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喷墨打印断墨分析与对策(三)
发表时间:2017-01-15

喷墨打印断墨分析与对策-Part3

墨水部分及案例分析

作者:程瑜明  工程师

杭州科百特过滤器材有限公司 化工事业部数码喷印组

 

喷墨打印设备断墨是最频繁发生的事件,此问题一出,其它均不用去考虑了。在实际应用中很多人遇到断墨事件就是简单地更换部件、调节参数,往往这些行动并不会见效,主要就是没有找到问题发生的根源。为此,我把断墨的主要原因通过机械、电子、化学这三方面知识和经验来分析探讨,并提出一些处理对策供大家分享由于全文较长,文章专业度强,所以一共分三部分在《时尚印花》连续刊出。前两部分已分别在《时尚印花》11月刊、12月刊登载,本期刊载最后一部分。

 

三、墨水部分

通常对于墨水来说不仅要控制好工厂生产过程的墨水品质,同时也要控制好应用方面的墨水品质,本例主要从应用角度来说明墨水对于应用环节中的几个要点。

在实际应用中由于墨水本身不良因素而影响打印断墨的情况主要是看墨水的流畅性、触变性、稳定性这三个指标。

1、流畅性。通常我们需要了解所用墨水的基本理化指标,表5是针对一款已在应用的活性染料墨水所测试的基本理化指标。对表5中一些常用指标就不作分析和讨论只对表5中对流畅性相关参数作一些分析。

 

某活性墨水基本理化测试指标

 

项目

单位

黄色

品红

青色

黑色

浅品

浅青

1

粘度

mPa.s

25

10.8

9.8

10.0

10.2

10.0

10.5

 

 

40

6.0

5.5

5.5

5.8

5.6

5.6

2

表面张力(mN/m

25

37.8

37.2

37.6

35.0

37.1

37.2

3

过滤时间(sec# 1

GF/B

1807

1850

2014

1642

1659

1736

 

 

SUS

21267

20564

21899

15812

20257

21155

4

弯液面形成速度(sec#2

25

4

6

5

8

6

4

5

粒径

nm#3

D50/25

-

-

-

-

-

-

 

 

D90/25

-

-

-

-

-

-

6

接触角# 4

°

78.5

75.5

76.2

71.9

72.0

74.8

7

电导率

Us/cm

1.82

1.84

1.04

4.33

0.40

0.22

8

比重

g/m^3

1.12

1.11

1.11

1.14

1.12

1.10

9

水含量#5

%

-

-

-

-

-

 

 

 

# 1:过滤时间:所用GF/B为玻纤滤膜(精度1微米,直径47毫米滤纸),SUS为模拟喷头内不锈钢滤片(精度约15微米)及面积,故过滤时间会长一些。

# 2:弯液面形成速度:此值越小性能越好。

# 3:粒径:针对涂料类墨水时用,本例为染料型墨水故不需测定。

#4:接触角:指墨滴在喷头板表面所形成角度,小于90度为亲水性。

#5:水含量:针对溶剂型、油性墨水测试指标,本例为水性墨水故不需测定。

 

A、表面张力与接触角。这二个指标国内很多墨水厂不作测试,故取出作分析。本例中所示接触角越小它的表面张力也相应就小。同时接触角越小,它的过滤时间就相应缩短,这有利于墨水及时流到喷头内。因活性、分散墨水的表面张力要高于一般的油性和溶剂型墨水,故它对喷头的湿润时间就远大于后者,对于是因空气占居激励腔内而造成的断墨情况时,要让墨水快速湿润喷头内部,这个指标就显得重要了。

B、二种过滤膜的过滤时间。这是一个表征流变性参数的测试,没有标准可寻通常是根据自己经验来制定这个标准。在本例中用了二种不同材料的过滤膜片对墨水进行过滤,再看墨水的流畅性。因所用过滤器的面积、材料、精度均不一样,故二者过滤速度就不一样了,所以只能以同种滤芯的测试结果作横向比较。

GF/B滤膜精度为1微米,能把墨水中一些软、硬杂质截留下来。故不论新、旧墨水均可用此法来观察墨水的流畅性程度。

SUS滤膜的意图只是模拟一下喷头实际使用情况。它只是一个参考值,但它对存放了一段时间后墨水中有絮凝物的墨水则效果不是很明显。通常要截留絮凝物至少要有2微米以上的精度,GF/B滤膜的精度足以拦截到絮凝物,而SUS滤膜精度约为15微米左右,它无法有效地拦截到墨水中的絮凝物。

