创刊50周年优秀文章:UV 光固化喷墨打印技术的研究与发展

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引言

喷墨打印技术和UV光固化技术一直是并行发展的。为了满足现代化工业印刷的需要,制造商将喷墨打印头、打印装置、UV光固化系统和UV光固化墨水整合起来,形成了UV光固化喷墨打印技术。

目前,UV光固化喷墨打印技术已应用于电线光缆的覆皮和汽车胶管等产品包装的喷码标记。与此同时,平面印刷系统中也力求将数字打印技术和模拟打印技术的优点结合起来,将UV光固化喷墨打印应用于模拟打印过程中。由数字喷墨和UV光固化形成的感光高分子层也可用于快速制作3D物体。UV固化喷墨打印技术的优势及该技术的潜在市场需求,预示了标记和工业用UV固化喷墨打印技术良好的发展前景。

 

喷墨与UV光固化技术的发展历史

1867年1月Lord Kelvin的喷墨式“电报接收和记录仪”是最早的喷墨设备。1951年,西门子公司基于Elmquist的专利,制造出世界上第一台商用喷墨记录仪。1966年,Teletype公司开发了Intronic偏转喷射式连续喷墨打印机。1968年,瑞典科学家Hertz等开发了一项高分辨力的连续喷墨技术,并在出版物印刷和织物设计的色彩校正中得到应用。1969年6月斯坦福大学的Richard Sweet为A.B.Dick公司设计了一种喷墨影像系统,该公司的射线印刷机部门利用Sweet和Cummings的专利开发出了世界上第一种成功商用的喷墨设备。A.B.Dick公司在威斯康星州密尔沃基市将高速喷码系统应用于啤酒罐的标记印刷,在这以前没有什么印刷设备能够适应生产线每分钟2000罐的生成速度。该系统同样适用于为其他产品喷码。后来A.B.Dick公司开发了Videojet Systems International,并于1999年12月发展成为Marconi Data Systems。数年来,Imaje、多米诺和Trident公司等也相继提供了各自的连续式和按需打印压电式喷墨系统来满足日益增长的市场需要。

UV光固化技术和感光高分子材料的研究是从20世纪50年代开始的。20世纪60年代感光高分子材料和喷墨打印技术得到了进一步发展。这十年间一些大型的化学公司,如杜邦、W.R.Grace和Celanese公司发展了感光高分子技术,并把这项技术应用到了印刷制版中。PPG公司发展了电子束和紫外光固化技术,并将光固化涂料应用于木材和复合材料。

在这之后,许多公司开始考虑将喷墨打印装置与UV固化系统整合起来以满足更高的要求。其中包括快速处理、耐磨和耐化学腐蚀性,以及在不规则表面上打印等特殊要求。目前标记和喷码工业(包括罐子、瓶子和其他包装的喷码,包装和标签上条形码的印刷,数据印刷和线缆标记等)每年售出至少20亿美元的印刷系统和耗材,其中大多数都采用快干型溶剂基墨水,只有小部分采用UV光固化墨水。但由于UV光固化墨水具有很大的优势,其应用前景愈来愈受到重视。比如工业上已采用数字喷墨系统将UV光固化墨水喷绘到汽车胶管、覆皮电线、捆扎了的光纤和包装上。据报道,一家饮料公司Coors开始用平版印刷、UV固化墨和清漆来装饰他们的啤酒罐子。

20世纪90年代期间,UV光固化油墨的制造商们继续改良他们的产品,并且市场份额的增加额度超过了溶剂基油墨。光盘上的丝网印刷,耐化学腐蚀的标志和销售海报,年终报告的胶印封面,高质量的手册、杂志、书籍和姓名地址簿,增值包装,平版印刷或凸版印刷的高质量标签,在这些应用中UV固化油墨都有化学上的优势。几乎所有的凸版印刷的不干胶标签都逐渐采用UV光固化油墨来印刷。紫外光灯现在已经成为彩色标签印刷的标准设备。

在20世纪90年代后期,热喷墨技术的开发商佳能公司也在研究热气泡喷墨系统中使用水性UV光固化墨水。Noguchi和Shimomura的报告指出使用UV固化墨水系统可以提高在纸上打印的质量、牢固度和干燥速度。

