郭蕊 钟雨晗

本文通过大量的文献调研，总结了喷墨印刷技术的国内外研究现状，从承印物、油墨、喷头及转印方式4个方面分析了提高喷墨印刷质量的方法，最后对喷墨印刷技术的发展方向进行了展望。笔者认为随着喷印速度的提高，喷头阵列化应用技术的发展，喷印稳定性的提升及墨水性能的改进，喷墨印刷有望在成本、速度和质量上不断进步并媲美胶印水平。

隨着印刷业的不断发展，数字印刷发挥着越来越重要的作用。喷墨印刷作为数字印刷的主要方式，采用的是一种计算机直接控制输出的技术，无接触、无压力、无印版，具有无版数字印刷的特征，并可实现按需印刷和可变数据印刷。喷墨技术省去了传统印刷方法所需要的制版设备、胶片以及版材等耗材，而且能在不同材质以及不同厚度的平面、曲面和球面等异形承印物上印刷，不受承印表面的限制。随着科技快速发展，喷墨印刷技术已向产品系列化、高速度化、高品质化、低价格化的方向发展，应用领域也已经扩展到按需出版、包装标签、纺织印花、装饰装潢、户外广告、印刷电子、3D打印等领域，发展势头可谓越来越红火。

由于我国针对喷墨印刷技术研究较晚，市场中喷墨印刷设备仍主要依赖进口，因此针对喷墨印刷技术研究不仅是国内外研究的重要内容，而且对于我国印刷装备技术发展具有重要意义。如何让喷墨印刷获得胶印一样的质量，是印刷领域工作者不懈追求的目标。

国内外喷墨印刷技术研究现状

1.国外喷墨印刷技术研究现状

19世纪随着物理学和电子学领域不断发展，1951年，世界上首台应用喷墨印刷原理的设备，在西门子研制成功，主要用于字符的喷墨打印。在此研究基础上，1963年，斯坦福大学Richaid G.Sweet博士开展了连续喷墨实验研究，通过利用微孔压力波谱，并在微粒上施加电荷，最终形成理想的墨滴，随后通过在偏转极板上保持恒定电压，来控制墨滴的运动轨迹，进而为喷墨印刷在商业领域的应用奠定了重要基础。

随着科研工作人员的不断努力，1977年，第一台按需喷墨印刷机西门子PT-80面市，将按需喷墨印刷技术推向了市场。随后，佳能推出BJ-80热泡喷墨打印机，该打印机通过将电信号传给微小加热器，使小墨滴汽化，形成的气泡便将墨滴从喷墨头喷嘴射出，在承印物上形成印刷墨点。20世纪90年代初，美国Encad公司推出了大幅面印刷机 Novajet Pro50，采用基于染料型油墨的4个惠普热泡喷墨打印头技术，印刷系统由此开始向彩色发展。

在喷墨技术研究中，国外学者就墨滴成型机理和喷墨行为方面做了大量研究，主要针对液滴形成及卫星液滴断裂进行数值模拟和试验研究，探究了液丝断裂、回弹和卫星墨滴形成，以及脉冲时间、电压对墨滴断裂时间、尾墨滴长度和墨滴飞行速度等的影响。随着喷墨技术在陶瓷方面的应用，还针对陶瓷喷墨技术中墨滴的成形和铺展进行了数值模拟。

在压电脉冲方面，其主要研究有压电喷头的动力学特性，脉冲电源与喷墨压力关系;研究者还利用双脉冲墨滴成型方法，通过控制低粘度墨水，得到墨滴体积、速度与双脉冲间隔时间及电压幅度之间的关系;通过研究不同温度和驱动电压对压电墨滴成型的影响，发现温度或驱动电压提高会使墨滴变大。另外，在脉冲波形方面也做了大量研究，通过波形控制以求消除残留压力波造成的卫星墨滴，减小墨滴的尺寸，使墨滴的飞行速度在不同喷墨频率下仍保持稳定。

经过多年的研发，特别是随着更适合印刷业需要的按需喷墨印刷头、UV固化墨水以及功能墨水的推出，喷墨印刷技术得到了飞速发展和广范应用，不仅在传统印刷、宽幅印刷、包装印刷、可变数据印刷、直邮等领域得到广泛应用，而且在陶瓷、纺织、印刷电子等领域的应用也不断增长。随着技术进步，墨水质量越来越好，尤其是喷头技术不断改进和功能墨水的研发，喷墨印刷技术不仅分辨率和速度越来越高，其应用也越来越    广阔。

