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1、应用纳米颜 喷墨打 印机 文/李全修 一 、 喷墨打印技术与喷墨墨水简介 喷墨式打印机(Ink 一 jet printe r ) 是目前打印机的主流产 品 。 由于喷墨式 打印机在处理彩色图像方面具有独特的 优势 , 所以预计在未来相当长的时间内 , 是其它打印技术无法取代的 。 生产高性能的喷墨打印机墨水是喷 墨打印技术的关键问题之一 。 一般情况 下 , 喷墨打印机喷嘴的直径只大约只有 3 05 0微米 , 很容易堵塞 。 在 墨水生产 过程中 , 任何错误的配方 、错误 的材料与 错误的生产工艺都会导致打 印失败 。 此 外 , 好的墨水应该具备彩色还原准确 、 图 像边缘清晰锐利 、色
2、彩饱和度高、 防水防 晒性能良好以及可靠的储存稳定性 。 到目前为止 , 生产喷墨打印机墨水 的关键技术主要被美国 、 德国 、 日本 、 西 班牙等公司所垄断 。 喷墨打印机墨水主要分为染料型墨 水与颜料型墨水 , 由于染料是水溶性的 , 所以堵塞 打印机喷嘴的机会相对较少 。 但染料性墨水有以下固有缺点 : 1 、 由于染料是水溶性的 , 所以当用 于喷墨打印时 , 染料会随着墨水中的水 分迁移 , 超出墨点位置造成颜色互相渗 透 、 毛边及透印 。 虽然通过使用具有特殊 涂层的纸张会改善打印的清晰度 , 然而 使用特殊纸张会增加打印成本 , 从而不 能广泛使用 ; 2 、 因为水溶性染料
3、墨水不具备防 水 、 防晒功能 , 所以不能应用于室外广告 等场合 ; 3 、 影像密度与化学稳定性较差 。 与水溶性染料不同 , 颜料基本上是不溶 于水的 , 颜料在水溶液中是以颗粒状态 存在的 , 由于颜料颗粒不会随水分迁移 , 所以避免了许多染料墨水存在的问题 . 另外当颜料墨水与染料墨水比较时 , 颜 料墨水在防水性 、 耐光性 、影像密度以及 化学稳定性方面更为优越 。 虽然颜料性墨水有以上诸多优点 , 但未经改性的颜料在分子间的相互作用 力 , (例如 : 范德瓦耳斯力 、氢键力与静 电 力等)的影响下具有团聚的趋势 , 因此不 能长期保持稳定的分散状态 , 颜料颗粒 会逐步从液体
4、中沉淀出来 , 堵塞打印机 的喷嘴 . 所 以 , 如何获得稳定的颜料分散体是 颜料墨水生产技术最关键的问题之 二 、 颜料性墨水生产技术的发展 在喷墨打印机技术发展过程中 , 曾 经 尝试 过 许多防止颜料颖粒团聚的方 法 , 但是这些方法因为技术不成熟或成 本太高 , 难以达到实用的程度 。 到目前为止 , 从理论上讲有以下技 术可以对颜料进行分散 , 生产喷墨打 印 机墨水 。 1 、 颜料加分散剂 , 然后进行机械研 磨 。 (传统方法) ; 2 、 采用化学接枝的方法对颜料进行 接枝 。 (狡酸基 、磺酸基等) ; 3 、 颜料的纳米复合技术 。 (微胶囊 化) 。 采用传统方法对颜
5、料进行分散是不 成功的 。 日本EP SON公司早期曾采用颜 料加水溶性树脂(含梭基的聚丙烯树脂 混合物) 、 分散剂与有机溶剂等 , 试图保 持分散体系的稳定性 , 但该墨水在使用 过程中发现体系粘度太大 , 经常会发生 打印中断 ; 另外 , 由于墨水的粘度太高容 易粘附在热喷墨式打印机的喷嘴处 , 造 成喷嘴温度过高 , 从而损毁喷头 。 美国 LE翔ARK公司早期也曾使用过类似的技 术 , 但是 由于稳定性不良 , 最后放弃了该 技术方案 。 4 4 我们的宗旨是 : 让 以 设备与耗材应用进入千家万户 总第9 6期 办公设. 与耗材 om ee r ,acil iU6 颜料中不存在分
