壓電噴墨印刷技術

王彩虹

摘? 要：壓電噴墨打印機是通過施加脈沖提供機械能來完成噴墨，容易產生的缺點是印刷時產生衛星點、噴頭堵塞和“咖啡環”，從而使得印刷質量大大降低。可以通過對壓電噴墨裝置的驅動電脈沖波形和電壓進行優化，從而改變噴頭的壓電材料形變規律調節噴出油墨體積來解決衛星點問題;對油墨的黏性進行改進減少噴頭堵塞問題;在油墨中加入乙二醇來減少“咖啡環”現象。

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的作用下會產生形狀變化，例如伸長、縮短和剪切變形。當外加電場與壓電陶瓷材料的極化方向相同時，由于固體材料的體積不變性而導致材料的拉伸或壓縮變形。當外加電場與壓電陶瓷材料的極化方向垂直時，材料發生剪切變形。

2 壓電式噴墨的結構及特點

壓電噴墨的基本結構主要是由成像信號、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，當壓電產生脈沖時，壓電晶體發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，噴射到承應物上形成圖像。在墨水腔內裝有壓電晶體，印刷時，墨腔內的壓電晶體接收到圖文信號發生變形，在墨腔內的壓電晶體接收到圖文信號發生形變，在墨腔內表面凸起呈月牙形，從而擠壓墨滴從噴嘴噴出，然后壓電晶體恢復原狀，墨水腔中重新注滿墨水。

依據壓電陶瓷的變形模式，壓電噴墨技術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，應用了徑向極化陶瓷管。在彎曲和推壓模式下，由電極產生電場，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）擠壓模式致動器

擠壓模式噴頭致動器，包含直徑約為1mm的壓電陶瓷管，在徑向極化陶瓷管的內表面和外表面設置有電極。當有電壓脈沖施加于換能器，換能器發生收縮，就會有液滴從噴孔噴出。因為施加了壓力脈沖，有相對較少的墨水也會返回陶瓷管。電壓脈沖衰減相對緩慢，因此換能器可以緩慢的擴展到初始的體積。因為在衰減的過程中，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候，并沒有空氣吸入。

（2）彎曲模式致動器

彎曲模式壓電噴墨致動器，包含一個壓力腔室，腔室加油進墨口和出墨口。腔室的一側是導電薄膜，它與可以發生變形的壓電陶瓷板連接，壓電陶瓷板的外表面被導電涂層覆蓋。該壓電陶瓷板施加一個電壓，使陶瓷板收縮，造成薄膜向壓力腔室內彎曲。這樣就給腔室內的液體施加了壓力，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，脈沖的持續時間以及噴孔的直徑。

（3）推壓模式致動器

推壓模式致動器，當壓電陶瓷棒擴張推動隔膜時，就會有墨滴從孔口噴出。

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

（4）剪切模式致動器

剪切模式致動器，在剪切式打印頭中，電場經過設計，與壓電陶瓷的極化方向垂直。這導致壓電晶體作剪切運動，而不會延長或收縮。剪切模式有助于提高墨滴發生器的排列密度，這種結構稱為壓電噴墨系統設計者的首選，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。

3 對壓電噴墨設備的改進

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，甚至能達到1cP左右。當噴嘴縮小到一定尺寸后，一方面噴墨印刷設備要克服巨大的毛細作用力;另一方面，對功能性墨水的固體顆粒粒徑大小、黏度等方面的要求會更高。在這樣的情況下，為防止噴嘴堵塞，小噴嘴噴墨印刷設備對所用墨水的顆粒尺寸、黏度、表面張力、揮發速度等方面要求非常苛刻，成本也會大幅增加。調節噴墨墨滴體積的另一個方法是：優化噴墨的驅動電脈沖波形和電壓，改變噴頭中的壓電材料形變規律來調節噴出油墨體積。驅動的電壓越高，壓電材料的變形越大，噴出的液滴越大，速度越快。壓電脈沖存在一個最優脈沖寬度，即對于一個給定的脈沖振幅，存在一個脈沖寬度值能達到最高的液滴速率和噴墨質量。驅動脈沖的波形也從簡單的“推”出墨水變成了既“推”又“拉”，由簡單的波形擴展到雙極波形。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施加一個回拉的力，使液滴尾部盡快與噴嘴分離，減少尾部墨絲斷裂造成的“衛星點”。最優雙極波形是正負振幅相等且第二部分停留時間是首部分的兩倍。

4 對壓電噴墨設備中的油墨進行改進

墨水是噴墨印刷系統的主要耗材。墨水的類型決定了一個噴墨印刷系統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（鋪展和潤濕）的形態，對噴印精度有著直接的影響。噴墨印刷對油墨的黏度、表面張力、揮發性等要求較為苛刻。前面討論過黏度、表面張力與墨滴的噴射有著直接的關系，同時也會對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，甚至無法噴出。英國謝菲爾德大學機械工程系的Schubert采用熱敏凝膠聚合物包覆二氧化鈦粒子的墨水。這種墨水的特點是在臨界溫度下，聚合物在溶劑中呈現伸展狀態，墨水黏度較低，而在臨界溫度以上時，聚合物卷曲，墨水黏度迅速增大。當低黏度的墨水從噴嘴噴出到達加熱的承印物上時，黏度增大減少了墨滴的鋪展行為。液滴的揮發性也是非常重要的影響因素。若墨水揮發性太強，可能導致溶質在噴嘴處析出從而堵塞噴嘴，墨滴到達承印物時有可能變成粉末而不是液體，影響墨水的附著性，降低噴印質量。而較低的揮發性又容易使墨滴在承印物表面形成“咖啡環”，影響表面的平整度。“咖啡環”的產生通常認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，溶質或分散的顆粒由中間向邊緣移動沉積，導致液滴的邊緣留下了大量的溶質或分散顆粒。去除“咖啡環”可以通過使用不同沸點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，減少油墨的流動性等手段實現。在溶液中添加高沸點、低表面張力的乙二醇。由于水在液滴邊緣的蒸發速率大于液滴中心，而乙二醇揮發速率較慢，因此隨著蒸發過程的進行，液滴邊緣乙二醇濃度會逐漸高于液滴中心乙二醇濃度。乙二醇的濃度差進一步降低了液滴邊緣的表面張力。實驗結果顯示，隨著乙二醇含量的增加，粒子的沉積形貌變得更均勻;當乙二醇在恰當的質量分數時，“咖啡環”現象消失。

5 結語

通過改進壓電噴墨印刷設備中的壓電脈沖，控制調節噴印墨水揮發性、墨滴大小、油墨溫度、承印材料加熱、油墨與承印物表面接觸角等因素，可以有效提高噴墨印刷精度。但是，仍有許多問題需要解決，例如噴墨印刷針對性較強，噴印速度有待提高等。盡管如此，噴墨印刷以其成本低廉、環境友好、制備簡單等優勢仍然具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]? 焱穎，周兆英，葉雄英，王國輝.壓電致動微噴的壓力波特征分析[J].微納電子技術，2003

[2]? 榮宇. 電泳顯示材料及器件的研究[D]. 浙江大學，2005.

[3]? 成世杰，石淑蘭. 印刷油墨的化學組成對脫墨的影響[J].2003