投稿印刷技术喷墨印刷介质

喷墨印刷介质简介喷墨印刷（Ink-jet Printing ）是将墨滴喷射到接受体形成图象或文字的印刷技术。

作为一种非接触、无压力的数字印刷技术，由于喷墨印刷还具有印刷幅宽灵活、油墨和承印材料多样化以及相对较低输出成本的优势，该技术发展迅猛，目前已形成数字喷墨印刷、数码打样、彩色喷绘、写真输出等几大市场。

数字喷墨印刷机已经进入短版、快速印刷市场，形成与小型平版印刷机竞争的主要机型，代表机型有柯达的Versamark 和即将推出的stream 、HP Inkjet WebPress 、富士施乐的iGen3、奥西的JetStream 、Fujifilm JetPress 、网屏的true press jet 等等。

目前数字喷墨印刷机所用油墨基本为固体油墨（又称热熔性墨）或溶剂型墨，由颜料色浆、连接料（聚合物树脂）、溶剂（固体墨使用低熔点石蜡）以及调整表面张力、粘度、附着力、耐候性的助剂组成，选择印刷介质上与传统胶印油墨有一定相通之处，用户选择具有高溶剂吸墨力、表面强度高、表面形态好的介质可满足喷墨印刷需求。

在本文中不做重点讨论。

数码打样、彩色喷绘、写真输出所用的喷墨印刷机油墨与承印材料的作用机理与传统胶印油墨有很大区别，往往需要专门的喷墨介质配合才能实现高品质输出，该市场一般印刷规模小，更属于打印范畴。

此类喷墨打印介质结构，概括来讲可分成基材（Base ）和吸墨层（Receiving Layer ）两大部分（图1），基材从理论上讲，纤维纸、聚乙烯涂塑纸（RC 纸基），聚合物薄膜（如合成纸、PP 、PVC 、聚酯薄膜）以及平面型的片材都可以用做喷墨介质基材。

纤维纸的特点是本身能吸收墨水，有利于提高吸墨量。

但纸中的纤维吸水膨胀，容易造成打Back layer印后色密度（Optical Density）低、洇渗、晕染、介质变形等弊病，耐水性也差。

聚乙烯涂塑纸、聚合物薄膜则有利于表面平滑度和光泽度，如聚乙烯涂塑纸（RC纸基）为传统银盐像纸的支持体，将其用于喷墨纸，也是再现照片质量的重要手段。

由于低粘度和低表面张力是保证墨头能够正常工作的必要条件，因此喷墨油墨更容易在普通涂布纸上渗透，打印质量恶化。

油墨接受层提供对喷墨油墨的匹配性吸附，提高印刷精度、色彩还原性和耐候性能，成分与普通涂布纸有很大区别，图2为普通纸和普通喷墨打印纸（Ink Jet Paper）用染料墨打印后横断面的光学显微照片：普通纸打印后，染料墨（品墨）顺着纸张纤维渗透进去，色密度低并明显严重晕染，影响最后的印刷效果。

而喷墨纸印刷品墨均匀地吸附在纸张表面，避免向纤维内部渗透。

喷墨印刷对介质的要求1．吸墨速度和吸墨总量。

喷墨图像是由众多细小墨点组成的半色调图像，这些四色（CMYK）墨点紧紧相临，在视觉上呈现出各种色相和色调，色密度由单位面积的墨点数目决定，由于墨点非常细微，人眼必须借助光学显微镜才能分辨出单个墨点，因此观察到的是近似连续图像。

图3是某喷墨图像灰色块在光学显微镜下的照片，灰区由众多的CMYK细小墨点以一定方式组合而成。

墨点打印和形成过程大致这样：墨滴喷射，与介质撞击接触，墨滴在吸墨层上经过渗透，挥发，干燥，固着，最后形成墨点（图4）。

实黑色块在600dpi精度下的打印出墨量大约在17ml/m2，彩色单色块的出墨量也大约如此，而需要两种原色混合的彩色色块，比如绿由黄和品混合而成，出墨量大些，大约23 ml/m2。

