建筑陶瓷激光印刷技術(shù)初探

郝小勇

(1 江蘇脒諾甫納米材料有限公司 江蘇 宜興 214221)(2 江蘇拜富科技有限公司 江蘇 宜興 214221)

前言

近30年以來，我國建筑衛(wèi)生陶瓷得到迅速發(fā)展，建筑衛(wèi)生陶瓷的裝飾技術(shù)也經(jīng)歷了絲網(wǎng)印刷、膠輥印刷和噴墨印刷。噴墨印刷目前雖然已成為陶瓷墻地磚的裝飾技術(shù)的主流，但噴墨印刷也存在一定的缺陷：如噴頭數(shù)量多、磨損大、價格高和噴頭易堵塞等問題；同時墨水性能不穩(wěn)定、沉淀和保質(zhì)期過短等也是噴墨印刷不能回避的問題。對于無機(jī)非金屬材料的陶瓷產(chǎn)品來說，筆者認(rèn)為噴墨印刷技術(shù)只是一個過渡，據(jù)觀察絲網(wǎng)印刷和膠輥印刷用的耗材是印油(油墨)，這種產(chǎn)品的粘度大，屬于無機(jī)非金屬材料，不易沉淀，相對在生產(chǎn)中容易控制。而噴墨印刷則不同，所用的是墨水，即屬水性，則液體性成分多固體性成分少，而液固容重差異又較大，也就必然產(chǎn)生沉淀。若要不沉淀一定要以很好的大分子有機(jī)化合物做“框架”把無機(jī)材料“架”起來，那樣會對噴墨印刷后在瓷磚表面的滲透性和滲透深度產(chǎn)生影響，同時要做到不沉淀，則成本一定很高。用溶膠-凝膠法生產(chǎn)陶瓷噴墨顏料和墨水，目前國內(nèi)大生產(chǎn)很難實(shí)現(xiàn)，原因主要是生產(chǎn)成本高陶瓷廠很難接受，同時部分技術(shù)還不成熟，當(dāng)然這樣制作的墨水也會產(chǎn)生沉淀，只是時間較用燒結(jié)法顏料生產(chǎn)墨水長很多。鑒于以上原因，很多研究人員在思考有沒有一種印刷技術(shù)來代替噴墨印刷，答案是有的，那就是激光印刷技術(shù)，只是目前還有一些技術(shù)難點(diǎn)需要解決。

1 從印刷技術(shù)的發(fā)展看激光印刷

印刷術(shù)是中國古代的四大發(fā)明之一，始于隋朝的雕版印刷，經(jīng)宋仁宗時期畢升的發(fā)展、完善，發(fā)明了活字印刷，并由蒙古人傳至了歐洲，所以后人稱畢升為印刷術(shù)的始祖。中國的印刷術(shù)是人類近代文明的先導(dǎo)，為知識的廣泛傳播、交流創(chuàng)造了條件，為人類的進(jìn)步作出了杰出貢獻(xiàn)。印刷術(shù)是活字版印刷，實(shí)際上就是一種拓印方法的延續(xù)。從拓印開始到雕版印刷再到絲網(wǎng)印刷，人類走過了2 000多年的歷史。20世紀(jì)70年代的中國還處于鉛字排版階段，圖像制版當(dāng)時還處于照相分色階段，電子分色機(jī)剛開始引進(jìn)，那時還沒有出現(xiàn)整頁拼版系統(tǒng)。從印刷來講，膠印發(fā)展較快，膠印機(jī)是當(dāng)時一些展會上的主流產(chǎn)品。真正意義上的數(shù)字印刷出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，我國引進(jìn)了第一臺數(shù)碼印刷機(jī)。

