플라스틱 잉크젯 인쇄

폴리프로필렌, 나일론 및 기타 플라스틱의 잉크젯 인쇄

플라스틱 산업용 잉크젯 인쇄

UV LED 잉크젯 잉크를 사용하여 폴리프로필렌 제품 및 저표면에너지 플라스틱에 강력한 잉크 접착력과 가혹한 실외 내후성을 구현하는 방법을 알아보십시오. 정교하게 설계된 잉크젯 인쇄 공정과 실내외 플라스틱 제품용 나노스케일 소수성 코팅은 최대 30년의 UV 노출 및 내후성을 보장합니다. 새로운 잉크 및 코팅 기술은 디지털 드롭 온 디맨드 방식 UV LED 잉크젯 인쇄의 응용 범위를 크게 확장하고 있습니다.

나노스케일 소수성 코팅

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폴리머 및 유연 기재에 대한 압전 방식 드롭 온 디맨드 UV LED 잉크젯 인쇄는 기존 아날로그 인쇄보다 더 복잡하고 정교한 기술을 요구합니다. 드롭 온 디맨드 잉크젯 기술은 노즐이 정확한 크기의 액적을 정밀하게 분사할 것을 요구합니다. 고품질 잉크젯 인쇄 시스템은 프린트헤드, 유체, 전자 제어장치, 전처리 및 경화 공정을 동시에 통합해야 합니다. 모든 구성 요소가 원활하게 함께 작동해야 원하는 결과를 얻을 수 있습니다.

주요 공정 변수는 1) 폴리머 기재, 2) 잉크젯 프린터, 3) 잉크 화학 및 기재 표면 적합성의 세 가지입니다. 우수한 인쇄 품질을 얻으려면 모든 요소가 정밀하고 안정적이어야 합니다. 이들 변수 중 하나라도 변경하면 불균형이 발생하여 다른 변수들도 함께 조정해야 합니다. 입체 및 윤곽이 있는 형상에 대한 인쇄는 OEM 프린터/프린트헤드 선택지가 상대적으로 적어 더욱 복잡합니다. 각 OEM은 제한된 범위에서 개발된 인증 잉크만 사용하도록 제한합니다. 잉크젯 인쇄 및 표면 과학의 세부 사항을 철저히 이해하면 전례 없는 성능과 결과를 얻을 수 있습니다.

SABREEN은 최근 100퍼센트 이상 신축되는 유연 플라스틱 및 고무 제품의 맞춤화를 위한 UV LED 잉크와 잉크젯 인쇄 공정을 개발하여 상용화했습니다. 적용 제품으로는 치료용 운동 밴드, 수영모, 위생 웨어러블 제품 등이 있습니다. 독립 독성 시험 결과는 캘리포니아주 65호 법안(CAL Prop 65), 미국 독성 위험 평가 및 ASTM D 4236(LHAMA – 16 CFR 1500.14)을 준수합니다.

당사의 잉크젯 인쇄 공정은 고품질 잉크와 첨단 인쇄 기술을 사용하여 모든 종류의 플라스틱에 선명하고 오래 지속되는 이미지를 구현합니다.

잉크젯 인쇄에서 접착력은 매우 중요합니다. 접착력에 영향을 미치는 변수로는 폴리머 소재(착색제, 충전제 및 첨가제 포함), 성형 공정, 표면 상태, 질감, 보관 및 취급 방식 등이 있습니다. 설계 및 제조 엔지니어는 현장 성능 기준을 충족하면서도 인쇄가 용이한 최적의 열가소성 소재를 선택하는 것이 중요합니다. 보호용 투명 코팅(톱코트)을 적용하면 500회 이상의 연속 온수 식기세척기 세척과 같은 화학적/마모 저항성을 장기간 확보할 수 있습니다. 이러한 코팅은 잉크젯 유체 또는 스프레이 분무 방식으로 착색된 잉크 위에 적용됩니다.

