激光照排与固体临界表面张力的关系

激光照排与固体临界表面张力的关系

1数码喷墨直接制网自20世纪90年代初以来，以激光照为主要技术特征的网络技术开始在中国开发。图1显示了流程。但近几年来制网技术已不再局限于以激光照排制为主的间接制网方式,随着喷墨技术的研究和应用领域不断扩大,各种喷墨打印头的新品不断推出,使得利用喷墨技术直接制网成为可能。喷墨制网方式是通过电脑分色(CAD)系统产生各套色图像文件,再由喷墨制网系统直接将套色图像信息转换成墨滴,喷射在涂好感光胶的平网网框或圆网镍网上,经感光冲网即成。其工艺流程如图2所示。数码直接喷墨制网设备的应用不仅大大缩短了从样稿提供到网版制成的周期,同时墨水的成本也远低于激光照排的胶片成本。重要的是,对于环保方面更有它的优势。数码喷墨直接制网的关键技术在于喷墨打印系统,其主要工作框图如图3所示。了解墨水、供墨过程、喷头及高压波形控制电路,是掌握和驾御该设备的关键。为此,本文针对国内引进的瑞士ScreenMaster数码喷墨制网机的这些部件作一分析。2表面张力、粘度墨水是否适合喷头喷射,主要由其表面张力、粘度、粒度所决定。由于粒度较易控制,而表面张力、粘度则因受多种添加剂的影响,不易直接控制到位,如这两个参数不在设定范围内,则墨水很难适应喷头,故对这两个参数有必要进行一些分析。2.1表面张力表面张力是墨水重要的内在性质之一,它对于喷头的润湿、介质的润湿、流平有着密切相关的联系。2.1.1动态表面张力表面张力分为静、动二态,当表面积没有变动时,所测张力为静态表面张力,即常称的“表面张力”。当表面积变动时,所测张力为动态表面张力。对于墨水能否充满喷头这一过程主要考虑墨水与喷头的润湿性匹配是否良好。而对于墨水喷射到介质(感光胶)后墨滴面积迅速扩大,这时则以动态表面张力考虑为主。2.1.2固体临界表面张力s不仅液体有表面张力,固体也有,但无法测之,而Zisman提出了“固体临界表面张力”的概念,以衡量这不能直接测量的固体表面张力。墨水与喷头相接触,喷头自身与空气相的表面张力设为γS,喷头与墨水相的表面张力设为γSL,墨水与空气相的表面张力设为γL。在平衡态下,这些力的关系为:γS=γSL+γL·cosθ(1)当接触角为零时,则液体的表面张力γL接近固体表面张力γS。这时的液体表面张力就是Zisman提出的固体临界表面张力γS,即:γC=γS-γSL通常用固体临界表面张力来衡量固体表面张力。由于固体表面性质还随所处环境而异,故用“润滑张力”来称呼。2.1.3润湿张力的测定在充墨过程中,其中一条参数要考虑到墨水与喷头润湿相匹配,即墨水与喷头内固体物质有着良好的润湿(即展布)。设固体表面能为E1,经液体润湿后为E2,则二者接触后的表面能差为ΔE,ΔE称为展布系数(S)。则:E1=γSE2=γS+γSLS=ΔE=E1-E2=γS-(γSL+γL)=(γS-γSL)-γL(2)式中(γS-γSL)为润湿张力。S=0时,γS-γSL=γL,即液体表面张力等于固体表面的润湿张力。这时喷嘴内固体物的表面能在与墨水接触后没有改变。所以墨水在其表面不会自由展布(即流动),只有借助重力,使墨水在喷嘴内流动。S<0时,则γL>(γS-γSL)。即墨水表面活力大于固体表面润湿张力。此时,墨水与喷嘴接触后的表面将增加体系的表面能。为了顺应趋向最小的规律,这时墨水会回缩,阻止墨水在喷嘴内的流动。S>0时,则γL<(γS-γSL),即墨水表面张力小于固体表面张力。这时墨水即使受外力(如充墨过程的吸墨),也能自由流动。2.2墨水流量的影响墨水属于牛顿流体,墨水的宏观特性——粘性规律符合牛顿粘性公式:其中τ是切应力(Pa),dudydudy是剪切变形速度(s-1),μ是动力学粘性系数(Pa·s)。从式(3)中可知墨水在墨道中流动时,其相邻两层液体作相对滑动即剪切变形时,在相反方向产生一切向应力,以阻止变形的发生。其阻力以动力粘性系数μ来表现。实际工作中喷头要求最大供墨量达0.3ml/min。墨水的流量L应满足下式:L=∫0Rω⋅2πr⋅dr=ΔPπ8μlR4(4)L=∫0Rω⋅2πr⋅dr=ΔΡπ8μlR4(4)式中:ΔP为压差(Pa),R为圆管半径(m),l为管长(m),μ为粘性系数(Pa·s)从式(4)可知,供墨在供墨管内作层流运动时,其流量与压差及供墨管径4次方成正比,而与供墨管长及墨水的粘性系数成反比。