鈷藍色陶瓷釉料墨水制備及其性能*

江紅濤 魏小芳

(陜西科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 西安 710021)

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鈷藍色陶瓷釉料墨水制備及其性能*

江紅濤 魏小芳

(陜西科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 西安 710021)

利用分散法制備鈷藍色陶瓷釉料墨水。研究了分散劑中十六烷基三甲基溴化銨、羧甲基纖維素鈉、聚乙二醇400的不同含量對釉料墨水的粘度和電導(dǎo)率的影響，并測定釉料墨水的流變性和表面張力。結(jié)果表明：制備性能優(yōu)良的釉料墨水，分散劑中CTAB、羧甲基纖維素鈉、聚乙二醇400的含量分別為50%、20%、30%；釉料墨水具有一定的觸變性，粘度為38 mPa·s；表面張力隨著時間的延長而減小，最終趨向一定值(35 mN/m)。

陶瓷釉料墨水 分散法 鈷藍色 性能

陶瓷裝飾所用彩色噴墨打印技術(shù)[1]是將陶瓷色料粉體制成多色墨水，通過打印機將其直接打印到坯體、釉面或其他載體上所呈色的裝飾方法，成形體的形狀和尺寸由計算機控制。實現(xiàn)噴墨打印成形的關(guān)鍵是陶瓷墨水的制備。目前，陶瓷墨水主要的制備方法有：分散法[2～6]、溶膠法[7～8]、反相微乳液法[9～14]及水熱法[15]等。

自從2000年，世界第一臺工業(yè)使用的陶瓷裝飾噴墨打印機在美國問世，打印機由美國Ferro公司聯(lián)合Kerajet公司共同開發(fā)，陶瓷墨水也由Ferro公司帶頭研發(fā)，國內(nèi)外有更多的企業(yè)和高等院校對陶瓷墨水進行相關(guān)研發(fā)，中試及大生產(chǎn)檢驗等。只有不斷創(chuàng)新并開發(fā)出新形陶瓷墨水，才能打造出具有特殊裝飾效果的瓷磚，才能把瓷磚個性化發(fā)揮得淋漓盡致，才能大大提升產(chǎn)品附加值。佛山市道氏科技有限公司張翼等[16～18]研制出的釉料墨水，必將成為陶瓷墨水的發(fā)展方向。這些產(chǎn)品在開發(fā)過程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)主要有：穩(wěn)定的釉料配方，對釉料的物理化學(xué)性質(zhì)及制備工藝過程進行嚴(yán)格的控制；選擇合適的分散體系來穩(wěn)定分散釉料，提高墨水懸浮穩(wěn)定性能。筆者利用分散法制備鈷藍色陶瓷釉料墨水，研究分散劑中不同分散劑配比對釉料墨水粘度和電導(dǎo)率的影響，并測定釉料墨水相關(guān)的性能。

1 實驗

實驗原料主要有：聚乙二醇400(分析純，廣州市化學(xué)試劑有限公司)，羥甲基纖維素鈉(分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司)，十六烷基三甲基溴化銨(分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)，無水乙醇(分析純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司)，乙二醇(分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司)，納米氧化硅(99.5%，阿拉丁)，納米氧化鋁(99.5%，阿拉丁)，碳酸鈣(99.5%，阿拉丁)，納米氧化鎂(99.5%，阿拉丁)，納米氧化鈷(99.5%，阿拉丁)。

稱取一定量的羧甲基纖維素鈉，加入適量的去離子水將其溶解。然后加入有機溶劑乙二醇和乙醇，混合均勻，依次加入表面活性劑聚乙二醇和CTAB，待完全溶解，最后加入氧化物(依次加入氧化鋁、氧化鎂、氧化鈣、氧化硅、氧化鈷)。每加入一種氧化物，置于超聲分散1 h，再靜置1 h，然后再加入下一種氧化物，依次加入。最后靜置2 d，并觀察懸浮液狀態(tài)，進行相關(guān)的墨水性能測試。

根據(jù)噴墨打印機對所用陶瓷彩噴墨水的性能要求，對所制備的釉料墨水進行相關(guān)性能測試：即粘度(Brookfield粘度儀，美國Brookfield公司)、表面張力(DCAT21 表面張力儀，德國dataphysics儀器股份有限公司)、流變性(AR2000ex動態(tài)流變儀，美國TA公司)、電導(dǎo)率(DDS-307數(shù)字式電導(dǎo)率儀，上海精密科學(xué)儀器有限公司)的測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 分散劑對墨水粘度及電導(dǎo)率的影響

