陶瓷墨水的制備及其應(yīng)用

丁寧

摘 要：陶瓷數(shù)字噴墨打印技術(shù)是一種極具潛力的陶瓷裝飾技術(shù)，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與陶瓷裝飾材料技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其具有傳統(tǒng)陶瓷裝飾工藝無可比擬的的優(yōu)勢(shì)。本文探討了噴墨打印陶瓷墨水的制備及其在陶瓷制造中的應(yīng)用。通過分析陶瓷墨水的合成方法、墨水的性能要求和噴墨陶瓷打印工藝的應(yīng)用等領(lǐng)域的最新進(jìn)展情況，筆者認(rèn)為噴墨打印陶瓷墨水的成功研發(fā)及其與噴墨打印機(jī)兼容性研究是該技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，噴墨陶瓷打印技術(shù)可為實(shí)現(xiàn)陶瓷制品表面裝飾的復(fù)雜化、自動(dòng)化提供新的技術(shù)路線和解決方案，因而在制備高附加值瓷磚領(lǐng)域，具有巨大的競(jìng)爭(zhēng)力，顯示出良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：陶瓷墨水；應(yīng)用；發(fā)展

1 引言

數(shù)字化技術(shù)已成為制造行業(yè)中一項(xiàng)重要的技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在我國(guó)傳統(tǒng)制造業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛。噴墨打印技術(shù)是20 世紀(jì)70 年代末開發(fā)成功的一種非接觸式的數(shù)字印刷技術(shù)[1]。它將墨水(Ink)通過打印頭上的噴嘴噴射到各種介質(zhì)表面，實(shí)現(xiàn)了非接觸、高速度、低噪音的單色和彩色的文字和圖像印刷。在噴墨打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，將特殊的粉體制備成墨水，通過計(jì)算機(jī)控制，利用特制的打印機(jī)可以將配置好的墨水直接打印到陶瓷的表面上進(jìn)行表面改性或裝飾。高性能、能順利噴印的陶瓷墨水是噴墨打印技術(shù)在陶瓷上應(yīng)用的基礎(chǔ)，材料基礎(chǔ)科學(xué)問題與墨水的復(fù)配技術(shù)的研究是其發(fā)展的關(guān)鍵。本文從噴墨打印陶瓷墨水的合成技術(shù)、噴墨打印工藝在先進(jìn)陶瓷制造領(lǐng)域的應(yīng)用、存在的關(guān)鍵問題及展望等角度闡述了該技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域應(yīng)用的最新進(jìn)展。

2 噴墨打印用陶瓷墨水的制備技術(shù)

陶瓷墨水制備的關(guān)鍵在于超細(xì)陶瓷粉體的制備及其在溶劑中的穩(wěn)定分散，即保證粉體在溶劑中處于單分散狀態(tài)，無絮凝效應(yīng)。目前，陶瓷墨水的制備方法主要有溶膠法、反相微乳液法及分散法[2~4]。

2.1溶膠法[5~6]

溶膠-凝膠法是制備超細(xì)粉體和納米材料的一種濕化學(xué)方法，已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用，工藝技術(shù)也已經(jīng)成熟。該方法用于制備陶瓷墨水時(shí)，只利用其第一步，即溶膠的制備。其中包括有機(jī)鹽在溶劑中的水解反應(yīng)和水解產(chǎn)物的聚合或縮聚反應(yīng)，同時(shí)根據(jù)需要，調(diào)節(jié)溶膠的物理性能，如固含量、黏度、導(dǎo)電率及表面張力等。采用溶膠法制備陶瓷墨水的過程中，前驅(qū)體溶液是反應(yīng)的主體，為了保證水解反應(yīng)在分子水平上均勻進(jìn)行，反應(yīng)所處的環(huán)境需為均相系統(tǒng)，要嚴(yán)格控制溶劑的量，防止不相溶區(qū)的形成。同時(shí)可通過調(diào)整催化劑種類及用量、有機(jī)鹽種類及溶液濃度、水解溫度等工藝參數(shù)來控制水解和聚合反應(yīng)速度，制備均勻穩(wěn)定的溶膠，即穩(wěn)定的陶瓷墨水。

