建筑陶瓷数字喷墨打印技术关键材料——陶瓷墨水的研制

罗凤钻　范新晖　廖花妹　吴志坚　周子松

(1 佛山石湾鹰牌陶瓷有限公司　广东 佛山　528031)(2 佛山鹰牌科技有限公司　广东 佛山　528031)



建筑陶瓷数字喷墨打印技术关键材料
——陶瓷墨水的研制

罗凤钻1范新晖1廖花妹1吴志坚2周子松2

(1 佛山石湾鹰牌陶瓷有限公司广东 佛山528031)(2 佛山鹰牌科技有限公司广东 佛山528031)

笔者以市场上现有的陶瓷色料为原料，通过物理分散法制备陶瓷墨水。其主要工艺流程为：把陶瓷色料与多种溶剂混合，经过充分预分散后，放入研磨机中研磨，并加入其他助剂，经过过滤得到陶瓷喷墨打印用墨水，利用喷墨打印机打印在陶瓷坯体上，初步考察墨水的打印效果。

陶瓷墨水喷墨打印色料研磨分散

前言

现代瓷砖的设计方向是对天然建筑材料(石材、木材等)的仿真，而设计的关键主要是对瓷砖表面纹理、质感、层次的处理。现代建筑陶瓷设计已经从最早的丝网印刷时代，过渡到辊筒印刷时代。丝网印刷是一种平面印刷，不能实现对瓷砖凹凸面的印刷，因此，难以实现表面的多元、立体效果。从这个角度看，丝网印刷是一种刚性印刷。辊筒印刷包括丝网辊筒印刷和橡胶辊筒印刷，与丝网印刷相比，辊筒印刷是一种柔性印刷，其突破在于可以实现凹凸面印刷，从而使得瓷砖的表面层次更加丰富，对自然的仿真度更高。喷墨印刷改变了传统的接触式压力印刷，实现了与砖面不接触的“凌空”印刷。这种技术不仅可以印刷凹凸面(可以有4 cm的落差)、斜面无障碍，而且不再受限于局部纹理的重复叠印，使得每片瓷砖的纹理都不相同，纹理的变化更丰富，仿真效果更佳。电脑控制的喷墨印刷“凌空”操作法，可以实现多角度、高致密性上釉，完全呈现瓷砖立体造面设计效果，使瓷砖图案达到宛如相片之美。

继丝网、辊筒印刷之后所出现的陶瓷喷墨印刷，已被称为中国陶瓷印花技术的第三次工业革命，被越来越多的陶瓷企业所关注。喷墨打印较之丝网和辊筒印花具有许多无可比拟的优势。喷墨打印能在极短时间内使陶瓷产品达到个性化的要求，其更加适合当今瓷砖装饰时装化、个性化、小批量、多花色的发展趋向；喷墨打印陶瓷产品的精细度已接近高清晰的图片，采用传统技术的产品会受到尺寸规格等方面的限制，而喷墨打印在理论上没有规格的限制。

陶瓷墨水作为陶瓷数字喷墨打印技术的关键材料，目前基本上掌握在西班牙、意大利等陶瓷发达国家手中。目前我国陶瓷喷墨打印机已经逐步实现了产业化，而作为关键技术材料的陶瓷墨水与压电喷头一起却成为制约中国建筑陶瓷数字化发展的瓶颈。因此，研究陶瓷墨水既是产业提升的需求，也是实现中国由建筑陶瓷大国走向强国的必由之路。陶瓷墨水的制备方法主要包括：溶胶-凝胶法、微乳液法以及分散法。综合制备工艺以及成本等因素，笔者以市场上现有的陶瓷色料为原料，采用物理分散法制备陶瓷墨水。

