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与时俱进的Ink 喷墨打印墨水 沈永嘉华东理工大学精细化工研究所 市场上已经实现商品化生产的喷墨打印墨水有两种 即染料型 第一代 和颜料型 第二代 无论是何种 都有水性和溶剂型之分 取决于它们的具体应用场合 喷墨打印墨水不仅仅是一种办公用品 它还可以被用于个性化的纺织品数码印花 第一代和第二代喷墨打印墨水仍各具有自己的弱点 文中就这些弱点的克服提出了两种思路 并就喷墨打印技术的发展给出了一个具体的事例 第一代喷墨打印墨水 喷墨打印作为一种印刷技术 上世纪90年代初在我国市场上开始出现 当时是作为色带打印技术的升级换代 也是在办公室里用于纸质文件的打印 那时喷墨打印墨水内的着色剂主要是水溶性的染料 具体的品种是酸性染料和直接染料 目前市场上喷墨打印用的染料型墨水品种相当多 用它们打印的制品图像清晰 色彩逼真 同时具有干燥速度快 在喷嘴处不易形成硬壳 长期存放稳定性好的优点 第一代喷墨打印墨水的制作 1 为了获得干燥快的效果 需要在墨水中添加有机溶剂 可用的溶剂有 烷基酰胺 酮及酮醇 醚 聚亚烷基二醇 多元醇低碳数单烷基醚 多元醇低碳数二烷基醚 C1 6的烷基醇 环丁砜 吡咯烷酮 N 甲基 2 吡咯烷酮 1 3 二甲基 2 咪唑啉酮 1 5 戊二醇 l 2 己二醇 2 为了增加染料在墨水中的溶解度 需要添加缓冲剂 如 磷酸盐 硼酸盐 碳酸盐 醋酸盐 3 为了调节墨水的流动性 需要添加粘度调节剂 如 聚乙烯醇 各种水溶性纤维素以及水溶性树脂 4 为了使墨水保持中性 以免腐蚀喷嘴 就需要添加pH调节剂 如 二乙醇胺 三乙醇胺等 5 为了降低墨水的表面张力 以使墨水能迅速地在纸张或其他底物上铺展开 需要添加表面活性剂 第一代喷墨打印墨水的配方 第一代喷墨打印墨水用于数码喷墨印花 纺织品一般使用染料染色 但是这种染色制品其色调是单一的 为了获得色彩绚丽的图案 就要使用印花技术 传统的印花技术非常复杂 如 筛网印花和滚筒印花 筛网印花 圆网印花 喷墨印花 第二代喷墨打印墨水 上世纪90年代后期市场上开始出现了第二代喷墨打印墨水 因所用的着色剂为水不溶性的颜料 故也有人称之为颜料型墨水 因颜料是水不溶的 所以它的耐水性能要优于染料且不易受天气影响 但是正因为颜料不是溶解于水而是分散于水中 它与水组成的液体不是溶液而是一种分散体 因而从热力学上说 颜料型墨水是不稳定的 长时间储存就可使墨水中的颜料颗粒粒径增大 从而造成喷嘴堵塞 为了保证不堵塞喷嘴 所用的颜料必须经过严格的细化加工 一般是先通过机械研磨 再通过高压均质泵处理 最后还要通过一定孔径的膜过滤 一般称作纳滤 因为细小的固体颗粒具有较大的表面自由能 所以它们很容易自发地发生凝聚或团聚 因此在对颜料进行研磨时 就要在其内加入适当的表面活性剂 分散剂 颜料的颗粒直径对喷墨墨水体系的稳定性有很大影响 当粒子较大时 运动速度降低 大颗粒比小颗粒的比表面积小 形成的双电层的面积也小 不利于产生足够的排斥力 另外 根据斯托克斯定律 在重力场中颗粒的沉降速度与颗粒直径的平方成正比 所以 颗粒越大 沉降速度越高 容易使体系受到破坏 要提高墨水的储存稳定性 颜料颗粒应控制在0 5 以下 同时由于小颗粒有着比大颗粒更大的溶解度 所以要使分散体稳定 其内的颗粒粒径分布要窄 以免小颗粒溶解后在大颗粒的边缘再生长出来 影响墨水应用性能的一些因素 第二代喷墨打印墨水的制备 喷墨打印墨水的发展 冰染染料的染色原理 这种思路既解决了水溶性染料要除盐的问题 又解决了染料的应用牢度问题 还解决了有机颜料需要磨细和纳滤的问题 只是到目前为止 符合这样要求的重氮盐 色盐 尚未找到 所以就需要开发新一代的 稳定的重氮盐 我们曾经开发了一种如下结构的 稳定性的重氮盐 它是一种稳定的重氮盐 可以以固体的状态长时间存放 在水中也有适量的溶解度 暂溶性颜料 颜料是不溶性的 既不溶于水也不溶于应用介质 这样会在使用过程中带来一些麻烦 有些颜料 尤其是有机颜料 分子中含有亚氨基 于是有人想到用一种试剂 例如二碳酸叔丁酯 俗称BOC酐 与该亚氨基反应 反应的结果是在颜料分子上引入了有助于其溶解在有机溶剂的基团 碳酸叔丁酯 成了一种可溶于有机溶剂的衍生物 见下式 这种衍生物对热不稳定 在一定温度下加热此化合物 可使该取代基脱落 重新成为原来不溶性的颜料 可以这样设想 选择自己所需要色光和牢度的有机颜料分子 当然含有亚氨基 在制造墨水用的有机溶剂中与BOC酐反应 反应结束后 通过简单的过滤 去掉不溶性的物质就得到喷墨打印墨水原液 再加入各种助剂后 就成为墨水 这个过程比起对颜料的研磨过程要简单得多 此时由于颜料全部溶解于溶剂 以分子状态存在 所以不存在细度问题 得到的溶液也非常稳定 不会有固体析出或絮凝 将其喷射到底物 例如 织物 上 形成所期望的图案 再送入烘焙室 在某个温度受热一段时间后则BOC取代基脱落 这样留在底物上的就是原先的颜料 由于目前BOC酐的价格比较昂贵 所以若用于普通的办公文件打印则可能成本过高 但是若用于某些画报的打印 则不存在成本的问题 用于个性化的纺织品印花就更不是问题了 应用领域的发展 印制电路板 PrintingCircuitBoard 简称PCB 常规制造工艺是铜箔蚀刻法 也称减成法 它是用覆铜箔层压板为基板 经网版印刷或光致成像形成抗蚀线路图形 由化学蚀刻得到电路 若是双面或多层PCB还要进行孔金属化与电镀 实现层间电路互连 因PCB制造工艺复杂 工序多 要耗用大量的水与电 也会耗用许多铜与其他化学材料 故会产生大量的废水和污染物 电子设备的发展趋势是多功能 小型化 环保型和低成本 这就相应要求为其配套的PCB高密度 轻薄化 环保型和低成本 显然 传统的PCB工艺和产品难以达到新一代要求 日本 韩国以及我国台湾等地正在兴起一项PCB技术革命 印制电子 PrintedElectronic 或印制电子电路 PEC PrintedElectronicCircuit 也称为加