陶瓷噴墨滲花工藝技術(shù)研究進(jìn)展

謝悅增

摘 要：本文通過講述滲花墨水與常規(guī)噴墨墨水的區(qū)別、滲花墨水的特性、目前噴墨滲花產(chǎn)品的主要生產(chǎn)工藝及其優(yōu)缺點(diǎn)以及噴墨滲花產(chǎn)品所使用的設(shè)備，歸納了目前國(guó)內(nèi)噴墨滲花領(lǐng)域的狀況，對(duì)生產(chǎn)和后續(xù)研究提供了一定的參考依據(jù)。

關(guān)健詞：噴墨打印；滲花墨水；滲透；擴(kuò)散；生產(chǎn)工藝

1 引言

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)，它將墨水通過打印頭上的噴嘴噴射到各種介質(zhì)表面上，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。陶瓷噴墨打印技術(shù)是在噴墨打印技術(shù)的基礎(chǔ)上，將特殊的粉體制備成墨水，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)行表面改性或表面裝飾。其與傳統(tǒng)的陶瓷表面裝飾技術(shù)相比具有諸多的優(yōu)勢(shì)[1，2]，例如能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品個(gè)性化設(shè)計(jì)與制造，既節(jié)省時(shí)間，又提高效率；同時(shí)有利于實(shí)現(xiàn)多種圖案小批量的陶瓷制品生產(chǎn)，特別適合于設(shè)計(jì)復(fù)雜圖案，進(jìn)一步提高陶瓷裝飾效果。

陶瓷噴墨打印技術(shù)2009年以來在國(guó)內(nèi)陶瓷墻地磚生產(chǎn)中逐步普及，墨水的顏色也逐漸豐富，到現(xiàn)在全國(guó)幾乎所有陶瓷廠都使用噴墨打印技術(shù)生產(chǎn)產(chǎn)品。但是目前大部分企業(yè)使用的噴墨墨水都只能在產(chǎn)品表面著色，因此拋釉磚必須在噴墨打印后再淋一層透明釉，燒成后拋光。拋釉磚產(chǎn)品的透明釉厚度不能太厚，否則會(huì)影響產(chǎn)品的顏色和透感，因此只能使用彈性模塊拋光，產(chǎn)品平整度較差，表面呈波浪狀起伏。拋光磚雖然表面平整，但是布料方式的圖案清晰程度和紋理豐富性遠(yuǎn)不如噴墨打印。雖然有滲花拋光磚產(chǎn)品，圖案變化相對(duì)較多，但是水性的滲花釉擴(kuò)散嚴(yán)重，導(dǎo)致產(chǎn)品圖案模糊。如果將滲花釉和噴墨打印技術(shù)結(jié)合起來，則既能獲得清晰豐富的表面圖案，又能提高產(chǎn)品拋光后的表面平整度。

2012年，諾貝爾與METCO合作，在國(guó)內(nèi)率先推出噴墨滲花拋光磚產(chǎn)品。至今，先后有東鵬、蒙娜麗莎、新明珠等與METCO合作研發(fā)生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)的道氏、伯陶、邁瑞斯、明朝、彩佳、安倍爾等公司相繼推出滲花墨水，增加滲花墨水的選擇性。同時(shí)，諸多廠家推出了噴墨滲花產(chǎn)品，產(chǎn)品取名各不相同，主要企業(yè)有：天弼、宏宇、卡米亞、能強(qiáng)、金意陶、偉強(qiáng)、華碩、石博士、博德等。國(guó)內(nèi)瓷磚逐漸進(jìn)入了噴墨滲花產(chǎn)品時(shí)代。

2 滲花墨水基本性能

滲花墨水最先由國(guó)外的METCO公司推出，并在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)幾乎獨(dú)占市場(chǎng)。國(guó)產(chǎn)滲花墨水經(jīng)過多年的研究，近兩年推出市場(chǎng)的產(chǎn)品逐漸增多，包括道氏、伯陶、邁瑞斯、明朝、彩佳、安倍爾等，且大部分都與陶瓷墻地磚生產(chǎn)廠家聯(lián)合推出噴墨滲花產(chǎn)品。從產(chǎn)品的效果上看，國(guó)產(chǎn)滲花墨水與進(jìn)口墨水已無明顯區(qū)別，但是在使用過程中還是存在一些不足。