1　制备工艺流程

陶瓷墨水中色料的分散稳定过程并不是简单的粉末化，而是使粒子均匀地分布在介质中，获得不重新聚集、不絮凝、不沉淀的分散体系。陶瓷色料的分散包括润湿、分散以及分散稳定3个过程。先将陶瓷色料润湿，使粒子表面上吸附的空气逐渐被分散介质所取代后，再将通过剪切力或冲击力将润湿后的粒子聚集体破碎成为更细小的粒子，被粉碎后的细小粒子通过碰撞可以重新聚集或絮凝，为了阻止这一现象的发生，就要在粒子之间引入足够的斥力使其达到分散稳定。笔者围绕润湿、分散以及分散稳定3个过程，对陶瓷墨水进行研制，并对墨水的呈色机理进行分析，最终规模化的试制出了陶瓷墨水，并应用于喷墨打印于陶瓷砖表面装饰。具体的技术路线及工艺流程如图1所示。

图1　陶瓷墨水的制备工艺流程

陶瓷墨水的制备流程如下：

1)润湿。将部分溶剂、树脂、分散剂、陶瓷色料经高速分散机进行预分散，使色料充分润湿。

2)分散。将预分散好的物料转入到研磨机中研磨2～4 h，使色料平均粒径达到300～500 nm，最大粒径<1 μm，即得到色浆。

3)分散稳定。向色浆中加入流平剂、消泡剂、防沉剂、pH值调节剂以及剩余溶剂，使用精度为1 μm的滤芯过滤，得到喷墨打印用陶瓷墨水。

2　结果与讨论

2.1研磨工艺优化

在陶瓷墨水制备过程中，分散和研磨是一个关键的加工工序。分散和研磨的设备有很多种，对于低粘度的溶剂和墨水常选用湿式磨砂机作为分散和研磨的核心设备。湿式磨砂机是粗原料粒子在溶剂或水中利用高速旋转的分散盘或棒带动小直径的“砂粒”作回转运动，包括自转和公转，产生的剪切力、挤压力和摩擦力使原料得到粉碎变细。笔者研究磨料尺寸、研磨转速、研磨时间3个因素对陶瓷色料研磨效果的影响并加以探讨，从中选择适合本实验的研磨条件。

2.1.1磨料尺寸和研磨时间的影响

研磨介质的选择直接影响到陶瓷色料最后的研磨效果。目前用于分散染料、颜料等色料的研磨介质有玻璃珠和氧化锆珠，本研究选择氧化锆珠作为研磨介质。为了使陶瓷色料取得良好的细度，我们选取直径分别为0.5 mm和1.0 mm两种规格的氧化锆珠，研磨不同的时间，并对研磨后的陶瓷色料粒径进行分析，结果如图2所示(保持墨水原料配比以及其它制备参数不变)。

图2　氧化锆珠规格及研磨时间对陶瓷色料平均粒径的影响

由图2可知，陶瓷色料的原始颗粒粒径为1～10 μm，分别经过两种规格的氧化锆珠研磨0.5 h后，陶瓷色料的平均粒径下降速度很快。研磨初期两种研磨介质得到的陶瓷色料平均粒径差别不大，但随着研磨时间增加到2 h以上，使用直径为0.5 mm的氧化锆珠要比1.0 mm氧化锆珠的平均粒径小150 nm左右。由此可见，在研磨陶瓷色料过程中，选用小直径氧化锆珠更能提高分散研磨效率。

采用0.5 mm氧化锆珠研磨的色料平均粒径随研磨时间变化曲线可见，随着研磨时间的增加，陶瓷色料的平均粒径逐渐减小，在研磨前2 h内，平均粒径减少的速度快，陶瓷色料的粒径从1 120 nm下降到390 nm，随着研磨时间继续增加，颗粒平均粒径进一步减小，但减小的速度变得缓慢，特别是研磨4 h以后，陶瓷色料的平均粒径基本不发生变化。这主要是因为研磨开始时，色料大颗粒在氧化锆珠的挤压力、剪切力等作用下，粒径迅速减小，但粒径分布并不均匀，随着研磨时间的增加，小粒径的色料颗粒数目相对增加，但小粒径色料颗粒达到一定的数量和粒径范围后可能会出现再聚集的倾向，所以研磨效果开始下降。综合成本及研磨效果，确定研磨时间在2～4 h，一般取2 h为宜，若检测浆料时研磨效果差，可适当延长至4 h。

