建筑陶瓷激光印刷技术初探

郝小勇

(1 江苏脒诺甫纳米材料有限公司 江苏 宜兴 214221)(2 江苏拜富科技有限公司 江苏 宜兴 214221)

前言

近30年以来，我国建筑卫生陶瓷得到迅速发展，建筑卫生陶瓷的装饰技术也经历了丝网印刷、胶辊印刷和喷墨印刷。喷墨印刷目前虽然已成为陶瓷墙地砖的装饰技术的主流，但喷墨印刷也存在一定的缺陷：如喷头数量多、磨损大、价格高和喷头易堵塞等问题；同时墨水性能不稳定、沉淀和保质期过短等也是喷墨印刷不能回避的问题。对于无机非金属材料的陶瓷产品来说，笔者认为喷墨印刷技术只是一个过渡，据观察丝网印刷和胶辊印刷用的耗材是印油(油墨)，这种产品的粘度大，属于无机非金属材料，不易沉淀，相对在生产中容易控制。而喷墨印刷则不同，所用的是墨水，即属水性，则液体性成分多固体性成分少，而液固容重差异又较大，也就必然产生沉淀。若要不沉淀一定要以很好的大分子有机化合物做“框架”把无机材料“架”起来，那样会对喷墨印刷后在瓷砖表面的渗透性和渗透深度产生影响，同时要做到不沉淀，则成本一定很高。用溶胶-凝胶法生产陶瓷喷墨颜料和墨水，目前国内大生产很难实现，原因主要是生产成本高陶瓷厂很难接受，同时部分技术还不成熟，当然这样制作的墨水也会产生沉淀，只是时间较用烧结法颜料生产墨水长很多。鉴于以上原因，很多研究人员在思考有没有一种印刷技术来代替喷墨印刷，答案是有的，那就是激光印刷技术，只是目前还有一些技术难点需要解决。

1 从印刷技术的发展看激光印刷

印刷术是中国古代的四大发明之一，始于隋朝的雕版印刷，经宋仁宗时期毕升的发展、完善，发明了活字印刷，并由蒙古人传至了欧洲，所以后人称毕升为印刷术的始祖。中国的印刷术是人类近代文明的先导，为知识的广泛传播、交流创造了条件，为人类的进步作出了杰出贡献。印刷术是活字版印刷，实际上就是一种拓印方法的延续。从拓印开始到雕版印刷再到丝网印刷，人类走过了2 000多年的历史。20世纪70年代的中国还处于铅字排版阶段，图像制版当时还处于照相分色阶段，电子分色机刚开始引进，那时还没有出现整页拼版系统。从印刷来讲，胶印发展较快，胶印机是当时一些展会上的主流产品。真正意义上的数字印刷出现在20世纪90年代中期，我国引进了第一台数码印刷机。

陶瓷的装饰技术首先是从陶瓷花纸和工艺美术陶瓷开始，逐步扩展到日用陶瓷，进一步发展到建筑卫生陶瓷的。建筑陶瓷印刷由于起步较晚，因而直接开始应用的技术就是丝网印刷，这是同建筑陶瓷的平面结构密不可分的，后来发展到滚筒印刷，再就出现喷墨印刷。整个印刷技术和国内的纸张印刷技术基本相同。纸张印刷技术本世纪初还应用点针式打印机打印和复印两种方式结合来完成，点针式打印机使用约3年基本上就完成了其历史使命，从而进展到喷墨打印，纸张的喷墨打印使用时间也不长，3～5年就被激光打印所替代。现在纸张印刷几乎全部采用激光打印机与激光复印机结合的方式。

激光印刷的工具就是激光印刷机和激光需要打印的内容转换成数据序列形式的原始图像，将这些原始图像转换成光电信号用数据传送给打印机。打印机中的微处理器将这些数据破译成点阵的图样，直接送到激光发生器，激光发生器根据图样的内容迅速作出开与关的反应，把激光束投射到经过充电的旋转鼓上，鼓的表面凡是被激光照射到的地方电荷都被释放掉，没有照射到的地方仍然带有电荷，通过带电电荷吸附的碳粉转印在纸张上，即完成印刷。