2.1 滲花墨水與常規(guī)噴墨墨水的區(qū)別

滲花墨水是一種滲透型墨水，也是一種溶劑型墨水，采用可溶性金屬鹽作為著色劑，然后搭配相應(yīng)的助劑以及溶劑制備成滲花墨水。與常規(guī)噴墨墨水相比，滲花墨水的著色劑一般為離子化合物，而常規(guī)墨水的著色劑為亞納米級(jí)無機(jī)色料；助劑方面滲花墨水對(duì)懸浮性的要求沒有常規(guī)墨水那么嚴(yán)格，但是對(duì)墨水的粘度、表面張力、PH值有一定的要求。滲花墨水經(jīng)噴墨打印機(jī)打印后在磚面具有滲透能力，燒成后著色劑在高溫下轉(zhuǎn)化為能呈現(xiàn)顏色的金屬氧化物，形成圖案。

滲花墨水的發(fā)色方式與常規(guī)噴墨墨水不同，常規(guī)噴墨墨水是無機(jī)顏料型墨水，一般采用分散法制得。分散法是目前陶瓷墨水制備中最常見的一種方法，其工藝是先將超細(xì)陶瓷粉體或著色劑顆粒同溶劑、分散劑等一起通過球磨混合，加入結(jié)合劑、表面活性劑、pH調(diào)節(jié)劑、電解質(zhì)等助劑后，通過機(jī)械分散得到穩(wěn)定的懸浮液即陶瓷噴墨墨水。分散法與傳統(tǒng)的漿料制備較為接近，根據(jù)靜電-位阻穩(wěn)定機(jī)制，需要加入各種物性調(diào)節(jié)劑以及助劑使墨水達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。分散法制備工藝簡(jiǎn)單，成本較低，且制得的陶瓷墨水發(fā)色效果及發(fā)色穩(wěn)定性較好[3～6]。

滲花墨水采用離子化合物作著色劑，制備成有機(jī)金屬鹽溶解在溶劑中，在高溫下轉(zhuǎn)化成能呈色的金屬氧化物。滲花墨水的顏色由金屬離子的發(fā)色規(guī)律決定，如鈷呈藍(lán)色，鐵呈紅色或褐色，鉻呈黃色或綠色，鎳呈綠色[7，8]。受限于金屬離子的著色方式，現(xiàn)有滲花墨水的顏色局限于藍(lán)、棕、黃三種顏色，除了藍(lán)色滲花墨水之外，其他的滲花墨水的發(fā)色能力遠(yuǎn)弱于常規(guī)噴墨墨水，需要配合大噴墨量的噴頭使用。

2.2 滲透性

滲花墨水具有一定的滲透性，但是無法控制其滲透方向，容易同時(shí)在縱向和橫向擴(kuò)散，若墨水橫向擴(kuò)散過多會(huì)導(dǎo)致圖案模糊，因此生產(chǎn)中需要搭配助滲劑實(shí)現(xiàn)縱向滲透。助滲劑本質(zhì)上是一種或幾種礦物油的混合物，通過控制其表面張力、粘度，能夠促進(jìn)滲花墨水中著色劑沿著陶瓷坯體中的孔隙縱向滲透，并改善圖案的清晰程度。但是助滲劑因?yàn)槭怪珓┛v向滲透，會(huì)減弱滲花墨水在產(chǎn)品表面的發(fā)色能力，因此要求助滲劑不能將著色劑完全滲透到坯體底部，而是要逐步滲透。此外，滲花墨水在產(chǎn)品表面的發(fā)色深淺還受坯體干燥時(shí)間影響。干燥時(shí)間越長(zhǎng)則產(chǎn)品表面發(fā)色越淺，滲透深度越深；干燥時(shí)間越短則表面發(fā)色越深，滲透深度越淺。在生產(chǎn)中要平衡滲花墨水的滲透深度和表面發(fā)色深淺，使產(chǎn)品表面和內(nèi)部發(fā)色接近，有利于提高產(chǎn)品拋光后的穩(wěn)定性。

