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喷墨印刷与印花
时间:2009-12-06 来源:中国互优网
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今天跟大家报告喷墨印刷与印花。最早是从喷墨印刷慢慢转变到喷墨印花,喷墨印花跟纺织品有很大的关联性,所以它在整个市场的需求量非常之大,尤其印花的产品一直在纺织的产品里面算是高附加价值,传统的印花产生非常多的污染、耗费非常多的时间,所以交工的期限非常的长,没办法符合现阶段消费者的要求,在这种情况下,我们便把喷墨印刷转变到喷墨印花,但是两者有很大的差异点,这就是今天跟大家报告的主题。

Ink-jet Printing(喷墨印刷)最早的发展是在1878年,到了1951年Siemens公司将液态的墨水转变成墨滴的技术申请专利,1964年藉由一个特殊机台,可以控制墨滴的大小及喷出的速率,这是喷墨机的雏形,直到1967年,Hertz发展出连续式的喷墨印表机,这就是目前在工业上使用的Continuous Ink-jet Printing。1972年Siemens推出Piezoelectric(压电式)的Drop-on-Demand Ink-jet Printing,1979年Canon推出Thermal的Drop-on-Demand Ink-jet Printing,但称为Bubble Ink-jet Printing,1984年HP也推出Thermal的Drop-on-Demand Ink-jet Printing,以上是Ink-jet Printing的发展历史。

Ink-jet Printing大体上分为两大类,一类是Continuous(连续式的)、一类是Drop-on-Demand(可控制喷印式的);Continuous主要用在工业方面,譬如标签、车票、纸箱等粗糙表面、金属表面、塑胶表面,优点是速度快,物质表面的平滑度并不很重要,喷头和物质之间有相当大的距离,所以被印材料的厚度不受影响,缺点是解析度不是很高,通常用在粗糙的、不很注重解析度的物质表面,目前Continuous发展出Binary Deflection(双向偏斜)和Multiple Deflection(多向偏斜),都是利用电压产生偏斜的原理,前者依据带电时喷墨和不带电时不喷墨的方式供墨,后者墨滴喷出后经过高压偏斜板,可以控制偏斜的方向,并且更精确达到需要喷墨的地方,不带电的墨滴则导入导墨槽,可回收再使用。

Drop-on-Demand和Continuous相反,它的喷印速度较慢,但解析度非常好,可达2880dpi,喷头和被印物间的距离很短,所以被印材料的厚度就受到了限制,被印材料的表面必须很光滑,不然喷印效果将打折扣。Drop-on-Demand分为Thermal、Piezoelectric、Electrostatic、Acoustic四种类型,主要使用前两种类型,后两种无法在市场上与前两者竞争,Acoustic是使用超音波的方式控制墨滴,Electrostatic使用静电环的方式控制墨滴,通过静电环的墨滴会变成墨雾,就不会喷到被印材料上面,没有经过静电环的墨滴会带电,所以会喷到被印材料上面,这两种类型的缺点是解析度无法加以突破,因此发展受到限制。而目前发展快速的是Thermal和Piezoelectric,前者有Canon和HP等大厂在研发,后者有Epson和Sharp等大厂,HP的热泡式(Thermal)喷墨系统,主要利用电晶体加热,在3~5μ-sec,即百万分之3秒到百万分之5秒内瞬间加热到达400℃,墨水变成气泡,气泡受到挤压而喷出成墨滴,这就是Thermal喷墨的原理。Epson的压电式(Piezoelectric)喷墨系统是利用压电元件而喷出墨滴。全球的Ink-jet Printing市场,HP是占有率最高的,大约占了50%,而在台湾市场占有率最高的是Epson,约占了40%,HP居次,约占30%左右,Canon不论在台湾或全世界的市场占有率并不是如我们想象中的那么高,虽然Canon是最早发明Bubble Ink-jet Printing。还有一家Piezoelectric技术的厂商Tektronix,是以蜡为基材,喷墨时是液态的,附着在被印物上变成固态,所以有特殊的效果,但印在物质上有凸面,手感不是很好。

目前一般印表机的喷头与墨水匣的设计方式大致有三种类型,即 1. 喷头与墨匣分离:喷头在列印机台上面,以Epson为代表,更换墨水匣时喷头并没有更换,所以墨匣的单价较便宜。 2. 喷头与墨匣合一:以HP和Lexmark为代表。 3. 喷头与墨水座合一:以Canon为代表,更换墨水匣的时候一起更换喷头。这些设计当然跟机台本身的设计原理有关系,像Canon和HP,它们本身是Bubble系统,墨水加热时需要很高的温度,喷头容易损耗,所以将喷头列为损耗元件,而使用Piezo技术的Epson,它的墨水不需要加热,喷头损耗机率较低,所以将喷头直接设计在机台上面,更换墨水匣时就不需要更换喷墨头,它的耗材的费用就比较低。

◆喷印墨水的型态分为三种:

1. 油溶型:不适合用在密闭的办公室空间,因为会产生空气污染。所用的色料又可分为颜料型和染料型两种,油溶型的特点是干燥快,所以常用在工业方面。

2. 水溶型:市面上最常使用。亦可分为颜料型和染料型,颜料因为不溶于水,会沉淀,因此颜料粒子要弄得非常细小,要小到30μm以下,才会有比较好的喷印效果,否则使用高解析度时容易造成阻塞。颜料本身的耐候性、耐光度、耐水洗牢度、耐磨牢度都非常好,为它的特色。染料的优点是溶解度没有问题,而且色彩种类非常多,鲜艳度较好,但是牢度较差。

3. 热溶型:前面所说的Tektronix公司使用此种墨水,它使用的蜡温度在60℃时是液态的,喷到纸面上马上冷却变成固态。亦可分为颜料型和染料型。热溶型墨水较少使用。

◆水溶性墨水的物化性质与条件

1. 为了不会阻塞喷墨头,所以必须通过0.2μm过滤器。

2. 不会产生结粒(Clogging)现象,墨水结粒易阻塞喷墨头。

3. 氯化钠含量须低于100 ppm,氯化钠会使染料沉降下来,而且氯化钠含有腐蚀性,尤其在Bubble系统容易将喷头腐蚀,虽然喷头都是用钛金属制成,但在高温下还是会被氯化钠腐蚀。

4. 黏度控制(1~5 cp):Piezo系统的粘度要求较高,Bubble系统的粘度要求较低。

5. 表面张力(30~60 dyne/cm ):Piezo系统的表面张力要求较低,Bubble系统的表面张力要求较高。

6. 具备缓冲溶液的效果:墨水的pH值要稳定,有些染料会因pH值的变化而沉淀。

7. 日光坚牢度(Light Fastness)、水牢度(Water Fastness)均要高。

8. 保存期限:墨水从工厂制造再到消费者使用完毕最快三个月,通常为一年,一般墨水存放一年须能通过0.2μm的过滤器。

9. 热稳定性:针对Bubble系统的染料热稳定性要好,因为Bubble系统的墨水要加热至400℃的高温,如果染料不能耐高温将会分解或变色。

10. 干燥速度要刚好,太快容易塞住喷墨头或断墨,太慢容易扩散,使网点重迭严重。

◆喷墨印花用染料

1. 标准三原色是青色(Cyan)、洋红(Magenta)、黄色(Yellow),但三原色无法调制出纯黑,因此要加入黑色(Black),而且要有灰阶效果也需要黑色。

2. 无毒性(Ames Test Negative):做喷墨印花时通常在密闭空间,所以必须无毒。

3. 日光牢度、水洗牢度与水牢度:喷墨印刷要求前两者,喷墨印花三者都必须要求。

4. 耐热性:喷墨印刷和喷墨印花都要求耐热性。

5. 溶解度:喷墨印刷对染料浓度要求较低,喷墨印花对染料浓度的要求大概是喷墨印刷的五倍左右。

6. 莫耳吸光度:染料吸光度高,少量的染料就会产生很深的颜色,可以解决溶解度的问题。吸光系数最好超过2×104的吸光效果。

7. 色泽的稳定性:对被印材料材质的变化不敏感,这样对消费者在使用上较为方便。

◆喷印墨水面临的问题与瓶颈

因为三原色及黑色的色彩不纯正,搭配出来的色彩受到限制,印出来的颜色效果容易产生色彩偏移。

喷墨印刷(Ink-jet Printing)除了应用在喷墨印花,也还有其他可发展的领域,如下列所示:

‧ 糕饼装饰:例如把奶油取代墨水,藉以喷 印出消费者要求的图案。

‧ 焊接电路板:例如将锡粉取代墨水,并提 高解析度。

‧ 有机薄膜电晶体(TFT)

‧ 生物晶片 ‧ 有机发光二极体及彩色滤光片:如下示意图。

‧ 彩色滤光片:如下示意图。

◆数位印花与传统印花之比较

◆Digital Printing Systems公司所制造的DPS 65喷墨印花机

DPS 65喷墨印花机技术资料:解析度可达600dpi,共有6个喷头,速度为185 m2/hr,幅宽可达1.6公尺,可使用在聚酯(Polyester)、纯棉(Cotton)、羊毛(Wool)、尼龙(Nylon)等纺织品,墨水色数有6种(黄色、洋红色、青色、黑色、橘色、金色)、适用分散性、反应性和酸性染料。

◆墨水的组成:各种墨水的成分大致有下列各项。

◆常见水溶性墨水的基本组成(重量比)

‧ 染料 2~15%

‧ 去离子水 45~95%

‧ 保湿剂 1~50%

‧ 杀菌剂 0.001~0.01%

‧ 界面活性剂 0.001~5%

参考文献:

1. P. Gregory : Chemistry and Technology of Printing and lmaging Systems, Blackie Academic & Professional, London, 1996

2. 江忆芬硕士论文,国立台北科技大学有机高分子研究所,2003.6

3. 叶秀蓉硕士论文,国立台北科技大学有机高分子研究所,2003.7

4. 王仲伟硕士论文,国立台北科技大学有机高分子研究所,2004.◎

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