陶瓷的裝飾技術(shù)首先是從陶瓷花紙和工藝美術(shù)陶瓷開始，逐步擴(kuò)展到日用陶瓷，進(jìn)一步發(fā)展到建筑衛(wèi)生陶瓷的。建筑陶瓷印刷由于起步較晚，因而直接開始應(yīng)用的技術(shù)就是絲網(wǎng)印刷，這是同建筑陶瓷的平面結(jié)構(gòu)密不可分的，后來發(fā)展到滾筒印刷，再就出現(xiàn)噴墨印刷。整個印刷技術(shù)和國內(nèi)的紙張印刷技術(shù)基本相同。紙張印刷技術(shù)本世紀(jì)初還應(yīng)用點(diǎn)針式打印機(jī)打印和復(fù)印兩種方式結(jié)合來完成，點(diǎn)針式打印機(jī)使用約3年基本上就完成了其歷史使命，從而進(jìn)展到噴墨打印，紙張的噴墨打印使用時間也不長，3～5年就被激光打印所替代。現(xiàn)在紙張印刷幾乎全部采用激光打印機(jī)與激光復(fù)印機(jī)結(jié)合的方式。

激光印刷的工具就是激光印刷機(jī)和激光需要打印的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)序列形式的原始圖像，將這些原始圖像轉(zhuǎn)換成光電信號用數(shù)據(jù)傳送給打印機(jī)。打印機(jī)中的微處理器將這些數(shù)據(jù)破譯成點(diǎn)陣的圖樣，直接送到激光發(fā)生器，激光發(fā)生器根據(jù)圖樣的內(nèi)容迅速作出開與關(guān)的反應(yīng)，把激光束投射到經(jīng)過充電的旋轉(zhuǎn)鼓上，鼓的表面凡是被激光照射到的地方電荷都被釋放掉，沒有照射到的地方仍然帶有電荷，通過帶電電荷吸附的碳粉轉(zhuǎn)印在紙張上，即完成印刷。

2 激光印刷陶瓷產(chǎn)品的可能性

從平面紙張印刷技術(shù)的發(fā)展來看，膠輥印刷的歷史不算很長(有70年左右)，計算機(jī)輔助的點(diǎn)針式打印機(jī)應(yīng)用的時間更短(不到5年)，再后來的噴墨打印也持續(xù)的時間較短，很快就被激光印刷取代。由于激光打印具有速度快、清晰、墨粉用量少等特點(diǎn)，它的出現(xiàn)替代了噴墨方法和技術(shù)，從而成為紙張印刷行業(yè)的主流。

激光(Laser)又稱鐳射，是20世紀(jì)以來繼原子能、計算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明。其理論基礎(chǔ)是愛因斯坦的光子學(xué)說，這一理論可解釋為：在組成物質(zhì)的原子中，有不同數(shù)量的粒子(電子)分布在不同的能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發(fā)，會從高能級跳到(躍遷)到低能級上，這時將會輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光，而且在某種狀態(tài)下，能出現(xiàn)一個弱光激發(fā)出一個強(qiáng)光的現(xiàn)象，這就叫做“受激輻射的光放大”，簡稱激光。光與物質(zhì)的相互作用，實(shí)質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀粒子吸收或輻射光子，同時改變自身運(yùn)動狀況的表現(xiàn)。

激光用于陶瓷首先是利用激光的能量，20世紀(jì)70年代美國已經(jīng)開始利用CO2高功率激光切割陶瓷制品。目前高技術(shù)結(jié)構(gòu)陶瓷、特種陶瓷、工業(yè)陶瓷、日用陶瓷等普遍應(yīng)用激光技術(shù)，這些激光技術(shù)主要用在切割、雕印、噴印等方面，其中激光切割是應(yīng)用激光的能量對陶瓷材料進(jìn)行“外科手術(shù)”，而噴印和雕印是利用激光的光電性能對陶瓷材料進(jìn)行印刷裝飾。雕印是利用激光的高能量將計算機(jī)設(shè)定的信號雕刻在陶瓷產(chǎn)品上，如商標(biāo)、條形碼、二維碼等。噴印是將彩色墨粉按計算機(jī)傳輸?shù)男盘枃姷教沾苫埳贤ㄟ^不同溫度的燒制或烤將圖像轉(zhuǎn)印到陶瓷的表面。在“2014上海國際工業(yè)陶瓷展會”期間，筆者經(jīng)過咨詢，獲悉該行業(yè)一般將激光雕印稱為激光打印，將所使用的機(jī)器稱為激光打印機(jī)，和噴印歸為一類，稱為激光印刷，所使用的機(jī)器稱為激光印刷機(jī)。網(wǎng)絡(luò)上一般將前者稱為激光打標(biāo)機(jī)、激光打碼機(jī)等，將后者稱為激光印刷機(jī)。