2.3其它特性

滲花墨水穩(wěn)定性比普通噴墨墨水差，主要表現(xiàn)為在35 ～ 40℃時(shí)容易變質(zhì)，滲花墨水粘度等參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致波形文件不匹配及噴墨拉線等問題。滲花墨水的粘度、表面張力、PH值、電導(dǎo)率等特性均會(huì)影響其使用性能，通過測(cè)試多家公司的滲花墨水，40℃時(shí)的粘度在13 ～ 19 mpa.s，表面張力在25 ～ 28 mN/m，PH值在4.2 ～ 8.0。

2.3.1 粘度

粘度是影響打印效果的一個(gè)重要因素，粘度過高會(huì)造成墨水在墨盒中流動(dòng)不暢，在噴射的過程中也難以保證墨水順暢地通過細(xì)小的噴墨頭，以至造成堵塞噴頭的現(xiàn)象。過低的粘度也會(huì)造成噴射困難，影響墨水的正常噴射。墨水的粘度還需要和噴頭相適應(yīng)，不同的噴頭對(duì)墨水的粘度范圍有不同的要求。

2.3.2 表面張力

滲花墨水的表面張力適當(dāng)時(shí)才能形成標(biāo)準(zhǔn)墨滴，如果表面張力過大，墨流將難以斷裂，將導(dǎo)致墨滴打印不流暢。墨水的表面張力低，則墨滴與紙張的接觸角小，有助于提高覆蓋率，得到高質(zhì)量的圖案。但表面張力過小時(shí)，墨水非常容易擴(kuò)散，影響圖案的清晰程度。

2.3.3 PH值

PH值過低（呈酸性）墨水會(huì)腐蝕墨盒；PH值過高（呈堿性）會(huì)產(chǎn)生額外的鹽而減低墨盒的使用壽命，并提高電導(dǎo)率。墨水的電導(dǎo)率受墨水的鹽類和離子性決定，墨水中的鹽分會(huì)損壞墨盒甚至使墨盒失效。墨水的電導(dǎo)率反映的是墨水的含鹽量的高低，含鹽量過高，會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶，造成噴頭堵塞現(xiàn)象，墨水的電導(dǎo)率受墨水的鹽類和離子決定。

2.3.4 擴(kuò)散性

滲花墨水相對(duì)常規(guī)墨水有一定的擴(kuò)散性，擴(kuò)散較大時(shí)會(huì)影響圖案的清晰程度，使產(chǎn)品喪失噴墨的優(yōu)勢(shì)。黃色墨水?dāng)U散較小，基本在3%以內(nèi)；藍(lán)色墨水?dāng)U散一般在10 ～ 30%之間；棕色墨水?dāng)U散最嚴(yán)重，在25 ～ 45%。除墨水本身外，助滲劑的種類和用量、干燥的溫度和時(shí)間、噴墨時(shí)的坯體溫度都會(huì)影響滲花墨水的擴(kuò)散性。此外，在設(shè)計(jì)文件時(shí)，要根據(jù)滲花墨水的擴(kuò)散能力將噴墨文件做相應(yīng)的處理，尤其是線條石紋紋理。

3 滲花墨水使用設(shè)備

3.1 噴墨打印機(jī)

滲花墨水使用的噴墨機(jī)與常規(guī)墨水使用的相同，保證不同產(chǎn)品交替生產(chǎn)時(shí)的穩(wěn)定性，在國(guó)內(nèi)主要使用的噴墨機(jī)有進(jìn)口的Cretaprint、Tecno、Kerajet，國(guó)產(chǎn)的有希望、新景泰、彩神等。進(jìn)口噴墨機(jī)整體使用效果更好，體現(xiàn)在硬件及軟件兩個(gè)方面。

