陶瓷噴墨打印技術(shù)的現(xiàn)狀與展望

譚靈 鄭乃章

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333001）

0 引言

2011年象征全球陶瓷行業(yè)風(fēng)向標(biāo)的意大利博洛尼亞建筑陶瓷展已落幕，繁榮的景象讓人們對(duì)全球陶瓷行業(yè)的發(fā)展前景充滿(mǎn)了期望。近期，意大利某權(quán)威雜志發(fā)布了它對(duì)全球瓷磚生產(chǎn)、消費(fèi)、進(jìn)出口數(shù)據(jù)的年度調(diào)查結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示，在經(jīng)歷了2008年的增長(zhǎng)停滯和2009年的急劇下降之后，2010年全球瓷磚的生產(chǎn)、消費(fèi)及出口均呈現(xiàn)兩位數(shù)的增長(zhǎng)，2010年全球瓷磚產(chǎn)量由2009年的85.15億平方米增長(zhǎng)為95.12億平方米，建筑陶瓷展繁榮的景象為瓷磚印刷方法的一個(gè)重要轉(zhuǎn)變匯集了強(qiáng)勁的動(dòng)力，造成這種戲劇性變化的一個(gè)關(guān)鍵因素就是數(shù)字技術(shù)，主要表現(xiàn)形式就是噴墨印刷。

瓷磚印刷經(jīng)歷了從絲網(wǎng)印刷到滾筒印花再到噴墨打印的一個(gè)發(fā)展的歷程（見(jiàn)圖1），噴墨印刷是一種無(wú)接觸、無(wú)壓力、無(wú)印版的印刷。國(guó)外，像意大利、西班牙等瓷磚生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)，從磚體敲碎質(zhì)量來(lái)看，其燒制技術(shù)并不比中國(guó)強(qiáng)多少，主要優(yōu)勢(shì)在設(shè)計(jì)和釉面裝飾效果上，中國(guó)陶瓷產(chǎn)品要提高檔次并走向世界的話(huà)，就必須在印花技術(shù)上有所提高，增強(qiáng)裝飾藝術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力，這也是今后陶瓷產(chǎn)品發(fā)展的趨勢(shì)。噴墨印刷可以充分利用計(jì)算機(jī)的豐富資源，使陶瓷裝飾的圖案緊隨時(shí)代步伐，使陶瓷制品像精細(xì)化學(xué)品一樣，可以方便地進(jìn)行小批量生產(chǎn)，把陶瓷裝飾技術(shù)推向一個(gè)新階段，滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)人們追求時(shí)尚、個(gè)性化的要求。因此，噴墨打印法具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 陶瓷墨水的研究現(xiàn)狀

自2009年以來(lái)華東地區(qū)和佛山地區(qū)的部分一線(xiàn)陶瓷品牌企業(yè)先后引進(jìn)了陶瓷數(shù)字噴墨打印技術(shù)并推出了數(shù)字化陶瓷產(chǎn)品以來(lái)，陶瓷噴墨打印技術(shù)和陶瓷墨水成為業(yè)內(nèi)人士熱捧的對(duì)象，陶瓷噴墨打印技術(shù)作為一種數(shù)字化技術(shù)，在研究和應(yīng)用領(lǐng)域也主要集中在裝飾方面，在陶瓷產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵時(shí)期，陶瓷噴墨打印技術(shù)應(yīng)該可以作為撬起產(chǎn)業(yè)朝“資源化、低碳化、數(shù)字化、個(gè)性化、功能化、智能化”發(fā)展的支點(diǎn)[1]。

不甘落后的中國(guó)陶瓷企業(yè)家們，對(duì)噴墨打印技術(shù)在陶瓷生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用關(guān)注度極高。早在2008年開(kāi)始引入國(guó)外先進(jìn)的噴墨打印設(shè)備應(yīng)用于生產(chǎn)及研發(fā)中，國(guó)內(nèi)更有如希望、美嘉等多家陶瓷設(shè)備企業(yè)開(kāi)始生產(chǎn)研發(fā)并供應(yīng)噴墨打印設(shè)備。具海外知名媒體報(bào)道，截至2010年4月份，全球有約370臺(tái)噴墨設(shè)備在使用，并預(yù)測(cè)未來(lái)5年內(nèi)將增加至1000臺(tái)。世界陶瓷生產(chǎn)已進(jìn)入噴墨打印年代，而作為全球陶瓷生產(chǎn)第一大國(guó)，中國(guó)成為了該技術(shù)運(yùn)用的潛力最大的市場(chǎng)之一[1]。

