羅鳳鉆　范新暉　廖花妹　吳志堅　周子松

(1 佛山石灣鷹牌陶瓷有限公司　廣東 佛山　528031)(2 佛山鷹牌科技有限公司　廣東 佛山　528031)

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建筑陶瓷數(shù)字噴墨打印技術(shù)關(guān)鍵材料
——陶瓷墨水的研制

羅鳳鉆1范新暉1廖花妹1吳志堅2周子松2

(1 佛山石灣鷹牌陶瓷有限公司廣東 佛山528031)(2 佛山鷹牌科技有限公司廣東 佛山528031)

筆者以市場上現(xiàn)有的陶瓷色料為原料，通過物理分散法制備陶瓷墨水。其主要工藝流程為：把陶瓷色料與多種溶劑混合，經(jīng)過充分預(yù)分散后，放入研磨機(jī)中研磨，并加入其他助劑，經(jīng)過過濾得到陶瓷噴墨打印用墨水，利用噴墨打印機(jī)打印在陶瓷坯體上，初步考察墨水的打印效果。

陶瓷墨水噴墨打印色料研磨分散

前言

現(xiàn)代瓷磚的設(shè)計方向是對天然建筑材料(石材、木材等)的仿真，而設(shè)計的關(guān)鍵主要是對瓷磚表面紋理、質(zhì)感、層次的處理。現(xiàn)代建筑陶瓷設(shè)計已經(jīng)從最早的絲網(wǎng)印刷時代，過渡到輥筒印刷時代。絲網(wǎng)印刷是一種平面印刷，不能實現(xiàn)對瓷磚凹凸面的印刷，因此，難以實現(xiàn)表面的多元、立體效果。從這個角度看，絲網(wǎng)印刷是一種剛性印刷。輥筒印刷包括絲網(wǎng)輥筒印刷和橡膠輥筒印刷，與絲網(wǎng)印刷相比，輥筒印刷是一種柔性印刷，其突破在于可以實現(xiàn)凹凸面印刷，從而使得瓷磚的表面層次更加豐富，對自然的仿真度更高。噴墨印刷改變了傳統(tǒng)的接觸式壓力印刷，實現(xiàn)了與磚面不接觸的“凌空”印刷。這種技術(shù)不僅可以印刷凹凸面(可以有4 cm的落差)、斜面無障礙，而且不再受限于局部紋理的重復(fù)疊印，使得每片瓷磚的紋理都不相同，紋理的變化更豐富，仿真效果更佳。電腦控制的噴墨印刷“凌空”操作法，可以實現(xiàn)多角度、高致密性上釉，完全呈現(xiàn)瓷磚立體造面設(shè)計效果，使瓷磚圖案達(dá)到宛如相片之美。

繼絲網(wǎng)、輥筒印刷之后所出現(xiàn)的陶瓷噴墨印刷，已被稱為中國陶瓷印花技術(shù)的第三次工業(yè)革命，被越來越多的陶瓷企業(yè)所關(guān)注。噴墨打印較之絲網(wǎng)和輥筒印花具有許多無可比擬的優(yōu)勢。噴墨打印能在極短時間內(nèi)使陶瓷產(chǎn)品達(dá)到個性化的要求，其更加適合當(dāng)今瓷磚裝飾時裝化、個性化、小批量、多花色的發(fā)展趨向；噴墨打印陶瓷產(chǎn)品的精細(xì)度已接近高清晰的圖片，采用傳統(tǒng)技術(shù)的產(chǎn)品會受到尺寸規(guī)格等方面的限制，而噴墨打印在理論上沒有規(guī)格的限制。

陶瓷墨水作為陶瓷數(shù)字噴墨打印技術(shù)的關(guān)鍵材料，目前基本上掌握在西班牙、意大利等陶瓷發(fā)達(dá)國家手中。目前我國陶瓷噴墨打印機(jī)已經(jīng)逐步實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，而作為關(guān)鍵技術(shù)材料的陶瓷墨水與壓電噴頭一起卻成為制約中國建筑陶瓷數(shù)字化發(fā)展的瓶頸。因此，研究陶瓷墨水既是產(chǎn)業(yè)提升的需求，也是實現(xiàn)中國由建筑陶瓷大國走向強(qiáng)國的必由之路。陶瓷墨水的制備方法主要包括：溶膠-凝膠法、微乳液法以及分散法。綜合制備工藝以及成本等因素，筆者以市場上現(xiàn)有的陶瓷色料為原料，采用物理分散法制備陶瓷墨水。

1　制備工藝流程

陶瓷墨水中色料的分散穩(wěn)定過程并不是簡單的粉末化，而是使粒子均勻地分布在介質(zhì)中，獲得不重新聚集、不絮凝、不沉淀的分散體系。陶瓷色料的分散包括潤濕、分散以及分散穩(wěn)定3個過程。先將陶瓷色料潤濕，使粒子表面上吸附的空氣逐漸被分散介質(zhì)所取代后，再將通過剪切力或沖擊力將潤濕后的粒子聚集體破碎成為更細(xì)小的粒子，被粉碎后的細(xì)小粒子通過碰撞可以重新聚集或絮凝，為了阻止這一現(xiàn)象的發(fā)生，就要在粒子之間引入足夠的斥力使其達(dá)到分散穩(wěn)定。筆者圍繞潤濕、分散以及分散穩(wěn)定3個過程，對陶瓷墨水進(jìn)行研制，并對墨水的呈色機(jī)理進(jìn)行分析，最終規(guī)?；脑囍瞥隽颂沾赡?，并應(yīng)用于噴墨打印于陶瓷磚表面裝飾。具體的技術(shù)路線及工藝流程如圖1所示。