硬件方面進(jìn)口噴墨機(jī)有更加完善的供墨、墨水循環(huán)、過濾、除塵等系統(tǒng)，能夠單獨(dú)調(diào)整每個(gè)噴頭的噴墨量，并且能加載更大更多的文件，反應(yīng)速度更快，Cretaprint的噴墨打印機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)兩塊磚同時(shí)打印不同圖案。

軟件方面進(jìn)口噴墨機(jī)的操作更加人性化，比如能同時(shí)加載多個(gè)噴墨文件，打印模式更加豐富，能在生產(chǎn)的同時(shí)渲染另外的噴墨文件，能夠指定插入打印的文件和次數(shù)，有配套的色彩管理系統(tǒng)，可以減少工藝設(shè)計(jì)人員的工作量。

3.2 噴頭

無論是進(jìn)口噴墨機(jī)還是國(guó)產(chǎn)噴墨機(jī)，所用的噴頭都是進(jìn)口的。滲花墨水因?yàn)閲娔枯^大，需要使用大墨量的噴頭，主要有東芝XL、賽爾GS40、星光1024、精工、柯尼卡KM1024ILHE。這些噴頭的工作頻率、對(duì)滲花墨水的性能要求不盡相同，共同特點(diǎn)是最大噴墨量大于100 pl。噴頭生產(chǎn)廠家會(huì)根據(jù)自身噴頭的特點(diǎn)，對(duì)使用的墨水做出相應(yīng)的要求。其中精工噴頭相對(duì)其它噴頭屬于高頻噴頭，要求配套墨水的粘度較低。

3.3 波形文件

每一種墨水需要經(jīng)過噴頭生產(chǎn)廠家的認(rèn)證，然后根據(jù)墨水的特性設(shè)計(jì)一個(gè)適合該墨水的波形文件。在噴墨打印機(jī)上使用該墨水的時(shí)候，要在對(duì)應(yīng)的通道上加載經(jīng)過認(rèn)證的波形文件，噴墨打印機(jī)才能正常打印該墨水。如果沒有對(duì)應(yīng)的波形文件，即使使用同樣的噴墨打印機(jī)和噴頭，也有可能出現(xiàn)各種缺陷，主要缺陷如下：

（1）無法打印，即噴墨打印機(jī)已經(jīng)開始工作，但是無法打印出墨水；

（2）缺墨，即打印過程中會(huì)隨機(jī)時(shí)間和位置出現(xiàn)無墨水的情況；

（3）拉線，即打印時(shí)會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)偏深或偏淺的線狀圖案，寬度至少1 ～ 3 mm，嚴(yán)重時(shí)接近噴頭寬度；

（4）水紋，即打印的圖案像是浸入水中一般，有明顯的深淺變化和波紋狀紋理；

（5）模糊，即墨水打印位置無法按照文件設(shè)計(jì)打印，或者無法正?？刂颇未笮?，造成圖案模糊。

可見波形文件對(duì)于墨水的重要性，進(jìn)口墨水在出廠前就已經(jīng)通過噴頭公司的認(rèn)證。國(guó)產(chǎn)墨水這方面還需要加強(qiáng)，只有部分墨水得到噴頭公司的認(rèn)證；很多墨水只是在噴墨機(jī)上加載其它公司墨水的波形文件，通過實(shí)驗(yàn)選擇能夠正常工作的參數(shù)，但是長(zhǎng)期生產(chǎn)的穩(wěn)定性難以保證。

4 噴墨滲花產(chǎn)品生產(chǎn)工藝

不同廠家實(shí)現(xiàn)噴墨滲花產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝有所區(qū)別，產(chǎn)品也各有特點(diǎn)。有代表性的產(chǎn)品生產(chǎn)工藝方案有二次布料、淋面漿料以及通體一次布料結(jié)合淋漿3種。