國(guó)外陶瓷墨水的研究起始較早，2000年世界第一臺(tái)工業(yè)使用的陶瓷裝飾噴墨打印機(jī)問(wèn)世，打印機(jī)是由美國(guó)FERRO公司開(kāi)發(fā)的Kerajet系統(tǒng)，墨水也是由FERRO公司與賽爾公司聯(lián)合研制的陶瓷墨水。2000年1月7日，F(xiàn)ERRO公司向美國(guó)專(zhuān)利商標(biāo)局提交了一份名為《用于陶瓷釉面磚（瓦）和表面的彩色噴墨印刷的獨(dú)特的油墨和油墨組合》的專(zhuān)利，該專(zhuān)利闡述了陶瓷墨水的制作方法技術(shù)，為陶瓷噴墨打印技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。2006年以后，陶瓷墨水在西班牙得到了很好的發(fā)展，到目前為止，除了西班牙FERRO公司外，西班牙的ESMAL GLASS、ITACA、CHIM IGRAF、COLORBBIA、TORRECID四家公司也是陶瓷裝飾墨水的主要制造商。

國(guó)內(nèi)陶瓷墨水的研究始于2000年，近年來(lái)形成了天津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)、南昌航空工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)、大連理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)、陜西科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)和華南理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，發(fā)表了研究論文32篇，尤其是天津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文11篇，形成了楊正方、郭瑞松等一批專(zhuān)家。企業(yè)研究方面出現(xiàn)了廣東佛陶集團(tuán)股份有限公司、道氏制釉、華山制釉、科信達(dá)奧斯博、博奧科技、鷹牌陶瓷等公司，也形成了3個(gè)發(fā)明專(zhuān)利的成績(jī)，尤其是道氏制釉已經(jīng)獲得專(zhuān)利2個(gè)。盡管如此，陶瓷墨水在國(guó)內(nèi)仍處于研究階段，離真正產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離，不過(guò)，在2011年廣州陶瓷工業(yè)展覽會(huì)上已看到中國(guó)自己的陶瓷墨水[2]。

綜觀國(guó)內(nèi)外情況，陶瓷墨水目前主要集中在個(gè)性化裝飾領(lǐng)域，對(duì)于建筑陶瓷功能化、智能化的應(yīng)用研究尚不多見(jiàn)。陶瓷墨水的制造方法仍集中于：分散法、溶膠凝膠法和反相乳相法，而以上三種加工方法中，溶膠凝膠法由于制造工藝方法原料昂貴、溶膠不穩(wěn)定而受到限制，反相乳相法由于制得的墨水固相含量低，也有待解決許多技術(shù)問(wèn)題，分散法卻由于顆粒度較大，需要解決墨水的穩(wěn)定性問(wèn)題。如何保證墨水的固相含量和穩(wěn)定性及成本問(wèn)題是今后研究的重點(diǎn)。色系仍以CMKY為主的四色系和加上透明、乳白的六色系。紅色主要是鈰鐠紅、鉻鋁紅、錳鋁紅、鈷鎂紅、鐵鋯紅等，青色主要是鈷鎳鋁，黃色主要為釩鋯黃、鉻鈦黃等，黑色主要為鈷鎳鐵黑，白色和透明等11種。而整個(gè)陶瓷墨水可分為水性溶劑、高分子助劑、著色劑和釉料四部分[3]。

2 噴墨印刷原理[2]

噴墨印刷是一種無(wú)接觸、無(wú)壓力、無(wú)印版的印刷。電子計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的信息，輸入噴墨印刷機(jī)即可印刷。陶瓷噴墨印刷最早起源于1878年。西班牙Kerajet公司是陶瓷噴墨打印技術(shù)的先驅(qū)者，2000年Kerajet公司與愛(ài)爾法公司及福祿公司合作進(jìn)入陶瓷噴墨打印機(jī)市場(chǎng)，由于西班牙對(duì)釉下彩拋光玉石產(chǎn)品的喜愛(ài)，使得陶瓷噴墨打印機(jī)很快得到應(yīng)用。2006年由于噴墨打印噴頭技術(shù)的進(jìn)步，以Kerajet公司為領(lǐng)頭羊的數(shù)字噴墨打印機(jī)開(kāi)始在西班牙迅速發(fā)展。2007年，Xaar1001噴頭的成功亮相，很快得到包括意大利、中國(guó)在內(nèi)的眾多陶瓷裝備制造商和陶瓷產(chǎn)品制造商的青睞。