要注意的是,在喷头内压最大的地方有二个部分,一个是节流通道,一个是过滤网。通常过滤网的材料有很多,有些是用不锈钢网,有些是用聚脂网。在同样过滤精度条件不锈钢网流畅性会好于聚脂网。

在表5中可见,用低精度的SUS滤膜过滤品红色所测的过滤时间与过滤浅品色所需时间差不多,但改用高精度的GF/B滤膜过滤,则品红色所化时间明显长了,这也说明这一墨水的流畅性还是有点问题。对于青色来说,时间更长,则它的流畅性是最差了。

C、弯液面形成速度。一指标与表面张力有关,当表面张力大时它形成时间就短,反之就长。而表面张力大小还是要综合平衡的,过低则弯液面形成时间过长,不利于高速稳定打印,但过高,对喷头内腔体湿润有影响,不利于气泡及时排出。同时对于墨水的流畅性也是不利。

2、触变性(静态与动态的粘度Δu/u5%)。实际使用中会发现,刚开机使用时机器易断墨,而随着不断地使用,则不断墨了,其中一个主要原因是墨水的触变性超标。

这个参数好坏主要是原料造成的,通常是要更换新的原料来解决。十年前这类墨水不少,而现在这种现象就不太见了,估计是大家对于哪些原料好用,哪些不能用有了一个确定的范围。

A不同剪切力下粘度测定。墨水在低剪切力1-2/S墨水粘度10-11CP左右但在20K/S的高剪切速率下(模拟喷头实际点火频率)通常粘度还会下降2CP左右,当粘度下降过大,则就易断墨。常用的墨水配方大多属于牛顿流体特点,但喷头内腔体尺寸都是微米级的,在喷头内所产生的剪切速率非常高,会达10-100K/s或更高,这时墨水的一些基本特性也会发生些改变,比较明显的就是粘度最化较大,其它还有温度变化等这些均对墨水的稳定性有一定的影响。

B、几种测试方法。实际值可以通过微流体流变仪来测定也可由直接打印测试来获得。但用于喷头最高打印频率相差不多的振荡频率超声波来模拟实际打印状态来测试振荡前后的粘度值也是一个比较实用的方法。

超声波处理后约十分钟再复测粘度墨水粘度变化越小该墨水的喷射性能好;粘度变化越大,该墨水的喷射性能则差。

3稳定性

1)、避免产生盐结晶。现在的活性墨水中存着大量的结晶盐的“晶元”,这些晶元与空气接触后会产生一些结晶体,如图所示。这是某进口数码印花机上使用了进口的活性墨水,当有部分墨水泄漏并与空气长期接触后就会形成如图中所示的结晶体。

在活性墨水中存着大量带离子的晶元体,这些带电的离子尺寸很小,很容易通过一般的过滤器。在墨水生产中对于活性墨水来说,最后一级的过滤精度为0.25微米,这个精度也是无法拦截住这些晶元体。当这些小尺寸的晶元体长时间的集聚后就会长大,当尺寸大到一定程度时就会堵过滤器,喷头内滤网及喷头孔。故品质不良墨水或墨路设计不良的机器,使用活性墨水一到二个月后就会发生打印“偏针”,再下去就会发生“堵孔”故对于活性墨水来说,如何处理这些“晶元体”是很重要的。常用的处理方案如下:

A原材料的提纯让原料中杂质尽可能的降低。但这样会增加成本。

B晶元体过滤。0.03微米的滤芯对活性墨水再过滤一次,这样把大的晶元体及早过滤掉,这样小的晶元体要再长大到有危害的尺寸时则至少要一个月以上了。因越到后面,晶元体生成大的盐结晶体速度会越快,故对于易发生斜喷的墨水,可以使用这一方法,但这么高精度的过滤器使用时压力不宜加的过高,通常在1Bar左右,这样流量会有限,但会很有效。

 

5  数码印花机上主过滤器上活性墨水泄漏后产生结晶体

 

CaKMgCl无机盐成份进行控制这些成份会导致电导率升高。它对喷材料有影响,通常控制在一个合理的水平内离子过多,会加快喷头内材料的腐蚀,缩短喷头的使用寿命。

水性和溶剂型、染料类和涂料类均是不一样的值。

这些盐成份还会加速墨水的絮凝,对一些起堵孔的喷头解剖后发现,通常堵住喷孔的成份是由氧化物和这些无机盐生成的絮凝物。这些东西来源大致有如下几点:

A、墨水中的含杂质过高过份追求成本,选料品质不高,当有其它杂质成份进入墨水中则易发生絮凝;

