几种特殊丝印油墨介绍

文 肖永清

几种特殊丝印油墨介绍

文 肖永清

丝印作为印刷设备行业中的一大特色产业，在印刷行业中有着举足轻重的地位。丝网印刷是所有印刷方式中最古老的，凭借承印材料广泛、油墨选择宽广、在现代所有的印刷方式中油墨厚度传递最好等特点，在近年的印刷市场上持续预热。随着科学技术不断发展及人们对印刷产品的更高需求，科研人员不断开发出适用于不同印刷领域的特种油墨，下面介绍几种发展前景良好的特种油墨。

石墨烯导电油墨

导电性油墨是指印刷在非导电承印物上，使之具有传导电流和排除积累静电荷能力的油墨，一般是印在塑料、玻璃、陶瓷或纸板等非导电承印物上。印刷方式很多，如丝网印刷、凸版印刷、柔性版印刷、凹版印刷和平板印刷等均可采用。可根据膜厚的要求选用不同的印刷方法，膜厚不同则电阻、阻焊性及耐磨擦性等亦各异。导电油墨按其结构不同可分为结构型和填充型两类，目前应用于电子行业的导电油墨主要是复合型导电油墨，所用的导电填料一般为无机填料，如金、银、铜、镍、炭黑、石墨、碳纤维等，而连结料树脂通常选用酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯等。其中环氧树脂因性能优良及原料廉价易得而在导电聚合物中广为应用，但也存在粘度大、脆性大、弹性小、耐冲击性差等缺点，所以有必要对其改性增韧。互穿聚合物网络（IPN）是聚合物改性的新领域，使聚氨酯和环氧树脂复合、共混形成IPN体系，是近年来研究较多的课题。IPN结构可通过强迫互容与协同效应使聚氨酯的高弹性与环氧树脂的良好耐热性与粘接性有机结合在一起，以取得良好的增韧效果。以端异氰酸酯聚氨酯为增韧剂，通过端异氰酸酯基与环氧树脂上的仲羟基反应，在环氧树脂上引入柔韧性的醚键，从而改善环氧树脂的韧性，并用改性后的环氧树脂加入导电填料制得导电油墨。在其应用方面它可应用在柔性电路和RFID上。柔性电路是实现电子信息产品多功能化、集成化、小型化和低成本的关键部件。随着电子产品与设备向轻、薄、小、低成本、多功能、高可靠性等方向发展，柔性电路的用量越来越大，利用导电油墨或导电墨水通过印刷或打印的方式，在柔性绝缘基板上形成导电线路引起了广泛关注。通过检测表明改性环氧树脂基导电油墨有良好的附着力，印制的导电线路抗弯折性达到10000次，满足柔性印要求。

使用石墨印刷电路板并不是什么新技术，但现在是研究人员找到一种新方法，该方法可以用于生产消费级喷墨打印机。通过一台爱普生Stylus 1500，搭配S020049墨盒，在一个硅膜上生产了一个电路，并且其成本远远低于普通的工业生产成本。该装置的真正创新在于其所使用的独特“墨水”。研究人员通过创造了一种叫NMP的溶剂，来增大石墨片大小，并且所生产出的液体不会堵塞打印机。通过使用这种技术成功地打印出膜晶体管——一种构成OLED和LCD显示器以及数码相机中所使用的CMOS和CCD成像传感器的基础组件。该研究表明，这项技术可以用以生产灵活、透明的电路，制造成本远低于现有生产方法。如若这项研究最终获得成功，未来的柔性电子产品价格将会更加合理。