 

UV光固化喷墨打印技术的优势

在模拟印刷方法中使用UV固化油墨,包括凸版印刷、凹版印刷、胶印和丝网印刷,其增长速度已经开始超过这些模拟印刷方法本身的增长速度。举例来说,“印刷标签用的全部苯胺油墨的增长速度为每年3%,而同期UV固化墨的增长速度为17%。”

印刷工业采用UV固化油墨和涂料是因为它们具有以下优势:

·很少或根本没有溶剂挥发,可以减少有害物质对工人的伤害和环境污染。

·在固化前不会在印刷过程中干燥,但在固化时几乎立即干燥。

·可以适应很高的生产速度。

·可以生成目前最具光泽的墨层,也可以生成无光泽的平滑表面。

·生成的墨层或涂层都耐磨和耐化学腐蚀。

·在印刷过程中可以保持稳定的化学组成,没有溶剂损失。

·不会产生断流影响印刷过程。

·不同的UV固化油墨彼此相溶。

·所用的固化设备比传统的热干燥传送装置占用的空间更少。

·有极好的发展前景。

墨水制造商们投资于UV光固化墨水的研究和产品开发,是因为这项技术在印刷和涂料工业中的应用越来越多。美国环保署认为UV光固化墨水比传统的溶剂基墨水更加环保。尽管许多空气质量管理条例限制来自溶剂基墨水的VOC排出,但是含溶剂很少的UV光固化墨水是不受这些限制的,并且避免了由于这些限制而产生的费用。连续的研究和发展产生不断的进步,进而轮流带来产品的改进和新的应用领域的开拓。这种积极的循环以及随溶剂基墨水不断调整的成本,使越来越多的印刷设备和涂料设备采用UV光固化技术。除此之外,UV光固化技术的研究已经消除或减少了早期的UV光固化墨水的许多不利的特性。新的配方在提高了墨层性能的同时,已经减少了引起用户过敏反应和产生令人反感的气味的成分。

通常,UV光固化墨水材料成本要比大多数油基和溶剂基墨水贵两倍左右,同时还需要特别的处理程序,并且还会因为比大部分溶剂基墨水堆积的墨层更厚而影响达到希望的打印质量。尽管如此,UV固化技术能够达到的优良打印性能使之具有极好的市场前景,喷墨打印系统的制造商们已经找到了可行的UV固化解决方案。同时UV光固化墨水也解决了喷墨技术的难题之一,即溶剂基墨水在不连续喷射时有阻塞喷墨喷嘴的倾现象。

 

喷墨打印UV光固化墨水的性能要求

黏度:满足喷墨打印的UV固化墨水的首要性能要求是墨水具有较低黏度,要求一般黏度在10~20cPs(通常喷墨时墨水温度在40℃~45℃)。

颜料的润湿性:对喷墨打印UV固化墨水的另一个要求是颜料对基质的润湿性,这是影响室外应用耐久性的主要因素。所以,通常要求在较低粘度下保持较好的颜料润湿性。

室外耐久性:宽幅和巨幅的打印产品一般用于室外广告。耐久性至少需要几个月,通常需要选择主链为脂肪族的树脂。

固化速率:固化速率对于标记和喷码过程至关重要。实际应用中,打印速度一般在300~600ft/m。一般来讲,UV光固化技术在速度上具有优势,但要求高固化速率与高官能度预聚物的浓度相关。高官能度预聚物的粘度较高,需要使用低官能度单体稀释,这样会降低固化速率。

柔韧性:幅面较宽的图像通常被打印到塑料膜上,柔韧性也是对喷墨打印UV固化墨水的要求。选择合适的单官能度单体对柔韧性有所帮助。

粘附性:与喷墨承印物及对宽幅打印所用的膜材料之间良好的粘附性也是必须达到的要求。

 

