色釉料混合型陶瓷噴墨墨水的制備及探討

龍海仁 李鋒 程碧峰 張武 周慧玲 周燕

摘 要：噴墨打印技術是 20 世紀 70 年代末開發(fā)成功的一種非接觸式的數(shù)字印刷技術。它將墨水通過打印頭上的噴嘴噴射到各種介質(zhì)表面上，實現(xiàn)了非接觸、高速度、低噪音的單色或彩色的文字或圖像印刷。21 世紀初，美國福祿公司開發(fā)出適合在陶瓷上進行噴墨打印的油性油墨，在我國相應的專利申請?zhí)枮?00818261.2，以此開始了噴墨打印技術在建筑陶瓷生產(chǎn)領域的廣泛應用。作為一種全新的陶瓷裝飾理念，陶瓷裝飾用彩色打印技術可以充分利用豐富的計算機資料，把數(shù)字技術引入到傳統(tǒng)的建筑陶瓷產(chǎn)品中，使陶瓷裝飾緊跟時代步伐，體現(xiàn)時尚特色，滿足人們個性化的要求，把陶瓷裝飾技術推向一個嶄新階段。

關鍵詞：噴墨打印;陶瓷裝飾;色釉混合

1 引 言

噴墨打印技術與陶瓷磚生產(chǎn)的傳統(tǒng)裝飾手段相比具有如下優(yōu)點 ：（1）節(jié)能減排，產(chǎn)品擺脫了批量生產(chǎn)中需要制片、篩網(wǎng)、刻板等中間工序，縮短轉(zhuǎn)產(chǎn)周期，大幅提高生產(chǎn)效率，也降低了轉(zhuǎn)產(chǎn)過程中的損耗 ;（2）打印過程完全由計算機控制，生產(chǎn)過程中可以進行復雜的圖案裝飾，而且圖案的精度和可重復性提高，可以大大提高裝飾過程的機械化程度和生產(chǎn)效率，也可以完成小批量甚至單件產(chǎn)品的定制 ;（3）非接觸式，可以在凹凸面上印刷，使得一些異形產(chǎn)品的裝飾變得容易，極大豐富裝飾效果。

但是噴墨印花工藝屬于一種表面裝飾技術，即在瓷磚表面通過噴墨打印機打印形成預設圖案，目前公開的墨水配方中的主要成分為著色劑 / 色料和溶劑，以及使著色劑 / 色料在溶劑中均勻分散的分散劑等添加劑。噴墨打印形成的印花層多不耐磨，即使是高溫燒結(jié)后，在瓷磚表面的印花層也較容易磨損，因此多需要施一層透明保護釉來保護印花層。這使得噴墨印花系列陶瓷墻地磚的生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期都很高。

2研究目的

本文的目的在于提出一種陶瓷噴墨打印用色釉混合型墨水及其制備方法，使用本研究提供的陶瓷噴墨打印用色釉混合型墨水生產(chǎn)陶瓷墻地磚產(chǎn)品時，噴墨印花后直接高溫燒成即可，無需噴墨印花后再施透明保護釉后再高溫燒成，墨水中的釉料成分在燒成時會熔融，并使得墨水中的發(fā)色組分均勻的分散在其中，進而使得噴墨印花層特別耐磨。

3工藝原理

陶瓷噴墨打印用色釉混合型墨水，其中包括的各種組分按質(zhì)量百分數(shù)如表1所示 。

為了使墨水可以適用于高溫燒成，在噴墨打印用色釉混合型墨水中所述的色料為鐠黃、紅棕、桔黃、鈷藍、尖晶石系黑色顏料中的一種或多種組合。為了使燒結(jié)后，使用本方案提供的墨水形成的印花層具有較好的質(zhì)感，在上述一種陶瓷噴墨打印用色釉混合型墨水中所述的釉粉的化學組分質(zhì)量百分數(shù)如表2所示 。

噴墨打印用色釉混合型墨水呈弱堿性 ;其 PH 介于 7 ～ 8 之間時對噴頭的腐蝕性最小。當上述一種陶瓷噴墨打印用色釉混合型墨水中固含量≥ 50% 時，具有特別好的發(fā)色效果。