2.国内喷墨印刷技术研究概况

我国针对喷墨印刷技术的研究开展的相对较晚，主要针对墨滴成型过程、下落及数值模拟仿真方面进行了大量研究。魏大忠等对压电喷头通过动力学分析，建立了微滴喷射过程的数学模型。齐乐华等通过对均匀墨滴喷射过程中的墨滴流形态、压力场和速度场及其影响因素进行了研究，揭示了均匀墨滴流形成得内在规律。对于驱动电压，刘春格等通过驱动原理和波传导理论分析推导了压电喷墨印刷的墨滴速度和喷射速度影响因素。宋波等通过试验分析给出了压电式喷墨印刷中操作频率、脉冲时间、脉冲电压等参数的最优值。刘忠坤等基于FPGA对喷墨头进行控制，发现在电压、温度、速度等不同参数值下，喷头喷射出的墨滴不同，在适宜的温度和一定电压范围内，电压越大，墨滴的体积越小，喷射速度越快，印刷质量就越好。

由于喷墨印刷技术相比现有陶瓷装饰手段具有独特优势，近年来，我国学者在喷墨印刷机理研究基础上，针对陶瓷方面的应用也进行了大量相关分析和应用研究。其中朱东彬等针对压电喷墨打印陶瓷构件机理以及应用实例进行了分析，并给出了成功打印陶瓷构件必须满足的条件。徐晗等采用基于PC 机的开放式五轴联动数控系统，开发了一种数控陶瓷喷绘机。随着喷墨印刷技术的不断发展，特别是微小墨滴喷射技术的深入研究，喷墨印刷技术在陶瓷功能构件成形及创意等方面将迎来广阔前景。

提高喷墨打印质量的方法

影响喷墨打印图像质量的因素有很多，其中比较重要的有3个方面：喷墨打印机、油墨以及承印物。对喷墨印刷机来说，喷嘴的直径越小，电流脉冲的频率就越宽，形成图像的墨点就越小，图像的分辨率就越高。但是，形成的墨点越小，印刷速度的提高也就越困难，它们彼此抑止，限制了图像质量的进一步提高。除喷墨印刷机之外，油墨、承印物以及它们之间的相互作用对图像质量的影响也很大。当油墨转移到承印物上时，油墨在承印物上铺展的同时，有一部分油墨渗透到纸张的内部。有油墨渗透的纸张，其特性发生了很大的变化。油墨渗透改变了油墨的性能，并导致印刷色彩与所期望呈现的颜色有很大的区别。本文主要研究喷墨打印过程中如何解决油墨的吸收性问题，从而使喷墨打印质量接近胶印水平。

1.对纸张表面的涂布

一般说来，油墨主要表现为很强的吸收性，而纸张由于其内部纤维的作用，主要表现为很强的散射性。因此，油墨渗透之后，纸张的吸收能力提高，而反射能力降低了;对墨层来说，由于油墨渗透，纯墨层变薄，当光线透过墨层时，光线吸收量减少。由于上述各种原因，油墨渗透会使印刷品颜色发生变化，其中包括色相的变化和饱和度的变化，除此之外，油墨渗透还会改变印刷品的色调范围。

先考虑喷墨印刷的过程。喷嘴在脉冲应力的作用下喷出墨滴，墨滴的大小由打印机的分辨率来决定，一般为60um左右。墨滴与纸张接触后发生铺展，铺展之后的尺寸约为原来尺寸的2倍以上。油墨铺展的过程决定了最后网点的均匀程度和圆度，因此对印刷质量的影响很大。在铺展的同时，油墨中的溶剂由于毛细作用渗透进入承印物，起显色作用的染料固定在纸基的表面，随着固体成分在纸基表面的增加，印品的色饱和度就越高。溶剂的渗透决定了干燥速度的快慢，因此渗透性不好会导致出血、背面蹭脏等故障。对喷墨印刷来说，影响油墨铺展和渗透的主要因素有油墨的表面张力，主要决定网点的大小、形状和油墨在印刷介质上的铺展过程，还有纸张的微孔半径、体积、表面粗糙度、表面能以及孔隙之间的联通等，这几个因素主要决定油墨的渗透。

