陶瓷喷墨打印技术的现状与展望

谭灵 郑乃章

（景德镇陶瓷学院，江西景德镇333001）

0 引言

2011年象征全球陶瓷行业风向标的意大利博洛尼亚建筑陶瓷展已落幕，繁荣的景象让人们对全球陶瓷行业的发展前景充满了期望。近期，意大利某权威杂志发布了它对全球瓷砖生产、消费、进出口数据的年度调查结果。数据显示，在经历了2008年的增长停滞和2009年的急剧下降之后，2010年全球瓷砖的生产、消费及出口均呈现两位数的增长，2010年全球瓷砖产量由2009年的85.15亿平方米增长为95.12亿平方米，建筑陶瓷展繁荣的景象为瓷砖印刷方法的一个重要转变汇集了强劲的动力，造成这种戏剧性变化的一个关键因素就是数字技术，主要表现形式就是喷墨印刷。

瓷砖印刷经历了从丝网印刷到滚筒印花再到喷墨打印的一个发展的历程（见图1），喷墨印刷是一种无接触、无压力、无印版的印刷。国外，像意大利、西班牙等瓷砖生产强国，从砖体敲碎质量来看，其烧制技术并不比中国强多少，主要优势在设计和釉面装饰效果上，中国陶瓷产品要提高档次并走向世界的话，就必须在印花技术上有所提高，增强装饰艺术的竞争力，这也是今后陶瓷产品发展的趋势。喷墨印刷可以充分利用计算机的丰富资源，使陶瓷装饰的图案紧随时代步伐，使陶瓷制品像精细化学品一样，可以方便地进行小批量生产，把陶瓷装饰技术推向一个新阶段，满足现代社会人们追求时尚、个性化的要求。因此，喷墨打印法具有广泛的应用前景。

1 陶瓷墨水的研究现状

自2009年以来华东地区和佛山地区的部分一线陶瓷品牌企业先后引进了陶瓷数字喷墨打印技术并推出了数字化陶瓷产品以来，陶瓷喷墨打印技术和陶瓷墨水成为业内人士热捧的对象，陶瓷喷墨打印技术作为一种数字化技术，在研究和应用领域也主要集中在装饰方面，在陶瓷产业结构调整的关键时期，陶瓷喷墨打印技术应该可以作为撬起产业朝“资源化、低碳化、数字化、个性化、功能化、智能化”发展的支点[1]。

不甘落后的中国陶瓷企业家们，对喷墨打印技术在陶瓷生产领域的应用关注度极高。早在2008年开始引入国外先进的喷墨打印设备应用于生产及研发中，国内更有如希望、美嘉等多家陶瓷设备企业开始生产研发并供应喷墨打印设备。具海外知名媒体报道，截至2010年4月份，全球有约370台喷墨设备在使用，并预测未来5年内将增加至1000台。世界陶瓷生产已进入喷墨打印年代，而作为全球陶瓷生产第一大国，中国成为了该技术运用的潜力最大的市场之一[1]。

国外陶瓷墨水的研究起始较早，2000年世界第一台工业使用的陶瓷装饰喷墨打印机问世，打印机是由美国FERRO公司开发的Kerajet系统，墨水也是由FERRO公司与赛尔公司联合研制的陶瓷墨水。2000年1月7日，FERRO公司向美国专利商标局提交了一份名为《用于陶瓷釉面砖（瓦）和表面的彩色喷墨印刷的独特的油墨和油墨组合》的专利，该专利阐述了陶瓷墨水的制作方法技术，为陶瓷喷墨打印技术奠定了良好的基础。2006年以后，陶瓷墨水在西班牙得到了很好的发展，到目前为止，除了西班牙FERRO公司外，西班牙的ESMAL GLASS、ITACA、CHIM IGRAF、COLORBBIA、TORRECID四家公司也是陶瓷装饰墨水的主要制造商。

