压电喷墨印刷技术

王彩虹

摘  要：压电喷墨打印机是通过施加脉冲提供机械能来完成喷墨，容易产生的缺点是印刷时产生卫星点、喷头堵塞和“咖啡环”，从而使得印刷质量大大降低。可以通过对压电喷墨装置的驱动电脉冲波形和电压进行优化，从而改变喷头的压电材料形变规律调节喷出油墨体积来解决卫星点问题;对油墨的黏性进行改进减少喷头堵塞问题;在油墨中加入乙二醇来减少“咖啡环”现象。

1 压电式喷墨的工作原理

压电式喷墨头的基本原理是利用压电陶瓷材料固有的逆压电效应引起的形状变化，作用于墨水腔而形成墨滴。压电陶瓷材料在外电场的作用下会产生形状变化，例如伸长、缩短和剪切变形。当外加电场与压电陶瓷材料的极化方向相同时，由于固体材料的体积不变性而导致材料的拉伸或压缩变形。当外加电场与压电陶瓷材料的极化方向垂直时，材料发生剪切变形。

2 压电式喷墨的结构及特点

压电喷墨的基本结构主要是由成像信号、压电晶体、加热元件、墨腔、喷嘴等的组成。

压电式喷墨头的喷墨过程是压电晶体把压力脉冲施加在油墨上，当压电产生脉冲时，压电晶体发生变形而形成喷墨压力，喷墨管在压力作用下挤出油墨形成墨滴，并高速喷出，喷射到承应物上形成图像。在墨水腔内装有压电晶体，印刷时，墨腔内的压电晶体接收到图文信号发生变形，在墨腔内的压电晶体接收到图文信号发生形变，在墨腔内表面凸起呈月牙形，从而挤压墨滴从喷嘴喷出，然后压电晶体恢复原状，墨水腔中重新注满墨水。

依据压电陶瓷的变形模式，压电喷墨技术可以分为四种主要的类型：挤压，弯曲，推压和剪切。在挤压模式下，应用了径向极化陶瓷管。在弯曲和推压模式下，由电极产生电场，平行于被极化的压电材料。在剪切模式的喷墨头中与压电材料极化的方向垂直。

（1）挤压模式致动器

挤压模式喷头致动器，包含直径约为1mm的压电陶瓷管，在径向极化陶瓷管的内表面和外表面设置有电极。当有电压脉冲施加于换能器，换能器发生收缩，就会有液滴从喷孔喷出。因为施加了压力脉冲，有相对较少的墨水也会返回陶瓷管。电压脉冲衰减相对缓慢，因此换能器可以缓慢的扩展到初始的体积。因为在衰减的过程中，体积的变化较小，所以减小的压力太小，以至于不能克服喷孔表面的张力。在液体重新充满换能器的时候，并没有空气吸入。

（2）弯曲模式致动器

弯曲模式压电喷墨致动器，包含一个压力腔室，腔室加油进墨口和出墨口。腔室的一侧是导电薄膜，它与可以发生变形的压电陶瓷板连接，压电陶瓷板的外表面被导电涂层覆盖。该压电陶瓷板施加一个电压，使陶瓷板收缩，造成薄膜向压力腔室内弯曲。这样就给腔室内的液体施加了压力，使墨滴从喷孔喷出。墨滴的大小取决于施加在陶瓷板上的电压，脉冲的持续时间以及喷孔的直径。

（3）推压模式致动器

推压模式致动器，当压电陶瓷棒扩张推动隔膜时，就会有墨滴从孔口喷出。

理论上，压电致动器可以与墨水直接接触，并推动墨水。然而，在实际应用中，致动器和墨水之间的隔膜，是为了防止墨水和致动器材料之间的不良相互作用。

（4）剪切模式致动器

剪切模式致动器，在剪切式打印头中，电场经过设计，与压电陶瓷的极化方向垂直。这导致压电晶体作剪切运动，而不会延长或收缩。剪切模式有助于提高墨滴发生器的排列密度，这种结构称为压电喷墨系统设计者的首选，常采用压电元件用作相邻墨水通道壁的方法称为共享壁技术。