目前，市场上常用的喷墨打印墨水主要是以水作为溶剂，黏度较小，流动性很大。对于吸收性基材，如纸张，墨滴喷射至基材表面时往往会沿着基材表面的纹路流动，使墨滴的沉积面积增大，浸染到邻近的墨滴，产生渗色现象，不仅影响色彩的还原质量，也降低了图文的分辨率;墨水向基材内部纵向渗透也会影响墨点的色彩密度，降低其色饱和度和鲜艳性。对于非吸收性基材，如PE、PET、PVC、玻璃、陶瓷等，水性墨水因其表面张力较高，对基材的润湿、附着性能较差，影响印刷质量，因此为使色调平滑过渡，达到复制完美，需要优化基材表面的化学组成或物理结构。

因此，为避免油墨在纸张表面的渗透扩散，可在纸张表面喷涂高分子材料。一方面可以限制喷墨墨滴的铺展或者控制液滴的铺展方向，另一方面可以改变基材的表面张力，提高图文的附着力，最终实现高分辨率打印，因此，喷墨打印过程中，喷墨打印基材表面纳米涂层质量直接影响印品的质量。

胶版纸、铜版纸是卷筒数字印刷的主要基材之一，原纸最大特点是表面平滑，显微结构多孔、粗糙。其常规生产过程是抄纸后，经过涂布胶、或含有研磨碳酸钙、高岭土、二氧化钛、滑石粉及塑料等颜料粒子的涂布液，干燥、压光后，提高纸张性能指标和印刷适性。国外（如芬兰、英国、加拿大、瑞典等）对喷墨印刷紙涂层研究较早，相关的研究进展和成果较多。研究内容主要集中在喷墨打印纸涂层材料与结构、生产工艺、印刷质量检测标准等方面。在涂料组成方面与涂布工艺方面，Hyun-Kook， Margaret等人较深入研究彩色喷墨打印纸的构成、气相二氧化硅对涂层的构成和图文质量的影响、粒径、空隙、和孔容对油墨吸附快慢的影响，并尝试用高岭土、碳酸钙常规颜料代替价格较高的铝土和二氧化硅。A.Hladnik自主研发设计用于检测的打印测试标板，用来评判打印质量，采用主成分分析法（PCA）评价图文印刷质量。KatriVikman研究通过实验研究喷墨打印色彩图文的耐光、耐水性能。H.Aslannejad， S.M.Hassanizadeh使用FIB-SEM断层扫描和3D孔隙尺度建模来表征多孔涂层纸的水力特性。Nahla A.El-Wakil， Nesrin F. Kassem，Mohammad L.Hassan通过使用氧化锌的纳米复合涂层对纸张进行预防性保护。马风秋研究了高岭土涂布纸涂层的孔隙率和孔径分布对印刷色彩还原性的影响。李莹研究了丁苯乳胶涂布纸对胶印油墨和UV油墨的渗透性，分析了孔隙和孔径大小对油墨渗透性的影响。辛纪辉等研究了以沉淀碳酸钙-乳胶底涂涂料和以二氧化硅-聚乙烯醇为面涂涂料在纸张表面单层或多层涂布对纸张的涂布量、白度、平滑度、光泽度以及打印性能色密度、阶调、图像清晰度的影响规律。Tiina Nypelo等用纳米碳酸钙涂布获得水接触角为125°的涂布纸，降低纸张的吸水性。Shaoxia Wang等以硅烷为原料，用溶胶凝胶法在纸张表面制备了一层不连续的薄涂层，降低纸张的吸水性，水接触角约为105°。Ahmed Barhoum用表面活性剂修饰纳米碳酸钙涂布，研究了涂布后纸张的涂布层厚度、涂布量、表面粗糙度、空气透过率、光泽、白度、不透明度和亲疏水性。Maryam Ataeefard等研究了激光打印机纸张性能和色彩还原性能之间的关系。Katriina Mielonen等研究了喷墨水墨分别在聚电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵和羧甲基纤维素钠表面的润湿铺展行为，提高纸张的水色牢度和打印质量。