實驗制備樣品中CTAB，聚乙二醇400，羧甲基纖維素鈉的配比及現(xiàn)象如表1所示。

對樣品1～樣品5進行電導(dǎo)率的測定，得出電導(dǎo)率變化圖如圖1所示。

圖1 樣品的電導(dǎo)率

由圖1可知，電導(dǎo)率均在1 mS/m以上，均滿足需求噴墨打印機的需要。由于溶劑主要是乙醇及乙二醇，因此墨水的電導(dǎo)率相對較低。樣品1的電導(dǎo)率最高，CTAB的含量將影響到墨水的電導(dǎo)率。表面活性劑所用的是CTAB，CTAB是陽離子形表面活性劑，其易溶于水，也可溶于乙醇等有機溶劑。而羧甲基纖維素鈉也屬于陰離子形表面活性劑，但是較難在有機溶劑中分散均勻，使得導(dǎo)電能力總體上沒有CTAB強。羧甲基纖維素鈉含量較大時，墨水的粘度將急劇增大，會影響墨水的使用，因此羧甲基纖維素鈉含量只能控制在總表面活性劑的35%以內(nèi)。

表1 CTAB，聚乙二醇400，羧甲基纖維素鈉的配比及現(xiàn)象

靜置2 d后，用數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度計測試其粘度，測試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨CTAB含量的降低墨水體系的粘度卻急速上升。當(dāng)表面活性劑用量進一步增大時，其濃度達到飽和狀態(tài)(表面活性劑的臨界膠束濃度)，此時表面活性劑分子的憎水基團相互靠攏聚集在一起而形成小膠團，從而使釉料粒子懸浮起來。表面活性劑用量繼續(xù)增加時，分散介質(zhì)中小膠團開始聚集，同時壓縮釉料粒子表面的吸附層，使雙電子層變薄、斥力勢能減小，最終導(dǎo)致體系粘度急速上升，流動性變差。根據(jù)墨水粘度的要求，選擇了1號樣品。

圖2 樣品的粘度

2.2 墨水的性能檢測

圖3為釉料墨水剪切力和粘度與時間的關(guān)系曲線。

圖3 釉料墨水剪切力和粘度與時間的關(guān)系曲線

由圖3可知，表觀粘度隨著時間的延長而減小，最終趨于一定值；而剪切速率隨著時間的延長而增大。由此可知，釉料墨水具有一定的觸變性，粘度大小為38 mPa·s。

墨水體系的表面張力對噴墨打印墨水的流變動力學(xué)方面有極大的影響，需要嚴(yán)格地控制。高表面張力墨水會使墨滴形成變得閑難，噴嘴處可能會形成濺射墨滴而不是一個合適大小的墨滴，同時對基材的潤濕度不夠；低表面張力的墨水可以在噴嘴的周圍表面提供一個較潤濕環(huán)境，增加在附著基材表面上的潤濕度，但是影響墨滴從噴嘴口的滴落。

圖4為墨水表面張力與時間的關(guān)系曲線測試結(jié)果。

圖4 釉料墨水表面張力與時間的關(guān)系曲線

由圖4可知，表面張力隨著時間的延長而減小，最終趨向一定值，表面張力為35 mN/m。

3 結(jié)論

筆者利用分散法制備了釉料墨水。研究分散劑中CTAB、羧甲基纖維素鈉、聚乙二醇400的不同含量對釉料墨水的粘度及電導(dǎo)率的影響，得出分散劑CTAB、羧甲基纖維素鈉、聚乙二醇400的質(zhì)量百分比含量分別為50%、20t%、30t%時，釉料墨水的性能良好。測試墨水的性能可知，釉料墨水具有一定的觸變性，粘度為38 mPa·s。相對于需求式打印機粘度要求(130 mPa·s)來說，釉料墨水的粘度較大，需要改進。釉料墨水的表面張力為35 mN/m。相對于需求式噴墨打印機的表面張力要求(35～60 mN/m)，滿足需求式噴墨打印要求。

