数字喷墨印花技术(一)

摘要：数码喷墨印花是近20年发展起来的一种新型印花技术，具有传统印花不能实现的优点，被誉为21世纪染整工业实现革命的关键技术之一。该讲座系统地介绍了数码喷墨印花技术的起源和应用现状，深入浅出地阐述了这一新技术的基本原理及其发展趋势。

关键词：喷射印花；数码；纺织品

1数字喷墨印花技术的起源与发展

1．1喷墨印花技术的起源

喷墨印花是基于细小流体分裂成液滴的原理，而开发的一种新印花方式。尽管早在1878年，LordRayleigh就描述了一束流体分裂成液滴的机理，但直到1948年，瑞典的SiemensElema才申请了世界上第一个利用这一原理的专利。在他发明的喷墨装置中，墨水被加压成一束墨流，用于在不断移动的介质上记录信号。20世纪60年代早期，美国斯坦福大学的Sweet用一束压力波将细小的墨流分裂成了大小均匀的墨滴，分裂后的这些墨滴被有选择地施加上电荷，当带电墨滴通过一个电场时就被偏转进入墨水收集器以循环利用，而未带电荷的墨滴则直接飞向记录介质形成图像，这种方式被称为连续喷墨(continuousinkjet，cU)。70年代，美国IBM公司对这一技术在计算机喷墨打印机中的应用，进行了大量的研究。

20世纪70年代晚期出现了最早的按需喷墨(droponde—mand，DOD)方式。这种喷墨装置只按墨滴在介质上成像的用途而进行喷墨。从70年代到80年代，许多按需喷墨系统被开发并商业化，如SiemensPT．80系列打印机均采用了按需喷墨技术。1979年佳能(Canon)公司发明了气泡喷墨(bubbleinkjet)技术，该技术是利用靠近喷嘴的一个小加热器表面水蒸汽气泡的产生和消失，将墨水从喷嘴处喷射出来。同期，美国的惠普(Hewllet—Packard)公司独立发明了类似的喷墨技术，并称之为ThinkJet，即热气泡喷墨(thermalinkjet)技术。气泡喷墨技术是目前成本最低的喷墨技术，被广泛应用于中低档喷墨打印机中。数字喷墨印花(di~tdinkjetpfindng)技术是在喷墨打印技术的基础上发展起来的。很多人认为，用于织物印花的数字喷墨技术起源于2o世纪60、70年代美国Milliken公司开发的Mil．1itron系统和奥地利Zimmer公司开发的Chromojet系统。当时是通过计算机精确控制，采用使墨滴偏转的阀门而实现喷墨印花的，因而印花精度不高，分辨率只有9—18dpi(dotsperinch)，主要用于一些印花精度要求不高的织物，如地毯的印花。世界上第一台用于地毯印花的喷墨印花机，于1987年的国际纺织机械展览会(ITMA)上首次展出，这是喷墨印花机的第一代产品，也就是现在所谓的连续式喷墨印花机的最早商业化产品。

1．2喷墨印花技术的发展“20世纪80、90年代，随着计算机技术的迅速发展，办公自动化系统逐渐普及，用于纸张的办公室喷墨打印技术得到突飞猛进的推广和应用。这种纸张印刷技术很快被移植到广告和纺织品的印花领域中。广告领域广泛使用的喷绘机是很多喷墨印花机的雏形。因此，现在很多生产喷墨印花机的公司其实也是广告喷绘机的生产商。在开发纺织品喷墨印花用设备方面，荷兰的Stork公司是当今世界上为数不多的致力于喷墨印花机开发的设备生产商。在1991年汉诺威ITMA展览会上，荷兰Stork公司展出了其研制的用于织物印花的数字喷墨印花机。在1995年米兰ITMA展览会上，荷兰Stork等公司展出了使用活性染料墨水，分辨率为360—720dpi，生产能力为4．6m／h的宽幅数字喷墨印花机，这是数字喷墨印花机的第二代产品，在欧洲得到了推广应用。日本是世界上研究开发办公室喷墨打印机和广告喷绘机处于领先地位的国家，日本的Seiren公司(世联公司)也是世界上第一个把数字喷墨印花技术产业化的公司。