3 对压电喷墨设备的改进

在压电喷墨印刷中，墨滴体积的影响因素包括喷嘴的直径，生成墨滴时的脉冲波形，以及墨水本身的张力。目前常见的压电式打印喷嘴直径为21μm，减小墨滴的最佳途径是减小喷嘴直径，但是并不能做到无限缩小，一般情况下固体颗粒的粒径要小于喷嘴的1%，喷墨墨水黏度要小于40cP，甚至能达到1cP左右。当喷嘴缩小到一定尺寸后，一方面喷墨印刷设备要克服巨大的毛细作用力;另一方面，对功能性墨水的固体颗粒粒径大小、黏度等方面的要求会更高。在这样的情况下，为防止喷嘴堵塞，小喷嘴喷墨印刷设备对所用墨水的颗粒尺寸、黏度、表面张力、挥发速度等方面要求非常苛刻，成本也会大幅增加。调节喷墨墨滴体积的另一个方法是：优化喷墨的驱动电脉冲波形和电压，改变喷头中的压电材料形变规律来调节喷出油墨体积。驱动的电压越高，压电材料的变形越大，喷出的液滴越大，速度越快。压电脉冲存在一个最优脉冲宽度，即对于一个给定的脉冲振幅，存在一个脉冲宽度值能达到最高的液滴速率和喷墨质量。驱动脉冲的波形也从简单的“推”出墨水变成了既“推”又“拉”，由简单的波形扩展到双极波形。波形的首部分功能不变，第二部分用于消除液滴从装置喷出的剩余声波震荡，即在墨水喷出喷嘴时施加一个回拉的力，使液滴尾部尽快与喷嘴分离，减少尾部墨丝断裂造成的“卫星点”。最优双极波形是正负振幅相等且第二部分停留时间是首部分的两倍。

4 对压电喷墨设备中的油墨进行改进

墨水是喷墨印刷系统的主要耗材。墨水的类型决定了一个喷墨印刷系统所能使用的承印材料、印刷适性以及印刷速度。

墨水的组分直接影响墨滴形成、飞行过程以及在承印物表面（铺展和润湿）的形态，对喷印精度有着直接的影响。喷墨印刷对油墨的黏度、表面张力、挥发性等要求较为苛刻。前面讨论过黏度、表面张力与墨滴的喷射有着直接的关系，同时也会对墨水与承印物的相互作用有着影响。更高的分辨率就需要墨水在承印物上有较低的铺展，要求墨水具有较高的黏度。但是墨水的黏度越高，從喷嘴中喷出需要突破的阻力越大，甚至无法喷出。英国谢菲尔德大学机械工程系的Schubert采用热敏凝胶聚合物包覆二氧化钛粒子的墨水。这种墨水的特点是在临界温度下，聚合物在溶剂中呈现伸展状态，墨水黏度较低，而在临界温度以上时，聚合物卷曲，墨水黏度迅速增大。当低黏度的墨水从喷嘴喷出到达加热的承印物上时，黏度增大减少了墨滴的铺展行为。液滴的挥发性也是非常重要的影响因素。若墨水挥发性太强，可能导致溶质在喷嘴处析出从而堵塞喷嘴，墨滴到达承印物时有可能变成粉末而不是液体，影响墨水的附着性，降低喷印质量。而较低的挥发性又容易使墨滴在承印物表面形成“咖啡环”，影响表面的平整度。“咖啡环”的产生通常认为是在喷印图案干燥过程中，由于液滴中心和边缘的干燥速度不同，溶质或分散的颗粒由中间向边缘移动沉积，导致液滴的边缘留下了大量的溶质或分散颗粒。去除“咖啡环”可以通过使用不同沸点和表面张力的溶剂配制混合溶液，增加墨滴与承印物表面的接触角，减少油墨的流动性等手段实现。在溶液中添加高沸点、低表面张力的乙二醇。由于水在液滴边缘的蒸发速率大于液滴中心，而乙二醇挥发速率较慢，因此随着蒸发过程的进行，液滴边缘乙二醇浓度会逐渐高于液滴中心乙二醇浓度。乙二醇的浓度差进一步降低了液滴边缘的表面张力。实验结果显示，随着乙二醇含量的增加，粒子的沉积形貌变得更均匀;当乙二醇在恰当的质量分数时，“咖啡环”现象消失。

5 结语

通过改进压电喷墨印刷设备中的压电脉冲，控制调节喷印墨水挥发性、墨滴大小、油墨温度、承印材料加热、油墨与承印物表面接触角等因素，可以有效提高喷墨印刷精度。但是，仍有许多问题需要解决，例如喷墨印刷针对性较强，喷印速度有待提高等。尽管如此，喷墨印刷以其成本低廉、环境友好、制备简单等优势仍然具有广阔的应用前景。

参考文献

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