不同的墨水具有不同的粘性系数,不同的喷头需要不同的粘性系数与之相适配。2.3螺钉驱动电路表面张力与温度有关,它随温度上升而下降。粘性系统μ显著地依赖于温度,随着温度的升高,粘性系数近似地按指数规律下降。因此实际工作中喷头工作电压要随温度变化而作补偿,使得在不同温度条件下每个喷嘴都能获得相同的出墨量,参见后述喷头驱动电路。表1所列是一种专用的喷墨制网墨水两个基本参数与温度的关系。表中所示温度对表面张力影响较小,而对粘性系数μ影响较大。2.4紫外光对织物的固化由墨水在网版上所构成的图案,其主要功能是在感光时能阻挡紫外光对这部分图案下的感光胶发生固化作用。常用的制网感光胶其固化波长在312～354nm,所以制网的墨水对这一波段的紫外光要有效地阻挡。3给墨水系统3.1缓冲带研墨权图4中展示了供墨系统的基本结构:在储墨盒中装有一定量的墨水,通过调节墨道内的压力大小,可控制供墨量。墨水从储墨盒出来后,通过管道流到过滤缓冲盒。因缓冲盒中装有海绵,可过滤墨水中杂质,同时还可调节供墨量的多少。缓冲盒与喷头直接相连,喷头工作时,在喷头内腔会产生一个微小的负压差,这一压差将把墨水从过滤缓冲墨盒中的海绵体中夺取供给喷头。这时,在储墨盒与过滤、缓冲墨盒间的墨道中压力会变得更负,该负压差达到一定值,将把储墨盒中墨水吸入缓冲盒。周而复始,使得喷头能正常工作。3.2墨道压力pan通常储墨盒中应加入4/5总容积的墨水,用抽气管道插入快装式单向气阀孔(图4中1)可调节墨道中的压力Pin。当压力降低时墨水会沿着墨道外侧壁爬高至上端口,这时储墨盒中的墨水在与大气相通面所承受的压力均为正常的大气压Po,而在墨道中气压已变Pin。从理论上来说二者的差值即为液位差(图4中h1)所反映的压力差Ph1:式中:Po为液面压力(大气压力)(Pa);Pin为墨道压力(绝对压力)(Pa);ρ为墨水密度(kg/m3);g为重力加速度(m/s2)。在正常工作中,随着喷墨工作不断进行,储墨盒中的墨水液面也在不断地下降。这样它与墨道管口上端的位差(图4中h1)也在不断加大,从式(5)中可见,要使系统还能正常供墨,则要使墨道压力(Pin)不断变得更负才行。因墨水比重比水略重一点,约为1.06左右,通常可近似地认为二者密度基本相近。所以在工作过程中,墨道中压力Pin总是低于一个大气压。而这一负压是由喷墨头不断工作才产生的,它有一定的极限值。故为保证稳定供墨,要尽可能使贮墨盒中的液位保持在一定范围内,实际工作中应使它的贮墨液位差不大于1cm。要注意的是:通常墨道中存在着一定量空气,这部分空气将使墨道压力Pin随外界环境变化而改变,变化规律为:式中:V为墨道中气体容量(m3);Ro为气体常数(J/K);T为工作温度(K)由式(6)可知,因昼夜温差变化会使墨道中气压Pin发生变化而影响供墨。若气温升高,则压力Pin、容积V也上升,反之则下降。这一干扰会影响到正常供墨的液位位差值。供墨管道内的压力正常时必须低于一个大气压,若管道接头处密封有问题,则会升高墨道内压力而导致供墨不良现象发生。一旦漏气量大于喷头所产生的负压量,则供墨将发生严重障碍。3.3贮墨水缓冲盒的调峰作用过滤缓冲盒由EpsonStyluscolor800型打印机的彩盒(S020089)为基盒改装而得。为了与墨道相连,在它的上面装了一个上接头部件,盒中的海绵体可吸取约30ml的墨水。海绵体同时还要起到滤墨水中大块杂质的作用。在每次打开电源工作始,喷头吸取海绵中的墨水来补充其所喷射掉的墨水。因这时供墨管中负压还不足以把贮墨盒中墨水吸入缓冲盒,当工作一定时间,有足够负压时,则墨水才会被吸入到缓冲盒中。所以在这一期间,缓冲盒起到补充供墨不及时的作用。但有时因多种原因导致供墨管中负压变得较负时,会有过量墨水加入到过滤缓冲盒中,这时缓冲盒能吸取这些过量墨水,故缓冲盒还起到了类似水库的调峰作用。当然,海绵体中的墨水过少,将会发生喷头吸取墨水不足,导致喷墨断线。反之,当海绵体中墨水过量(大于40ml),则无法吸吮因过负压而吸入的墨水,这些过量的墨水会直接从喷头中流出。严重时会发生虹吸现象。即不工作时,贮墨盒中的墨水会不断地自己流入缓冲盒中,并从喷头流出到废液瓶。发生虹吸现象的原因是:平时缓冲盒中墨水已饱和,且墨水高度(图4中h2),与喷头位差在5cm以上。