噴墨印刷與印花

主講人︰台北科技大學有機高分子研究所       趙豫州教授

記 錄：國立台灣藝術大學應用媒體藝術研究所  張聖國

今天跟大家報告噴墨印刷與印花。最早是從噴墨印刷慢慢轉變到噴墨印花，噴墨印花跟紡織品有很大的關聯性，所以它在整個市場的需求量非常之大，尤其印花的產品一直在紡織的產品裏麵算是高附加價值，傳統的印花產生非常多的污染、耗費非常多的時間，所以交工的期限非常的長，沒辦法符合現階段消費者的要求，在這種情況下，我們便把噴墨印刷轉變到噴墨印花，但是兩者有很大的差異點，這就是今天跟大家報告的主題。

Ink-jet Printing（噴墨印刷）最早的發展是在1878年，到了1951年Siemens公司將液態的墨水轉變成墨滴的技術申請專利，1964年藉由一個特殊機台，可以控製墨滴的大小及噴出的速率，這是噴墨機的雛形，直到1967年，Hertz發展出連續式的噴墨印表機，這就是目前在工業上使用的Continuous Ink-jet Printing。1972年Siemens推出Piezoelectric（壓電式）的Drop-on-Demand Ink-jet Printing，1979年Canon推出Thermal的Drop-on-Demand Ink-jet Printing，但稱為Bubble Ink-jet Printing，1984年HP也推出Thermal的Drop-on-Demand Ink-jet Printing，以上是Ink-jet Printing的發展曆史。

Ink-jet Printing大體上分為兩大類，一類是Continuous（連續式的）、一類是Drop-on-Demand（可控製噴印式的）；Continuous主要用在工業方麵，譬如標簽、車票、紙箱等粗糙表麵、金屬表麵、塑膠表麵，優點是速度快，物質表麵的平滑度並不很重要，噴頭和物質之間有相當大的距離，所以被印材料的厚度不受影響，缺點是解析度不是很高，通常用在粗糙的、不很注重解析度的物質表麵，目前Continuous發展出Binary Deflection（雙向偏斜）和Multiple Deflection（多向偏斜），都是利用電壓產生偏斜的原理，前者依據帶電時噴墨和不帶電時不噴墨的方式供墨，後者墨滴噴出後經過高壓偏斜板，可以控製偏斜的方向，並且更精確達到需要噴墨的地方，不帶電的墨滴則導入導墨槽，可回收再使用。

Drop-on-Demand和Continuous相反，它的噴印速度較慢，但解析度非常好，可達2880dpi，噴頭和被印物間的距離很短，所以被印材料的厚度就受到了限製，被印材料的表麵必須很光滑，不然噴印效果將打折扣。Drop-on-Demand分為Thermal、Piezoelectric、Electrostatic、Acoustic四種類型，主要使用前兩種類型，後兩種無法在市場上與前兩者競爭，Acoustic是使用超音波的方式控製墨滴，Electrostatic使用靜電環的方式控製墨滴，通過靜電環的墨滴會變成墨霧，就不會噴到被印材料上麵，沒有經過靜電環的墨滴會帶電，所以會噴到被印材料上麵，這兩種類型的缺點是解析度無法加以突破，因此發展受到限製。而目前發展快速的是Thermal和Piezoelectric，前者有Canon和HP等大廠在研發，後者有Epson和Sharp等大廠，HP的熱泡式（Thermal）噴墨係統，主要利用電晶體加熱，在3~5μ-sec，即百萬分之3秒到百萬分之5秒內瞬間加熱到達400℃，墨水變成氣泡，氣泡受到擠壓而噴出成墨滴，這就是Thermal噴墨的原理。Epson的壓電式（Piezoelectric）噴墨係統是利用壓電元件而噴出墨滴。全球的Ink-jet Printing市場，HP是占有率最高的，大約占了50%，而在台灣市場占有率最高的是Epson，約占了40%，HP居次，約占30%左右，Canon不論在台灣或全世界的市場占有率並不是如我們想象中的那麼高，雖然Canon是最早發明Bubble Ink-jet Printing。還有一家Piezoelectric技術的廠商Tektronix，是以蠟為基材，噴墨時是液態的，附著在被印物上變成固態，所以有特殊的效果，但印在物質上有凸麵，手感不是很好。

目前一般印表機的噴頭與墨水匣的設計方式大致有三種類型，即 1. 噴頭與墨匣分離：噴頭在列印機台上麵，以Epson為代表，更換墨水匣時噴頭並沒有更換，所以墨匣的單價較便宜。 2. 噴頭與墨匣合一：以HP和Lexmark為代表。 3. 噴頭與墨水座合一：以Canon為代表，更換墨水匣的時候一起更換噴頭。這些設計當然跟機台本身的設計原理有關係，像Canon和HP，它們本身是Bubble係統，墨水加熱時需要很高的溫度，噴頭容易損耗，所以將噴頭列為損耗元件，而使用Piezo技術的Epson，它的墨水不需要加熱，噴頭損耗機率較低，所以將噴頭直接設計在機台上麵，更換墨水匣時就不需要更換噴墨頭，它的耗材的費用就比較低。

