プラスチックへのインクジェット印刷

ポリプロピレン、ナイロンおよびその他プラスチックへのインクジェット印刷

プラスチックへの工業用インクジェット印刷

UV LEDインクジェットインクを使用し、ポリプロピレン製品や低表面エネルギープラスチックへのインクジェット印刷において、強力なインク密着と過酷な屋外耐候性を実現する方法をご紹介します。屋内外のプラスチック製品に施された、高度に設計されたインクジェット印刷プロセスとナノスケール疎水性コーティングは、最大30年間のUV暴露および耐候性を保証します。新しいインクおよびコーティング技術により、デジタルドロップオンデマンド方式のUV LEDインクジェット印刷の用途が大きく拡大しています。

ナノスケール疎水性コーティング

ポリプロピレンへのUV LEDインクジェット印刷（実際のスマートフォン撮影写真）

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ポリマーおよびフレキシブル基材へのピエゾ方式ドロップオンデマンドUV LEDインクジェット印刷は、従来のアナログ印刷よりも複雑で繊細です。ドロップオンデマンド方式のインクジェット技術では、ノズルが正確なサイズの液滴を精密に吐出する必要があります。高品質なインクジェット印刷システムには、プリントヘッド、インク液、電子制御装置、前処理、硬化を同時に統合することが求められます。目的の結果を得るには、これらすべての要素がシームレスに連携して機能しなければなりません。

主要な入力プロセスパラメータは3つあります。1）ポリマー基材、2）インクジェットプリンター、3）インク化学組成と基材表面の適合性です。優れた印刷品質を実現するには、これらすべての要素が精密かつ安定している必要があります。いずれか一つのパラメータを変更すると全体のバランスが崩れ、他のパラメータの調整が必要になります。立体形状や輪郭のある形状への印刷はさらに複雑で、OEMプリンター／プリントヘッドの選択肢は比較的限られています。各OEMは、限られた範囲向けに開発された認定インクに制限されます。インクジェット印刷と表面科学の複雑さを深く理解することで、これまでにない能力と成果が可能になります。

SABREENは近年、100％以上伸縮する柔軟なプラスチックおよびゴム製品のカスタマイズ向けに、UV LEDインクとインクジェット印刷プロセスを開発・商業化しました。対象製品には、運動療法用エクササイズバンド、水泳キャップ、衛生用ウェアラブル製品などが含まれます。独立系毒性試験機関による分析結果は、CALプロポジション65、米国毒性リスク評価、およびASTM D 4236（LHAMA — 16 CFR 1500.14）に適合しています。

当社のインクジェット印刷プロセスは、高品質インクと先進の印刷技術を採用し、あらゆる種類のプラスチックに鮮やかで長持ちする画像を実現します。

インクジェット印刷において、密着性はきわめて重要です。密着性に影響する要因には、ポリマー材料（着色剤、充填材、添加剤を含む）、成形プロセス、表面状態、テクスチャー、保管・取り扱いなどがあります。設計・製造エンジニアにとって、現場での性能要件を満たしつつ印刷しやすい最適な熱可塑性樹脂を選定することが重要です。保護透明コーティング（トップコート）を施すことで、化学薬品・摩耗への耐性を延長でき、たとえば食器洗浄機による洗浄（連続500サイクル超）にも対応可能です。これらのコーティングは、インクジェット方式またはスプレー噴霧方式で顔料入りインクの上に塗布されます。

熱可塑性樹脂は、非晶質と結晶質の2つのサブカテゴリーに分類されます。非常に長い鎖状の分子は、比較的弱いファンデルワールス力によって結び付いています。一般に、非晶質ポリマーは結晶質ポリマーよりも優れた密着特性を持ちます。「非晶質」とは、明確な形状を持たない、または容易に変形する形状を意味します。一方「結晶質」とは、分子集合体に規則的で明確なパターンがあることを意味します。ABS、スチレン、ポリカーボネートなどの非晶質樹脂は、ランダムでスパゲッティ状の構造を示します。熱を加えると軟化しますが、明確な融点は持ちません。

ポリオレフィン、PET、ナイロンなどの結晶質樹脂は、金属バネが振動を減衰させるのと同様に、コイルバネのような規則的なパターンを持ちます。これらは明確な融点を持ちます。ポリマー内では、これら2つの状態が共存しており、隣接する部分は二次的な引力によって密な結晶質の束を形成する一方、同じ分子の他の部分は結晶格子に物理的に組み込まれず非晶質のままとなります。図2を参照してください。