国内陶瓷墨水的研究始于2000年，近年来形成了天津大学研究团队、南昌航空工业大学研究团队、大连理工大学研究团队、陕西科技大学研究团队和华南理工大学研究团队，发表了研究论文32篇，尤其是天津大学研究团队发表论文11篇，形成了杨正方、郭瑞松等一批专家。企业研究方面出现了广东佛陶集团股份有限公司、道氏制釉、华山制釉、科信达奥斯博、博奥科技、鹰牌陶瓷等公司，也形成了3个发明专利的成绩，尤其是道氏制釉已经获得专利2个。尽管如此，陶瓷墨水在国内仍处于研究阶段，离真正产业化还有一定的距离，不过，在2011年广州陶瓷工业展览会上已看到中国自己的陶瓷墨水[2]。

综观国内外情况，陶瓷墨水目前主要集中在个性化装饰领域，对于建筑陶瓷功能化、智能化的应用研究尚不多见。陶瓷墨水的制造方法仍集中于：分散法、溶胶凝胶法和反相乳相法，而以上三种加工方法中，溶胶凝胶法由于制造工艺方法原料昂贵、溶胶不稳定而受到限制，反相乳相法由于制得的墨水固相含量低，也有待解决许多技术问题，分散法却由于颗粒度较大，需要解决墨水的稳定性问题。如何保证墨水的固相含量和稳定性及成本问题是今后研究的重点。色系仍以CMKY为主的四色系和加上透明、乳白的六色系。红色主要是铈镨红、铬铝红、锰铝红、钴镁红、铁锆红等，青色主要是钴镍铝，黄色主要为钒锆黄、铬钛黄等，黑色主要为钴镍铁黑，白色和透明等11种。而整个陶瓷墨水可分为水性溶剂、高分子助剂、着色剂和釉料四部分[3]。

2 喷墨印刷原理[2]

喷墨印刷是一种无接触、无压力、无印版的印刷。电子计算机中存储的信息，输入喷墨印刷机即可印刷。陶瓷喷墨印刷最早起源于1878年。西班牙Kerajet公司是陶瓷喷墨打印技术的先驱者，2000年Kerajet公司与爱尔法公司及福禄公司合作进入陶瓷喷墨打印机市场，由于西班牙对釉下彩抛光玉石产品的喜爱，使得陶瓷喷墨打印机很快得到应用。2006年由于喷墨打印喷头技术的进步，以Kerajet公司为领头羊的数字喷墨打印机开始在西班牙迅速发展。2007年，Xaar1001喷头的成功亮相，很快得到包括意大利、中国在内的众多陶瓷装备制造商和陶瓷产品制造商的青睐。

陶瓷喷墨印刷的原理是：油墨泵以一定的压力，把油墨从喷嘴喷射出来，形成连续的墨流，这股墨流在印刷头中充有高电压的金属管中获得静电，成为排列有序的墨滴流。调节油墨泵的压力和电压的幅度，以产生尽量多的微墨滴，当墨滴流通过高压电管道时，微墨滴被充电，而大墨滴并不充电。充电信号一旦去除，被充电的微墨滴，在偏转电极直流电场的作用下发生偏转，形成印刷的油墨束，射到承印物上，完成印刷。不充电的墨滴不发生偏转，由油墨系统回收再利用。

同步彩色喷墨印刷机的接口，能接受彩色图象终端、彩色电视机、彩色扫描器送来的色光三原色信息并可存储，也可以由色彩转换器，转换成色料三原色及黑色的信号，再用灰度控制器控制中性灰，经灰度控制器的四种颜色信号，分别送到相应颜色喷头的电极上，控制油墨的喷射量[6]。

陶瓷喷墨打印技术作为一种数字化技术，在研究和应用领域也主要集中在装饰方面，在陶瓷产业结构调整的关键时期，陶瓷喷墨打印技术应该可以作为撬起产业朝“资源化、低碳化、数字化、个性化、功能化、智能化”发展的支点。

3 陶瓷墨水的技术特点

喷墨打印技术在陶瓷上的应用关键在于陶瓷墨水的制备。所谓陶瓷墨水就是含有某种陶瓷釉料成分、陶瓷色料或陶瓷着色剂的墨水。陶瓷墨水的组成和性能与打印机的工作原理和墨水用途有关，它通常由无机非金属颜料（色料、釉料）、溶剂、分散剂、结合剂、表面活性剂及其它辅料构成[2]。

