陶瓷渗花墨水的性能及研究状况

张翼 石教艺

摘 要：陶瓷渗花墨水是陶瓷装饰技术的又一次革新，应用于喷墨抛光砖的生产中，提升了抛光砖的色彩、层次和质感，提高了陶瓷砖的装饰效果，给整个陶瓷行业带来全新的发展机遇。本文介绍了陶瓷渗花墨水的最新研究动态，并讨论了其相关性能以及研究和应用要点，为渗花墨水的研发和应用提供参考。

关键词：喷墨打印；渗花墨水；抛光砖；陶瓷装饰；纳米技术

1 引言

陶瓷喷墨打印技术的出现显著提高了陶瓷的装饰效果，更重要的是，大大简化了陶瓷的装饰生产工艺，降低了原材料消耗，减少了生产过程中产生的污染，促进陶瓷生产的节能减排，是陶瓷装饰的又一次技术性革命。然而占有国内瓷砖市场30～40%份额的抛光砖，由于生产过程中的抛磨工艺，无法引用这一新技术，技术水平得不到提升，难以做出高附加值的陶瓷产品。

陶瓷渗花墨水采用可溶性有机金属盐作为发色体，通过喷墨打印技术，将图案打印到坯体表面，再渗入到坯体（或釉体）内部，经过高温煅烧后，呈现出具有色彩的图案，从而进行装饰。渗花墨水可适用于表面强度高、耐磨性能好的抛光砖装饰。把喷墨渗花墨水应用于陶瓷抛光砖的生产工艺中，不仅能保留抛光砖原有的高色泽度、坚硬耐磨、防滑等优点，更能充分展现出色彩鲜艳、纹理自然和3D效果，在色彩、层次、质感方面比传统的微晶砖和全抛釉具有更明显的优势，极大地提升了陶瓷砖的装饰效果。拓宽了抛光砖新的工艺，将抛光砖原有的优势和抛釉砖及瓷片的图案优势完美结合，既保持了抛光砖原有的耐磨、平整的优点，又将抛釉砖、瓷片的质感与花色应用到抛光砖的装饰图案中。

2 陶瓷渗花墨水研究现状

喷墨打印技术是20世纪70年代末开发成功的一种非接触式的数字印刷技术，它将墨水通过打印头上的喷嘴喷射到各种介质表面上，实现了非接触、高速度、低噪音的单色和彩色的文字和图像印刷。在喷墨打印技术的基础上，将陶瓷颜料制备成墨水，通过计算机控制，利用陶瓷喷墨打印机将配置好的墨水直接打印到建筑陶瓷的表面上进行装饰[1-4]。

陶瓷喷墨打印技术的普及促进了传统色釉料生产企业的转型升级，喷墨印花工艺给整个行业带来革命性的变革。由喷墨印花制造出来的全抛釉、仿古砖、微晶石等产品花色细腻、变化多样，在花色图案上基本不受限制，给陶瓷企业带来一大批高利润、高附加值的产品。但是这些现有的技术却难以应用到抛光砖，抛光砖的生产依然存在着花色少、装饰水平低、生产工艺繁琐和生产成本高的现状。

传统抛光砖的生产采用着色金属氧化物的可溶性盐来进行装饰，是直接把含有着色氧化物的可溶性金属盐加入羧甲基纤维素、甘油、糖等经过一定的工艺处理制成渗花釉，再利用丝网印刷技术，印刷到瓷质砖表面的装饰方法。但颜色单一和印花图案的模糊始终限制着此类陶瓷砖产品走向更大的市场，且渗花釉是水性釉料，采用丝网印花的方式，这种相对粗糙的工艺不适合应用于陶瓷喷墨领域。

陶瓷墨水在早期研究时使用金属离子高温转化成发色金属氧化物的方案，即采用无机盐（如硫酸钴、硝酸铁等）可发色的物质溶于水形成有色液体，但是这类水性渗花墨水会在喷头表面析晶堵塞喷头，因此无法应用。2000年，Ferro公司申请的中国专利CN00818261.2公开了一种适用于陶瓷釉面的独特的油墨和油墨组合，采用有机金属盐溶于有机溶剂制备而成的墨水，可以调配出各种颜色[5]。当时由于设备等原因该技术未被推广，而是转向了颜料型陶瓷墨水，渗花墨水的研发则一直处于停滞状态。2008年，Metco公司的中国专利CN200880120613.1公开了在陶瓷材料上进行数字印刷所使用的含有发色金属的油墨组，研发出蓝、褐、黄、黑等四种溶剂型墨水[6]。伴随着喷头技术的更新及大规格喷头的出现，Metco公司2013年开始推广这一新技术，并于2014年在中国市场首先与诺贝尔陶瓷进行技术合作，成功推出了喷墨渗花墨水瓷砖产品。随后国内许多陶瓷厂如蒙娜丽莎、东鹏、宏宇、新明珠等陶瓷企业引入喷墨渗花砖生产工艺。国内的墨水生产企业对渗花墨水研究起步较晚，2015年广东道氏技术股份有限公司的CN201510141827.9专利号公开了一种可调渗透深度的陶瓷喷墨打印油墨及方法，油墨由着色油墨和助渗油墨组成，着色油墨提供发色，助渗油墨控制墨水在坯体的渗透深度[7]。同时，道氏公司的CN201510429407.0专利号公开了一种喷墨渗花陶瓷砖增色剂及使用方法，此增色剂的应用可大幅提高陶瓷墨水，特别是红色和黄色墨水的发色鲜艳度[8]。随着道氏渗花墨水在能强、东鹏、金意陶等陶瓷企业的成功产业化应用，标志着国产渗花墨水的发展进入了一个新的阶段。