열가소성 플라스틱은 비정질(무정형)과 결정질의 두 가지 하위 범주로 나뉩니다. 매우 긴 사슬 형태의 분자는 비교적 약한 반데르발스 힘에 의해 결합되어 있습니다. 일반적으로 비정질 폴리머는 결정질 폴리머보다 우수한 접착 특성을 지닙니다. 비정질이란 정해진 형태가 없거나 형태가 쉽게 변형됨을 의미합니다. 결정질은 분자 집합체에 규칙적이고 정해진 패턴이 있음을 의미합니다. ABS, 스티렌, 폴리카보네이트와 같은 비정질 수지는 스파게티와 같은 무작위 구조를 나타냅니다. 열을 가하면 이들은 연화되며 명확한 융점을 갖지 않습니다.

폴리올레핀, PET, 나일론과 같은 결정질 수지는 금속 스프링이 진동을 흡수하는 것처럼 감긴 스프링과 유사한 규칙적인 패턴을 가지고 있습니다. 이러한 결정질 소재는 명확하게 정의된 융점을 가집니다. 하나의 폴리머 내에서는 두 상태가 공존하며, 인접한 부분은 이차 인력에 의해 촘촘한 결정질 다발로 뭉쳐지는 반면, 동일한 분자의 다른 부분은 결정 격자 안으로 물리적으로 이동하지 못해 비정질 상태로 남습니다. 그림 2를 참조하십시오.

그림 2. 비정질 및 결정질 열가소성 플라스틱

열가소성 플라스틱 선정 – 공정 적합성

잉크젯 인쇄가 성공하려면 고온 상태의 잉크가 프린트헤드에서 원활하게 분사되어 기재와 적절히 상호작용하고 강력한 접착력을 발휘해야 합니다. 이러한 밀접한 접촉을 '습윤(wetting)' 또는 '표면 습윤'이라 하며, 이는 잉크가 표면 위로 퍼지는 능력을 의미합니다. 그러나 대부분의 폴리머 표면은 본래 소수성이어서 습윤이 어렵습니다. 이러한 플라스틱은 일반적으로 화학적으로 불활성이며 다공성이 없는 표면을 지니고 표면 에너지가 낮아 인쇄 접착이 거의 불가능합니다. 표면 에너지란 고체의 내부가 아닌 표면에 존재하는 잉여 에너지를 말합니다.

1차 성형 공정은 폴리머 소재가 명시된 물성을 달성하는 데 매우 중요합니다. 적절한 플라즈마 표면 전처리를 표면 질감 및 우수한 제조 관행과 함께 적용하면 대부분, 혹은 모든 접착 및 습윤 문제를 해결할 수 있습니다. 주어진 용도에 가장 적합한 열가소성 소재를 선정하는 일은 쉽지 않습니다. 부품 설계자들은 흔히 인쇄가 매우 어려운 벌크 화학적, 표면적 특성을 요구하는 경우가 많습니다. 폴리머 선택과 인쇄 용이성 사이의 중요한 균형을 보여주는 적용 사례들을 살펴보겠습니다.

폴리아미드(나일론)에 대한 컬러 잉크젯 인쇄는 가장 수요가 높은 응용 분야 중 하나입니다. 나일론의 화학적 조성은 높은 융점을 부여하여 자동차 엔진과 같은 고온 환경 및 기타 고마찰 기계 부품에서 금속 부품의 훌륭한 대체재가 됩니다. 다른 열가소성 소재와 마찬가지로 나일론 플라스틱은 연소되지 않고 융점에서 액체로 변하므로 용융하여 재성형하거나 재활용할 수 있습니다. 나일론 소재는 고마찰 용도에서도 쉽게 발열하지 않습니다. 그러나 잉크젯 잉크는 특수 잉크와 전처리 없이는 나일론(또는 대부분의 저표면에너지 폴리머)에 잘 접착되지 않습니다. 이는 부분적으로 나일론의 소수성 특성에 기인합니다. 그림 3을 참조하십시오.