6、散剂等聚合物 , 可以提高喷墨稳定性 . 化学接枝方法虽然有以上优点 , 但 是在使用过程中并不完美 , 主要存在以 下缺点 : , 化学接枝技术只解决了颜料分 散问题 , 要形成防水性能必须加入某些 水溶性树脂 ; 水溶性树脂与树脂乳液等与分 散体的相容性很差 ; 生产过程危险性高 。 生产设备昂 贵 。 美国杜邦公司为了使颜料达到 自 分散的效果 , 使用臭氧对颜料进行接 枝 , 但是由于臭氧具有强氧化性 , 在处 理粉末状态的颜料时曾经发生过爆炸 事故 。 意大利某公司使用硝酸进行化学 接枝 , 由于硝酸是含氧酸 , 结果在试车 过程中发生爆炸 , 生产线损毁 。 目前 , 只有美国Ca
7、 b o t 公司生产化 学接枝颜料分散液 。 但在墨水的防水 性 、 耐光性与贮存稳定性等方面还存在 一些问题 。 喷墨打印技术经过二十多年的探 索 , 在使用颜料性墨水的问题上世界各 喷墨打印机的主要生产商逐步统一了 认识 。 实践证明 , 微胶囊技术是生产喷 墨打印机颜料性墨水的最佳技术方案 。 到目前为止 EPSON公 司 、CANON 公司 Ml撇K 公司 、 HP 公 司与 LE翔ARK 公司 等 , 在生产颜料性墨水时基本都是采用 徽胶囊技术 . 用微胶囊技术生产颜料性喷墨打 印机墨水有以下显著优点 : 微胶囊技术的原理是通过溶剂 转换形成胶囊 , 树脂是被紧紧的包覆在 颜料颗粒
8、上 , 其结合力比传统的分散剂 与颜料颗粒之间的结合力大得多 。 即使 最新型的高分子分散剂也无法与微胶 囊技术相比 ; 高度的稳定性 。 使用其他技术生产 的颜料墨水在打印机停止工作后数分钟 到数小时内墨头就会干枯 , 停止喷墨 , 此 时即使运行墨盒清洁程序也无法解决 。 使 用微胶囊技术生产的墨水可以保证在墨 盒放置3 0天后仍然可以正常工作 ; 由于颜料颗粒外边有树脂聚合 物包覆 , 所以墨水的保色性/防紫外线 性能得到极大的提高 ; 微胶囊技术生产的墨水只需要 很少的有机溶剂 , 很容易达到美国或欧 洲的环境标准 。 是环保性的产品 。 三 、 用纳米颜料复合技术生产喷 墨打印机墨水
9、的工艺路线与原理 1 、 工艺路线示惫图 : 2 、 工艺原理 目前 , 有多种设备可 以将无机颜料 或有机颜料粉碎成细小的颗粒 . 例如 : 干法粉碎设备有振动磨 、 气流磨及其各 种变型产品 。 湿法粉碎设备有球磨机 、 砂磨机 、 匀质机 、 高速分散机 、 胶体磨与 微孔喷射机等 。 但使用常规设备研磨颜 料时都存在一些不足 。 用干法粉碎设备 粉碎颜料时颜料易发生重新团聚 。 湿法 研磨设备中卧式球磨机研磨周期太长 , 平均每次大约需要连续研磨4 8小时以 上 。 匀质机耗能较大并且会破坏一些高 分子研磨助剂的结构 。 胶体磨效能较 低 , 通常只能将颜料颗粒粉碎到51 0 微米的水
10、平 。 经过大量的实验 , 我们发现使用封 闭式砂磨机加高速分散机的方法(两步 法)取得了很好的效果 , 研磨效率比传 统的卧式球磨机高51 0倍以上 , 研磨 时间缩短到4 6小时 , 并且研磨出来 的颜料色浆光泽均匀 、 体质 细腻 , 粒径 分布很窄 , 可以完全满足喷墨打印墨水 对颜料的要求 。 成成 品原料料 叫叫叫 在获得了理想 的颜料微粒后 , 正确 选择聚合物对颜料 颗粒进行复合是十 分重要的 . 国外在颜 料颗粒的复合技术 上进行 了大量研究 , 提出了所谓微胶囊 技术 (Lipo s o m e ve s iCles) , 其 基本 原理与纳米复合技 术类似 。 但真正成功
11、 的微胶囊技术范例 很少 。 目前 , 微胶囊 使用的材料与包囊 方法一直是各跨国 公司不 公 开的技术 秘密 。 办公自动化杂志 45 纳米复合技术是当前国际上颜料 分散专业的热点技术 , 在分析了传统的 颜料分散技术与纳米复合技术的基本 原理后 , 我们认为采用传统的颜料加分 散剂进行机械研磨的方法生产喷墨打 印机墨水是行不通的 。 使用传统方法进 行颜料分散时 , 由于颜料颗粒与分散剂 之间的键合力太低 , 锚点太少 , 在某些 外界不利因素的影响下 , (例如 , 温度变 化 、 机械震动 、P H 值偏离与长时间贮存 等)会破坏聚合物与颜料微粒间的反相 作用力与空间位阻 , 从而使整