由于Piezo喷头的墨水特性是表面张力小,粘度大(均相对于电热型喷头的墨水),在这一位差压力作用下,墨水会冲破喷头孔表面与墨水的静态表面张力,而流向外面。一旦墨水流动时,它的动态表面张力将远小于静态表面张力,则更加容易流动,从而导致墨水不断流出喷孔。所以控制好缓冲盒中的墨水量是一件重要工作。4压电式螺钉喷孔喷喷法喷头技术是喷墨制网的关键。喷墨打印技术大致分为两大类:液态喷墨和固态喷墨。液态喷墨打印方式主要分为电热式和微压电式。固态喷墨技术在制网业的应用有其优点,但其设备成本与维护费用较高,可靠性相对较低。而液态喷墨技术则能更好地避免上述问题。瑞士ScreenMaster数码喷墨制网机就是把液态喷墨技术应用于制网业上,它采用微压电式喷头。压电喷头的工作过程为:将供墨系统送来的墨水经滤网到储墨区,再由压电元件将振动墨道内的墨水通过墨道送至喷墨孔喷射出去,图5为喷墨打印头的基本结构。压电式喷头的压力波是位于振动板上片状压电片的挠性运动产生,其工作原理可视为金属隅片相同,在电压脉冲的作用下振动板应保证振动方向呈弓形的变化量达1μm。从电压脉冲引起的换能器效应来看,压电片有点与电容器相类似(实测每极片约500PF)。施加不同电压脉冲可使压电片下的振动墨道截面收缩或扩张,压电片对电压的反应是很快的,但对压电片施加电压后,不可能立即使墨水喷出或吸回,总会产生一定滞后。在振动墨道内产生的过压力或负压的效应,可视作声波在液体中发生传播现象。这种波在振动墨道中的传播遵守声学定律。这样对压电片施加单一极性的电压脉冲将会产生两个极性的压力。为了产生有效的墨滴,作用的电压脉冲、喷嘴材料、几何尺寸,以及墨水性能必须严格匹配。压电式喷头工作寿命远大于电热式喷头,一般每个喷头(以EPSON的Piezo64×3孔为例)至少可工作2000h。压电晶体因不同方向、不同厚薄及其它物理特性不同,使得每一压电晶体具有不同的灵敏度,所以每个喷头要产生标准墨滴其高压驱动电压和脉冲宽度是不同的,一般高压值为20～30V之间。每个喷头的标准墨滴、频率、微量墨滴的ID值均记录在喷头上,使用时应将这些数值置入到控制电路的EEPROM中。5工作过程框图喷头中各孔是否参与喷射、每个墨滴的量值大小、工作稳定性等均由喷头驱动电路来控制的。图6是制网机的打印头驱动电路的原理图。它的工作过程框图见图7。打印头驱动电路主要由公共驱动电路IC3(HBD2813C)和打印头上的喷嘴选择电路IC4、IC5(IR2C72C、IR2C73C)组成。公共驱动电路根据IC2门阵列发出的控制信号产生梯形高压脉冲,并传送到打印头的喷嘴选择电路。与此同时,所打印的数据在门阵列中已把它转换成串行数据也传送给喷嘴选择电路,去激励那些需要喷射墨水的压电极板。5.1普通点、微点模式公共驱动电路是利用6个不同信号CHG、ND1、ND2、MD1、MD2和CKC的输入组合来产生梯形高压波。梯形波可有7种不同组合,分别用于产生普通墨点、微点、微波点模式打印。在喷墨制网中,主要使用普通点模式,当单个普通点激励时,每个墨滴大约为25Pl的墨量,若感受到墨量不足时,可采用双普通点模式。每个梯形波的变化依赖于所组合信号的宽度,上升波形由CHG和CKC决定,与打印模式无关。下降沿由2组不同信号决定,在普通点模式下,由ND1、ND2决定;在微点模式下由MD1、MD2决定。如前所述,晶体各个方向上的灵敏度不一致性,使得每个压电喷头只有一组唯一的高压调整值,它被存放在主控板上的EEPROM中。工作时,被读入门阵列,并转换成8位串行数据,通过SDATA口去设置公共驱动电路。一旦这些值被确定,驱动高压梯形波也被调整到位,喷射的墨量也被确定。5.2喷嘴选择电路打印数据从门阵列IC2(E05B3SCB)的D0～D15口输入,并由它转换成串行数据,再由DATA1～DATA3端口输出到喷嘴选择电路。数据从IC2门阵列送到喷嘴选择电路IC4、IC5是以64bit/2.5MHz方式,并与CLK(时钟)和LAT(锁存)同步,见图8中时序波形。在一个周期中,每路64个串行数据决定了该路中那个喷嘴被选中(高电平有效),在高压梯形波作用下选中喷嘴会喷射墨滴。这一周期大约要花费70μs(单个通道点打印模式)。5.3温度条件的确定当温度下降时,墨水的粘度会明显加大,若在同一打印模式下,高压梯形波不太会有大的变化