这些墨量都需要被喷墨介质吸附，或在空气和加热装置下挥发干燥。

加热装置能使墨水更多地“驻留”在介质表面迅速挥发而不发生干燥不足的弊病。

但加热装置会造成打印机制造成本上升和体积增大，除了一些宽幅溶剂墨型或弱溶剂墨型喷绘机带有加热装置外，写真机、喷绘机和桌面喷墨打印机几乎不带加热装置，因此喷墨墨量以介质吸附和挥发干燥为主，对于水性墨，打印过程中挥发干燥只占很少比例，介质的吸墨能力极为重要。

衡量介质吸墨能力的指标：吸墨速度：单位重量吸墨层在单位时间内吸收的墨量吸墨总量：单位重量吸墨层达到饱和吸附时所吸收的墨量量墨滴从接触介质到渗透、吸附完毕，液滴形态消失所需的时间称为干燥时间。

干燥时间是衡量介质性能的重要参数之一，干燥时间越短，吸墨速度越快，即墨滴液滴形态消失的速度越快，这样临近区域打上第二个墨滴造成的相互干扰就越小。

假如涂层的吸墨速度不够快，相临墨点均以液滴形式凝集在涂层表面，很容易发生堆积弊病（beading）和出血弊病（bleeding）——只要有某种原因（如扩散、流动、形变）使得两墨滴接触，液体表面张力就会驱使墨滴融合混色。

在深色密度即出墨量大的区域尤为如此，此时图象的干燥速度和清晰度均大大下降（图5）。

照片级喷墨打印机为了提高图像色阶的细腻性，均引入了浅色墨盒，出墨量显著增加，对介质的吸墨速度要求更高。

当介质的干燥时间偏长时，有时可以特地通过提高打印精度的设置来降低打印速度，以期获得相应的图像质量。

例如，使用膨润型喷墨介质（Swellable Media），在高速模式打印时往往存在明显的堆珠弊病，但关闭高速模式，图像精度可获得质的提高，当然，出图速度大幅度降低。

吸墨总量为吸墨层所能接受的最高墨量，比如对于一个孔隙型接受层（Porous Meida），当接受层的孔隙率为60%时，对于出墨量在23 ml/m2的混合色块，那么需要的吸墨层厚度约38um才能完全吸附这些墨量，否则仍会发生堆珠甚至流淌弊病。

BEADING图2．点增益喷墨液滴非常小，一般墨滴的体积从4pL（皮升）到150pL不等（现业内最小墨滴可达2pL，即2微微升），对应的墨滴直径为从20um到65um，表1列出了墨滴体积与墨滴直径的数据，注意该墨滴直径为在喷射过程中墨滴呈球状时的直径大小，当墨滴撞击介质时由于动能释放或吸墨过程中横向扩散形成直径值更大的墨点。

喷墨行业中所谓点增益（dot gain）是指墨点直径与喷射出来的墨滴直径的比值，喷墨打印点增益必定大于1。

表2-2中列出了打印精度dpi与墨点直径的对应关系，1440dpi的打印精度需要将墨点直径控制在18um以下，因此墨滴直径必须小于18um，对应的墨滴体积为4pL，如果点增益大，则须将墨滴体积控制得更小。

表1 墨滴体积与墨滴直径表2 打印精度dpi和墨点直径的关系墨滴喷射在介质上时，向承印体横向、纵向扩散，纵向扩散速度慢，吸墨性容易不足；横向扩散速度太快，打印墨点的直径过大造成墨点点增益太大，图像清晰度下降。

因此必须精确控制印墨在介质吸收过程中的扩散性能，控制点增益大小。

芬兰技术研究中心（VTT）的Jali Heilmann采用高速微距摄影技术所拍摄的打印墨滴与两种喷墨纸张接触后墨滴形状随时间而变化的情况，如图6所示：从这一系列的照片可以看出，墨滴到达纸张上就开始铺展形成墨点，在30ms内墨滴的尺寸就达到了原始尺寸的两倍，30ms之后，墨滴尺寸变化很小，从30ms到128ms之间墨滴尺寸只增加了5um。

而且从图中可以看出，不同的纸张，墨滴铺展之后的形状也不一样。

第一种喷墨纸因纸张具有差异性发生不规则的扩散导致墨点形状变形，将影响喷墨打印的清晰度。

3．色彩的高重现性介质PH值，介质中吸收材料与着色剂的相互作用，以及着色剂的吸附形态显著影响着色剂的光学效果，造成色相、色密度的偏差。

因此打印介质必须与墨水匹配良好获得高重现性的色彩还原。

对于有一定遮盖力的吸墨层，要特别注意控制着色剂的纵向分布。

墨水中染料大分子的直径为几个纳米，当介质中含有大于50nm的宏孔时，虽然吸墨速度快，吸墨总量大，当它吸附墨水时，墨中的染料和水将一同渗入孔隙，这意味着部分染料将停留在吸墨层深处。