그림 3. 나일론 플라스틱(PA)의 일반적인 물성

무엇보다 먼저 나일론 소재가 적절히 건조 및 가공되어 성형 직후와 같은 건조 상태의 물성을 유지하도록 해야 합니다. 수지 제조사마다 화학적 제조 방식이 다르며 이는 접착 성능에 영향을 줄 수 있습니다. 수지/등급별로 대체 공급업체를 평가하고, 나일론 6과 나일론 66(나일론 11 및 12) 간의 차이에 유의하십시오. 나일론 6과 달리 나일론 66은 각각 6개의 탄소 원자를 제공하는 헥사메틸렌디아민과 아디프산이라는 두 가지 단량체로 구성되어 있으며, 이 때문에 '66'이라는 이름이 붙었습니다. 이 소재는 나일론 6보다 결정성이 높아 강성 및 인장·굴곡 탄성률이 향상됩니다.

나일론 6은 나일론 66보다 수분을 다소 더 많이 흡수합니다. 성형 후 2차 공정에 들어가기 전, 제품은 폴리백이 아닌 폴리에스터 백에 포장하는 것이 바람직합니다. 폴리백에서 발견되는 저분자량 물질이 표면으로 이행하여 교차 오염 문제를 일으킬 수 있습니다. 보관 기간과 온도 또한 접착 성능에 영향을 미칩니다. 성형 후 가능한 한 빨리 인쇄하십시오.

인쇄 문제가 해결되지 않는 경우, 유사한 물성을 지니면서도 인쇄나 레이저 마킹이 더 쉬운 대체 플라스틱 사용을 고려하십시오. 이 점은 설계자와 제조 엔지니어 모두가 제품 사양을 수립하는 데 있어 매우 중요함을 강조합니다. 폴리프로필렌 및 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)은 성형, 소재 및 인쇄 문제에 덜 민감하며 비용도 저렴합니다. HDPE는 열역학적으로 더 안정적이어서 셋 중 인쇄가 가장 용이합니다. 그림 4를 참조하십시오.

잉크젯 잉크는 점도와 표면 장력이 낮아 아세탈, 폴리올레핀, 폴리우레탄과 같은 여러 폴리머 기재에서 접착 결합에 어려움을 일으킵니다. 이러한 화학적으로 불활성인 플라스틱은 소수성이며 자연적으로 습윤되지 않습니다. 평평한 고체 표면 위에 정지 상태(평형)로 놓인 단일 액체 방울을 생각해 보십시오. 고체 표면과 방울 끝점에서의 상부 표면 접선이 이루는 각도를 접촉각이라 하며, 이는 접촉점에서의 접선과 고체 표면의 수평선 사이의 각도(x)입니다. 그림 2를 참조하십시오.

방울/기포 형태는 모든 액체가 표면 수축을 통해 최소 표면적을 갖는 형태로 담긴 부피를 만들려는 분자력에서 비롯됩니다. 표면을 수축시키는 분자간 힘을 '표면 장력'이라고 합니다.

표면 장력은 표면 에너지를 나타내는 척도로, 다인/센티미터(dynes/cm) 단위로 표시됩니다. 고체 기재의 표면 에너지가 액체(물, 인쇄용 잉크, 접착제/봉지재, 코팅재 등)의 표면 장력보다 높을수록 '습윤성'이 더 우수해지며 접촉각은 더 작아집니다(그림 2).

일반적으로 기재의 표면 에너지가 액체의 표면 장력보다 약 8~10다인/센티미터 더 클 때 적절한 접착 결합이 이루어집니다.

그림 2. 접촉각 및 습윤 정도

그림 3. 유체 흐름과 동적 접촉각

실제로 유체와 접촉각은 정적이지 않고 동적입니다. 그림 3을 참조하십시오. 동적 접촉각(DCA)이 가장 중요합니다. 방울이 고체 표면에 부착된 상태에서 표면이 기울어지면 방울은 앞으로 밀리며 아래로 미끄러집니다. 이때 형성되는 각도를 각각 전진각(θa)과 후퇴각(θr)이라고 합니다.

