壓電噴墨印刷技術(shù)獲獎(jiǎng)科研報(bào)告摘

要：壓電噴墨打印機(jī)是通過施加脈沖提供機(jī)械能來(lái)完成噴墨，容易產(chǎn)生的缺點(diǎn)是印刷時(shí)產(chǎn)生衛(wèi)星點(diǎn)、噴頭堵塞和“咖啡環(huán)”，從而使得印刷質(zhì)量大大降低?？梢酝ㄟ^對(duì)壓電噴墨裝置的驅(qū)動(dòng)電脈沖波形和電壓進(jìn)行優(yōu)化，從而改變噴頭的壓電材料形變規(guī)律調(diào)節(jié)噴出油墨體積來(lái)解決衛(wèi)星點(diǎn)問題;對(duì)油墨的黏性進(jìn)行改進(jìn)減少噴頭堵塞問題;在油墨中加入乙二醇來(lái)減少“咖啡環(huán)”現(xiàn)象。

1壓電式噴墨的工作原理

壓電式噴墨頭的基本原理是利用壓電陶瓷材料固有的逆壓電效應(yīng)引起的形狀變化，作用于墨水腔而形成墨滴。壓電陶瓷材料在外電場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生形狀變化，例如伸長(zhǎng)、縮短和剪切變形。當(dāng)外加電場(chǎng)與壓電陶瓷材料的極化方向相同時(shí)，由于固體材料的體積不變性而導(dǎo)致材料的拉伸或壓縮變形。當(dāng)外加電場(chǎng)與壓電陶瓷材料的極化方向垂直時(shí)，材料發(fā)生剪切變形。

2壓電式噴墨的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

壓電噴墨的基本結(jié)構(gòu)主要是由成像信號(hào)、壓電晶體、加熱元件、墨腔、噴嘴等的組成。

壓電式噴墨頭的噴墨過程是壓電晶體把壓力脈沖施加在油墨上，當(dāng)壓電產(chǎn)生脈沖時(shí)，壓電晶體發(fā)生變形而形成噴墨壓力，噴墨管在壓力作用下擠出油墨形成墨滴，并高速噴出，噴射到承應(yīng)物上形成圖像。在墨水腔內(nèi)裝有壓電晶體，印刷時(shí)，墨腔內(nèi)的壓電晶體接收到圖文信號(hào)發(fā)生變形，在墨腔內(nèi)的壓電晶體接收到圖文信號(hào)發(fā)生形變，在墨腔內(nèi)表面凸起呈月牙形，從而擠壓墨滴從噴嘴噴出，然后壓電晶體恢復(fù)原狀，墨水腔中重新注滿墨水。

依據(jù)壓電陶瓷的變形模式，壓電噴墨技術(shù)可以分為四種主要的類型：擠壓，彎曲，推壓和剪切。在擠壓模式下，應(yīng)用了徑向極化陶瓷管。在彎曲和推壓模式下，由電極產(chǎn)生電場(chǎng)，平行于被極化的壓電材料。在剪切模式的噴墨頭中與壓電材料極化的方向垂直。

（1）擠壓模式致動(dòng)器

擠壓模式噴頭致動(dòng)器，包含直徑約為1mm的壓電陶瓷管，在徑向極化陶瓷管的內(nèi)表面和外表面設(shè)置有電極。當(dāng)有電壓脈沖施加于換能器，換能器發(fā)生收縮，就會(huì)有液滴從噴孔噴出。因?yàn)槭┘恿藟毫γ}沖，有相對(duì)較少的墨水也會(huì)返回陶瓷管。電壓脈沖衰減相對(duì)緩慢，因此換能器可以緩慢的擴(kuò)展到初始的體積。因?yàn)樵谒p的過程中，體積的變化較小，所以減小的壓力太小，以至于不能克服噴孔表面的張力。在液體重新充滿換能器的時(shí)候，并沒有空氣吸入。

（2）彎曲模式致動(dòng)器

彎曲模式壓電噴墨致動(dòng)器，包含一個(gè)壓力腔室，腔室加油進(jìn)墨口和出墨口。腔室的一側(cè)是導(dǎo)電薄膜，它與可以發(fā)生變形的壓電陶瓷板連接，壓電陶瓷板的外表面被導(dǎo)電涂層覆蓋。該壓電陶瓷板施加一個(gè)電壓，使陶瓷板收縮，造成薄膜向壓力腔室內(nèi)彎曲。這樣就給腔室內(nèi)的液體施加了壓力，使墨滴從噴孔噴出。墨滴的大小取決于施加在陶瓷板上的電壓，脈沖的持續(xù)時(shí)間以及噴孔的直徑。

（3）推壓模式致動(dòng)器

推壓模式致動(dòng)器，當(dāng)壓電陶瓷棒擴(kuò)張推動(dòng)隔膜時(shí)，就會(huì)有墨滴從孔口噴出。

理論上，壓電致動(dòng)器可以與墨水直接接觸，并推動(dòng)墨水。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，致動(dòng)器和墨水之間的隔膜，是為了防止墨水和致動(dòng)器材料之間的不良相互作用。

（4）剪切模式致動(dòng)器

剪切模式致動(dòng)器，在剪切式打印頭中，電場(chǎng)經(jīng)過設(shè)計(jì)，與壓電陶瓷的極化方向垂直。這導(dǎo)致壓電晶體作剪切運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)延長(zhǎng)或收縮。剪切模式有助于提高墨滴發(fā)生器的排列密度，這種結(jié)構(gòu)稱為壓電噴墨系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的首選，常采用壓電元件用作相鄰墨水通道壁的方法稱為共享壁技術(shù)。

3對(duì)壓電噴墨設(shè)備的改進(jìn)