図2. 非晶質および結晶質の熱可塑性樹脂

熱可塑性樹脂の選定 — プロセス適合性

インクジェット印刷を成功させるには、加熱されたインクがプリントヘッドから容易に吐出され、基材と適切に相互作用し、強力な密着性を実現する必要があります。この密接な接触は「ウェッティング（濡れ）」と呼ばれ、インクが表面に広がる能力を指します。しかし、ほとんどのポリマー表面は本来疎水性であり、濡れにくい性質を持ちます。これらのプラスチックは一般に化学的に不活性で非多孔質の表面を持ち、表面エネルギーが低いため、印刷の密着はほぼ不可能になります。表面エネルギーとは、固体の（内部ではなく）表面に存在する余剰エネルギーのことです。

一次成形プロセスは、ポリマー材料の規定特性を実現するうえできわめて重要です。適切なプラズマ表面前処理を表面テクスチャーおよび適正な製造管理と組み合わせることで、密着・濡れの問題のほとんど、あるいはすべてを解決できます。あらゆる用途に最適な熱可塑性樹脂を選定することは容易ではありません。部品設計者は、印刷が困難な化学的バルク特性や表面特性を求めることがよくあります。ここでは、ポリマー選定と印刷しやすさの間の微妙なバランスを示す適用事例を見ていきましょう。

ポリアミド（ナイロン）へのカラーインクジェット印刷は、最も需要の高い用途の一つです。ナイロンはその化学組成により融点が高く、自動車エンジンなどの高摩擦機械をはじめとする高温環境において金属部品の優れた代替材料となります。他の熱可塑性材料と同様、ナイロンは融点で燃焼せず液化するため、溶融して再成形またはリサイクルすることが可能です。また、ナイロン材料は高摩擦用途で使用しても発熱しにくいという特長があります。しかし、専用のインクと前処理を用いない限り、インクジェットインクはナイロン（およびほとんどの低表面エネルギーポリマー）にうまく密着しません。これは、その疎水性が一因です。図3を参照してください。

図3. ナイロン樹脂（PA）の代表的な特性

まず何よりも、ナイロン材料が適切に乾燥・処理され、成形時と同等の乾燥状態を保っていることを確認してください。樹脂メーカーによって化学的な製造方法が異なるため、密着性能に影響を及ぼすことがあります。樹脂・グレードごとに代替サプライヤーを評価し、ナイロン6とナイロン66（ナイロン11・12）の違いに注意してください。ナイロン6とは異なり、ナイロン66はヘキサメチレンジアミンとアジピン酸という、それぞれ炭素原子6個を持つ2種類のモノマーで構成されており、これが「66」という名称の由来です。この材料はナイロン6よりも結晶質性が高く、剛性、引張弾性率、曲げ弾性率が向上します。

ナイロン6は、ナイロン66よりもわずかに多くの水分を吸収します。成形後、二次加工の前には、ポリバッグではなくポリエステル製の袋に梱包することが望まれます。ポリバッグに含まれる低分子量成分が表面に移行し、相互汚染の問題を引き起こすためです。保管期間や温度も密着性能に影響します。成形後はできるだけ早く印刷を行ってください。

印刷上の問題が解決できない場合は、同様の特性を持ちながら印刷やレーザーマーキングが容易な代替プラスチックの使用を検討してください。この点は、設計者と製造エンジニアの双方が製品仕様を策定するうえでの重要性を示しています。ポリプロピレンおよび高密度ポリエチレン（HDPE）は、成形・材料・印刷上の問題への感度が低く、コストも抑えられます。HDPEは熱力学的に安定しているため、3種類の中で最も印刷しやすい材料です。図4を参照してください。

インクジェットインクは低粘度・低表面張力であるため、アセタール、ポリオレフィン、ポリウレタンなど多くのポリマー基材で密着接合上の課題が生じます。これらの化学的に不活性なプラスチックは疎水性で、自然には濡れません。平坦な固体表面上に静止（平衡状態）した単一の液滴を考えてみましょう。固体表面と、液滴上面の端点における接線とがなす角度は「接触角」と呼ばれ、接触点における接線と固体表面の水平線との間の角度（x）を指します。図2を参照してください。