접촉각은 일반적으로 표면 화학의 변화와 표면 형상(지형)의 변화 모두에 영향을 받는 것으로 간주됩니다. 전진 접촉각은 기재 표면의 저에너지(미개질) 성분에 가장 민감한 반면, 후퇴각은 표면 전처리로 도입된 고에너지 산화 그룹에 더 민감합니다. 따라서 후퇴각은 다인 용액을 이용해 측정했을 때 전처리 후 개질된 표면 성분을 가장 잘 나타내는 지표입니다. 따라서 표면이 개질된 모든 소재에서 전진 접촉각과 후퇴 접촉각을 모두 측정하는 것이 중요합니다.

소재 순도 또한 중요한 요소입니다. 처리된 플라스틱의 저장 수명은 수지 종류, 배합, 보관 장소의 주변 환경에 따라 달라집니다. 처리된 제품의 저장 수명은 산화 방지제, 가소제, 슬립제 및 대전 방지제, 착색제 및 안료, 안정제 등의 물질 존재에 의해 제한됩니다. 처리된 표면이 고온에 노출되면 분자 사슬 이동성이 증가하며, 사슬 이동성이 높을수록 처리 효과의 노화가 빨라집니다. 처리된 소재 내 폴리머 사슬 이동성으로 인해 처리 과정에서 생성된 결합 부위가 표면에서 멀어질 수 있습니다. 이러한 성분들은 결국 폴리머 표면으로 이행할 수 있습니다. 따라서 전처리 후에는 가능한 한 빨리 제품을 접착, 코팅, 도장, 인쇄 또는 장식하는 것이 권장됩니다.

UV 잉크는 안료 착색제만 사용하지만 그 범위는 넓어 심각한 제약이 되지 않습니다. 배합 및 잉크 제조 기술의 발전으로 제조업체는 짙은 색상 기재 위의 바탕색이나 투명 소재 위의 배경색으로 특히 유용한 백색(W)을 제공할 수 있게 되었습니다. 잉크젯 기본 색상인 시안, 마젠타, 옐로우, 블랙(CMYK)을 함께 사용하면 잉크 층을 두껍게 형성할 수 있어 넓은 색역을 구현할 수 있습니다. 그러나 안료 기반이기 때문에 이들 잉크는 적어도 부분적으로 불투명하여 하부 색상을 가립니다. 강도가 보조 색상으로 완전히 전환되지 않아 주요 브랜드에서 선호하는 다수의 팬톤 색상이 제외됩니다.

아날로그 인쇄는 특별히 배합된 별색을 사용합니다. 6, 8, 10 프린트헤드 기계에서 이러한 별색을 사용할 수도 있지만, 잉크젯 프린터에서 별색을 교체하는 것이 플렉소나 스크린 인쇄보다 훨씬 어렵기 때문에 널리 사용되지 않습니다. 이는 또한 연속된 이미지 작업을 전환할 수 있는 디지털 인쇄의 장점과도 상충됩니다. 대안으로는 CM과 Y 사이의 중간 색조를 지닌 강렬한 잉크로 확장 색역 잉크 세트를 사용하는 방법이 있습니다. 레드, 그린, 블루(RGB) 또는 오렌지, 그린, 바이올렛(OGV)은 라벨 및 광고 인쇄에서 색역을 확장하고 밝고 선명하며 지정된 브랜드 색상 대부분을 재현하는 데 사용됩니다. 이러한 색상은 입체 플라스틱 제품용으로 맞춤 배합할 수도 있습니다.

밝은 색상, 특히 피부색을 재현하는 것은 UV 경화 잉크젯 인쇄에서 지속적으로 어려운 과제입니다. 현재 최소 4피코리터에 불과한 CMK의 가장 작은 방울조차도 사실적인 표현에는 크기가 너무 큽니다. 그러나 2차 세트인 라이트 마젠타(lm)와 라이트 시안(lc)을 추가하면 개별 도트의 결점이 제거됩니다. CMYKlclmW 옵션은 프린터 OEM을 통해 이 시장에서 제공되고 있습니다.

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