UV光固化喷墨打印技术的研究和应用

压电式喷墨打印头的制造商XAAR公司和Spectra公司,已经开发出了专门用于UV光固化墨水的打印头。SunJet公司(原Coates)和Sericol公司已经为Spectra的打印头开发了墨水,同时Sericol和其它公司也已经为XAAR公司的喷墨系统开发了墨水。富林特公司最近为Spectra的打印头提供了UV光固化墨水。据报导,杜邦、Lyson、Inkware、Avecia和其他的墨水公司也在开发可用于喷墨打印的UV光固化墨水。目前,几乎每一家为平面图像应用提供喷墨打印设备的主要制造商都在开发UV光固化喷墨打印系统。很多模拟印刷系统的制造商将喷墨技术加入他们的模拟印刷设备,以支持数字印刷。

Chromas Technologies公司和Digital Label Alliance在Label expo 2000上发布了他们的Argio75SS喷墨印刷系统。Chromas的Argio75SS是加入了一定彩色数字打印能力的改进型模拟印刷系统,它使用了可以喷射UV光固化彩色墨水的Spectra打印头,分辨力600dpi,最大打印宽度7.6in.。Chromas称Argio可以在“几乎所有的基质上以高达100ft/min的速度打印。”Chromas为它的凸版标签印刷机系列产品提供了配套的Argio产品。

海德堡公司在drupa2000展览上展出了一款高速压电式喷墨数字印刷系统。Spectra600dpi打印头为它提供了高速、高单色分辨力的UV固化打印能力。它将会被配置成加入了数字打印能力的平版印刷系统。

除了喷墨和模拟打印机的整合,许多制造商已经开发了使用UV光固化墨水的独立的喷墨打印系统。

巴可公司在2000年首次发布了它的“the.factory”系统。它使用XAARjet500按需打印灰阶打印头,最大打印宽度63~65cm,使用四色墨实现彩色打印。据报道,使用UV光固化墨水,打印八阶灰度,速度可达800m2/h。整个系统由一个可以对柔性塑料进行放电预处理的卷装进出式材料处理系统和一个UV固化后处理系统组成。系统被设计可以定期自动清理打印头以避免喷嘴堵塞。“The.factory”使用Xaar的灰度打印头,通过喷出墨水体积的不同产生不同的色彩,可以把打印的分辨力提高到照片质量。

英国的设备开发商Inca,在drupa2000展览中首次展示了Eagle44宽幅平板喷墨打印系统。这套装置的出现标志着宽幅UV光固化彩色打印的开始。它配有XJ500压电式打印头,使用Sericol公司的四色(CMYK)Uvijet UV光固化数字墨水。Inca最近展示了一台比Eagle44更小的使用Spectra压电式打印头的装置。目前使用XAARjet打印头的版本可以在最大96in.×53in.、40mm厚的柔性或刚性基质上打印,基质是被固定在一个可移动的真空平板上的。在它的最低打印分辨力下,以360dpi海报模式,每小时可以打印950平方英尺;以360dpi标准模式,每小时可以打印600平方英尺;以360dpi高质量模式,每小时可以打印540平方英尺。在它的最高打印分辨力下,以720dpi Backlit模式,每小时可以打印300平方英尺。

 

Sericol Uvijet墨水使用汽车用颜料,从而使之具有较好的户外耐久性和耐光性。这种墨水与多种材料包括标准硬纸板和纸张、塑料薄膜、金属、木材以及玻璃等具有良好的粘附性。Sericol公司宣称其墨水可以瞬间固化,得到极小的墨点、极高的打印质量和一致性的颜色。

Durst公司也发布了为商用照片打印和丝网印刷市场设计的Rho160,这是一种大幅面直接数字打印系统。Rho160配置XJ500压电式打印头,使用四色UV光固化墨水实现彩色图像打印。但据报道,Durst已经不再使用XAAR的打印头,转而使用Spectra的打印头。使用Spectra的打印头可以将系统的分辨力增加到600dpi。Durst把这个装置设计成既可以在没有涂层的成卷的材料,又可以在最厚40mm的硬板材上打印。它的最大打印宽度为160cm。它的XAARjet版本在360dpi的分辨力下,最大输出速度为60m2/h;在更好的图像质量下,最大输出速度为40m2/h。