2 激光印刷陶瓷产品的可能性

从平面纸张印刷技术的发展来看，胶辊印刷的历史不算很长(有70年左右)，计算机辅助的点针式打印机应用的时间更短(不到5年)，再后来的喷墨打印也持续的时间较短，很快就被激光印刷取代。由于激光打印具有速度快、清晰、墨粉用量少等特点，它的出现替代了喷墨方法和技术，从而成为纸张印刷行业的主流。

激光(Laser)又称镭射，是20世纪以来继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。其理论基础是爱因斯坦的光子学说，这一理论可解释为：在组成物质的原子中，有不同数量的粒子(电子)分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到(跃迁)到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象，这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。

激光用于陶瓷首先是利用激光的能量，20世纪70年代美国已经开始利用CO2高功率激光切割陶瓷制品。目前高技术结构陶瓷、特种陶瓷、工业陶瓷、日用陶瓷等普遍应用激光技术，这些激光技术主要用在切割、雕印、喷印等方面，其中激光切割是应用激光的能量对陶瓷材料进行“外科手术”，而喷印和雕印是利用激光的光电性能对陶瓷材料进行印刷装饰。雕印是利用激光的高能量将计算机设定的信号雕刻在陶瓷产品上，如商标、条形码、二维码等。喷印是将彩色墨粉按计算机传输的信号喷到陶瓷花纸上通过不同温度的烧制或烤将图像转印到陶瓷的表面。在“2014上海国际工业陶瓷展会”期间，笔者经过咨询，获悉该行业一般将激光雕印称为激光打印，将所使用的机器称为激光打印机，和喷印归为一类，称为激光印刷，所使用的机器称为激光印刷机。网络上一般将前者称为激光打标机、激光打码机等，将后者称为激光印刷机。

可以看到，激光印刷技术在结构陶瓷、高技术陶瓷、工业陶瓷和日用陶瓷等领域的应用已经很成熟也很普遍。建筑卫生陶瓷特别是建筑陶瓷需要应用的激光印刷技术实际上和上述的激光印刷方法类似，不同的是：建筑陶瓷的激光印刷要求墨粉的耐温性能要更高一些，印刷速度要更快一些，最重要的是承印材料是陶瓷产品，这三者解决好激光印刷就可以成功用于建筑陶瓷的印刷。

3 建筑陶瓷产品激光印刷需要的材料

建筑陶瓷的激光印刷，需要的工具和材料为：计算机、激光印刷机、墨粉和陶瓷材料等。印刷的方法和纸张激光印刷方法相同或者说类似。

3.1 未来建筑陶瓷激光打印机的构想

用于建筑陶瓷的激光打印机尚未正式面世，无法得到数据和资料，因而笔者只能根据所见和理解来进行构想，虽然2014年的广州展会期间有个别企业展出了激光陶瓷打印机，但是否能够应用于建筑陶瓷还未可知。

建筑陶瓷激光打印机的结构可以参考纸张激光打印机结构，由激光扫描系统、电子照相系统和控制系统3大部分组成，其中激光扫描系统包括激光器、偏转调制器、扫描器和光路系统。它的作用是利用激光束的扫描形成静电潜像。电子照相系统由光导鼓、高压发生器、显影定影装置和输出机构组成。其中输出机构应可以输出平面材料，其作用是将静电潜像变成可见的输出图像。瓷砖在进入输出系统之前应进行充分的吸尘和表面静电处理。建筑陶瓷激光打印机的印刷原理类似于静电复印，所不同的是静电复印是采用对原稿进行可见光扫描形成潜像，而激光打印机是用计算机输出的信息经过调制后的激光束扫描形成潜像。

建筑陶瓷的激光打印机工作过程可能类似于高温瓷像用的激光打印机的工作过程，首先将图片从电脑输送到打印机，打印机接到图像的打印命令后，将陶瓷坯体通过传感器输送到打印机的感光鼓，由激光显影器充电到显影仓，再由载体将粉盒的粉吸出，通过激光照射显影到陶瓷坯体上。为了操作和维护方便，在设计时可将激光发射器、感光鼓、粉盒3部分分离。