可以说，20世纪80—90年代，采用喷墨打印技术的新型喷墨印花机的推出，是织物数字喷墨印花技术的一个新的里程碑。该时期的数字喷墨印花机采用了先进的按需喷墨技术。

   进入21世纪，纺织品数字喷墨印花技术得到了进一步的快速发展。首先，喷墨印花机生产商的数量迅速增加，印花机的性能不断提高。像意大利雷佳尼(Reggiani)的DREAM数字印花机、美国杜邦(DuPont)公司的Artistri数字喷墨印花机、荷兰斯托克(Stork)公司的Amethyst数字喷墨印花机，是专门为纺织品印花而设计制造的印花设备，在性能上已经完全超出了广告喷绘机。其次，喷墨印花用墨水的品种和质量不断完善和提高。汽巴、巴斯夫、杜邦、德司达等大公司都推出了品种和色谱齐全的染料和颜料墨水，为喷墨印花的产业化推广应用奠定了良好的基础。第三，数字喷墨印花的应用领域和产业化规模不断扩大，显示出良好的产业化前景。截至2004年，欧洲已有数字喷墨印花工厂20～30家，各有5—20台数字喷墨印花机，分布于意大利、西班牙、葡萄牙、波兰、英国和法国等国家，其中以意大利和西班牙较为集中，已形成了产业群。欧洲的数字喷墨印花机的速度以14m／h的8色机为主，总量在300—500台，接受批量为300—500码的订单，产品系高端品牌的服装面料，加工费约为40欧m。这说明数字喷墨印花不仅仅用于产品打样和工艺品的制作，已开始进入大规模的产业化生产。

2数字喷墨印花原理

2．1喷墨印花的概念印花是纺织品生产过程中一个重要的工序，它不仅能够为消费者提供五彩缤纷的纺织产品，还可以大大提高纺织品的附加值。传统的纺织品印花需要将所印制的图案分解成不同的颜色(分色)，制成花版，然后通过印花机对花，将图案重新组合起来，完成印花过程。因此，传统印花不论是平网还是圆网，都存在生产工艺流程长、劳动强度大、环境污染严重等缺点。近年来，随着计算机、材料、信息和精密机械制造等相关技术的发展，数字喷墨印花技术越来越受到人们的重视。

    数字喷墨印花是用扫描仪、数码摄像机、数码照相机等手段，把需要印花的图案以数字形式输入计算机；经过图像软件处理后，再通过计算机控制的数字喷墨印花机，直接将印花墨水喷射到织物上，印制出所需的图案。喷墨印花与传统印花有本质的不同。喷墨印花是一种非接触印花，印花图案是靠不同颜色的微小墨滴直接在织物表面混合形成的。因此，墨滴的形成、形状和大小对喷墨印花的质量有非常重要的影响，如图1所示

2．2墨滴的形成及其与织物的相互作用|8

2．2．1墨滴的形状随着科学技术的迅速发展，近年来很多科学家采用高速摄像手段，观察了墨滴的喷出过程、形状及其与织物相互作用的情况。美国佐治亚理工学院的w．W．Cart等采用图2所示的装置观察了液滴的形成过程和形状，得到如图3所示的试验结果，其中左图为由直径为5mm的毛细管喷出的液滴形状，右图为由直径为2mm毛细管喷出的液滴形状。

图3中，液滴的流出速度为0．38mL／min，直径为212—250的二氧化钛球形颗粒，在液体中所占的体积分数从左至右依次为：0、0．02、0．1、0．25。从图3可以看出，当液体中不含有球形固体颗粒时，形成的液滴呈很规则的球形，液滴分离形成后的颈部像针一样非常细。随着固体颗粒含量的不断提高，形成的液滴逐渐变得不规则，液滴更像梨形，分离后的颈部变得断断续续，呈卫星状。

2．2．2墨滴和织物的相互作用从喷嘴喷出的墨滴与织物表面碰撞，在织物表面形成图案。喷墨印花的质量除了与墨滴的形状有关外，还与墨滴与织物的相互作用有很大的关系。墨滴与织物的相互作用主要包括碰撞和吸收两个部分。w．W．Cart等采用图4所示装置，观察了液滴与基质的相互作用情况。

液滴与基质的碰撞可以分成四个阶段。(1)碰撞前。在这个阶段，液滴的碰撞能量包括动能、表面能和势能。(2)最大程度的铺展。在这个阶段，液体的流动方向由向外扩展转为向内收缩，液滴的表面能处于最大值而动能为零。(3)收缩或回弹。在这个阶段，液滴由于重力的影响，其移动方向由向t-_变为向下。(4)准平衡阶段。在这个阶段，液滴的动能全部转化为表面能或被粘滞力消耗掉。在碰撞过程中液滴在基质上的铺展．对喷墨印花的质量有非常重要的影响。影响液滴铺展的主要因素有液滴的惯性、扩展流体内的粘滞力和液滴的表面能。