石墨烯油墨打印出高导电柔性电极可用于生产低廉、大幅、可折叠精美细致电子设备。据日前报道，美国西北大学材料科学与工程学院研究人员使用含有微小石墨烯薄片油墨，以喷墨打印模式，打印出导电性能提高250倍、折叠时电导率仅有轻微下降的柔性电极，未来有可能生产低廉、大幅、可折叠且精美细致的电子设备。喷墨打印可低成本、大面积地打印出柔性基底，是生产电子元件的一个有吸引力的方法。先前的研究已经喷墨打印出晶体管、太阳能电池、发光二极管、传感器等各种元器件，但打印高导电电极仍然是一个挑战，因为其要求非常精细的分辨率。而新研究转向具有高导电性、化学性稳定的石墨烯，希望石墨烯可作为油墨打印出电极。在智能包装和印刷电子市场，银浆和铜浆导电油墨已经占据主导地位，但在近年，石墨烯导电油墨开始产生影响力，并为市场带来新的希望。

石墨烯打印最重要步骤之一是获得大量的石墨烯，通过剥离生产纯净石墨烯的方法中通常使用的溶剂和表面活性剂会留下残余物，从而降低其导电率。另一个问题是，小的石墨片对印刷稳定性的要求很高，且其大量片状交界处也降低了导电性。为克服这些问题，研究人员开发出一种新方法，可在室温中使用乙醇作为溶剂和乙基纤维素作为稳定的表面活性剂，乙醇和乙基纤维素都不会产生残留物。新方法产生出的石墨烯黑色粉末中石墨烯薄片的尺寸约为50nm×50nm，厚度约为2nm。虽然这种小片状尺寸的石墨烯间会有无数雪花状的连接，但与其他表面活性剂相比，乙基纤维素聚合物的高稳定大大减少了薄片之间的电阻。研究人员把石墨烯黑色粉末分散到溶剂中创建液体墨汁，发现石墨烯油墨在印刷中表现出优良的形态和导电性，打印的精确模式很适合印刷电极。他们还以聚酰亚胺为基板评估了石墨烯油墨的机械性能，发现油墨的导电性能很高，即使基板发生很大弯曲甚至开始出现裂痕，导电性仍维持不变。当他们将基板折叠该油墨的导电性仅减少了5%。机械性能试验表明，石墨烯油墨在未来可被用于生产折叠式电子设备。石墨烯导电油墨具有优异的导电性能，同时也具有银浆导电油墨不具备的其他优势，如价格更低，更柔软——材料可以褶皱或弯曲而不会影响到性能。正因为具有非常突出的优势，石墨烯导电油墨将成为导电油墨市场一个新的生力军。

从本质上讲，所有的电子设备和电路需要高导电性和高解析度的电子接点和互连。因此，石墨烯油墨有可能影响到很宽广的应用范围，特别是柔性电子产品、折叠式电子设备。这些类型的电子设备的应用包括智能电话、平板电脑、平板显示器和太阳能电池。未来的重点是把石墨烯打印用于电子设备和电路的组装之中，包括上面列出的应用领域中的各种产品。

石墨烯油墨是一类由功能化石墨烯、连接料、助剂和溶剂等组成的具有导电等特殊功能的油墨产品，具有导电性能优异、图案质量轻、印刷适性好、固化条件温和以及成本低廉等优势，可在塑料膜、纸张及金属箔片等多种基材上实现印刷。与现有的纳米金属导电油墨相比，石墨烯油墨具有巨大的成本优势。与传统的碳基导电油墨产品相比，石墨烯油墨在导电性能方面又具有显著的优势。石墨烯油墨适用于网印、凹印、柔印、胶印和喷墨印刷等方式，可应用于印刷线路板(PCB)、射频识别(RFID)、显示备、电极传感器等方面，能潜在应用于有机太阳能电池、印刷电池和超级电容器上面。因此石墨烯油墨有望在射频标签、智能包装、膜开关、导电线路以及传感器等下一代轻、柔性电子产品中得到广泛应用市场前景巨大。

纳米印刷

纳米印刷即纳米图像印刷技术，是一种新型的压印转印技术，由美国普林斯顿大学电机系华裔教授周郁发明的，它融合了纳米技术、精细加工技术、接触印刷技术、界面科学及新材料等诸多学科的精华，运用纳米制造学原理，通过原子、分子级别的转移而获取超精细图形的加工技术。它不需苛刻的加工环境要求，也不需要严格的条件控制（如恒温、恒湿、高真空度等），就能高精度地加工出各种纳米凹凸图形来，且可大批量、低成本地制作此类产品。

