1、1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 pre
2、ss 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
3、 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INK DROPLETADHESION LAYERRECEIVING LAYERBASEBack layerPRINT SIDE2膨胀，容易造成打印后色密度（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
4、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。3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
5、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） 。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
6、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
7、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
8、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） ，5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
9、 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6（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体积 pL 墨滴直径 um179.6 70113.1 6065.5 5033.5 4
10、014.1 304.2 20表 2 打印精度 dpi 和墨点直径的关系精度 dpi 墨点直径 um360 71720 351440 182880 95760 4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 30m
11、s 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。73 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
12、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。8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
13、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：DyeSO -3 + NR4+GROUP = DyeSO-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
14、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
15、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9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，
16、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。喷墨介质种类由于喷墨印刷具有油墨和承印材料多样化的特点，其种类繁多，应用范围广泛。在此列出一些常见的分类方法。1 按光泽分类喷墨介质的光泽度 G（gloss index）定义为介质在一定角度下的镜面反
17、射率与标准黑玻璃在同样角度下的镜面反射率之比来表示。测量角度一般采用 60 度入射角。高光（High Glossy）光泽度一般高于 40；光泽（Semi-Glossy 或 Luster）光泽度在 27-15 之10间；亚光（Semi-Matt）光泽度在 5-10；消光（Matt）表面发生完全的漫反射，光泽度低于 3。 2 按基材分类低于综合目前已经上市的产品情况，喷墨基材有涂塑纸、胶片（聚乙烯、聚酯） ，纤维纸、铜版纸、合成纸、PVC、织物、油画布、乃至金属薄膜等。在高档人像和展览展示方面当前使用最多的是胶片和涂塑纸基类材料；在广告领域一般使用合成纸和胶片；在艺术品复制领域一般使用棉浆类纤维纸
18、和油画布；在数码打样领域一般使用铜版纸和涂塑纸基；在办公领域使用纤维纸；在巨幅广告领域，PVC 和织物占主要比例。3 按使用用途分类高光/光泽/亚光相纸：纸质厚实的相纸，经过特殊的涂层处理，能产生近似传统照片的图像，逼真地再现摄影效果。用于需要大出墨量而又要求图像锐度高的图象。高光胶片：是一种高强度聚脂胶片。打印图像具有极好的高光泽度，能产生华美的图象品质。数码打样纸：白度稳定，涂层均一，颜料墨吸墨力强，色域宽，用于数码打样和艺术品复制。彩喷纸：是经过特殊涂层处理的纤维纸张，吸墨量大，成本低，输出图象色彩和清晰度好于普通涂布纸。比较适用于打印如个人简历、正式报告等重要的文件。防水背胶 PP：适
19、用于水性染料和颜料墨，出色的防水性能，户外表现尤为出色。如果使用颜料墨水，图像在无护膜条件下保持 7 个月不褪色，在加护膜时，户外可持续 24 个月依然艳丽如初。热转印纸：在热转印纸上打印热转印墨，通过高温转印至布、金属、木板甚至陶瓷表面，图像艳丽图象不易褪色。喷绘布：布类基材经过吸墨层深加工，可在油画布、旗帜布、宣影布等材料上实现喷墨输出。艺术水彩纸：使用艺术水彩纸打印图象，能产生逼真的水彩画效果。这种纸张将把一种机理和外观都象水彩画一样带入您的生活。银质胶片：这种带有银质涂层的胶片，能产生引人注目的特殊效果。用于制作正式的邀请函、节日贺卡、时装设计图板，以及室内设计。幻灯片：透明的涂层聚脂