陶瓷噴墨印刷的原理是：油墨泵以一定的壓力，把油墨從噴嘴噴射出來(lái)，形成連續(xù)的墨流，這股墨流在印刷頭中充有高電壓的金屬管中獲得靜電，成為排列有序的墨滴流。調(diào)節(jié)油墨泵的壓力和電壓的幅度，以產(chǎn)生盡量多的微墨滴，當(dāng)墨滴流通過(guò)高壓電管道時(shí)，微墨滴被充電，而大墨滴并不充電。充電信號(hào)一旦去除，被充電的微墨滴，在偏轉(zhuǎn)電極直流電場(chǎng)的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成印刷的油墨束，射到承印物上，完成印刷。不充電的墨滴不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由油墨系統(tǒng)回收再利用。

同步彩色噴墨印刷機(jī)的接口，能接受彩色圖象終端、彩色電視機(jī)、彩色掃描器送來(lái)的色光三原色信息并可存儲(chǔ)，也可以由色彩轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成色料三原色及黑色的信號(hào)，再用灰度控制器控制中性灰，經(jīng)灰度控制器的四種顏色信號(hào)，分別送到相應(yīng)顏色噴頭的電極上，控制油墨的噴射量[6]。

陶瓷噴墨打印技術(shù)作為一種數(shù)字化技術(shù)，在研究和應(yīng)用領(lǐng)域也主要集中在裝飾方面，在陶瓷產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵時(shí)期，陶瓷噴墨打印技術(shù)應(yīng)該可以作為撬起產(chǎn)業(yè)朝“資源化、低碳化、數(shù)字化、個(gè)性化、功能化、智能化”發(fā)展的支點(diǎn)。

3 陶瓷墨水的技術(shù)特點(diǎn)

噴墨打印技術(shù)在陶瓷上的應(yīng)用關(guān)鍵在于陶瓷墨水的制備。所謂陶瓷墨水就是含有某種陶瓷釉料成分、陶瓷色料或陶瓷著色劑的墨水。陶瓷墨水的組成和性能與打印機(jī)的工作原理和墨水用途有關(guān)，它通常由無(wú)機(jī)非金屬顏料（色料、釉料）、溶劑、分散劑、結(jié)合劑、表面活性劑及其它輔料構(gòu)成[2]。

陶瓷墨水的性能（如表1）要求除普通墨水的顆粒度、粘度、表面張力、電導(dǎo)率、p H值外，根據(jù)陶瓷應(yīng)用特點(diǎn)還要求一些特殊性能。

（1）要求陶瓷粉料（色劑）在溶劑中能保持良好的化學(xué)和物理穩(wěn)定性，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間存放，不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和顆粒團(tuán)聚沉淀。

（2）要求在打印過(guò)程中，陶瓷色料顆粒能在短時(shí)間內(nèi)以最有效的堆積結(jié)構(gòu)排列，附著牢固，獲得較大密度的打印層，以便煅燒后具有較高的燒結(jié)密度。

（3）要求打印的色劑具有高溫?zé)珊蠓€(wěn)定和良好的呈色性能以及與坯釉的匹配性能。

目前，由于采用按需噴墨工藝，對(duì)電導(dǎo)率要求不高，但如果采用連續(xù)噴墨工藝，對(duì)電導(dǎo)率就會(huì)要求較高。當(dāng)然墨水與噴頭材料的適應(yīng)性、噴頭材料和孔徑及壓電特征等決定了陶瓷墨水的技術(shù)特征。

4 影響陶瓷噴墨打印的發(fā)展的主要技術(shù)問(wèn)題

4.1噴墨技術(shù)成本高

表1 陶瓷墨水性能要求Tab.1 The performance requirements for ceram ic ink

噴墨技術(shù)成本高是制約國(guó)內(nèi)企業(yè)運(yùn)用噴墨技術(shù)的關(guān)鍵。一般噴墨墨水的保質(zhì)期只有2~3個(gè)月，容易造成沉淀。盡管?chē)娔蛴C(jī)的噴頭內(nèi)部裝有循環(huán)系統(tǒng)，但陶瓷墨水與家用的液體墨水不同，它是陶瓷色料和液體墨水的混合體，加上色料的比重較高，因此循環(huán)系統(tǒng)只能減少墨水沉淀問(wèn)題。由于墨水的保質(zhì)期短，國(guó)外的噴墨墨水又需要通過(guò)空運(yùn)送到我國(guó)市場(chǎng)，造成了墨水價(jià)格居高不下的狀況。值得欣慰的是，在2011年廣州陶瓷工業(yè)展覽會(huì)上已看到我國(guó)自己的陶瓷墨水。盡管如此，陶瓷墨水在國(guó)內(nèi)仍處于研究階段，離真正產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離[5]。