B、墨路中有大量灰尘通过空气中进入带电的灰尘颗粒参与了反应从而加速了絮凝,大多情况下是主墨桶不干净及直接与空气接触故对于空气进入端一定要装过滤器。

C避免二种体系的墨水混合滤器用过一种墨水,现又要再使用第二种墨水,只是通过清洗这个方法不可取,因过滤器内的墨水是洗不干净的,通常是要全部更换。

3)、墨水存放要求。

A墨水耐高温稳定性墨水在60℃恒温烘箱中密闭放置16小时,取出后降至室温后测试,要求墨水无分层、无沉淀,理化指标无变化,可正常打印。

B墨水耐低温稳定性墨水在-18℃箱中密闭放置48小时,取出后升至室温后测试,要求墨水无分层、无沉淀,理化指标无变化,可正常打印。

C墨水分散稳定性对于分散型染料和颜料墨水,要求以2500rpm高速离心30min无沉淀。

D墨水长期储存稳定性墨水在55℃恒温烘箱中密闭放置8周,取出后降至室温后测试通常要求粘度16周后小于1CP、粒径4周后小于20%画出变化曲线以此拉长来看一年内的变化在约定的墨水储存条件实际存储一年后,对墨水进行测试,墨水应理化指标无变化、可正常打印

E墨水保湿性能在一定面积的培养皿内,放置一定量墨水,敞开放置在55℃烘箱中,测量30min60min120min墨水挥发情况及墨水完全干燥时间。

 

四、案例分析:

某公司研制一台分散直喷机器时,发现环境温度为15度时有一色墨水打印易断墨,后来换了一种墨水后就不断了,求分析原因。

1、静态粘度与温度变化。通过对原来墨水A和现换用墨水B进行了测试,发现这二种墨水在不同温度下的粘度变化不一样,见表6所示。

 

不同温度下粘度

 

规格 粘度(CP)@温度(℃) 备注          

 

 

10 15 20 25 30 35

 

1 墨水A ---- 12.5 10.1 8.4 7.0 6.1 墨水A在温度10度时它的粘度值超仪器量程,故无法读出正常值。
2 墨水B 14.2 12.0 9.3 8.0 6.5 5.7

 

 

 

6墨水静态粘度与温度变化的关系,为此还需看一下它的动态粘度变化,这个可以通过超声波装置模拟打印时的剪切率作用下观察这时二种墨水的粘度变化。

在表6中所看到,在同等环境温度下墨水A的粘度值要大于墨水B,这样在低温时的流畅性墨水B是优于墨水A的。从这点来看,在低温条件下墨水B是会比墨水A更易流到喷头前。

2、动态粘度变化。对于动态粘度测量是利用目前手头上一台38KHZ频率的超声波设备,对二种墨水先进行5分钟振荡,此后分别测它即时5分钟、10分钟后这二种墨水的粘度变化值,结果见表7所示。

 

超声波振荡后粘度变化

 

规格 粘度(CP@RT         

 

 

振荡前 振荡后 振荡后5分钟 振荡后10分钟

 

1 墨水A(黑色) 8.38 10.10 8.50 8.48
超声波BG-05C38KZH
BROOKFIELD LV DV-11+PRO (60RPM)
2 墨水A(青色) 8.98 9.13 9.32 8.98

 

3 墨水B(黑色) 7.83 7.83 7.88 7.87

 

4 墨水B(青色) 6.93 7.06 7.10 7.02

 

 

 

对表7的数据来看,发现墨水之间有如下几点变化:

振荡后粘度加大。其中一种墨水是振荡后粘度上升为最高值,其它三种是在振荡后5分钟后达到最大值。要关注这一段时间内的粘度变化。但有些墨水测试后这个粘度值是下降的,这与工艺过程及设备有关,故要区分对待。

B、粘度变化与打印关系。对于墨水A(青色)来说,它在超声波振荡前后(停止后5分钟)的变化约为3.8%;对于墨水B(青色)变化约为2.4%左右,这二者同在环境温度为15度时打印后者不断墨,说明后者墨水在高剪切率下它的墨水粘度特性变化小,这是也是保证稳定打印的一个重要依据。

C10分钟后粘度恢复到振荡前。通常这个时间越短的话,说明流畅性越好,但在本例中表现不是很明显。

综合上述静、动态粘度变化,及实际打印测试表明墨水B的粘度变化均要小于墨水A,故它打印稳定性要优于墨水A这也是这次低温时易断墨的主要原因,后改用墨水B问题解决。