国内的华南理工大学、陕西科技大学、南京林业大学和天津科技大学从事彩色喷墨印刷用纸的研究，研究的内容主要集中在彩色喷墨印刷打印纸涂料的性能和制备、涂层颜料的种类、改性胶黏剂等方面，旨在提高喷墨印刷质量品质。例如制备SiO2@Al2O3壳体结构复合材料用于构筑喷墨打印纸的涂层纳米CaCO3经过特殊工艺处理，使得粒子分散均匀，在纸张表面进行涂布后形成表面平整的印刷用纸。制备单分散纳米二氧化硅微球、沉积法纳米涂层和共生长法纳米涂层，所制备的两种纳米涂层均实现了结构有序、表面平整、孔隙丰富、分布均匀。利用K-M理论建立油墨在纸张涂层的渗透模型，通过实验计算出油墨在纸张涂层渗吸的深度，确定了油墨渗透之后介质的光吸收系数与光散射系数，通过宏观观察喷墨印刷质量。所以，在研究纸张吸墨性能的过程中，不能仅仅依靠提高喷墨印刷机的性能或者单纯添加表面活性剂增大纸张表面活性，提高表面张力，还需要深入了解纸张的渗吸特性和不同纸张孔径分布及大小，正确匹配油墨粒子与空隙的大小。在开发和设计的造纸涂层材料的设计中，应认识和研究涂层的横向渗吸和纵向铺展的机制，优先考虑材料本身的渗吸性能。

这些研究主要是通过采用不同颜料或不同胶乳，涂布改进纸张的各种性能，但很少涉及纸张表面大吸墨容量、快吸收表面多孔涂层的构筑以及与喷墨微细液滴或喷墨数字印刷过程结合。

2.对喷墨墨水的优化

喷墨印刷油墨是喷墨印刷中非常重要的材料之一，它直接决定了喷墨印刷的质量好坏。喷墨油墨是一种要求较高的专用油墨，必须具备稳定、无毒，不堵塞喷嘴，保湿性和可喷性好，且对喷头等金属部件无腐蚀作用，不易燃烧和褪色等特点。除此之外，还必须具有合适的表面张力、黏度、弹性和密度。为了获得较好的印刷质量，必须选用合适的喷墨油墨。目前，市场上所用的喷墨印刷种类很多，主要分为UV油墨、溶剂型油墨、水性油墨3种。这3种类型的油墨各有所长，在喷墨印刷领域都有广泛运用。其中，UV油墨和水性油墨属于环保型油墨。UV油墨不依靠渗透和蒸发来固化，而是通过紫外光照射进行固化，是一种特有的固化方式，因此受到广泛的推崇。

UV固化喷墨技术结合了UV固化油墨和喷墨打印技术的优点，既有UV固化油墨在经济和技术上的优势，还有喷墨打印技术在使用和操作上的便利。这些优点包括：没有挥发性有机物质;低能耗;快速固化;适合于多种基材;不堵塞喷头;油墨组成恒定;打印质量好;无油墨浪费等。

在喷墨印刷领域，最受关注的当属兰达公司在drupa 2012新推出的Landa纳米喷墨印刷技术了。众所周知，Landa纳米印刷技术的核心是Landa NanoInk纳米油墨。这种纳米油墨的颗粒直径只有几十纳米，而且对于光的吸收性能比传统颜料更强。因此，可以在减少颜料总量的情况下，获得更加出色的图像质量。并且，Landa纳米印刷技术打印出来图像墨层厚度非常薄，平均墨层厚度只有500微米，相当于传统胶印墨层厚度的一半，因此，这种印刷技术在材料使用方面更节约，成本也因此大幅度降低。

在喷墨印刷的过程中，需要将直径仅微米左右的微小墨滴以滴秒的喷射速度从喷嘴中喷出，这就要求所用的墨水必须具有低表面张力、低勃度、相对密度小、具有适当的电导性、干燥速度快，并且基本上保持中性的值以避免对喷嘴的腐蚀等特点。因此，只有对喷墨印刷墨水的适应性进行合理调整，才能使印刷时墨水不产生堵塞喷嘴，而且在承印物上能准确的形成所需墨点的大小，以便构成清晰的图像。