4實施步驟

陶瓷噴墨打印用色釉混合型墨水的組分配方如下表3：

選用的色料為鐠黃，所制備的墨水呈色為黃色。釉粉的化學組分質(zhì)量百分比為 ：二氧化硅 ：45% ～ 50% ;氧化鋁 18% ～ 22%， 三氧化二鐵 ：≤ 0.2% ; 二氧化鈦 ：≤ 0.3% ;氧化鈣 8% ～ 12% ;氧化鎂 4% ～ 5% ;氧化鉀 ：1% ～ 3% ;氧化鈉 ：3% ～ 5% ; 氧化鋇 ：2% ～ 4% ;氧化鋅 ：1% ～ 2% ;氧化鋯 ：1% ～ 2% ;燒失量 ：≤ 1% ;水 ：≤ 0.5%。通過以上化學組分質(zhì)量百分比，技術人員通過賽格爾式及陶瓷生產(chǎn)常用礦物或熔塊類原料的化學分析結(jié)果來計算配方用量，因此這里僅給出了釉粉的化學組分要求，對于不同產(chǎn)地的原料或不同化學組分的熔塊，技術人員可以靈活搭配選擇。這里所給出一個具體的釉粉配料配方 ：

鈉長石 35%， 鉀長石 7%，氧化鋁 6%，石灰石 10%，高嶺土 10%，燒滑石 10%，碳酸鋇 5%，硅灰石 7%，透明熔塊 5%，硅酸鋯 5%。

步驟1：色料和釉粉的干料混合。

按色料和釉粉的質(zhì)量比為 30 ：15 稱取，然后倒入快速攪拌機中混合均勻。

步驟2：氣流粉碎。

氣流粉碎 ;采用高速氣流粉碎機對步驟1混合均勻的色料和釉粉混合料進行打粉，得到粒徑達 10μm ～ 50μm 的超細粉。

氣流粉碎的工作原理 ：氣流粉碎機與旋風分離器、除塵器、引風機組成一整套粉碎系統(tǒng)。壓縮空氣經(jīng)過濾干燥后，通過拉瓦爾噴嘴高速噴射入粉碎腔，在多股高壓氣流的交匯點處物料被反復碰撞、磨擦、剪切而粉碎，粉碎后的物料在風機抽力作用下隨上升氣流運動至分級區(qū)，在高速旋轉(zhuǎn)的分級渦輪產(chǎn)生的強大離心力作用下，使粗細物料分離，符合粒度要求的細顆粒通過分級輪進入旋風分離器和除塵器收集，粗顆粒下降至粉碎區(qū)繼續(xù)粉碎。

步驟3：配料與一級球磨。

按質(zhì)量比為 ：45：1：47 稱取步驟2得到的超細粉、碳酸鎂、二甘醇，然后倒入以氧化鋁為球襯和球子的球磨機中球磨，球磨時間 12 ～ 24 小時，得到顆粒直徑為 1 ～ 10μm 的混合漿料。

為了避免引入雜質(zhì)，獲得較好的研磨效果，以穩(wěn)定墨水質(zhì)量，在本實施例中，步驟 3）中所使用的球磨機性能要求如下 ：球子采用等靜壓成型工藝、直徑 10 ～ 35mm ;球襯、球 子的化學成份質(zhì)量百分比為 ：三氧化二鋁≥ 95%，二氧化硅 2% ～ 5%，三氧化二鐵≤ 0.1%，球 襯、球子的體密度≥ 3.7 克 / 立方厘米，球襯、球子的一個球磨周期磨耗≤ 0.1‰，莫氏硬度 ≥ 9.5。

步驟4：配料與二級球磨

按質(zhì)量比為93：3：2：2的比例稱取步驟3得到的混合漿料、分散劑、結(jié)合劑、表面活性劑，倒入雙行星式高速球磨機進行研磨，研磨時間 4 ～ 10 小時，得到墨水半成品。