気泡・液滴の形状は、すべての液体が表面の収縮を通じて、内包する体積を最小の表面積を持つ形状にしようとする分子間力によるものです。表面を収縮させるこの分子間力を「表面張力」と呼びます。

表面張力は表面エネルギーの尺度であり、ダイン/cmで表されます。固体基材の表面エネルギーが液体（水、印刷インク、接着剤・封止材、コーティングなど）の表面張力に対して相対的に高いほど「濡れ性」が良好になり、接触角は小さくなります（図2）。

一般的な目安として、基材の表面エネルギーが液体の表面張力よりも約8～10ダイン/cm高い場合に、良好な接着密着性が得られます。

図2. 接触角と濡れの程度

図3. 流体の流れと動的接触角

実際には、流体と接触角は静的ではなく動的です。図3を参照してください。動的接触角（DCA）が最も重要です。液滴が固体表面に付着した状態で表面を傾けると、液滴は前方に突出しながら下方へ滑り落ちます。このとき形成される角度は、それぞれ前進接触角（θa）および後退接触角（θr）と呼ばれます。

接触角は、表面化学の変化と表面形状（トポグラフィー）の変化の両方の影響を受けると一般に考えられています。前進接触角は基材表面の低エネルギー（未処理）成分に最も敏感である一方、後退接触角は表面前処理によって導入された高エネルギーの酸化基により敏感です。したがって、後退接触角こそが、ダイン溶液を用いて測定した際に、前処理後の表面変性成分を最も特徴的に反映する指標となります。そのため、表面改質を施したすべての材料について、前進接触角と後退接触角の両方を測定することが重要です。

材料純度も重要な要因です。処理済みプラスチックの保存期間は、樹脂の種類、配合、および保管場所の周囲環境によって左右されます。処理済み製品の保存期間は、酸化防止剤、可塑剤、滑剤・帯電防止剤、着色剤・顔料、安定剤などの存在によって制限されます。処理済み表面を高温にさらすと分子鎖の可動性が高まり、鎖の可動性が高いほど処理効果の劣化（エージング）が速く進みます。処理済み材料における高分子鎖の可動性は、処理によって生成された結合部位を表面から遠ざける方向に作用します。これらの成分は、最終的にポリマー表面へ移行することがあります。したがって、前処理後はできるだけ早く、接着、コーティング、塗装、印刷、または加飾を行うことを推奨します。

UVインクは顔料系着色剤のみを使用しますが、その色域は広く、大きな制約にはなりません。配合技術とインク製造技術の進歩により、メーカーは白色（W）インクを提供できるようになりました。これは、濃色基材のベースカラーとして、あるいは透明基材上の背景色として特に有用です。インクジェットの基本色であるシアン、マゼンタ、イエロー、ブラック（CMYK）を組み合わせることで、インク層を厚くできるため広い色域が得られます。ただし、顔料をベースとしているため少なくとも部分的に不透明であり、下層の色をマスクしてしまいます。彩度は二次色に完全には反映されないため、主要ブランドで人気の高いパントーンカラーの一部が再現できません。

アナログ印刷では、専用に調合されたスポットカラーが使用されます。6・8・10プリントヘッド機ではこうしたスポットカラーが利用可能な場合もありますが、インクジェットプリンターではフレキソ印刷やスクリーン印刷と比べてスポットカラーの切り替えがはるかに難しいため、あまり普及していません。これはまた、連続する画像でジョブを切り替えるというデジタル印刷本来の利点とも相反します。代替策として、CMとYの中間色相を持つ濃色インクを用いた拡張色域インクセットを採用する方法があります。赤・緑・青（RGB）、または橙・緑・紫（OGV）は、ラベルおよび広告印刷において色域を拡張し、明るく特定された鮮やかなブランドカラーの大半をカバーするために使用されます。これらの色は、立体的なプラスチック製品向けにカスタム調合することも可能です。

淡い色調、特に肌色の再現は、UV硬化インクジェット印刷における一貫した課題です。CMKの最小液滴は現在わずか4ピコリットルまで小さくなっていますが、それでもフォトリアルな表現には大きすぎます。しかし、ライトマゼンタ（lm）とライトシアン（lc）の二次インクセットを加えることで、個々のドットによるアーティファクトが解消されます。CMYKlclmWのオプションは、プリンターOEM各社からこの市場向けに提供されています。

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