表1是蒸馏水滴在三种不同基质表面上，碰撞后液滴形状随时间变化的序列图。从图中可以看出，碰撞前(时间为0．0ms)水滴均为规则的球形。当时间为5m8时，水滴在聚氟乙烯涂层硅片和六甲基二硅胺烷涂层硅片上的铺展，基本上达到了最大铺展比例(即液滴与基质接触后的直径与碰撞前液滴的直径之比)。然而，水滴在未涂层硅片上的铺展直到时间为9．0ms时，才达到其最大铺展比例。当时间为9．0ms时，水滴在聚氟乙烯涂层硅片和六甲基二硅胺烷涂层硅片上的碰撞进入收缩或回弹阶段，而水滴在未涂层硅片上的收缩极小。当时间为800ms时，最大铺展比不再发生变化，液滴在不同基质上的碰撞达到了准平衡状态。水滴在未涂层硅片上的最终铺展直径，远大于其它两种表面，这是因为水滴在未涂层硅片上的接触角远小于水滴在其它两种表面上的接触角。因此，喷墨印花织物的表面特性和墨水的表面张力是影响喷墨印花图案质量的重要因素。

表2是水滴在涤纶长丝纤维表面的碰撞情况。从中可以看出，在同样粗糙的涤纶纤维表面上，液滴碰撞的位置不同，所形成的液滴形状也不相同。在碰撞之前(t=0．0ms)，蒸馏水滴在不同基质上呈球形；当碰撞时间为5．0ms时，液滴在两种不同纤维表面上的铺展，无论在纤维的纵向还是横向均得到最大铺展；当碰撞时间为9．0ms时，液滴进入收缩阶段；当碰撞时间大于等于800ms时，液滴与纤维的碰撞达到平衡状态，但是液滴在涤纶纤维之间碰撞后所形成的铺展直径大于在纤维中心碰撞后所形成的铺展直径。这说明墨滴与纤维表面相互作用的位置也直接影响着喷墨印花图案的质量。

2．3按需喷墨原理按需喷墨印花就是根据图案的需要而产生墨滴，分为气泡式、压电式和阀门式等不同的喷墨方式。所有这些喷墨方式都具有不同的特点，对墨水的要求也各不相同。

2．3．1压电式按需喷墨

压电式按需喷墨(piezoelectricinkjet)的工作原理如图5所示。喷头中的压电晶体根据输入的电信号膨胀，挤压墨水使墨滴从喷嘴中喷出，在织物上形成图案。电压信号消失后，压电

晶体恢复到原来。的正常尺寸，墨室依靠毛细管作用被重新充满。压电式喷头的作用频率约14000次／s，即它每秒钟可以喷出14000个墨滴，每个墨滴的体积约为150pL(1picoliters：1×10liters)。

压电式按需喷墨印花设备的关键部件是压电式喷头。按照压电陶瓷的变形模式，压电式按需喷墨技术分为四种类型：挤压模式、弯曲模式、推进模式和剪切模式，如图6所示。

挤压模式采用的是放射状极化压电陶瓷管，对弯曲和推进模式来说，是在平行于压电陶瓷极化方向的电极之间产生电场，而在剪切模式中，电场是垂直于压电陶瓷的极化方向的。

(1)挤压模式如图6(a)所示，挤压模式喷头的激发器由直径为1mE的压电陶瓷管组成，陶瓷管的内层和外层有很多电极，使陶瓷管能够作放射状极化。当需要将墨滴从喷孔喷出时，一个短时间脉冲电压就会施加给压电陶瓷管，使其产生极化，导致压电陶瓷管收缩。压电陶瓷管体积的突然减小，会使少量墨水从喷孔喷出由于压力脉冲的作用，部分墨水会被迫返回陶瓷管，但是由于陶瓷管的长度和内孔产生的声学阻抗很大，返回陶瓷管的墨水数量相对较少。电压脉冲的衰减相对较慢，因此陶瓷管就会慢慢膨胀恢复到原来的体积。由于衰减过程体积的变化速率小，伴随产生的压力减少很小，以至于不能克服喷孔处液体的表面张力，因此贮墨室中的液体就会流向陶瓷管，替代先前喷出但未通过喷孔进入空气的液体。这种喷墨方式被应用于SiemensPT一80等喷墨打印机中。