在壓電噴墨印刷中，墨滴體積的影響因素包括噴嘴的直徑，生成墨滴時(shí)的脈沖波形，以及墨水本身的張力。目前常見的壓電式打印噴嘴直徑為21μm，減小墨滴的最佳途徑是減小噴嘴直徑，但是并不能做到無(wú)限縮小，一般情況下固體顆粒的粒徑要小于噴嘴的1%，噴墨墨水黏度要小于40cP，甚至能達(dá)到1cP左右。當(dāng)噴嘴縮小到一定尺寸后，一方面噴墨印刷設(shè)備要克服巨大的毛細(xì)作用力;另一方面，對(duì)功能性墨水的固體顆粒粒徑大小、黏度等方面的要求會(huì)更高。在這樣的情況下，為防止噴嘴堵塞，小噴嘴噴墨印刷設(shè)備對(duì)所用墨水的顆粒尺寸、黏度、表面張力、揮發(fā)速度等方面要求非?？量蹋杀疽矔?huì)大幅增加。調(diào)節(jié)噴墨墨滴體積的另一個(gè)方法是：優(yōu)化噴墨的驅(qū)動(dòng)電脈沖波形和電壓，改變噴頭中的壓電材料形變規(guī)律來(lái)調(diào)節(jié)噴出油墨體積。驅(qū)動(dòng)的電壓越高，壓電材料的變形越大，噴出的液滴越大，速度越快。壓電脈沖存在一個(gè)最優(yōu)脈沖寬度，即對(duì)于一個(gè)給定的脈沖振幅，存在一個(gè)脈沖寬度值能達(dá)到最高的液滴速率和噴墨質(zhì)量。驅(qū)動(dòng)脈沖的波形也從簡(jiǎn)單的“推”出墨水變成了既“推”又“拉”，由簡(jiǎn)單的波形擴(kuò)展到雙極波形。波形的首部分功能不變，第二部分用于消除液滴從裝置噴出的剩余聲波震蕩，即在墨水噴出噴嘴時(shí)施加一個(gè)回拉的力，使液滴尾部盡快與噴嘴分離，減少尾部墨絲斷裂造成的“衛(wèi)星點(diǎn)”。最優(yōu)雙極波形是正負(fù)振幅相等且第二部分停留時(shí)間是首部分的兩倍。

4對(duì)壓電噴墨設(shè)備中的油墨進(jìn)行改進(jìn)

墨水是噴墨印刷系統(tǒng)的主要耗材。墨水的類型決定了一個(gè)噴墨印刷系統(tǒng)所能使用的承印材料、印刷適性以及印刷速度。

墨水的組分直接影響墨滴形成、飛行過程以及在承印物表面（鋪展和潤(rùn)濕）的形態(tài)，對(duì)噴印精度有著直接的影響。噴墨印刷對(duì)油墨的黏度、表面張力、揮發(fā)性等要求較為苛刻。前面討論過黏度、表面張力與墨滴的噴射有著直接的關(guān)系，同時(shí)也會(huì)對(duì)墨水與承印物的相互作用有著影響。更高的分辨率就需要墨水在承印物上有較低的鋪展，要求墨水具有較高的黏度。但是墨水的黏度越高，從噴嘴中噴出需要突破的阻力越大，甚至無(wú)法噴出。英國(guó)謝菲爾德大學(xué)機(jī)械工程系的Schubert采用熱敏凝膠聚合物包覆二氧化鈦粒子的墨水。這種墨水的特點(diǎn)是在臨界溫度下，聚合物在溶劑中呈現(xiàn)伸展?fàn)顟B(tài)，墨水黏度較低，而在臨界溫度以上時(shí)，聚合物卷曲，墨水黏度迅速增大。當(dāng)?shù)宛ざ鹊哪畯膰娮靽姵龅竭_(dá)加熱的承印物上時(shí)，黏度增大減少了墨滴的鋪展行為。液滴的揮發(fā)性也是非常重要的影響因素。若墨水揮發(fā)性太強(qiáng)，可能導(dǎo)致溶質(zhì)在噴嘴處析出從而堵塞噴嘴，墨滴到達(dá)承印物時(shí)有可能變成粉末而不是液體，影響墨水的附著性，降低噴印質(zhì)量。而較低的揮發(fā)性又容易使墨滴在承印物表面形成“咖啡環(huán)”，影響表面的平整度。“咖啡環(huán)”的產(chǎn)生通常認(rèn)為是在噴印圖案干燥過程中，由于液滴中心和邊緣的干燥速度不同，溶質(zhì)或分散的顆粒由中間向邊緣移動(dòng)沉積，導(dǎo)致液滴的邊緣留下了大量的溶質(zhì)或分散顆粒。去除“咖啡環(huán)”可以通過使用不同沸點(diǎn)和表面張力的溶劑配制混合溶液，增加墨滴與承印物表面的接觸角，減少油墨的流動(dòng)性等手段實(shí)現(xiàn)。在溶液中添加高沸點(diǎn)、低表面張力的乙二醇。由于水在液滴邊緣的蒸發(fā)速率大于液滴中心，而乙二醇揮發(fā)速率較慢，因此隨著蒸發(fā)過程的進(jìn)行，液滴邊緣乙二醇濃度會(huì)逐漸高于液滴中心乙二醇濃度。乙二醇的濃度差進(jìn)一步降低了液滴邊緣的表面張力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著乙二醇含量的增加，粒子的沉積形貌變得更均勻;當(dāng)乙二醇在恰當(dāng)?shù)馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，“咖啡環(huán)”現(xiàn)象消失。

5結(jié)語(yǔ)

通過改進(jìn)壓