塑料喷墨打印

聚丙烯、尼龙及其他塑料喷墨打印

工业塑料喷墨打印

了解如何利用 UV LED 喷墨油墨，在聚丙烯产品及低表面能塑料上实现强附着力与严苛户外耐候性。经专业工程设计的喷墨打印工艺与纳米级疏水涂层，可使室内外塑料产品承受高达 30 年的 UV 照射与风化考验。全新油墨与涂层技术大幅推进了数字按需滴落 UV LED 喷墨打印的应用范围。

纳米级疏水涂层

UV LED 喷墨打印于聚丙烯表面（手机实拍照片）

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压电按需滴落 UV LED 喷墨打印于聚合物及柔性基材上，比传统模拟印刷更为复杂和精密。按需滴落喷墨技术要求喷嘴以精确的尺寸和位置喷射液滴。高质量喷墨打印系统必须同时整合打印头、墨水、电子控制器、预处理及固化单元，各环节须无缝协作，方能实现预期效果。

工艺输入参数主要有三项：1）聚合物基材，2）喷墨打印机，3）油墨化学性质与基材表面相容性。所有要素必须精确稳定，方可获得优异的打印质量。任何一项参数的改变均会产生失衡效应，需对其他参数进行相应调整。三维异形几何体的打印难度更高，可选的 OEM 打印机/打印头较为有限，且每家 OEM 仅认证特定范围内的油墨。深入理解喷墨打印与表面科学的复杂性，方能实现前所未有的能力与成果。

SABREEN 近期开发并商业化了适用于伸长率超过 100% 的柔性塑料和橡胶产品定制化的 UVLED 油墨与喷墨打印工艺。产品涵盖治疗性弹力带、泳帽、卫生可穿戴设备等。独立毒理学分析符合 CAL Prop 65、美国毒性风险评估及 ASTM D 4236（LHAMA – 16 CFR 1500.14）标准。

我们的喷墨打印工艺采用高质量油墨与先进打印技术，确保在各类塑料上呈现色彩鲜艳、经久耐用的图像。

对于喷墨打印而言，附着力至关重要。影响附着力的变量包括：聚合物材料（含着色剂、填料和添加剂）、成型工艺、表面状态、纹理及储存与处理方式。设计和制造工程师选择既能满足现场性能要求又易于印刷的最优热塑性塑料，这一点至关重要。保护性透明涂层（顶涂）可提供延伸的耐化学品/耐磨损保护，例如抵御高温洗碗机清洗（超过 500 个连续循环）。这些涂层以喷墨液体或喷雾雾化方式施涂于颜料油墨之上。

热塑性塑料分为无定形和结晶型两大类，其超长链状分子通过相对较弱的范德华力结合在一起。通常，无定形聚合物的附着力优于结晶型。“无定形”意指无固定形状，或形状易于改变；“结晶型”则意味着分子聚集体具有规则、确定的排列模式。ABS、苯乙烯和聚碳酸酯等无定形树脂呈现随机的类意面结构，加热后软化且无明确的熔融温度。

聚烯烃、PET 和尼龙等结晶型树脂具有有序排列，类似螺旋弹簧——正如金属弹簧能吸收振动，结晶型材料亦然。它们具有明确的熔点。在聚合物中，这两种状态共存：相邻链段紧密堆叠形成结晶束，由次级引力维系；而同一分子的其他链段无法进入晶格，保持无定形态。参见图2。

图2. 无定形与结晶型热塑性塑料

热塑性塑料的选择——工艺相容性

要实现成功的喷墨打印，高温油墨必须能从打印头顺畅喷出，并与基材充分接触，实现强附着力。这种紧密接触称为表面“润湿”，指油墨在表面铺展的能力。然而，大多数聚合物表面天然具有疏水性，难以被润湿。这类塑料通常为化学惰性、无孔表面，表面能低，使打印附着力几乎无法实现。表面能是固体表面（相对于体相）存在的多余能量。

初次成型加工对于实现聚合物材料的既定性能至关重要。结合适当的等离子体表面预处理、表面纹理及良好的生产规范，可以解决大多数乃至全部附着力和润湿问题。为特定应用选择最佳热塑性塑料并非易事。零件设计师往往追求化学体相材料与表面特性，而这些特性往往极难印刷。下面通过应用案例来阐明聚合物选材与可印刷性之间的关键平衡。

在聚酰胺（尼龙）上进行彩色喷墨打印是最受欢迎的应用之一。尼龙的化学组成赋予其高熔点，使其成为高温环境（如汽车发动机及各类高摩擦机械）中金属零部件的优质替代品。与其他热塑性材料一样，尼龙在熔点时转变为液态而非燃烧，因此可熔化再成型或回收利用。在高摩擦应用中，尼龙材料也不易升温。然而，若无专用油墨和预处理，喷墨油墨难以附着于尼龙（或大多数低表面能聚合物）上，这部分原因在于其疏水特性。参见图3。