4.1 二次布料工藝

此工藝方案基本采用拋光磚二次布料的工藝流程，基本工藝流程為二次布料→壓制→干燥→磨坯→噴墨滲花→噴助滲劑→燒成→中性拋。采用此工藝方案的代表企業(yè)有東鵬、天弼、宏宇。由于工藝方案與二次布料的拋光磚基本一致，只是使用滲花墨水替代有色微粉布料，使產(chǎn)品的圖案相對(duì)拋光磚更加清晰，變化更加豐富。

該工藝方案主要優(yōu)點(diǎn)如下：一是產(chǎn)品的內(nèi)質(zhì)與拋光磚接近，莫氏硬度高于拋釉磚，由于圖案深入面料中，耐磨程度更高，適合于人流量較大的場(chǎng)所。二是對(duì)生產(chǎn)線改造小，只需要在現(xiàn)有的拋光磚生產(chǎn)線加裝一臺(tái)噴墨機(jī)即可。三是對(duì)底料白度要求不高，可以較好的控制坯體成本。

該工藝方案的主要缺點(diǎn)如下：一是采用二次布料工藝，面料中需加入發(fā)色劑促進(jìn)滲花墨水發(fā)色，而現(xiàn)階段助色劑價(jià)格昂貴，導(dǎo)致產(chǎn)品成本居高不下。二是布料的均勻程度對(duì)磚型影響大，使產(chǎn)品的磚型難以控制，從而影響拋光平整度。三是無法實(shí)現(xiàn)天然石材表面石紋線的凹凸立體效果。四是二次布料工藝中面料的厚度一般在3 mm，而滲花墨水的滲透深度不足1 mm，因此采用此工藝方案的產(chǎn)品在經(jīng)過倒邊、拉槽等冷加工后，會(huì)顯現(xiàn)出底料層、面料層、滲花墨水層3層完全不同的顏色，影響裝飾效果。五是表面圖案比較模糊。

4.2 淋面料漿工藝

此工藝方案與常規(guī)瓷質(zhì)釉面磚的生產(chǎn)工藝基本一致，基本工藝流程為布白色粉料→壓制→干燥→淋面料漿→干燥→噴墨滲花→噴助滲劑→燒成→中性拋。采用此工藝方案的代表企業(yè)有能強(qiáng)、石博士。該工藝方案與現(xiàn)有瓷質(zhì)釉面磚生產(chǎn)線的布局一致，只是面料和噴墨墨水換成了滲花產(chǎn)品專用的，整個(gè)生產(chǎn)線布局和人員基本不需要調(diào)整，能夠較快速的轉(zhuǎn)換。

該工藝方案的主要優(yōu)點(diǎn)如下：一是面料相對(duì)二次布料工藝明顯偏薄，成本相對(duì)較低。二是淋漿厚度均勻，磚型相對(duì)容易控制。三是噴墨打印的圖案較二次布料工藝更加清晰。四是產(chǎn)品表面平整度優(yōu)于拋釉產(chǎn)品。五是產(chǎn)品表面莫氏硬度比拋釉產(chǎn)品高一個(gè)級(jí)別，耐磨性也更好。六是滲花墨水基本能滲透整個(gè)面料層，配合白度較高的坯體產(chǎn)品的整體性更強(qiáng)。

該工藝方案的主要缺點(diǎn)如下：一是坯體粉料成本偏高。二是釉線在噴墨打印前需要增加一條較長(zhǎng)的干燥窯，對(duì)釉線長(zhǎng)度和布局有較高的要求。三是淋面料漿較薄或者沒有化妝土?xí)r產(chǎn)品白度偏低，顏色不夠鮮艷。四是無法實(shí)現(xiàn)天然石材表面石紋線的凹凸立體效果。五是倒邊、拉槽等深加工效果仍然不如通體布料產(chǎn)品，拉槽偏深則會(huì)露出白色的坯體。