3 渗花墨水的组成及性能特点

渗花墨水是一种渗透型墨水，也是一种溶剂型墨水，采用可溶性金属盐作为着色剂，然后搭配相应的助剂以及溶剂制备成渗花墨水。渗花墨水经喷墨打印机打印以后，在砖面具有垂直渗透的能力，烧成以后，着色剂在高温下转化为能呈现颜色的金属氧化物，形成图案。下面从五个方面讲述渗花墨水的性能特点及研究要点。

3.1 渗花墨水的颜色

渗花墨水的发色方式与传统陶瓷墨水不同。传统的陶瓷墨水是颜料型墨水，是通过砂磨机将颜料磨成亚微米级的颗粒，利用合适的分散剂分散在油性的溶剂内，形成稳定悬浮液来使用。渗花墨水采用的是金属离子作为发色体，制备成有机金属盐溶解在合适的溶剂中，在高温下转化成能呈色的金属氧化物。渗花墨水的颜色需要根据金属离子的发色规律来设计，例如：一般情况下，铬在高温状态下以三价铬的形式存在，呈黄色或绿色；钴在高温状态下很稳定，一般呈蓝色，而且发色能力很强；铁作为彩色渗花砖的发色元素，一般呈黄色，若铁的添加量增多则显出红色或褐色。根据不同离子的发色规律，设计不同的颜色调配，并优化离子的浓度，调配出渗花墨水发色体。目前市面上主要有蓝、红、黄、黑等墨水，颜色还不够丰富，需要更多的颜色（如桔色、粉色等）来丰富渗花墨水的色系。

3.2 渗花墨水的发色原理

渗花墨水以有机金属盐作为发色体，但是这些金属盐在陶瓷砖烧成过程中，由于受气氛、温度、坯料成分的影响，红色的铁系氧化物和黄色的钛系氧化物不能发出鲜艳的颜色。这是渗花墨水应用中的技术难点，因此需要设计一种材料能够对有机金属盐进行包裹，从而保证金属盐不会与其它物质发生反应，实现墨水的稳定发色。广东道氏技术股份有限公司提出了一种纳米包裹技术：设计合成一种超细纳米二氧化硅多孔材料，该材料均匀分散在陶瓷砖面釉或者面料中，当陶瓷喷墨渗花墨水喷洒在陶瓷砖表面时，渗花墨水渗入到超细二氧化硅密集的孔洞结构中，随着烧成温度的提高，渗花墨水中的有机金属盐分解成金属氧化物而被包裹在超细二氧化硅的孔道中，避免高温煅烧环境下发色金属氧化物与陶瓷坯体发生反应，被还原或者转化为其他物质的现象发生，从而保证了发色渗花墨水在高温下能够稳定呈色。

3.3 渗花墨水的渗透性

渗花墨水是可溶性盐作为发色体，本身在砖坯有一定的渗透性，但是在坯体上的渗透方位无法控制，容易纵向和横向扩散。若墨水横向扩散会导致图案清晰度不高，渗透不够深，出砖后在柔抛过程中就容易把色彩及纹理磨掉，因此需要从配方上研究渗花墨水的性能并控制溶剂及相关组分实现墨水的垂直渗透，同时根据需要开发一种助渗剂实现渗透深度可调控，实现实际生产中的控制。

3.4 渗花墨水与喷墨机的匹配性

渗花墨水由于需要渗透到砖坯内，这就要求喷墨机拥有大的喷墨打印量，以及与墨水具有良好的兼容性。因此墨水企业在研发过程中需要对溶剂的种类和极性、溶解性能、盐类的种类、酸碱度等性能作具体的考察，考察喷墨打印机喷头和相关管道的兼容性。