(2)弯曲模式弯曲模式的压电喷墨激发器由具有墨水人口和止于喷孔的墨水出口通道的压力腔构成，如图6(b)所示。腔的一边由导电隔膜构成，可以弯曲的压电陶瓷板与导电隔膜相连，陶瓷板的外层是导电涂层，可以直接连接电信号。当给压电陶瓷板施加电信号时会使其收缩，结果导致隔膜向压力腔内部弯曲。隔膜的运动，压迫腔内的墨水使墨滴从喷孔处喷出墨滴的大小由施加给压电陶瓷板的电压、脉冲持续的时间和喷孔的直径决定。Tektronix公司的Phaser300、350型喷墨打印机和Epson公司的ColorStylus400、600、800型喷墨打印机的喷头，均采用弯曲模式的压电式喷墨技术。

(3)推进模式在如图6(c)所示的推进模式中，当压电陶瓷棒接受电压信号膨胀时，墨水被推动，使墨滴从喷孔喷出。理论上压电陶瓷棒可以与墨水直接接触并推动墨水，但是在实际应用中为了防止墨水与压电陶瓷材料之间的不良作用，会在两者之间设置一层薄的隔膜。应用推进模式喷头的喷墨打印机有Dataproducts、Trident和Epson公司的产品。

(4)剪切模式剪切式压电激发器的构造如图6(d、e、f)所示。其中图6(d、e)示意的是该激发器的内部结构，图6(d)示出了组成剪切式压电激发器的单个部件，图6(e)表示组装后的激发器形状；图6(f)示意的是该激发器的截面结构，墨滴是由图中所示的喷孔喷出的。图6(d)中所示的基板是用Pb(Zr_0.53Ti_0.47)O₃，(PZT)陶瓷制成的，基板上分布着许多间距为137µm的墨水通道(如图7所示)，这些通道是用半导体工业使用的切割锯连续凿成的。典型的墨水通道的宽度和深度分别为75µm和360µm。具有通道的压电陶瓷部件在平行于通道壁的方向上被极化，使靠近衬垫的通道变浅，而其它主要部分的通道变深。金属电极被沉积在通道壁两边的上半部，通道内的每对电极被相互连接到电路的丝焊区域。由于热匹配的要求，通常情况下盖板也是用PZT材料制成的，并直接粘结在基板上。盖板构成了墨水通道的顶，并紧紧地夹在通道壁的上部。墨水通过盖板上的人口将通道充满。喷嘴板安装在激发器的正面。Xaar和Spectra公司是世界上剪切式压电喷头设计和制造的领先者。

压电式按需喷墨印花机可以使用水性和溶剂性墨水。墨水的粘度应在8～12cP，表面张力大于32mN／m，墨水中存在的固体颗粒的最大粒径不能大于l。由于喷出的墨滴小，压电式按需喷墨的分辨率理论上高达2880dpi，具有精度高、寿命长、可靠性高等优点，但其喷头制造成本较高。目前压电式数字喷墨印花机的速度可以达到200m／h。压电式数字喷墨印花机的生产商较多，如Mimaki、Roland、DuPond、杭州宏华等。

2．3．2气泡式按需喷墨气泡式按需喷墨(bubbleinkjet)的原理如图8所示。这种喷墨装置能够根据输入的电信号瞬间将一个电阻加热到高温(约350℃)状态，导致墨水汽化形成气泡，使墨滴从喷嘴中喷出，在织物上形成图案。电信号撤销后，气泡冷却消失，墨室重新被充满。热气泡式喷头的作用频率约10000次／s，即每秒钟可以喷出10000个墨滴，每个墨滴的体积约为150～200pL，比压电式喷墨方式喷出的墨滴体积稍大。因此，气泡式按需喷墨印花机的分辨率较压电式的低，但高于连续式喷墨印花机。气泡式按需喷墨的优点是喷头的制造成本低，但其使用寿命短、可靠性差。热气泡式印花机的生产商有ENCAD、Canon等，印花速度可以达到100m／h。

气泡式按需喷墨方式要求墨水的粘度为1．5cP，表面张力应大于35mN／m。为了防止喷嘴堵塞，墨水中固体颗粒的最大粒径应小于0．2岬。由于气泡的产生需要高温，因此墨水应具有足够的热稳定性，以避免墨水中的组分分毹，造成加热电阻涂层及喷嘴堵塞。