2.2反相微乳液法[7~8]

微乳液體系是由表面活性劑、助表面活性劑、油和水構(gòu)成的熱力學(xué)穩(wěn)定的均相體系，宏觀上呈各向同性、外觀透明或半透明，微觀上由表面活性劑界面膜所穩(wěn)定的一種或兩種液體的微滴所組成。利用反相微乳液制備的陶瓷墨水其粒徑一般在幾十納米左右，分散性極好，并且可以長(zhǎng)期穩(wěn)定保存，能很好地滿足噴墨打印對(duì)顆粒度、分散性和穩(wěn)定性的要求。反相微乳液法制備陶瓷墨水是一種新的嘗試，其關(guān)鍵在于，要獲得溶水量（即水油比）盡可能高的微乳液體系，才能使陶瓷墨水具有實(shí)用性。此外，所選擇的體系還應(yīng)具有較高的鹽溶液濃度，同時(shí)應(yīng)保證顆粒度和穩(wěn)定性。

2.3分散法[9~10]

分散法制備陶瓷墨水，一般是將陶瓷粉體與分散介質(zhì)進(jìn)行球磨混合后，再通過超聲分散，獲得穩(wěn)定的懸浮液。這種方法與傳統(tǒng)的漿料制備較為接近，根據(jù)靜電-位阻穩(wěn)定機(jī)制，需加入各種物性調(diào)節(jié)劑及輔助成分使墨水達(dá)到短時(shí)間內(nèi)的均勻穩(wěn)定狀態(tài)。利用分散法制備陶瓷墨水主要包括超細(xì)粉體的制備和墨水的調(diào)制兩個(gè)部分。首先粉體的最大粒徑要在1 μm 以下、粒度分布要窄、粉體顆粒球形度要好，通過球磨、超聲分散等手段實(shí)現(xiàn)團(tuán)聚打開，使陶瓷顆粒分布于膠粒區(qū)間。同時(shí)需控制pH值對(duì)粉體表面電勢(shì)及分散劑的離解、舒展等特性的調(diào)節(jié)，最終通過靜電-位阻穩(wěn)定機(jī)制來防止粉體團(tuán)聚，使陶瓷墨水中超細(xì)顆粒處于包裹吸附和穩(wěn)定的單分散狀態(tài)。

2.4噴墨打印陶瓷墨水性能要求

陶瓷墨水的性能要求除普通墨水的顆粒度、黏度、表面張力、電導(dǎo)率、pH值以外，根據(jù)陶瓷應(yīng)用特點(diǎn)還要求一些特殊性能：（1） 要求墨水能保持良好的化學(xué)和物理穩(wěn)定性，長(zhǎng)時(shí)間存放也不會(huì)出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)變化和顆粒團(tuán)聚沉淀。（2） 要求在打印過程中，噴墨層能在短時(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，以便煅燒后獲得較高的燒結(jié)密度。（3） 要求打印的色劑高溫?zé)珊缶哂辛己玫某噬阅芤约芭c基體的匹配性能。（4） 墨水與打印機(jī)的兼容性問題。無機(jī)墨水不但需要解決細(xì)度的問題，同時(shí)還要配合噴墨打印機(jī)的內(nèi)部回路系統(tǒng)，需具備良好的分散性和流速穩(wěn)定性。

3 噴墨打印在陶瓷生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題、原因和解決方法

3.1滴墨

該現(xiàn)象產(chǎn)生可能是由于噴頭滴墨或吸風(fēng)管抽力不夠。針對(duì)此問題主要有如下幾種解決方法：（1） 增大真空度。增大噴頭對(duì)墨滴的抽力，一般用于壓力不能達(dá)到裝機(jī)要求的時(shí)候，所以也不能盲目增大真空度。（2） 降低磚坯溫度，坯溫過高會(huì)產(chǎn)生一些水蒸氣，水滴會(huì)與墨水結(jié)合形成沉淀并漸漸形成墨滴。（3） 用自動(dòng)清洗功能清洗噴頭。手動(dòng)物理清理方式是最簡(jiǎn)易最常用的應(yīng)急處理方式。（4） 加大吸風(fēng)管的頻率，但必須在壓強(qiáng)足夠大的基礎(chǔ)上才能適用。