如果按上述方法承印建筑陶瓷产品，原理上是可行的，印刷的速度也不会太慢，但是否能完成建筑陶瓷流水线生产的要求还有待于实践。

3.2 陶瓷墨粉

喷墨打印机使用的是墨水，而激光打印机使用的是墨粉。墨粉的优点在于陶瓷原辅材料企业制作方便，陶瓷生产企业使用方便。原因是墨粉不会像墨水一样出现沉淀。同时，打印同样数量的陶瓷砖，墨粉的用量要少得多，节约成本。再者，感光技术发展到今天已经能够很好的实现这一技术，技术难度不大。

据资料显示，激光墨粉传统的仍以熔融粉碎法来完成，这类似于陶瓷色料的烧结后再粉碎，其中成品的细度是个重点，一般办公用激光打印机的墨粉粒度在5 μm左右，陶瓷色料做到这一点几乎没有难度。

陶瓷激光墨粉的难点在于以下几个方面：

1)墨粉的电性能；

2)墨粉与陶瓷砖坯体的粘附性能；

3)墨粉如何实现在陶瓷砖表面的渗透。

墨粉的电性能更多可能是在陶瓷色料烧结的过程中加入可以极化的无机非金属材料(如氧化物和化合物)来实现，其重要的是不能影响陶瓷色料在高温下发生色度不够和出现色彩偏移。

墨粉与陶瓷砖的粘附性和渗透性是属于陶瓷色料烧成后后期处理的问题，可以通过有机或无机材料来调节，这和目前的印油、墨水等类似，基本上通过试验可以完成。

3.3 陶瓷材料的处理

建筑陶瓷的激光印刷其承印材料为瓷砖坯体，瓷砖素坯是经过原料球磨、原料干燥、压砖机压制和坯体快速干燥等过程形成的具有一定温度、水分和强度的陶瓷坯体。目前流水线生产过程中生产速度较快，压制、印刷、施釉、干燥等过程都以窑炉为中心进行，整个生产过程要满足窑炉的连续化要求，一个环节出问题，整个窑炉都可能出现空烧或产品不合格等问题。因此，陶瓷企业通常都在每个工艺过程中进行严格的质量和数量考核，以确保窑炉用量和最后的产品质量。

瓷砖的激光印刷必须要满足陶瓷的流水线生产需求。要满足这种需求一定要使激光印刷机的进出口相反而不是像纸张那样上下弯曲，即要满足平面直线印刷，这样可一台一个花色逐台进行，也可以设计成通道式一次完成，总而言之设备运行必须稳定。

瓷砖坯体在进入激光印刷机前要进行预处理。激光印刷要进行以下处理：

1)除去瓷砖坯体表面的灰尘；

2)扩大或者疏通坯体表面的毛细孔；

3)进行静电处理。

这些处理中静电处理最复杂，因为要让磁性墨粉吸附到瓷砖表面，而瓷砖和墨粉盒又不能接触，这两者之间的电位一定要足够强，且要瞬间完成。

瓷砖坯体印刷完成后可能也要做定影处理，这个过程应该和纸张的影印技术类似。目的是让磁性陶瓷墨粉向瓷砖内部进行渗透，达到一定的深度。

4 总结

激光印刷是否能成为建筑陶瓷未来的印刷趋势目前还没有太多的讨论，但从国内外印刷技术的发展趋势来看，激光印刷建筑陶瓷显然更具生命力，也更符合无机非金属材料的印刷需求和材料性能。用于建筑陶瓷印刷的激光印刷机基本原理应该和纸张印刷的原理一致，且墨粉比较容易制作，方法和陶瓷色料的制成相通，电性能解决好就可以生产出符合要求的墨粉，颜色也易于控制，色彩将更加丰富和饱满；瓷砖坯体的处理也相对容易，可以在线完成；显影、定影等工作可以运用计算机辅助，技术比较成熟。