12、个体系的 稳定性遭到破坏 。 需要特别指出 : 一般油墨中存在 少量颜料聚集体是允许的 , 只要聚集 体的数量 不超过规定的数值并不会影 响油墨的使用 。 喷墨墨水则不同 , 哪怕 只有极微量的聚集体存在 , 就会堵塞 打印机的喷嘴 , 对打印机喷头造成致 命性的损伤 。 下面 , 我们结合一个生产实例 , 进 一步说明墨水生产技术的原理与工艺 过程 。 3 、 工艺实例 碳黑是所有颜料中最难粉碎 、 分散 的 。 这是颜料研磨分散专业众所周知的 事情 。 为了验证用纳米颜料复合方法生 产喷墨打印机墨水的实用性 , 我们选择 了碳黑作为实验品 。 基本配方如下 : 碳黑 De创s sas一18
13、010kg 丙 烯酸多元聚合物 10kg(姗=e0 00 o; N V 二20 0 ) 混合溶剂 5kg (匹配聚合物 的汉森数) 乙醇氨 1kg (PH = 7 . 8) 乙二醇 15kg 去离子水 5kg 有必要对以上各组分的要求做一 个说明 : 用 于喷墨打 印机墨水的碳黑 原则 上应该选用色素碳黑 。 例如 : Cabo t 的 MONARCH10 00/900/80 0 、 MO GAL一L . De 一 gus s a 的S系列 , ASA HISB一X45 D都是比 较好的选择 . 并不是所有的色素碳黑都 可以用于微胶囊技术 , 碳黑选择不当就 难以形成可靠的胶囊或胶囊容易破碎
14、。 这些问题都是致命的 。 一般来说 , 使用 槽法碳黑可以得到黑度均匀 、 流动性能 好的分散液 。 使用炉法碳黑时应该选用 经过后处理(氧化)的碳黑 , 也可以得 到流动性良好的分散液 . 树脂对微胶囊的形成是至关重要 的 。 在数百种适合生产油墨的树脂中丙 烯酸聚合物应该是首选 。 相信大家在 这一点上应该没有异议 。 因为丙烯酸 树脂在硬度 、 水溶性 、 耐侯性 、 保光性 、 容易实现均聚与共聚而且耐水解性能 优良 。 这是其它任何树脂都无法比拟 的 。 但是选用该类型的树脂时应该注意 以下问题 。 (l ) 单一的丙烯酸树脂很难满足 喷墨打印机墨水的全部条件 。 必须采用 三元或
15、多元共聚 。 但是各组分的选用与 比例是成败的关键; (2)分子量一般在姗 二30 000 6( X )00 比较好 。 分子量低 , 水溶性较好 ; 但是防 水性较差 。 反之则相反; (3 ) 应该很好的重视酸值 。 树脂溶 液往往并非是真溶 , 酸值过低对形成微 胶囊有利 , 但是水溶性不好;酸值过高 , 微胶囊容易发生溶涨 , 这对体系的稳定 是极为不利的 。 应当仔细权衡 。 到目前为止 , 单一的溶剂对树脂缺乏 良好的溶解性 , 必须将两种以上的溶剂混 合来增强对树脂的溶解度 。 如何选择混合 溶剂的组分和 比例 , 可以参考汉森溶解 度系数 。 否则很难获得稳定的胶囊 。 二元醇
16、可以加强颜料的分散过程 并且有保湿的作用 ; 乙醇氨是缓冲剂 , 可以调整体系的 P H 值 , 建议 调整在 7 . 58 . 5之间 。 P H值过低胶囊的流动 性下降 ;PH 值过高容易 造 成微胶囊溶 涨 。 当然 , 还可以加入各种杀菌剂 、 消泡 剂 、 鳌合剂 、 减阻剂 、 缓蚀剂与 U V防止 剂等 , 这些都是墨水专业人员所熟知的 . 4 、工艺过程: 将配方中的物料混合后加入砂磨机 内 , 启动砂磨机机 , 按照每旋转3 0分钟 停机1 0分钟 , 共4小时 。 磨机的转速为 2 0 0转/ 分 。 停机后取出颜料浆 , 此时颜 料的粉碎与复合同时完成 . 将色浆用传送 泵将色浆传送到高速 分散机内 , 继续加入混合溶剂与水的混 合液 , 比例为 1:l/500 9 启动高速分散 机 , 转速控制在30 0转/分 , 同时加入去 离子水 , 速度控制在每分钟1 0 ML共 5 0 0 施 。 此时微胶囊己经基本形成 . 将以上色浆传送到旋转式蒸发器 , 调整温度对混合溶剂进行蒸馏 , 溶剂蒸 汽经过冷凝装置时凝结成为