陶瓷墨水的性能（如表1）要求除普通墨水的颗粒度、粘度、表面张力、电导率、p H值外，根据陶瓷应用特点还要求一些特殊性能。

（1）要求陶瓷粉料（色剂）在溶剂中能保持良好的化学和物理稳定性，经长时间存放，不会发生化学反应和颗粒团聚沉淀。

（2）要求在打印过程中，陶瓷色料颗粒能在短时间内以最有效的堆积结构排列，附着牢固，获得较大密度的打印层，以便煅烧后具有较高的烧结密度。

（3）要求打印的色剂具有高温烧成后稳定和良好的呈色性能以及与坯釉的匹配性能。

目前，由于采用按需喷墨工艺，对电导率要求不高，但如果采用连续喷墨工艺，对电导率就会要求较高。当然墨水与喷头材料的适应性、喷头材料和孔径及压电特征等决定了陶瓷墨水的技术特征。

4 影响陶瓷喷墨打印的发展的主要技术问题

4.1喷墨技术成本高

表1 陶瓷墨水性能要求Tab.1 The performance requirements for ceram ic ink

喷墨技术成本高是制约国内企业运用喷墨技术的关键。一般喷墨墨水的保质期只有2~3个月，容易造成沉淀。尽管喷墨打印机的喷头内部装有循环系统，但陶瓷墨水与家用的液体墨水不同，它是陶瓷色料和液体墨水的混合体，加上色料的比重较高，因此循环系统只能减少墨水沉淀问题。由于墨水的保质期短，国外的喷墨墨水又需要通过空运送到我国市场，造成了墨水价格居高不下的状况。值得欣慰的是，在2011年广州陶瓷工业展览会上已看到我国自己的陶瓷墨水。尽管如此，陶瓷墨水在国内仍处于研究阶段，离真正产业化还有一定的距离[5]。

4.2喷头寿命短

由于喷头制造难度非常大，到目前为止，不管国外进口的或是国产的喷墨印花机，都使用进口的喷头，喷头也是一台喷墨印花机的核心部件，占机器70％以上的成本。喷头正是喷墨打印机的核心技术之一。

国内喷头的使用寿命较短，经常更换喷头是喷墨技术急需解决的问题，据了解，喷头的寿命都在2个月左右，而且喷头目前还没有国产化，因此许多陶企都需要花高价进口喷头。据悉，一个喷头就要3万元左右。这样折算下来，如果一家企业拥有4台喷墨打印机，单是喷头的开销一年就需要72万元左右。

4.3墨水与喷头的匹配

喷墨墨水在实际打印中与喷头有着密切的联系，是不可分割的统一整体。墨水质量再好，如果没有与之相匹配的喷头，同样也得不到一副完美的图案。高质量的墨水要想发挥出最好的效果，必须把握好每个环节，发现问题需立刻修复。现在市面上的喷头主要有以下两个方面的问题：

（1）喷头墨滴如果较小，喷孔密度高则可以大幅提高喷印画面质量和清晰度，但是对墨水的要求就比较高，要求墨水有良好的细度和分散性。

（2）喷头墨滴如果较大，喷头孔大，可以在一定程度上解决陶瓷墨水易沉淀、发色力弱的特点，比较适合国内现在墨水的生产水平，但喷印产品的画面清晰度和质量都有所下降。

因此笔者认为一方面应该提高墨水的制造水平，对生产出来的墨水需要检测墨水的粘度、表面张力、纳米颗粒、密度等方面的物理参数，另一方面可以改变喷头，使得墨滴大小和墨滴的流速可以调控，从而满足不同的画面对墨水和喷头的要求。

4.4墨水色剂的制备问题

高精色料喷墨墨水对色剂的要求较高，对于陶瓷喷墨用无机颜料，需要细化后的颗粒最大尺寸要小于1μm，颗粒尺寸分布要窄，颗粒间不能有强团聚。因此，在色料微细化过程中，控制其粒度及分布，防止发色浓度的减退非常关键。