4.2噴頭壽命短

由于噴頭制造難度非常大，到目前為止，不管?chē)?guó)外進(jìn)口的或是國(guó)產(chǎn)的噴墨印花機(jī)，都使用進(jìn)口的噴頭，噴頭也是一臺(tái)噴墨印花機(jī)的核心部件，占機(jī)器70％以上的成本。噴頭正是噴墨打印機(jī)的核心技術(shù)之一。

國(guó)內(nèi)噴頭的使用壽命較短，經(jīng)常更換噴頭是噴墨技術(shù)急需解決的問(wèn)題，據(jù)了解，噴頭的壽命都在2個(gè)月左右，而且噴頭目前還沒(méi)有國(guó)產(chǎn)化，因此許多陶企都需要花高價(jià)進(jìn)口噴頭。據(jù)悉，一個(gè)噴頭就要3萬(wàn)元左右。這樣折算下來(lái)，如果一家企業(yè)擁有4臺(tái)噴墨打印機(jī)，單是噴頭的開(kāi)銷(xiāo)一年就需要72萬(wàn)元左右。

4.3墨水與噴頭的匹配

噴墨墨水在實(shí)際打印中與噴頭有著密切的聯(lián)系，是不可分割的統(tǒng)一整體。墨水質(zhì)量再好，如果沒(méi)有與之相匹配的噴頭，同樣也得不到一副完美的圖案。高質(zhì)量的墨水要想發(fā)揮出最好的效果，必須把握好每個(gè)環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題需立刻修復(fù)?，F(xiàn)在市面上的噴頭主要有以下兩個(gè)方面的問(wèn)題：

（1）噴頭墨滴如果較小，噴孔密度高則可以大幅提高噴印畫(huà)面質(zhì)量和清晰度，但是對(duì)墨水的要求就比較高，要求墨水有良好的細(xì)度和分散性。

（2）噴頭墨滴如果較大，噴頭孔大，可以在一定程度上解決陶瓷墨水易沉淀、發(fā)色力弱的特點(diǎn)，比較適合國(guó)內(nèi)現(xiàn)在墨水的生產(chǎn)水平，但噴印產(chǎn)品的畫(huà)面清晰度和質(zhì)量都有所下降。

因此筆者認(rèn)為一方面應(yīng)該提高墨水的制造水平，對(duì)生產(chǎn)出來(lái)的墨水需要檢測(cè)墨水的粘度、表面張力、納米顆粒、密度等方面的物理參數(shù)，另一方面可以改變噴頭，使得墨滴大小和墨滴的流速可以調(diào)控，從而滿(mǎn)足不同的畫(huà)面對(duì)墨水和噴頭的要求。

4.4墨水色劑的制備問(wèn)題

高精色料噴墨墨水對(duì)色劑的要求較高，對(duì)于陶瓷噴墨用無(wú)機(jī)顏料，需要細(xì)化后的顆粒最大尺寸要小于1μm，顆粒尺寸分布要窄，顆粒間不能有強(qiáng)團(tuán)聚。因此，在色料微細(xì)化過(guò)程中，控制其粒度及分布，防止發(fā)色濃度的減退非常關(guān)鍵。

如何在超微細(xì)的顆粒狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)良好的發(fā)色，也對(duì)色料品質(zhì)提出了新的要求。這是目前的關(guān)鍵問(wèn)題，大多數(shù)色料（特別是固溶體型的色料）存在著顆粒微細(xì)則發(fā)色變淡的現(xiàn)象，這就要求開(kāi)發(fā)新型的發(fā)色穩(wěn)定且顆粒微細(xì)的色料[6]。

在陶瓷裝飾墨水色彩方面，目前國(guó)內(nèi)已有幾種顏色的陶瓷墨水推出，但主要的色系（如紅色、黑色等）發(fā)色偏淺，且無(wú)白色墨水及白色墨水顏料的報(bào)道，此外，無(wú)機(jī)顏料在燒成階段容易受高溫熔體的侵蝕，使發(fā)色力受到影響，包裹處理也是制備某些深色顏料的重要途徑。