图3. 尼龙（PA）的典型特性

首先，确保尼龙材料经过适当干燥和加工，以达到模塑干燥状态下的性能。树脂制造商的化学生产方式不同，可能影响附着力性能。按树脂/牌号评估替代供应商，并注意 Nylon 6 与 Nylon 66（Nylon 11 和 12）之间的差异。与 Nylon 6 不同，Nylon 66 由两种单体——己二胺和己二酸——组成，各提供六个碳原子，因此得名 66。该材料比 Nylon 6 结晶性更强，从而提高了刚性、拉伸模量和弯曲模量。

Nylon 6 的吸湿量略高于 Nylon 66。成型后进行二次加工前，产品应优先采用聚酯袋而非聚乙烯袋包装。聚乙烯袋中的低分子量组分会迁移至表面，引发交叉污染问题。储存时间和温度同样影响附着力性能。成型后应尽快进行印刷。

若印刷问题无法解决，可考虑改用具有类似特性但更易于印刷或激光打标的替代塑料。这一点强调了设计师与制造工程师共同制定产品规格的重要性。聚丙烯和高密度聚乙烯（HDPE）对成型、材料及印刷问题的敏感性较低，且成本更低。HDPE 是三者中最易印刷的，因为其热力学稳定性更高。参见图4。

喷墨油墨黏度低、表面张力低，在缩醛（聚甲醛）、聚烯烃和聚氨酯等众多聚合物基材上产生附着粘接难题。这类化学惰性塑料具有疏水性，天然不可润湿。设想单个液滴静置于平坦固体表面（平衡态）：固体表面与液滴上表面在端点处切线所形成的角度称为接触角，即接触点切线与固体表面水平线之间的夹角（x）。参见图2。

气泡/液滴的形状源于分子力——所有液体通过表面收缩，趋向将所包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”。

表面张力是衡量表面能的指标，以 dyne/cm 表示。固体基材的表面能相对于液体（水、打印油墨、胶粘剂/封装材料、涂层等）表面张力越高，其“润湿性”越好，接触角越小（图2）。

一般而言，当基材表面能比液体表面张力高出约 8 至 10 dyne/cm 时，可获得可接受的粘接附着力。

图2. 接触角与润湿程度

图3. 流体流动与动态接触角

实际上，流体与接触角是动态的，而非静态的。参见图3。动态接触角（DCA）最为重要。当液滴附着于固体表面且该表面倾斜时，液滴会向前推进并向下滑动。由此形成的角度分别称为前进角（θa）和后退角（θr）。

接触角通常受表面化学变化和表面形貌变化的双重影响。前进接触角对基材表面的低能（未改性）组分最为敏感，而后退角对表面预处理引入的高能氧化基团更为敏感。因此，后退角实际上是通过润湿张力液测量时，最能表征预处理后表面改性成分的指标。故对所有表面改性材料同时测量前进和后退接触角至关重要。

材料纯度也是重要因素。经处理塑料的货架寿命取决于树脂类型、配方及储存环境。经处理产品的货架寿命受抗氧化剂、增塑剂、滑爽剂和抗静电剂、着色剂和颜料、稳定剂等添加材料的限制。处理后的表面暴露于高温会增加分子链迁移率——链迁移率越高，处理效果老化越快。经处理材料中的聚合物链迁移率使处理形成的粘接位点远离表面，这些组分最终可能迁移至聚合物表面。因此，建议在预处理后尽快对产品进行粘接、涂覆、喷涂、印刷或装饰。

UV 油墨仅使用颜料着色剂，但色域宽广，并不构成严重限制。配方与制墨技术的发展使制造商能够提供白色（W），尤其适合用作深色基材上的底色或透明基材上的背景色。喷墨原色——青色、品红色、黄色和黑色（CMYK）——因墨层可较厚而具有宽广的色域。然而，由于基于颜料，它们至少部分不透明且会遮盖下层颜色。色彩强度无法完全转化为二次色，这排除了众多主要品牌常用的 Pantone 色号。

模拟印刷使用专门配制的专色油墨。这类油墨在该市场中有一定应用，尤其适用于 6 头、8 头和 10 头打印机，但并不普及，因为在喷墨打印机中更换专色远比柔版或丝网印刷困难，且与数字化按需切换连续图像作业的优势相悖。一种替代方案是采用扩展色域墨组，使用介于 CM 与 Y 之间色相的高强度油墨。红、绿、蓝（RGB）或橙、绿、紫（OGV）被应用于标签和广告印刷，以扩展色域并覆盖大多数明亮、规定的高强度品牌色。这些颜色也可为三维塑料产品进行定制配色。

对于 UV 固化喷墨打印而言，再现浅色（尤其是肤色）始终是一大难题。即便是最小的 CMK 液滴（现已小至 4 皮升），也无法满足照片级真实感的要求。然而，若加入淡品红（lm）和淡青色（lc）辅助色组，可消除单点颗粒感。各打印机 OEM 已为该市场提供 CMYKlclmW 配置方案。

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