如果吸墨层具有一定的遮盖力，这部分染料的色还原将被掩盖，导致色密度降低。

微孔和亚微孔（小于50nm）吸墨速度慢，吸墨总量小，但染料分子不容易深入，微孔和亚微孔占主导的吸墨层染料倾向于停留在吸墨层表面，色密度上升。

喷墨介质需要平衡色密度、干燥速度、吸墨总量的三者关系。

色密度（光学密度）吸墨速度吸墨总量4．防水性能和防洇渗性能喷墨图像防水能力差的弊病是长期困扰喷墨技术发展的难题。

特别对于水性染料墨，墨水中的染料水溶性很好才能保证墨头长期正常工作，但喷墨图像遇水后染料倾向于重新溶解而造成扩散流失。

吸墨层中往往添加针对喷墨阴离子染料作用的固色成分。

例如最常用的季铵盐基团：—NR4+（R=H或烷基）固色原理如下：固色反应式：Dye—SO-3 + NR4+—GROUP = Dye—SO-3-----NR4+—GROUP这样，原本水溶的染料通过强烈的静电电荷吸引力与固色剂结合在一起，失去水溶性。

染料耐水程度与相互作用的静电作用力呈正比。

对于填充二氧化硅的喷墨纸，需要对二氧化硅做阳离子化处理使其表面电荷呈正电性，所构成的阳离子型复合物就具有较高的固墨能力，即使有水滴时也能抑制染料的流淌。

如果采用氧化铝颗粒作为填充物，氧化铝表面由于吸附Al3+而呈正电荷态，因此以氧化铝为主的吸墨层可很好地固着喷墨染料分子，获得理想的耐水性能。

吸墨层良好的防水性能同时也能防止图像在存储过程中发生洇渗情况。

所谓洇渗是指：当图像接触水蒸气时，墨水中高沸点溶剂、保湿剂、表面活性剂等物质吸附、迁移、挥发水分子，固色效果差的染料分子随之迁移，这种因为潮气引发的线条模糊、图像亮度、浓度和色相改变等性能下降的弊病称之为洇渗（Humidity –Induced Migration）。

在洇渗过程中，染料分子持续迁移直到停留在固色力更强的涂层区域。

5．图像耐候性能虽然耐候性能主要取决于油墨的结构和性质，但介质与墨水的相互作用也有一定程度的影响。

介质中必须添加相应的助剂缓解染料分子或颜料遭受空气中臭氧、氧硫化合物的氧化和紫外线光分解而造成的衰退。

孔隙率高的介质，虽然吸墨速度快，但空气也可以进出这些孔隙加剧图像的衰退，这点要尤其注意。

6．平滑度喷墨印刷中介质平滑度对图像清晰度的影响比一般印刷方式要大。

如果打印介质的表面形态是高度平滑的，墨头喷嘴到介质表面的距离为恒定值，在墨头行进/后退的一次双向打印过程中，按照缺省设定的行进/后退喷射时间驱动的打印墨点应该在同一位置（图7）。

但如果打印介质的表面粗糙度过高，比如图中示意的介质表面显著凸起，喷嘴与介质表面的距离将从d缩短至d’，那么在行进/后退打印过程中，墨滴从喷嘴喷出到到达介质表面的时间也将缩短，因此墨滴撞击介质的位置将比原设定点靠前。

同样的，如果打印介质表面凹凸不平，墨点位置也将发生不同程度的偏移，造成图像清晰度下降。

7．抗褶皱如前所述，喷墨油墨渗透性强，出墨量大，对于在纤维纸上加工的涂布纸，如果油墨渗透入纤维层，要求纸张有合适的紧度和均一性，避免吸墨后纸张变形甚至产生褶皱。

8．其它性能要求为使喷墨印刷能精确进行，纸张的平整度、表面摩擦力、静电、水分含量、纸张表面强度及其它指标也有相应要求，这些要求与印刷纸有相通之处，在此不做详述。