可以看到，激光印刷技術(shù)在結(jié)構(gòu)陶瓷、高技術(shù)陶瓷、工業(yè)陶瓷和日用陶瓷等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)很成熟也很普遍。建筑衛(wèi)生陶瓷特別是建筑陶瓷需要應(yīng)用的激光印刷技術(shù)實(shí)際上和上述的激光印刷方法類似，不同的是：建筑陶瓷的激光印刷要求墨粉的耐溫性能要更高一些，印刷速度要更快一些，最重要的是承印材料是陶瓷產(chǎn)品，這三者解決好激光印刷就可以成功用于建筑陶瓷的印刷。

3 建筑陶瓷產(chǎn)品激光印刷需要的材料

建筑陶瓷的激光印刷，需要的工具和材料為：計算機(jī)、激光印刷機(jī)、墨粉和陶瓷材料等。印刷的方法和紙張激光印刷方法相同或者說類似。

3.1 未來建筑陶瓷激光打印機(jī)的構(gòu)想

用于建筑陶瓷的激光打印機(jī)尚未正式面世，無法得到數(shù)據(jù)和資料，因而筆者只能根據(jù)所見和理解來進(jìn)行構(gòu)想，雖然2014年的廣州展會期間有個別企業(yè)展出了激光陶瓷打印機(jī)，但是否能夠應(yīng)用于建筑陶瓷還未可知。

建筑陶瓷激光打印機(jī)的結(jié)構(gòu)可以參考紙張激光打印機(jī)結(jié)構(gòu)，由激光掃描系統(tǒng)、電子照相系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3大部分組成，其中激光掃描系統(tǒng)包括激光器、偏轉(zhuǎn)調(diào)制器、掃描器和光路系統(tǒng)。它的作用是利用激光束的掃描形成靜電潛像。電子照相系統(tǒng)由光導(dǎo)鼓、高壓發(fā)生器、顯影定影裝置和輸出機(jī)構(gòu)組成。其中輸出機(jī)構(gòu)應(yīng)可以輸出平面材料，其作用是將靜電潛像變成可見的輸出圖像。瓷磚在進(jìn)入輸出系統(tǒng)之前應(yīng)進(jìn)行充分的吸塵和表面靜電處理。建筑陶瓷激光打印機(jī)的印刷原理類似于靜電復(fù)印，所不同的是靜電復(fù)印是采用對原稿進(jìn)行可見光掃描形成潛像，而激光打印機(jī)是用計算機(jī)輸出的信息經(jīng)過調(diào)制后的激光束掃描形成潛像。

建筑陶瓷的激光打印機(jī)工作過程可能類似于高溫瓷像用的激光打印機(jī)的工作過程，首先將圖片從電腦輸送到打印機(jī)，打印機(jī)接到圖像的打印命令后，將陶瓷坯體通過傳感器輸送到打印機(jī)的感光鼓，由激光顯影器充電到顯影倉，再由載體將粉盒的粉吸出，通過激光照射顯影到陶瓷坯體上。為了操作和維護(hù)方便，在設(shè)計時可將激光發(fā)射器、感光鼓、粉盒3部分分離。

如果按上述方法承印建筑陶瓷產(chǎn)品，原理上是可行的，印刷的速度也不會太慢，但是否能完成建筑陶瓷流水線生產(chǎn)的要求還有待于實(shí)踐。

3.2 陶瓷墨粉

噴墨打印機(jī)使用的是墨水，而激光打印機(jī)使用的是墨粉。墨粉的優(yōu)點(diǎn)在于陶瓷原輔材料企業(yè)制作方便，陶瓷生產(chǎn)企業(yè)使用方便。原因是墨粉不會像墨水一樣出現(xiàn)沉淀。同時，打印同樣數(shù)量的陶瓷磚，墨粉的用量要少得多，節(jié)約成本。再者，感光技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)能夠很好的實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)，技術(shù)難度不大。