2．3．3其它按需喷墨方式

按需喷墨的方式还有电磁阀式按需喷墨(solenoidvalveinkjet)，这种喷墨方式是利用电磁阀控制墨水在空气流中流动，由气流将墨滴喷射在基质上形成图案。这种喷墨方式的精度只有25dpi，主要用于一些旗帜、地毯、窗帘、广告牌等的印制。由于精度的限制，这种喷墨方式的应用越来越少。另一种将来可能会得到应用的是静电式按需喷墨(electrostaticinkjet)。这种喷墨技术采用导电墨水，当墨水通过喷嘴和阀电极之间的电场时，电压使墨滴从喷嘴处喷出并向阀电极运动，然后在靠近阀电极前面的基质上形成图案。这种喷墨方式虽然没有商业化，但是由于印花精度高、速度快，颇具发展潜力。

2．4连续喷墨原理

2．4．1偏转阀式连续喷墨如前所述，连续喷墨最早是由Sweet发明的，1969年Hertz对此进行了改进。在这种喷墨系统中，连续的墨滴流是由直径为10—100µm的喷嘴喷出的，产生的墨滴流用一个空气阀使之有选择地喷射到基质上形成印花图案，如图9所示。这种喷墨印花方式在地毯行业中的应用已经有20多年的历史。1975年，美国Miliken公司应用这种最早的喷墨印花原理，推出了一种适用于地毯和室内装饰品的8色连续喷墨印花机，由于这种机器的印花质量超过了一般的地毯印花方法，并且印花速度合适，在市场上获得了极大的成功，被认为是喷墨印花历史上的里程碑

偏转阀式连续喷墨印花使用的墨水粘度很高，在100—400cP。由于这种印花方式的给墨量很大，印花速度快，能达到15m／min，所以非常适合地毯等厚重织物的印花。但是，由于这种喷墨方式产生的墨滴很大，分辨率低，仅20dpi左右，所以限制了它在其它领域中的应用。

2．4．2二位连续喷墨

二位连续喷墨的原理如图10所示。在泵的作用下，储墨器中的印花墨水根据输入的电信号，以墨滴的形式从喷头中连续喷出，经过静电场后，使墨滴有选择地带上电荷，这些带电荷的墨滴在高压偏转电极板的作用下发生偏转，被收集后返回储墨器重新使用，未带电荷的墨滴直接喷射在织物上形成图案。在非激发状态下，由于流体表面张力的作用，喷出的流体会以不均匀的速率自发地形成液滴。为了以一种规则受控的方式进行墨水喷射，在这种连续喷墨装置中，通常使用频率高达1×10Hz的压电晶体产生超声波，以激发墨水，使之形成均匀连续的墨滴流。

二位连续喷墨使用的墨水以水或醇作溶剂，粘度要求达到1．5cP，表面张力在35mN／m以上。为了保证墨水的可喷射性和印花质量，墨水中固体颗粒的粒径要小于1tun，其电导率要大于500s，盐的含量要小于100mg／kg。二位连续喷墨装置的结构简单，可靠性高。但是，这种印花机的速度比较慢。Stork公司早期的喷墨印花机采用的是二位连续喷墨原理，使用8色活性染料墨水。

2．4．3多位连续喷墨

多位连续喷墨与二位连续喷墨的区别是，前者使墨滴带不同的电荷，当这些墨滴通过偏转电极板的时候，可以发生不同的偏转，从而在基质的多个位置上形成图案，如图11所示。用这种方法产生的墨滴直径大约是喷嘴直径的1．9倍，在有些情况下也会产生一些小的呈卫星状的墨滴，但是这些卫星状的墨滴会很快与墨滴流中的主墨滴合并。

多位连续喷墨要求墨水的粘度必须在3—8cP，若墨水的粘度太大，墨滴就很难形成；太小则，形成的墨滴不稳定。墨水的表面张力必须大于32mN／m，墨水中的最大固体颗粒大小不能超过1tun，墨水的电导率要大于1000s。多位连续喷墨的优点是喷墨装置的可靠性高，喷嘴很少堵塞。其次，多位连续喷墨产生的墨滴较大，可以在单位时间内向织物提供更多的墨水，有利于提高印花图案的颜色深度和饱和度。第三，与按需喷墨相比，多位连续喷墨每秒钟产生的墨滴数更多，因此印花速度更快。多位连续喷墨的缺点是印花精度较低，并且需要墨水回收系统，会增加喷墨装置的制造费用。应用这种原理的喷墨印花机速度较快，印花速度可以达到200m／h以上。该机型一般采用8色喷头，幅宽1．85—3．2m，主要生产商有Stork、Zimmer等，早期主要应用于地毯、毛毯、毛巾等印花精细度不是很高的产品中。近年来，随着印花精度不断提高，这种光型的机器可以达到600dpi，也逐渐应用于一些高精度印花产品中。(未完待续)