但是，由于墨水中染料是分子级的，所以当墨水被喷射到普通纸张类介质上以后，由于普通纸张上布满了大量吸水性很强的纤维，而染料含有大量的亲水因子，两者结合，染料分子就和溶剂一块渗透到纸张内部，墨水便会顺着纸纤维晕染开去，造成打印质量的下降，同时染料墨水的耐光、耐水性能都较差。为此提出了改进染料结构的方法来提高墨水耐光、耐水性能。例如将直接黄和直接黑的钠盐改为铿盐來提高其耐水性能。有机颜料可以提供良好的耐水、耐光稳定性，并易得到较高的色密度和鲜艳的色光。所以在20世纪年代中期，就有人开始研究用于彩色喷墨打印机的颜料型墨水。颜料型墨水的主要问题是颜料的分散稳定性不好和颜料的粒度大以至不能够顺利喷射出来而堵塞喷墨头。

日本最近又研制成功树脂颜料墨水，利用特殊的疏水树脂将每颗超微粒子颜料包裹，当墨滴喷出时，颜料粒子渗透到纸张内部，树脂则覆盖在表面形成保护层，不但可以保护墨滴由于毛细作用的干扰出现晕染现象，还可以抑制光线反射和散射，提高整体光泽感和色彩再现能力。其打印的图片色彩更逼真鲜艳，防水、耐光性能也得到提高。

3.对喷墨打印头的优化

喷墨打印设备的关键核心部件是喷墨打印头。喷墨打印头技术主要有两种原理：一种是连续喷墨（CIJ）技术，其工作原理是喷墨头连续喷射墨滴，其中一部分墨滴选择性地喷在介质上，另外的墨滴则回收到循环系统中;一种是脉冲或按需喷墨（DOD）技术，其原理是通过控制驱动脉冲电信号（或者波形）选择性地触发喷墨头里的制动器（Actuator），使墨滴在需要的时候从喷嘴喷射出来。DOD喷墨打印头技术又分为两种：使用压电陶瓷作为制动器（Actuator）的压电喷墨（PIJ）;使用加热电阻作为制动器（Actuator）的热发泡喷墨（TIJ）。

历史进程中出现了不同类型的喷墨打印头，主要分为按需喷墨和连续喷墨两大类。连续喷墨分为二元式、多元式和赫兹式;按需喷墨主要分为热气泡式、静电拉力式和压电式，其中热气泡式喷墨打印头分为顶射式和侧射式;压电喷墨打印头分为挤压式、弯曲式、推式和剪切式。

喷墨打印机应用于中国的标志是1993年5月初，世界首台用于中文的喷墨打印机的出现。我国喷墨打印头技术起步较晚，初期的关注方向主要在喷墨打印头综述方面，没有针对一种特定的喷墨打印头进行深入研究。

2004年，清华大学魏大忠等人建立了二维压电喷墨模型，对液体在腔室内流动进行简化模拟，推导出了墨滴成型的数学判别依据，根据模拟结果，提出了圆柱形弯曲式压电喷墨打印头腔室的设计方法。2005年，北京工业大学周煜等人模拟了应用于压电喷墨的压电薄膜机械振动特性。同年，上海交通大学赵钧等人运用微机电系统工艺，以SU-8光刻胶作为喷墨腔室，电铸镍工艺制作喷孔，采用热压键合工艺将喷孔层贴于SU-8光刻胶腔室层，在6英寸晶片上制作了电阻尺寸为44μm×44μm的热气泡喷墨打印头。2009年，西安电子科技大学王贝利用亥姆霍兹谐振原理，将压电喷墨打印头腔室看作亥姆霍兹谐振腔，建立压电喷墨打印头腔室内液体动力学模型，并结合黏性液体经过腔室壁时所产生能量损耗公式，完善了适用于压电喷墨打印头的亥姆霍兹谐振公式，通过实验验证了其理论结果的有效性。2009～2014年，江南大学唐正宁教授的课题组对喷墨打印头喷孔形状、推拉式压电喷墨打印头流体动力特性、压电喷墨打印头驱动波形、墨滴分裂与成型等压电喷墨打印头相关理论进行了研究，但是没有设计出具有自主知识产权的压电喷墨打印头。2012年以来，大连理工大学邹赫麟教授课题组运用MEMS工艺，对喷墨打印头模拟与优化、硅基薄膜工艺、压电薄膜工艺、聚合物腔室工艺和压电式喷墨打印头的喷墨测试5个方面进行研究，并且成功制作出能够实现喷墨的弯曲式压电喷墨打印头。台湾中山大学、成功大学等研究人员对热气泡喷墨打印头进行了研究，并采用多种工艺制作出顶射式热气泡喷墨打印头。