據(jù)資料顯示，激光墨粉傳統(tǒng)的仍以熔融粉碎法來完成，這類似于陶瓷色料的燒結(jié)后再粉碎，其中成品的細(xì)度是個重點(diǎn)，一般辦公用激光打印機(jī)的墨粉粒度在5 μm左右，陶瓷色料做到這一點(diǎn)幾乎沒有難度。

陶瓷激光墨粉的難點(diǎn)在于以下幾個方面：

1)墨粉的電性能；

2)墨粉與陶瓷磚坯體的粘附性能；

3)墨粉如何實(shí)現(xiàn)在陶瓷磚表面的滲透。

墨粉的電性能更多可能是在陶瓷色料燒結(jié)的過程中加入可以極化的無機(jī)非金屬材料(如氧化物和化合物)來實(shí)現(xiàn)，其重要的是不能影響陶瓷色料在高溫下發(fā)生色度不夠和出現(xiàn)色彩偏移。

墨粉與陶瓷磚的粘附性和滲透性是屬于陶瓷色料燒成后后期處理的問題，可以通過有機(jī)或無機(jī)材料來調(diào)節(jié)，這和目前的印油、墨水等類似，基本上通過試驗(yàn)可以完成。

3.3 陶瓷材料的處理

建筑陶瓷的激光印刷其承印材料為瓷磚坯體，瓷磚素坯是經(jīng)過原料球磨、原料干燥、壓磚機(jī)壓制和坯體快速干燥等過程形成的具有一定溫度、水分和強(qiáng)度的陶瓷坯體。目前流水線生產(chǎn)過程中生產(chǎn)速度較快，壓制、印刷、施釉、干燥等過程都以窯爐為中心進(jìn)行，整個生產(chǎn)過程要滿足窯爐的連續(xù)化要求，一個環(huán)節(jié)出問題，整個窯爐都可能出現(xiàn)空燒或產(chǎn)品不合格等問題。因此，陶瓷企業(yè)通常都在每個工藝過程中進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量和數(shù)量考核，以確保窯爐用量和最后的產(chǎn)品質(zhì)量。

瓷磚的激光印刷必須要滿足陶瓷的流水線生產(chǎn)需求。要滿足這種需求一定要使激光印刷機(jī)的進(jìn)出口相反而不是像紙張那樣上下彎曲，即要滿足平面直線印刷，這樣可一臺一個花色逐臺進(jìn)行，也可以設(shè)計成通道式一次完成，總而言之設(shè)備運(yùn)行必須穩(wěn)定。

瓷磚坯體在進(jìn)入激光印刷機(jī)前要進(jìn)行預(yù)處理。激光印刷要進(jìn)行以下處理：

1)除去瓷磚坯體表面的灰塵；

2)擴(kuò)大或者疏通坯體表面的毛細(xì)孔；

3)進(jìn)行靜電處理。

這些處理中靜電處理最復(fù)雜，因?yàn)橐尨判阅畚降酱纱u表面，而瓷磚和墨粉盒又不能接觸，這兩者之間的電位一定要足夠強(qiáng)，且要瞬間完成。

瓷磚坯體印刷完成后可能也要做定影處理，這個過程應(yīng)該和紙張的影印技術(shù)類似。目的是讓磁性陶瓷墨粉向瓷磚內(nèi)部進(jìn)行滲透，達(dá)到一定的深度。

4 總結(jié)

激光印刷是否能成為建筑陶瓷未來的印刷趨勢目前還沒有太多的討論，但從國內(nèi)外印刷技術(shù)的發(fā)展趨勢來看，激光印刷建筑陶瓷顯然更具生命力，也更符合無機(jī)非金屬材料的印刷需求和材料性能。用于建筑陶瓷印刷的激光印刷機(jī)基本原理應(yīng)該和紙張印刷的原理一致，且墨粉比較容易制作，方法和陶瓷色料的制成相通，電性能解決好就可以生產(chǎn)出符合要求的墨粉，顏色也易于控制，色彩將更加豐富和飽滿；瓷磚坯體的處理也相對容易，可以在線完成；顯影、定影等工作可以運(yùn)用計算機(jī)輔助，技術(shù)比較成熟。