纳米图像印刷技术，说到底是一种新型的压印转印技术，它将被广泛用于纳米凹凸图形的加工制作。纳米图像印刷技术就是将具有纳米凹凸图像的模具作“印版”，用预先涂有聚合物涂层的硅片或玻璃片等作基板，在相应的设备和器具配合下，通过精确压印并定型以后，再把模具与基板分离开来。这时人们会发现，存在于模具表面的纳米凹凸图像便准确无误地被转印到基板表面的聚合物膜上了。这个被转印出的图像与模具表面的凹凸图形大小相等，深浅一致。但形状正好相反，即前者的凸起处恰是后者凹下去的地方，反之亦然。我们把这种利用印刷压模的原理转印出具有纳米凹凸图形的技术，叫做纳米图像印刷技术。

纳米印刷摒弃了传统感光成像思路，无需暗箱操作而且制版流程简单，不仅消除了环境的污染同时大大降低了成本，并且使图文质量大幅提高。该技术吸纳了纳米技术、精细加工技术、接触印刷技术、界面科学及新材料等众多科学技术之精华，并深入研究才开发出来的。

纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。它属于一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。所以当纳米遇到印刷就引发了强烈的“化学反应”。印刷摒弃了传统感光成像思路，无需暗箱操作而且制版流程简单，这就是所谓的纳米图像印刷技术。在印刷业，细节的表现能力是判断印品质量的重要标准之一，这就为纳米技术的潜在应用提供了可能。实际上从drupa 2012展会来看，兰达公司展示的所谓的“纳米印刷技术”其实是展会上最引人瞩目的一项数字印刷新技术。纳米印刷机集成了数字印刷灵活性强以及传统胶印高效率和经济性的特点，不但能达到较高的生产效率，而且能与印刷企业已有的工作环境进行无缝衔接。

纳米图像印刷技术作为一门实用性很强的应用技术，它在纳米电子器件、纳米光学元件、纳米技术中可以用来制造更先进的电脑芯片的纳米线。在医学上纳米印刷技术可以用绘图形式来表现病人体内癌细胞的准确位置。纳米印刷技术能够广泛地采用各种高分子有机材料制造微米乃至纳米尺寸的器件。该技术发展非常迅速，目前已经可以达到小于10nm的水平。其应用范围非常广泛，包括显微镜头、微射流元器件以及未来几个工艺时代的主流芯片生产，另外该技术在制造高密度磁性记录器件方面也具有很大的潜力。随着科学的发展，从生物医学到信息技术领域都要求所使用的元器件的体积不断缩小、复杂性不断增加，这些要求激励着科学家们努力朝着具备高分辨率、高通量的纳米印刷技术方向进行研究。

热压印纳米图像印刷工艺简称热压印工艺。它是在微纳米尺度获得并行复制结构的一种成本低而速度快的方法，仅需一个模具，完全相同的结构可以按需复制到大的表面上。在基板上涂布热可塑性树脂，当基板温度升高至105℃以上时，树脂就变得柔软而富于可塑性。这时把模具压印在基板的树脂膜上，树脂被挤压并完全填满模具与基板间的所有缝隙。当温度冷却并重新返回其玻璃化温度以下时被挤压成型的树脂膜就固化定型。取出模具纳米凹凸图像就被转印到基板的树脂膜上了。我们把这种热压印、冷定型的图像转印工艺称为热压印纳米图像印刷工艺。热压印法的工艺过程分压模制备、压印过程、图案转移。热压印纳米图像印刷工艺特点具有工艺简单，可大批量加工产品；在大面积基板上能制作出各部位都均匀的纳米凹凸图像；模具与基板在压印中的定位精度不够高，另外，在图像转印过程中，由于热膨胀、冷收缩的原因，图形的转印精度也不很理想，因此，常常在图像精度没有太高要求的领域而获得应用；因在图像热压转印中，加热与冷却的时间较长，高效率地转印图像较困难；在基板上既可制作单层，也可制作多层纳米结构图形。