2.1.2研磨转速的影响

固定原料配比，使用0.5 mm的氧化锆珠，研磨时间为3 h，研究研磨转速对陶瓷色料平均粒径的影响，得到的数据如表1所示。由表1可知，当研磨转速为800～1 600 r/min时，随着研磨转速的增加，陶瓷色料粒径逐渐减小，但当研磨转速达到1 600 r/min以后，常规研磨介质对陶瓷色料的剪切力、分散能力达到极限，再提高转速、增加氧化锆珠的碰撞速度，对陶瓷色料粒径的影响不大。综合考虑，转速确定在1 600 r/min为最佳。

表1　研磨转速对陶瓷色料粒径的影响

2.2分散剂的使用

陶瓷喷墨打印墨水的关键制备技术之一是使陶瓷色料颗粒在溶剂中稳定分散。使用分散剂可以调节控制墨水的稳定性及分散性，使陶瓷色料粉体颗粒在溶剂中能够分散均匀，并确保打印之前不会发生絮凝团聚等现象。因此必须选择最合适的分散剂品种以适应产品用途，满足墨水、墨水体系以及其它添加剂的需求。制备墨水所用分散剂为高分子量聚氨酯型分散剂，分散剂用量为2%～10%。

2.3pH值控制

在制备陶瓷表面装饰墨水过程中，由于分散剂中的pH值过高或者过低，将会影响其在墨水体系中的分散稳定性。另外喷墨印花机对墨水的pH值也有一定的要求，其中酸性环境容易腐蚀喷头，因此需要加入一些缓冲剂，调节分散液的pH值到适当的范围，如氨水、柠檬酸等。

2.4陶瓷墨水的呈色分析

除了常规的溶剂及分散剂，本项目研制的墨水还添加了树脂用于提高色料与坯体间的结合力，防止后续施釉工艺中图案发生移色而导致图案不清晰；添加了流平剂以调节墨水与坯体的润湿效果，防止墨水出现铺展不开或过度扩散等现象；添加了消泡剂抑制泡沫的产生。墨水制备完成后，利用喷墨打印机打印在陶瓷坯体上，测试墨水打印的流畅性、清晰度，经1 200 ℃高温烧结后，通过对表观颜色深度和图案效果比较，初步考察墨水的打印效果。经试验达到如图3所示的效果。陶瓷墨水打印效果清晰，色泽均匀，可应用于实际喷墨打印陶瓷砖的生产中，能够有效降低陶瓷砖的生产成本，提高产品市场竞争力。

图3　陶瓷墨水打印效果

3　结论

笔者所研发的陶瓷墨水，采用的是国产溶剂和色料，通过优化研磨工艺，添加分散剂、pH值调节剂、流平剂、消泡剂等助剂，可以实现陶瓷墨水的工业化生产。相对于进口产品或者国内同类产品，本研究开发的产品具有质量稳定，针对性强(针对企业中喷墨产品的特性)，同时可根据不同陶瓷产品和生产线进行微调，且其保质期长，发色好，成本相对便宜，总体而言产品的竞争优势十分明显。

1韩复兴,范新晖,王太华,等.浅析陶瓷墨水的发展方向.佛山陶瓷,2011(6):1～3

2柯林刚,屠天民,武祥珊,等.陶瓷表面装饰墨水的制备研究.中国陶瓷,2009(1):30～34

3王利锋.喷墨打印用陶瓷表面装饰墨水的制备及其性能分析：[硕士学位论文].天津：天津大学,2013

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.中国陶瓷工业,2012(1):27～35

5柯林刚.陶瓷表面装饰墨水的制备：[硕士学位论文].上海：东华大学,2009

6林伟,韩复兴,邱军,等.数字喷墨打印技术对我国建筑陶瓷未来发展的影响.全国性科技核心期刊——陶瓷,2011(4):9～12

罗凤钻(1987-)，硕士，助理工程师；主要从事科技这种发展趋势管理工作。

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