一家瑞士的绘图机制造商Zünd开发出了可以适应硬质或柔性基质的平板打印系统——Zünd CombiprintUV120-F,以及可适应纺织品及其他柔性基材的卷装进出式打印系统——ZCombiprint 215R。前者最大打印宽度1.2m,后者最大打印宽度2.16m。两套设备都配置XJ500压电式喷墨打印头,使用CMYK四色墨水,打印分辨力为180dpi和360dpi。他们都使用同轴的紫外光固化灯,也都使用Sericol的UvijetRB颜料型墨水。

L&P Digital Technologies,Leggett&Platt的一家分公司,在2001年4月的DPI展览上发布了VirtuMT,这是一种以卷装织物、乙烯树脂和纸张为基质的宽幅喷墨 打印系统。它使用八个双向Spectra打印头,可以打印八种颜色,最高分辨力720dpi。在100%覆盖下,打印速度为每小时2250平方英尺。它的样机使用SunJet(原Coates)公司为HueVtmUV系统开发的UV光固化墨水。

SunJet公司宣称HueV墨根据照射强度的不同有一到两年的户外耐久性。这种墨水使用可分解的五升一次性容器,以避免墨的化学成分对工人皮肤的伤害。SunJet公司也计划同时供应溶剂基和水基UV光固化墨水。同时,L&P Digital Technologies公司也宣布向市场提供另外两个型号的Virtu系列数字打印机。在2001年9月SGIA展览上L&P发布了VirtuRS。VirtuRS提供了柔性材料的卷装进出式打印和硬质材料平板打印功能。L&P又在2001年底向市场供应了VirtuTX,它是Virtu系列的宽幅打印机型号。

Objet Geometries这家以色列公司开发了一种快速原型制作装置——Objet Quadra。它采用了UV固化喷墨技术来快速生成3D模型。这个装置是在德国法兰克福Euromold2000展览上正式发布的。位于纽约州罗彻斯特市的柯达公司、英国的Ford Motor公司和以色列Aran公司的快速原型制作服务所都在对Quadra系统进行测试。Quadra系统配有1536个喷墨喷嘴,一次可喷出、堆墨、UV光固化,形成20μm厚的感光聚合物层,3D模型就是由这样的聚合物层一层层叠加组成的。在X轴上,系统可以打印600dpi,Y轴上300dpi,Z轴上1200dpi。它最大可以制作270mm×300mm×200mm的3D物体。该技术已由Objet公司申请专利。

也有其他的喷墨打印设备使用UV光固化系统。Tampoprint公司和Sias公司的打印机使用XJ500压电式喷墨设备,Vutek公司提供了使用Spectra打印头的系统,杜邦公司向市场提供了它的Artistri Technology,包括杜邦公司的墨配方、InkJet3210打印机、一套使用Spectra打印头的Vutek公司的织物打印系统,还包括颜色管理软件和系统软件。Aprion公司也计划在不久的将来向市场提供它的UV光固化打印系统。

 

结束语

织物印刷正在尝试使用UV固化墨水进行喷墨打印,虽然该系统的发布尚存在技术问题,但某些产品雏型已在一些印刷研究所出现。Leggett&Platt将UV固化用于织物墨,说明UV固化喷墨打印技术在固化织物染料及其他色料的应用有可行性。

UV光固化墨水和彩色喷墨打印正在满足越来越多的对各种优质印刷制品的需要,包括广告、海报、告示、旗帜、硬板印刷、展览和舞台的背景图、建筑的外壁装饰、旗帜、车队和车辆的标志、公共汽车的外部装饰等。

UV光固化喷墨技术和模拟印刷技术的结合产物进入了高速标签和商业打印市场。喷墨打印与UV光固化技术的结合可进行快速原型制作和其他应用制作3D物体。

喷墨和UV光固化技术的结合正在逐步发展以满足商业和工业的需要。如同在过去20年随模拟印刷技术的发展一样,UV光固化技术正随时准备与喷墨打印技术一起高速增长。

 (本文刊载于《印刷杂志》200404期)

 

2022年3月31日 10:44
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