纳米图像印刷技术之所以引人注目，是因为该技术与传统精细加工不同，它既无需苛刻的加工环境要求，又无需严格的条件控制，就能高精度地加工出各种纳米凹凸图形来。并且还可大批量、低成本地制作此类产品。纳米图像印刷技术作为一门实用性很强的应用技术，它在纳米电子器件、纳米光学元件、纳米生物传感器及其他具有纳米结构的功能图形制作方面，将显现出其独特的技术优势。今天，人们也毫不怀疑纳米图像印刷技术，将为IT与微电子产业、生物与生命科学、环境与新能源技术等领域的加速发展带来重大的影响。

生物降解油墨及环保水性油墨

地球环境的恶化程度已经开始威胁到了人类的生活环境，就减轻地球环境负担而言，油墨生产厂商能够采用生物降解的凹印油墨。塑料在自然环境下进行废弃处理，会使其积聚在自然界中，而作燃烧处理的话，又会伴随产生导致全球变暖的二氧化碳气体，从而引起一定环境问题。生物降解的机制受环境影响，虽然不能用一种情况对之加以概括说明，但都可通过微生物的酶使之降解。可降解性聚合体（基质）并非采用任何微生物都会降解，它取决于微生物的特殊性。目前，可通过微生物的作用加以降解，可融入到自然界物质循环系统中的生物降解性塑料正备受关注，并即将进入普及阶段。采用源自于植物原料而生产的生物降解性塑料，由于可以解决石油资源有限这一问题，作为可持续使用的循环材料而备受关注。

日本在塑料薄膜上印刷所采用的印刷方式主要是凹印。在印刷中使用的凹印油墨用途广泛，基本上是由着色剂(颜料)、展色料（展色料=树月旨+溶剂）和添加剂（助剂）三种成分组成。在上述组成成分中加入生物降解树脂，即定义为生物降解性凹印油墨。用生物不可降解性凹印油墨印刷的印刷品，即使置于有利于生物降解的环境下，也不会出现形状变化、重量减少等情况，因此可以预测出其在自然环境下的堆肥化设备中也不会降解，从而成为一大问题。

作为着色剂而使用的颜料是1μm以下的生物不可降解性颗粒，目前已得到证实，这种颜料有时会推迟油墨中树脂的生物降解性。可以推断，这是由于印刷的油墨层是由以颜料为核心的树脂聚合体干燥物形成皮膜，从而妨碍数“微生物的运动，因颜料而产生了抗菌作用的缘故。聚异氰酸盐是作为油墨的粘附、耐印性等方面的改良剂而使用的，但在油墨中添加了聚异氰酸盐而印制的印刷品其生物降解性会推迟发生，而添加量多的话则不具备生物降解性了。生物降解性塑料薄膜已应用到包装、标签、农业等诸多方面。尽管印刷油墨的树脂在燃烧过程中所产生的碳酸气体量非常低，但还是会对环境造成负担，这就要求我们坚持不懈地作出周密细致的努力来应对这一切。

环保可持续发展已经成为当今世界的生产主题，环保油墨性能的改进给印刷和包装行业注入了新的活力，无论是水性油墨、可降解油墨还是UV固化油墨，这些环境友好型产品都将为印刷包装行业的可持续发展作出贡献。随着包装行业不断努力降低自己的环境影响力，水性油墨和印刷技术的使用也在不断增加。各国政府纷纷通过法律法规的形式对油墨的成分做出了限制，例如欧盟出台了针对包装可堆肥性标准。尽管这些标准目前还不会对中国等重要制造业大国产生制约，但它们已经给这些国家的包装企业带来了一定压力，并促进了水性油墨技术在亚太地区的发展。随着相关规定的日益严格和公众环保意识的增强，环保产品的市场需求将不断增长。因此，水性油墨市场在最近几年经历了持续的增长，并有望继续保持增长。油墨化学和印刷技术的进步为高性能和环保印刷技术的诞生作出了巨大的贡献。虽然它们不会直接催生最环保的印刷方式，但这些技术能在帮助企业实现环保目标的同时确保印刷质量不受影响。UV柔印技术在印刷包装市场上的应用不断扩大，即便是在敏感的包装领域，也得到用户的认可。通过覆膜保护表现，从而避免与食物的接触，最大限度地降低UV油墨污染食品的可能性。除了UV固化以外，电子束技术也常被用来对无溶剂油墨进行干燥。这项技术的支持者们认为，电子束的固化效果要好于UV，但它较高的成本和复杂的技术也是妨碍其在包装市场上不断扩大市场份额的主要原因。在所有水性油墨中，生物降解油墨是最受包装领域欢迎的。因为它的成本效益较高，而且更便于人们对纸张进行回收。