1 江紅濤,王秀峰,牟善勇.陶瓷裝飾用彩噴墨水研究進展.硅酸鹽通報,2004(2):57～59,65

2 江紅濤,王秀峰,于成龍,等.陶瓷裝飾用黃色噴墨墨水的正交試驗研究.材料導(dǎo)報B:研究篇,2011,25(8):108～111,121

3 江紅濤,王秀峰,于成龍,等.正交試驗研究陶瓷裝飾用藍色噴墨墨水.中國陶瓷,2011,47(8)：20～24

4 Masoud Peymannia,Atasheh Soleimani-Gorgani,Mehdi Ghahari,et al.The effect of different dispersants on the physical properties of nano CoAl2O4ceramic ink-jet ink.Ceramics International,2015,41:9 115～9 121

5 Tomov R I,Krauz M,Jewulski J,et al.Direct ceramic inkjet printing of yttria-stabilized zirconia electrolyte layers for anode-supported solid oxide fuel cells.Journal of Power Sources,2010,195:7 160～7 167

6 Emre?zkol,J?rg Ebert,Rainer Telle.An experimental analysis of the in fluence of the ink properties on the drop formation for direct thermal inkjet printing of high solid content aqueous 3Y-TZP suspensions.Journal of the European Ceramic Society,2010,30:1 669～1 678

7 郭艷杰,周振君,楊正方.Sol-Gel法制備連續(xù)式噴墨打印用彩色陶瓷墨水的理化性能.中國陶瓷,2002,38(1):17～19

8 Chouiki M,Schoeftner R.Inkjet printing of inorganic sol-gel ink and control of the geometrical characteristics.Journal of Sol-gel Science and Technology,2011,58:91～95

9 江紅濤,王秀峰.反相微乳液法制備陶瓷彩噴墨水(Ⅰ).中國陶瓷,2006,42(8):24～27

10 江紅濤,王秀峰.反相微乳液法制備陶瓷彩噴墨水(Ⅱ).中國陶瓷,2006,42(9):18～21

11 江紅濤,王秀峰,牟善勇,等.反相微乳液法制備陶瓷裝飾用彩噴墨水.全國性建材核心期刊——陶瓷,2004(5):15～18

12 Ruisong Guo,Haitao Qi,Zhengfang Yang,et al.Preparation and properties of the AEO9/alcohol/alkane/water reverse microemulsion ceramic inks.Ceramics International,2004,30:2 259～2 267

13 Guo R,Qi H,Guo D,et al.Preparation of high concentration ceramic inks for forming by jet-printing.Journal of the European Ceramic Society,2003,23:115～122

14 Zhidong Pan,Yanmin Wang,Huining Huang,et al.Recent development on preparation of ceramic inks in ink-jet printing.Ceramics International,2015,41:12 515～12 528

15 Arin M,Lommens P,Hopkins S C,et al.Deposition of photocatalytically active TiO2fIlms by inkjet printing of TiO2nanoparticle suspensions obtained from microwave-assisted hydrothermal synthesis.Nanotechnology,2012,23:603～605

16 張翼,石教藝.陶瓷墨水的最新發(fā)展趨勢.佛山陶瓷,2014,24(8):1～4

17 張翼,余永林,陳奕.一種環(huán)保型陶瓷噴墨打印用釉料墨水及其制備方法.中國專利,CN103224727A,2013-07-31

18 陳奕,余永林,李向鈺.一種陶瓷噴墨打印用皮紋效果釉料墨水及其制備方法.中國專利,CN103224726A,2013-07-31

Preparation and Properties of Cobalt Blue Ceramic Glaze Ink

Jiang Hongtao, Wei Xiaofang

(School of Materials Science and Engineering,Shaanxi University of Science and Technology,Xi'an,710021)

Cobalt blue ceramic glaze ink was prepared by dispersion method. It was investigated that different contents of cetyltrimethyl ammonium bromide (CTAB), sodium carboxymethyl cellulose and polyethylene glycol 400 influenced on viscosity and conductivity of glaze ink. The properties were measured such as rheological property and surface tension. The glaze ink with excellent properties is produced when the contents of CTAB, sodium carboxymethyl cellulose and polyethylene glycol 400 in the dispersant are respectively 50%, 20% and 30%. The prepared glaze ink exhibits certain thixotropy. Viscosity of glaze ink is 38 mPa·s. Surface tension decreases over time and eventually approach to a certain value of 35 mN/m.

Ceramic glaze ink; Dispersing method; Cobalt blue; Properties

西安市科技計劃項目(項目編號：CXY1513(2))；陜西科技大學(xué)博士科研啟動基金(項目編號：BJ14-11)。

江紅濤(1978-)，博士；研究方向為功能陶瓷與器件研究。*

TQ174.4+5

A

1002-2872(2016)10-0037-04