4.3 通體一次布料結(jié)合淋漿工藝

此工藝方案坯體采用通體一次布料，淋漿工藝與方案二相同，基本工藝流程為通體布料→壓制→干燥→淋面料漿→干燥→噴墨滲花→噴助滲劑→燒成→中性拋。采用此工藝方案的代表企業(yè)有諾貝爾、新明珠。該工藝方案相對(duì)比較復(fù)雜，對(duì)坯體粉料要求較高，釉線與現(xiàn)有拋釉磚生產(chǎn)線基本保持一致。

該工藝方案的主要優(yōu)點(diǎn)如下：一是坯體為通體布料，坯體的顏色與產(chǎn)品表面顏色接近，產(chǎn)品的整體感較好，可以滿足倒邊、拉槽等深加工裝飾。二是面料相對(duì)二次布料工藝明顯偏薄，成本相對(duì)較低。三是淋漿厚度均勻，磚型相對(duì)容易控制。四是產(chǎn)品表面平整度優(yōu)于拋釉產(chǎn)品。五是產(chǎn)品表面莫氏硬度比拋釉產(chǎn)品高一個(gè)級(jí)別，耐磨性也更好。

該工藝方案的主要缺點(diǎn)如下：一是坯體粉料制備及壓制方法與拋光磚產(chǎn)品類似，生產(chǎn)難度比使用白坯偏高。二是釉線在噴墨打印前需要增加一條較長(zhǎng)的干燥窯，對(duì)釉線長(zhǎng)度和布局有較高的要求。三是淋面料漿較薄或者沒有化妝土?xí)r產(chǎn)品白度偏低，顏色不夠鮮艷。四是無法實(shí)現(xiàn)天然石材表面石紋線的凹凸立體效果。五是總體成本偏高。

5 現(xiàn)有噴墨滲花技術(shù)的不足及展望

噴墨打印技術(shù)自從應(yīng)用在陶瓷墻地磚生產(chǎn)中后，在行業(yè)中所占比重越來越大。隨著噴墨打印技術(shù)的成熟，圍繞著噴墨打印設(shè)備，行業(yè)內(nèi)逐漸將亮光釉、下陷釉、白釉、金屬釉等工藝轉(zhuǎn)移到噴墨打印平臺(tái)。滲花磚作為一種特殊產(chǎn)品，在此環(huán)境下也轉(zhuǎn)化為噴墨打印工藝，在圖案清晰程度方面比傳統(tǒng)工藝有著長(zhǎng)足的進(jìn)步。但是，噴墨滲花工藝技術(shù)還有許多需要改進(jìn)的地方：

（1）國(guó)產(chǎn)滲花墨水的研發(fā)遠(yuǎn)不如常規(guī)墨水，在發(fā)色能力和穩(wěn)定性方面較METCO還有一定差距，與常規(guī)墨水相比色域明顯偏窄。

（2）噴頭和噴墨打印機(jī)制造商對(duì)國(guó)產(chǎn)滲花墨水接受程度不高，缺乏完善的認(rèn)證和相應(yīng)的波形文件。

（3）沒有專門針對(duì)滲花墨水開發(fā)的噴頭。

（4）助滲劑的定向滲透仍顯不足，滲花墨水?dāng)U散性問題沒有根本上得到解決。

（5）滲透深度與傳統(tǒng)滲花釉相比偏淺，導(dǎo)致生產(chǎn)難度偏大，拋光時(shí)也不能完全采用硬拋，產(chǎn)品表面平整度遠(yuǎn)不如拋光磚和微晶產(chǎn)品。

滲花墨水因其滲透性帶來的產(chǎn)品表面圖案透感和立體感則是常規(guī)墨水難以達(dá)到的效果。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信噴墨滲花工藝在墨水發(fā)色、滲透深度、擴(kuò)散性方面均會(huì)有長(zhǎng)遠(yuǎn)提升。屆時(shí)更多地企業(yè)會(huì)投入噴墨滲花產(chǎn)品的生產(chǎn)，其產(chǎn)品效果也會(huì)有所突破。

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