20、胶片，特殊的涂层加快干燥速度，提高生产率。适用于BACKLIT 展示、工程计划展示和打印 OVERPLAYS。11背喷灯箱片：材料背面有特殊涂层，可以使光线漫反射，使色彩更为明亮艳丽。并且能够耐受长时间灯光照射所产生的热量。图像喷绘在背面，不会受到损害。应用范围：灯箱，游戏机，售货机，贸易展示，宣传资料，剧院装饰，内部设计等。高光背胶 PVC：这种极具光泽的 PVC 材料能更生动地表现所有的图象。牢固的背胶适合于所有的表面并能够适合温度剧烈变化，能以浓墨覆盖，色彩厚重丰富。应用范围：招贴，指示牌，卖点展示，短期促销宣传，带背胶的横额，贸易展示，横额，零售店，书店等。全天候耐用织布：该产品以柔韧
21、性较好丝织品为基材，适用于溶剂型油墨，专门用于户外图像的解决方案。不但能抗强烈撕拉，而且无需加任何护膜就可用于户外。应用范围：户外招贴、地图、电影海报、季节横幅等。新型喷墨印刷介质技术上喷墨印刷介质的涂层结构经历了膨润型（Swellable） 、孔隙型（Porous） 、铸涂型（Cast-coating） 、微孔型（Microporous）结构几个发展阶段，铸涂型和微孔型结构是近年来快速发展的涂层技术，在写真领域喷墨输出以取代传统银盐相纸为追求目标，微孔型介质最为接近照片输出的效果。膨润型结构采用 RC 纸基为基材，吸墨层主要由水溶性聚合物如聚乙烯醇、明胶组成，业内又称胶质涂层。当墨滴落在介质
22、表面时，聚合物为了吸收水分必须膨胀，这显现出吸墨与防水的基本冲突。因为快速膨胀意味着必须采用高吸水性聚合物，必然防水性差，湿强度低。而且由于聚合物的膨胀速度毕竟有限，吸墨速度较慢，高速模式打印时图像存在严重的堆珠弊病，清晰度很低。膨润型结构介质易被污染，打印完需要覆膜处理，但由于成本低目前在喷绘广告市场大量使用。孔隙型结构使用纤维纸、PP、PVC 做为基材，吸墨层采用微米级的阳离子改性二氧化硅颗粒，业内又称粉质涂层，表面粗糙发生漫反射，光泽度无法提高。由于使用粗的无机颗粒，油墨易渗透入涂层内部，图像色密度低，清晰度也差。铸涂型结构涂层配方上与孔隙型相似，但采用特殊的铸涂工艺以获得镜面的光泽度。
23、铸涂法生产高光喷墨介质时，将湿的带塑性状态的涂料紧贴在一定温度光泽度极高的镀铬铸缸上，由于涂层接触缸面受了较大的线压力，贴压得比较紧，因而不能发生在一般自由状态下的干燥收缩现象，其湿层表面保持铸缸的平整度，干燥后涂层从铸缸剥离，光泽度12极高的铸缸面可以赋予涂层表面极高的光泽度。受限于特殊的铸涂工艺，基材不能使用 RC纸基，否则在铸涂生产时水蒸气无法透过聚乙烯（PE）淋膜层而造成生产事故。因此铸涂介质的吸墨层和纤维原纸直接相邻，打印时墨水容易直接穿透吸墨层渗入原纸纤维。由于纸基本身吸墨，打印时易发生卷曲、变形弊病。同样，产品遇水时，涂层和基材都吸水导致明显变形。微孔型结构吸墨层中含大量纳米级的
24、无机颗粒，颗粒是如此之小，乃至于它们小于可见光波波长的二分之一而变得透明。微孔性结构首先由日本 Konica 公司开发成功，Konica描述该结构使用的是“间隙”汉字，因此国内也有直译成间隙型结构的。微孔型介质采用传统银盐的 RC 纸基作为基材，保持了银盐相纸的光泽和平滑度。微孔型介质不需要为了吸水而膨胀，吸墨层的多孔性结构呈现出能接受油墨的类似蜂巢的孔，因此在吸墨速度和防水之间没有基本冲突。微隙型涂层能达到很高的吸墨速度，事实上，表面油墨吸收如此快以至于堆积和流淌可以完全被消除，画质质量向卤化银照相纸发起强有力的挑战。微孔型介质一般采用亚微米级的氧化铝分散液，分散粒径 D50 仅为 160n
25、m 左右，加入高分子聚合物后，在成膜过程中形成极细微的无机有机复合微粒（ Inorganic-organic Hybrid Fine Particle ） 。吸墨层呈现出能接受墨水的类似海绵体的微孔，由于这些孔非常小，人眼无法分辨，表观上仍然呈现连续高光亮的光泽。而膨润型为平整连续的聚合物薄膜，在 20000 倍扫描电子显微镜（SEM）下的显微形态截然不同（图 8，图 9） 。图 A 佳 艺 间 隙 型 照 片 打 印 相 纸 干 态 下 SEM电 镜 照 片 图 8 微孔型 SEM 电镜照片13图 9 膨润型 SEM 电镜照片虽然微孔型结构呈现高度的孔隙率，但与微米级孔隙不同，涂层仍保持高度
26、透明态，墨水着色剂渗透入涂层内部仍能显色，不影响油墨的色密度表现。微孔型结构的吸墨层由众多微孔性组成，墨水在该结构上的渗透行为满足 Darcy 定律， 据此推导的微孔型吸墨公式类似纸张纤维的吸墨速度公式：1/2cos()dVt式中 V:吸墨体积； t吸墨时间；第一类因素：吸墨层 d 吸墨层毛细管的平均半径； 毛细管的弯曲系数； 孔隙率；第二类因素：墨水 墨水表面张力； 墨水粘度； 第三类因素：纸张与墨水的化学亲和力 接触角； 吸墨速度与孔隙率成正比，微孔型孔隙率一般控制在 0.6 以上，满足喷墨印刷高出墨量、快速打印的需求。更重要的是，由于涂层含有诸多微孔，微孔型介质能顺利吸附颜料型喷墨墨水，扩展了介质适用性。染料墨是墨水中染料以分子形式溶解于其中，当膨润型介质吸附墨水时，高分子链膨胀吸湿，染料可随水和溶剂扩散入吸墨层内。而颜料墨在墨图 10 颜料墨染料墨吸附方式的区别14水中呈现悬浮状态，粒径 80-120nm 不等，无法随水和溶剂扩散入膨润型吸墨层内，只能完全堆积在吸墨层表面造成弊病。间隙型存在大量的孔隙，颜料颗粒可部分进入这些孔隙，形成均匀、附着力良好的油墨层（图 10） 。颜料型喷墨墨水可极大提高喷墨印刷的耐候性，水性颜料墨取代染料墨是喷墨印刷的发展趋势。