随着技术的不断进步，可生物降解油墨将成为可降解包装理念中的一个重要组成部分。环保型油墨技术的发展总是要经历一个漫长而曲折的过程，现在所使用的技术主要是用来改善印刷流程的可持续性，而且它们对印刷质量也有了很大提升。随着技术的不断革新，它们在环保方面的潜力也将不断被释放出来。在这个所有企业都不愿意为环保而影响印刷质量的市场上，水性油墨无论是对整个行业还是环境都变得比以往更加重要。

水性印刷工艺已使用了几十年时间，它能通过消除或减少对以石油为基础的溶剂的使用来降低印刷过程中挥发性有机化合物的排放和能源的消耗量。此外，去掉油墨配方中的溶剂还能降低印刷行业对石油的依赖以及对高成本污染治理方案的需求。直到最近，水性油墨还被认为是不适合在食品包装领域使用，因为它的干燥速度较慢，很难与食品领域中常用的非吸收性包装材料相兼容。但水性柔印技术在近年来所取得的进步帮助人们摆脱了一定的限制。例如跨国企业富林特公司推出水性柔印油墨，采用了富林特专有的自交联技术，能使墨膜在塑料等包装材料相接触时表现出更好的粘着性。这类技术创新为无溶剂印刷进入充满挑战的软包装市场奠定了基础。很多成功的油墨技术都是与整体的包装理念相辅相承的。以前的塑料薄膜无法使用打印机进行直接打印，因为塑料薄膜不能吸收水性墨水。施赖纳公司找到了一种解决方法，在塑料薄膜表面使用了一种能够吸水的涂层。使用水性墨水在这种材料上进行直接打印，干燥时间还不到1s。同时，这种材料可设计成在条码薄膜再加一层保护膜的双层结构，从而保护标签免受机械磨损、潮湿和腐蚀的损害。这表明，任何阻碍水性油墨向前发展的问题最终都会得到解决。随着绿色环保呼声的不断高涨，可持续发展在包装业备受关注，其重要性也日益突出。和包装业一衣带水的印刷和油墨市场对环境保护和可持续发展也更加重视。所以，新一代的环保油墨和印刷工艺不断涌现，其中最有代表性的就是由印度油墨制造商EnNatura公司生产的有机生物降解油墨ClimaPrint。

结束语

总之，随着丝网印刷应用领域的不断扩大，许多新技术应运而生。当前包装印刷市场增势非常强劲，丝网印刷工艺只体现在包装的表面，这是因为目前市场上销售的商品琳琅满目，超市和商场的货架俨然已经演变成了品牌激烈竞争的“战场”，先进的丝网印刷技术能使商品包装变得更加栩栩如生，更能迅速吸引消费者的眼球，丝印工艺及其油墨创新技术具有广阔的开发前景。未来丝网印刷市场，多元化、多层次、多样式将是主流，而且家庭市场、个人市场逐渐成长也必将带动市场的新变化。而对于印刷厂商来说，个性化的印刷方案和技术将是扩展市场的重要因素，未来印刷市场前景非常可观，厂商想要在需求多样化的市场中脱颖而出，丝印工艺及其油墨技术创新显然成为关键。