4. 对转印方式的优化

在转印的过程中，压印滚筒将橡皮布上的图案压印在承印材料上。一般情况下，转印时的印刷压力会造成网点的扩大，但Landa纳米印刷系统中，橡皮布与承印物只需快速轻微地接触，就可以实现图案100%的转移，因此网点依然保持清晰锐利。

Landa纳米印刷技术虽然属于喷墨印刷，但是与传统意义上的喷墨印刷有着本质的区别。传统喷墨印刷是将墨滴直接喷印在承印材料上，而Landa纳米印刷技术是先将油墨喷到转印带上，然后再转印到各种承印材料上，原理与传统胶印相似。转印的好处在于：喷墨印刷直接将油墨喷到承印材料上，含水分的油墨会渗透在承印材料上，扩散并被承印材料纤维吸收，造成网点扩大模糊;而Landa纳米印刷技术中，油墨在转印带上已干燥，转印到各种承印材料上后，不会渗透、扩散，印刷出来的网点光滑锐利，承印材料也不会湿润致變形，而且这也就是为什么该技术可大量减少油墨使用量的原因。

在传统的喷墨印刷中，承印物进入印刷单元，喷头将墨水喷到承印物上，然后干燥。但是有一个问题，墨水喷到承印物上，要用很大能量去干燥，另外，因为墨水会渗透到承印物中，要达到理想的色浓度的话，就要加大墨水用量。这就造成目前的喷墨技术速度不快，只是用在特殊领域当中。而兰达纳米印艺技术是将纳米油墨直接喷射在橡皮布上，干燥后转移到承印物上，因此，仅仅用少量油墨便能够达到最终效果。

喷墨印刷技术发展方向

如今，喷墨印刷技术的应用领域从之前的户外广告等，扩展到了陶器、瓷砖、标签打印、纺织印花、玻璃饰品等，且还有不断扩大的趋势。我国数字喷墨印刷市场需求虽然滞后于欧美地区，但是近年发展速度加快，市场潜力巨大。

喷墨印刷设备喷印的制成品效果逼真，转换产品生产灵活简单，但目前设备、耗材墨水、零部件配件等价格高昂，现今喷墨印花（印刷）设备主要还是应用于数码打样、户外广告、标牌等。近年来，一些生产型印花企业为了完善自身产品结构，快速响应订单要求，已经将喷墨印刷设备应用到陶瓷砖印花、标签印刷、可变数据出版印刷等大规模喷印生产领域。

未来，随着数字喷墨印刷设备的喷印速度的提高，喷头阵列化应用技术的发展，喷印稳定性的提升和墨水工艺的改进，喷墨印刷有望在成本、速度和质量上不断进步，替代部分传统丝网、辊筒等传统工业印刷的应用，更好地满足各下游大批量生产应用的需求。

随着人们环保意识的增长，环保印刷成为全球，特别是北美和西欧一些市场较为成熟的地区的主流趋势。今后，喷墨印刷技术涉及的领域不断扩展，除了在喷印作业过程中要求喷印作业节能性、作业环境无危害外，下游应用领域（如食品、饮料、医药和烟包等）的印成品需要符合低溶剂残留、异味小、无毒、无污染的要求。

结语

喷墨印刷技术集成了信息技术与机电一体化技术，在各个领域应用日益广泛。从以上的研究现状可以得出，承印材料的性质、墨水的性能、喷头控制系统、喷墨印刷转印方式等从不同的方面影响着喷墨印刷质量。其中某一个因素的不足，就有可能影响整个喷墨印刷质量。因此，要得到高质量的喷墨印刷图像，必须仔细分析影响其质量的各个方面的因素，尽最大可能降低各因素对印刷质量的影响，使喷墨印刷质量接近胶印水平。

作者单位：深圳市裕同包装科技股份有限公司 华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室

责任编辑：李倩 liqian@cprint.cn