◆噴印墨水的型態分為三種：

1. 油溶型：不適合用在密閉的辦公室空間，因為會產生空氣污染。所用的色料又可分為顏料型和染料型兩種，油溶型的特點是幹燥快，所以常用在工業方麵。

2. 水溶型：市麵上最常使用。亦可分為顏料型和染料型，顏料因為不溶於水，會沉澱，因此顏料粒子要弄得非常細小，要小到30μm以下，才會有比較好的噴印效果，否則使用高解析度時容易造成阻塞。顏料本身的耐候性、耐光度、耐水洗牢度、耐磨牢度都非常好，為它的特色。染料的優點是溶解度沒有問題，而且色彩種類非常多，鮮豔度較好，但是牢度較差。

3. 熱溶型：前麵所說的Tektronix公司使用此種墨水，它使用的蠟溫度在60℃時是液態的，噴到紙麵上馬上冷卻變成固態。亦可分為顏料型和染料型。熱溶型墨水較少使用。

◆水溶性墨水的物化性質與條件

1. 為了不會阻塞噴墨頭，所以必須通過0.2μm過濾器。

2. 不會產生結粒（Clogging）現象，墨水結粒易阻塞噴墨頭。

3. 氯化鈉含量須低於100 ppm，氯化鈉會使染料沉降下來，而且氯化鈉含有腐蝕性，尤其在Bubble係統容易將噴頭腐蝕，雖然噴頭都是用鈦金屬製成，但在高溫下還是會被氯化鈉腐蝕。

4. 黏度控製（1~5 cp）：Piezo係統的粘度要求較高，Bubble係統的粘度要求較低。

5. 表麵張力（30~60 dyne/cm )：Piezo係統的表麵張力要求較低，Bubble係統的表麵張力要求較高。

6. 具備緩衝溶液的效果：墨水的pH值要穩定，有些染料會因pH值的變化而沉澱。

7. 日光堅牢度（Light Fastness）、水牢度（Water Fastness）均要高。

8. 保存期限：墨水從工廠製造再到消費者使用完畢最快三個月，通常為一年，一般墨水存放一年須能通過0.2μm的過濾器。

9. 熱穩定性：針對Bubble係統的染料熱穩定性要好，因為Bubble係統的墨水要加熱至400℃的高溫，如果染料不能耐高溫將會分解或變色。

10. 幹燥速度要剛好，太快容易塞住噴墨頭或斷墨，太慢容易擴散，使網點重迭嚴重。

◆噴墨印花用染料

1. 標準三原色是青色（Cyan）、洋紅（Magenta）、黃色（Yellow），但三原色無法調製出純黑，因此要加入黑色（Black），而且要有灰階效果也需要黑色。

2. 無毒性（Ames Test Negative）：做噴墨印花時通常在密閉空間，所以必須無毒。

3. 日光牢度、水洗牢度與水牢度：噴墨印刷要求前兩者，噴墨印花三者都必須要求。

4. 耐熱性：噴墨印刷和噴墨印花都要求耐熱性。

5. 溶解度：噴墨印刷對染料濃度要求較低，噴墨印花對染料濃度的要求大概是噴墨印刷的五倍左右。

6. 莫耳吸光度：染料吸光度高，少量的染料就會產生很深的顏色，可以解決溶解度的問題。吸光係數最好超過2×104的吸光效果。

7. 色澤的穩定性：對被印材料材質的變化不敏感，這樣對消費者在使用上較為方便。

◆噴印墨水麵臨的問題與瓶頸

因為三原色及黑色的色彩不純正，搭配出來的色彩受到限製，印出來的顏色效果容易產生色彩偏移。

噴墨印刷（Ink-jet Printing）除了應用在噴墨印花，也還有其他可發展的領域，如下列所示：

‧ 糕餅裝飾：例如把奶油取代墨水，藉以噴 印出消費者要求的圖案。

‧ 焊接電路板：例如將錫粉取代墨水，並提 高解析度。

‧ 有機薄膜電晶體（TFT）

‧ 生物晶片 ‧ 有機發光二極體及彩色濾光片：如下示意圖。

‧ 彩色濾光片：如下示意圖。

◆數位印花與傳統印花之比較

◆Digital Printing Systems公司所製造的DPS 65噴墨印花機

DPS 65噴墨印花機技術資料：解析度可達600dpi，共有6個噴頭，速度為185 m2/hr，幅寬可達1.6公尺，可使用在聚酯（Polyester）、純棉（Cotton）、羊毛（Wool）、尼龍（Nylon）等紡織品，墨水色數有6種（黃色、洋紅色、青色、黑色、橘色、金色）、適用分散性、反應性和酸性染料。

◆墨水的組成：各種墨水的成分大致有下列各項。

◆常見水溶性墨水的基本組成（重量比）

‧ 染料 2~15%

‧ 去離子水 45~95%

‧ 保濕劑 1~50%

‧ 殺菌劑 0.001~0.01%

‧ 界麵活性劑 0.001~5%