如何在超微细的颗粒状态下能够实现良好的发色，也对色料品质提出了新的要求。这是目前的关键问题，大多数色料（特别是固溶体型的色料）存在着颗粒微细则发色变淡的现象，这就要求开发新型的发色稳定且颗粒微细的色料[6]。

在陶瓷装饰墨水色彩方面，目前国内已有几种颜色的陶瓷墨水推出，但主要的色系（如红色、黑色等）发色偏浅，且无白色墨水及白色墨水颜料的报道，此外，无机颜料在烧成阶段容易受高温熔体的侵蚀，使发色力受到影响，包裹处理也是制备某些深色颜料的重要途径。

4.5喷墨打印载体与喷墨打印墨水之间的相互作用

喷墨打印质量除了受喷墨打印机精度的影响外，主要取决于墨水液滴在纸面和纸层中的活动，即墨水液滴与纸之间的相互作用。图2描述了墨水滴离开喷嘴喷射到载体砖上干燥附着的大体过程。墨水与载体砖接触后油墨液滴立即与载体砖发生作用，同时墨水开始干燥，直至墨水固定在载体砖上为止，墨水的干燥方式对最终的印刷质量是非常重要的[11]。

5 小结与建议

（1）陶瓷产业结构调整的关键时期，陶瓷喷墨打印技术得到迅猛发展，中国陶瓷产品要提高档次并走向世界的话，就必须在印花技术上有所提高，增强装饰艺术的竞争力，这也是今后陶瓷产品发展的趋势。

（2）高精色料喷墨墨水对色剂的要求较高，对于陶瓷喷墨用无机颜料，需要细化后的颗粒最大尺寸要小于1μm，颗粒尺寸分布要窄，颗粒间不能有强团聚。因此，在色料微细化过程中，控制其粒度及分布，防止发色浓度的减退非常关键。

（3）喷墨打印质量除了受喷墨打印机精度的影响外，主要取决于墨水液滴在纸面和纸层中的活动，即墨水液滴与纸之间的相互作用。墨水与载体砖接触后油墨液滴立即与载体砖发生作用，同时墨水开始干燥，直至墨水固定在载体砖上为止，墨水的干燥方式对最终的印刷质量是非常重要的

（4）喷墨技术成本高，喷头寿命短，墨水色剂的制备难度大等因素都制约着我国陶瓷喷墨打印技术的发展，因此笔者认为一方面应该提高墨水的制造水平，对生产出来的墨水需要检测墨水的粘度、表面张力、纳米颗粒、密度等方面的物理参数，另一方面可以改变喷头，使得墨滴大小和墨滴的流速可以调控，从而满足不同的画面对墨水和喷头的要求。

1陈淘陶，邱镇沪.浅谈国内外陶瓷墨水的研发状况与发展趋势.佛山陶瓷，2011（11）

2林伟，韩复兴.陶瓷数字喷墨打印技术对我国建筑陶瓷未来发展的影响.陶瓷，2011（5）

3黄惠宁，柯善军，孟庆娟等.喷墨打印用陶瓷墨水的研究现状及其发展趋势.中国陶瓷.2012（1）

4何振建.陶瓷墨水与喷头匹配问题的探讨.佛山陶瓷，2011（9）

5吴桂周.陶瓷墨水的主要控制指标以及国内外墨水性能的比较.佛山陶瓷，2011（12）

6郭艳杰.喷墨打印用彩色陶瓷墨水的理化性能.中国陶瓷

7 De Carlo A.The digital revolution in tile decoration.Ceram ic World Review，2003，51：78~84

8郭艳杰.喷墨打印用彩色陶瓷墨水的理化性能.中国陶瓷

9郑树龙，唐奇等.一种适用于喷墨打印的陶瓷渗透釉及其用于陶瓷砖生产的方法.CN201110187245.6，2011.11

10中尾惠一，沖中秀行.喷墨打印用墨水.CN200510078050.2，2005.11

11孙中华.喷墨打印纸与喷墨打印油墨.印刷质量与标准化2008，10