3.5 渗花墨水生产的喷墨渗花砖性能特点

陶瓷渗花墨水生产出的喷墨渗花砖具有很大的优势：在质感方面，它可渗透到瓷砖坯体0.5～1.0 mm的深度，瓷砖花色立体感更强，表面纹理更加细腻逼真；在色彩方面，利用纳米技术助力墨水发色，解决了普通墨水在红色、黄色、灰色、黑色等颜色发色的难题；在硬度方面，产品硬度可达5～6级，要比全抛釉瓷砖产品更加耐磨；另在节能环保方面，渗花墨水所生产出来抛光砖的抛光厚度约为0.1～0.3 mm，减少了固体废料、废渣的排放，让陶瓷企业更为节能环保。

4 陶瓷渗花墨水的应用

陶瓷渗花墨水具有优良的发色能力和极佳的渗透能力，结合高解析度的天然石材设计，应用耐磨度极佳的釉料或直接应用坯料，经喷墨打印、烧成及抛光等工艺，可生产出仿真度远超全抛釉产品的人造石材瓷砖，表面的物理性能可达到传统抛光砖的水平。

目前利用渗花墨水生产喷墨渗花砖主要采用两种工艺。一种为淋浆工艺：布料→压机→干燥→淋釉+纳米助色剂→干燥→釉线喷墨+助渗剂→窑炉，采用淋釉的方式将含有纳米助色剂的釉浆铺在砖坯上作为喷墨打印图案层；另一种为二次布料工艺：二次布料→砖坯上布薄料+纳米助色剂→压机→干燥→釉线喷墨+助渗剂→窑炉，利用二次布料，在砖坯上布上一层含有纳米助色剂的薄层作为喷墨打印图案层，分别做不同效果的渗花墨水砖产品。

陶瓷渗花墨水在喷墨抛光砖生产上的应用已处于产业化阶段，但还有提升的空间：1） 渗花墨水渗入抛光砖坯体深度的精确性还可提升，减少墨水的横向渗透，提高垂直渗透， 从而提高砖面图案的清晰度；2）进一步优化坯体或者釉面的制备及成型工艺，面料的成份会直接影响墨水的发色和砖坯的强度，水份会影响渗透深度，砖坯的变形会给后续的抛磨工艺带来色差；3）减少喷墨抛光砖生产时的色差问题，渗花墨水的下渗精度不一，经过抛光后容易产生一定色差，加上抛光环节人员变动、磨头更换、参数变更，更加大了色差的变数，对生产技术要求也相当严格；4）图案的设计及打印控制工艺：图案的设计需要结合色彩的调配、助渗剂的用量、立体层次的调控、抛光工艺等方面进行调整，才能控制图案的清晰度和立体效果，因此设计难度较高，这也给喷墨抛光砖批次生产的稳定性带来影响。总的来说，渗花墨水及喷墨抛光砖已处于产业化应用阶段，在推广过程中需要渗花墨水制造商和陶瓷生产企业共同合作解决渗花墨水应用时存在的技术难题，提高我国陶瓷砖产品的装饰技术水平。

5 结论

渗花墨水的开发以及在喷墨抛光砖上的应用是近两年才开始的，它的出现给整个陶瓷行业带来全新的发展机遇。目前也只有几家墨水公司推出渗花墨水和几家陶瓷企业成功实现了产业化应用，笔者认为渗花墨水在今后的研究中还需要从如下几个方面进行提高：1）目前渗花墨水的色系还不够丰富，许多中间调和色还未出现，需要开发出更多颜色的渗花墨水；2）减少渗花墨水的横向渗透，提高渗花墨水的渗透深度和渗透精度；3） 从纳米包裹原理方面解决渗花墨水红色和黄色发色问题，开发出特定结构的助色剂，提高墨水的发色性能和发色稳定性；4） 减少喷墨抛光砖生产时的色差问题，降低喷墨抛光砖批次生产时的发色稳定性。

参考文献

[1] 蔡晓峰. 喷墨打印技术与陶瓷墨水的制备[J]. 佛山陶瓷，2006（7）：35～37.

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[4] 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[J]. 中国陶瓷， 2012， 18： 1～4.

[5] 贾维尔·加西亚·赛恩斯等.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[P]. 中国专利：CN00818261.2， 2000-12-08.

[6] 格拉齐亚诺·维格拉里，法布里齐奥·吉扎德，埃利萨·坎托等.在陶瓷材料上进行数字印刷所使用的油墨，使用所述油墨在陶瓷材料上进行数字印刷的方法，以及通过所述的印刷方法制备的陶瓷制品[P]. 中国专利：200880120613.1， 2008-12-18.

[7] 石教艺，李向钰，张翼.一种可调渗透深度的陶瓷喷墨打印油墨及方法[P].中国专利：201510141827.9， 2015-03-27.

[8] 张翼，李向钰，石教艺.一种喷墨渗花陶瓷砖增色剂及使用方法[P].中国专利：201510429407.0， 2015-07-21.