3.2白線、拉線

白線的產(chǎn)生可能在于噴頭堵塞，堵塞物可能是顆粒，也可能是墨滴。解決方法如下：（1） 可能是真空度過高，可降低真空度。因?yàn)檎婵斩冗^高會(huì)抑止墨水的正常噴射。（2） 滴墨用自動(dòng)清洗功能清洗噴頭。該方式是生產(chǎn)當(dāng)中慣用的應(yīng)急處理。（3） 用清洗布擦拭噴頭，注意噴頭不能來回擦拭，只能沿著一個(gè)方向，否則會(huì)損害噴頭。此步驟一般用于自動(dòng)清洗噴頭無果后使用。（4） 提高電壓并用百分百灰度圖片連續(xù)打印。雖然效果并不是很好，但有可能把墨路沖開使得打印正常。（5） 把噴頭上的進(jìn)出管道進(jìn)行調(diào)換使墨水反向流動(dòng)。注意此步驟在自動(dòng)清洗噴頭及人工擦拭噴頭無果后，方才使用。

3.3生產(chǎn)過程中真空度不穩(wěn)定

真空度不穩(wěn)定可能是墨盒有空氣進(jìn)入或墨路漏氣。解決方法如下：（1） 檢查供墨泵、消泡泵、循環(huán)泵是否正常工作，注意更換供墨泵 消泡泵時(shí)要看清進(jìn)出管道。（2） 檢查消泡器 過濾器進(jìn)出管道是否漏氣。（3） 檢查過濾器管道的夾子是否夾緊，核查并重新夾緊管道。

3.4噴頭上有積墨或掛墨

這種情況主要是墨水的張力偏小或噴墨機(jī)的電壓偏大所致。解決方法如下：（1） 更換張力大的墨水。但不建議使用此方法，因?yàn)榉诺粢延心⑶逑锤蓛魰?huì)產(chǎn)生大量費(fèi)用，若未清洗干凈，不同種類的墨水可能發(fā)生反應(yīng)而影響到噴墨。（2） 減小噴墨機(jī)的電壓，觀察噴頭掛墨，注意調(diào)電壓時(shí)不要波動(dòng)過大。建議調(diào)試電壓要適合墨水的張力，一般裝機(jī)時(shí)會(huì)調(diào)試好。

3.5生產(chǎn)過程中出現(xiàn)色差或深淺度有變化

該現(xiàn)象產(chǎn)生原因可能是墨水密度變化、墨水沒有充分搖勻或墨水性能不穩(wěn)定。某些國(guó)產(chǎn)墨水性能不穩(wěn)定，容易沉淀。解決方法如下：（1） 溫度設(shè)定是否有變化，注意溫度設(shè)定不能波動(dòng)4 ℃以上，否則顏色變動(dòng)會(huì)很明顯。（2） 檢查加墨水前是否充分搖勻20~30 min。（3） 檢查攪拌器是否正常工作。（4） 檢查設(shè)備的電壓設(shè)定是否有變化。

4 結(jié)論

陶瓷噴墨打印技術(shù)為實(shí)現(xiàn)陶瓷制品表面裝飾的復(fù)雜化、自動(dòng)化提供新的技術(shù)路線和解決方案，在制備高附加值瓷磚領(lǐng)域具有巨大的競(jìng)爭(zhēng)力，顯示出良好的應(yīng)用前景。隨著噴墨打印機(jī)和陶瓷墨水制造加工技術(shù)的日益完善和成熟，這種新技術(shù)和材料必將在我國(guó)陶瓷墻地磚行業(yè)獲得廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，陶瓷墻地磚行業(yè)應(yīng)積極采用這種先進(jìn)的技術(shù)與材料，利用用國(guó)產(chǎn)陶瓷墨水制備出裝飾效果出眾的陶瓷產(chǎn)品，促進(jìn)國(guó)內(nèi)墨水行業(yè)的快速發(fā)展。

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