นผู้ก่อตั้งและประธานของ The Sabreen Group, Inc. บริษัทวิศวกรรมที่เชี่ยวชาญด้านกระบวนการแปรรูปพลาสติกขั้นที่สอง ได้แก่ การปรับสภาพพื้นผิว การยึดติด การตกแต่งและการเก็บงานผิว การมาร์กด้วยเลเซอร์ และความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ เขาพัฒนาเทคโนโลยีใหม่และแก้ปัญหาการผลิตมานานกว่า 25 ปี ติดต่อได้ที่ 888.SABREEN หรือเยี่ยมชม www.sabreen.com หรือ www.plasticslasermarking.com

Dene Taylor, Ph.D. ก่อตั้ง SPF-Inc ในปี 2000 เพื่อให้บริการอุตสาหกรรมการพิมพ์และบรรจุภัณฑ์ โดยมุ่งเน้นการปรับใช้การพิมพ์ดิจิทัลกับตลาดและการใช้งานใหม่ ๆ เขาจบการศึกษาด้านนาโนเคมี และประมาณครึ่งหนึ่งของสิทธิบัตรสหรัฐ 25 ฉบับของเขาเกี่ยวข้องกับการพิมพ์ดิจิทัล เขาเป็นสมาชิกของ SGIA, TAPPI และ Radtech ติดต่อได้ที่ [email protected]

---