分散劑主要是一些水溶性和油溶性高分子類、苯甲酸及其衍生物、聚丙烯酸及其共聚物等。 結(jié)合劑是保障打印的陶瓷坯體或色料具有一定的強度，便于生產(chǎn)操作，穩(wěn)定墨水 的流動性，通常樹脂能起到結(jié)合劑和分散劑的雙重作用。樹脂分為天然樹脂與聚合型的合 成樹脂，配方中的結(jié)合劑采用聚合型樹脂如 ：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯以及聚苯乙烯中一 種。表面活性劑是控制墨水工廠的表面張力在適合的范圍內(nèi)。如羧酸、磺酸、硫酸、氨 基或胺基及其鹽。

雙行星式球磨機的工作原理是 ：在一（公轉(zhuǎn)）的大轉(zhuǎn)盤上安裝有在（自轉(zhuǎn)）的兩個大行星軸，作單行星式運轉(zhuǎn)。同時又在兩個大行星軸上安裝有兩個小轉(zhuǎn)盤在（公轉(zhuǎn)）兩個小轉(zhuǎn)盤上安裝有四個球磨罐保護座（放球磨罐用）在（自轉(zhuǎn)），作雙行星式運轉(zhuǎn)。球磨罐在這種高速運轉(zhuǎn)的情況下，球磨罐內(nèi)的研磨球在慣性力的作用下對物料形成了很大高頻沖擊力、直線碰撞力、磨擦力、對物料進行快速細磨，混合與分散樣品。為了避免引入雜質(zhì)，獲得較好的研磨效果，以穩(wěn)定墨水質(zhì)量，在步驟4中所使用的雙行星式高速球磨機中球磨罐和球子的材質(zhì)為氧化鋯。

步驟 5：恒溫真空過濾。

恒溫真空過濾 ;將步驟4得到的墨水半成品在 80 ～ 100℃的恒溫攪拌缸中，然后進行抽真空、高速振動、使用孔徑≤ 10μm 濾網(wǎng)過濾，得到墨水成品。為了使用方便，在本實施例 1 中，待步驟5恒溫真空過濾后的墨水冷卻至室溫后再進行裝瓶包裝，即可輸送至陶瓷噴墨打印生產(chǎn)線上使用。

5優(yōu) 勢

較現(xiàn)有技術相比，本技術方案具有如下優(yōu)勢 ：

（1）墨水加工工藝簡單，實用性強，經(jīng)噴墨機噴墨打印后，不需要在印花層上再施以一層墨水保護釉。通過窯爐燒成，色釉混合型墨水燒結(jié)后，自身可形成一層緊密的耐磨的印花層，這大大簡化了噴墨打印裝飾的生產(chǎn)工藝，并降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率。

（2）色釉混合型墨水配方中引入碳酸鎂，起到增強墨水的懸浮穩(wěn)定性、抗結(jié)塊性作用外，因其呈堿性，在加工過程中，與墨水中的酸性色料發(fā)生酸堿中合反應，并使墨水呈弱堿性，較現(xiàn)有技術做出的酸性墨水相比，更利于噴墨機打印頭的保護（酸性會腐蝕昂貴的打印噴頭），延長噴頭的使用壽命，節(jié)約成本。

（3）色釉混合型墨水固體含量高，顆粒度較小，發(fā)色效果優(yōu)于現(xiàn)有墨水。

（4）色釉混合型墨水采用的溶劑為二甘醇 （ 沸點為 245℃ ），不存在溶劑揮發(fā)的問題，對人類和環(huán)境較為安全。

6小 結(jié)

使用本文提供的陶瓷噴墨打印用色釉混合型墨水生產(chǎn)陶瓷墻地磚產(chǎn)品時，噴墨印花后直接高溫燒成即可，無需噴墨印花后再施透明保護釉后再高溫燒成，墨 水中的釉料成分在燒成時會熔融，并使得墨水中的發(fā)色組分均勻的分散在其中，形成的噴墨印花層特別耐磨，這大大簡化陶瓷噴墨打印瓷磚的生產(chǎn)工藝，并能降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率。