4.5噴墨打印載體與噴墨打印墨水之間的相互作用

噴墨打印質(zhì)量除了受?chē)娔蛴C(jī)精度的影響外，主要取決于墨水液滴在紙面和紙層中的活動(dòng)，即墨水液滴與紙之間的相互作用。圖2描述了墨水滴離開(kāi)噴嘴噴射到載體磚上干燥附著的大體過(guò)程。墨水與載體磚接觸后油墨液滴立即與載體磚發(fā)生作用，同時(shí)墨水開(kāi)始干燥，直至墨水固定在載體磚上為止，墨水的干燥方式對(duì)最終的印刷質(zhì)量是非常重要的[11]。

5 小結(jié)與建議

（1）陶瓷產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵時(shí)期，陶瓷噴墨打印技術(shù)得到迅猛發(fā)展，中國(guó)陶瓷產(chǎn)品要提高檔次并走向世界的話(huà)，就必須在印花技術(shù)上有所提高，增強(qiáng)裝飾藝術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力，這也是今后陶瓷產(chǎn)品發(fā)展的趨勢(shì)。

（2）高精色料噴墨墨水對(duì)色劑的要求較高，對(duì)于陶瓷噴墨用無(wú)機(jī)顏料，需要細(xì)化后的顆粒最大尺寸要小于1μm，顆粒尺寸分布要窄，顆粒間不能有強(qiáng)團(tuán)聚。因此，在色料微細(xì)化過(guò)程中，控制其粒度及分布，防止發(fā)色濃度的減退非常關(guān)鍵。

（3）噴墨打印質(zhì)量除了受?chē)娔蛴C(jī)精度的影響外，主要取決于墨水液滴在紙面和紙層中的活動(dòng)，即墨水液滴與紙之間的相互作用。墨水與載體磚接觸后油墨液滴立即與載體磚發(fā)生作用，同時(shí)墨水開(kāi)始干燥，直至墨水固定在載體磚上為止，墨水的干燥方式對(duì)最終的印刷質(zhì)量是非常重要的

（4）噴墨技術(shù)成本高，噴頭壽命短，墨水色劑的制備難度大等因素都制約著我國(guó)陶瓷噴墨打印技術(shù)的發(fā)展，因此筆者認(rèn)為一方面應(yīng)該提高墨水的制造水平，對(duì)生產(chǎn)出來(lái)的墨水需要檢測(cè)墨水的粘度、表面張力、納米顆粒、密度等方面的物理參數(shù)，另一方面可以改變噴頭，使得墨滴大小和墨滴的流速可以調(diào)控，從而滿(mǎn)足不同的畫(huà)面對(duì)墨水和噴頭的要求。

1陳淘陶，邱鎮(zhèn)滬.淺談國(guó)內(nèi)外陶瓷墨水的研發(fā)狀況與發(fā)展趨勢(shì).佛山陶瓷，2011（11）

2林偉，韓復(fù)興.陶瓷數(shù)字噴墨打印技術(shù)對(duì)我國(guó)建筑陶瓷未來(lái)發(fā)展的影響.陶瓷，2011（5）

3黃惠寧，柯善軍，孟慶娟等.噴墨打印用陶瓷墨水的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì).中國(guó)陶瓷.2012（1）

4何振建.陶瓷墨水與噴頭匹配問(wèn)題的探討.佛山陶瓷，2011（9）

5吳桂周.陶瓷墨水的主要控制指標(biāo)以及國(guó)內(nèi)外墨水性能的比較.佛山陶瓷，2011（12）

6郭艷杰.噴墨打印用彩色陶瓷墨水的理化性能.中國(guó)陶瓷

7 De Carlo A.The digital revolution in tile decoration.Ceram ic World Review，2003，51：78~84

8郭艷杰.噴墨打印用彩色陶瓷墨水的理化性能.中國(guó)陶瓷

9鄭樹(shù)龍，唐奇等.一種適用于噴墨打印的陶瓷滲透釉及其用于陶瓷磚生產(chǎn)的方法.CN201110187245.6，2011.11

10中尾惠一，沖中秀行.噴墨打印用墨水.CN200510078050.2，2005.11

11孫中華.噴墨打印紙與噴墨打印油墨.印刷質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化2008，10