圖1　陶瓷墨水的制備工藝流程

陶瓷墨水的制備流程如下：

1)潤濕。將部分溶劑、樹脂、分散劑、陶瓷色料經(jīng)高速分散機(jī)進(jìn)行預(yù)分散，使色料充分潤濕。

2)分散。將預(yù)分散好的物料轉(zhuǎn)入到研磨機(jī)中研磨2～4 h，使色料平均粒徑達(dá)到300～500 nm，最大粒徑<1 μm，即得到色漿。

3)分散穩(wěn)定。向色漿中加入流平劑、消泡劑、防沉劑、pH值調(diào)節(jié)劑以及剩余溶劑，使用精度為1 μm的濾芯過濾，得到噴墨打印用陶瓷墨水。

2　結(jié)果與討論

2.1研磨工藝優(yōu)化

在陶瓷墨水制備過程中，分散和研磨是一個關(guān)鍵的加工工序。分散和研磨的設(shè)備有很多種，對于低粘度的溶劑和墨水常選用濕式磨砂機(jī)作為分散和研磨的核心設(shè)備。濕式磨砂機(jī)是粗原料粒子在溶劑或水中利用高速旋轉(zhuǎn)的分散盤或棒帶動小直徑的“砂?！弊骰剞D(zhuǎn)運(yùn)動，包括自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的剪切力、擠壓力和摩擦力使原料得到粉碎變細(xì)。筆者研究磨料尺寸、研磨轉(zhuǎn)速、研磨時間3個因素對陶瓷色料研磨效果的影響并加以探討，從中選擇適合本實驗的研磨條件。

2.1.1磨料尺寸和研磨時間的影響

研磨介質(zhì)的選擇直接影響到陶瓷色料最后的研磨效果。目前用于分散染料、顏料等色料的研磨介質(zhì)有玻璃珠和氧化鋯珠，本研究選擇氧化鋯珠作為研磨介質(zhì)。為了使陶瓷色料取得良好的細(xì)度，我們選取直徑分別為0.5 mm和1.0 mm兩種規(guī)格的氧化鋯珠，研磨不同的時間，并對研磨后的陶瓷色料粒徑進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示(保持墨水原料配比以及其它制備參數(shù)不變)。

圖2　氧化鋯珠規(guī)格及研磨時間對陶瓷色料平均粒徑的影響

由圖2可知，陶瓷色料的原始顆粒粒徑為1～10 μm，分別經(jīng)過兩種規(guī)格的氧化鋯珠研磨0.5 h后，陶瓷色料的平均粒徑下降速度很快。研磨初期兩種研磨介質(zhì)得到的陶瓷色料平均粒徑差別不大，但隨著研磨時間增加到2 h以上，使用直徑為0.5 mm的氧化鋯珠要比1.0 mm氧化鋯珠的平均粒徑小150 nm左右。由此可見，在研磨陶瓷色料過程中，選用小直徑氧化鋯珠更能提高分散研磨效率。

采用0.5 mm氧化鋯珠研磨的色料平均粒徑隨研磨時間變化曲線可見，隨著研磨時間的增加，陶瓷色料的平均粒徑逐漸減小，在研磨前2 h內(nèi)，平均粒徑減少的速度快，陶瓷色料的粒徑從1 120 nm下降到390 nm，隨著研磨時間繼續(xù)增加，顆粒平均粒徑進(jìn)一步減小，但減小的速度變得緩慢，特別是研磨4 h以后，陶瓷色料的平均粒徑基本不發(fā)生變化。這主要是因為研磨開始時，色料大顆粒在氧化鋯珠的擠壓力、剪切力等作用下，粒徑迅速減小，但粒徑分布并不均勻，隨著研磨時間的增加，小粒徑的色料顆粒數(shù)目相對增加，但小粒徑色料顆粒達(dá)到一定的數(shù)量和粒徑范圍后可能會出現(xiàn)再聚集的傾向，所以研磨效果開始下降。綜合成本及研磨效果，確定研磨時間在2～4 h，一般取2 h為宜，若檢測漿料時研磨效果差，可適當(dāng)延長至4 h。

2.1.2研磨轉(zhuǎn)速的影響

固定原料配比，使用0.5 mm的氧化鋯珠，研磨時間為3 h，研究研磨轉(zhuǎn)速對陶瓷色料平均粒徑的影響，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，當(dāng)研磨轉(zhuǎn)速為800～1 600 r/min時，隨著研磨轉(zhuǎn)速的增加，陶瓷色料粒徑逐漸減小，但當(dāng)研磨轉(zhuǎn)速達(dá)到1 600 r/min以后，常規(guī)研磨介質(zhì)對陶瓷色料的剪切力、分散能力達(dá)到極限，再提高轉(zhuǎn)速、增加氧化鋯珠的碰撞速度，對陶瓷色料粒徑的影響不大。綜合考慮，轉(zhuǎn)速確定在1 600 r/min為最佳。

表1　研磨轉(zhuǎn)速對陶瓷色料粒徑的影響

2.2分散劑的使用

陶瓷噴墨打印墨水的關(guān)鍵制備技術(shù)之一是使陶瓷色料顆粒在溶劑中穩(wěn)定分散。使用分散劑可以調(diào)節(jié)控制墨水的穩(wěn)定性及分散性，使陶瓷色料粉體顆粒在溶劑中能夠分散均勻，并確保打印之前不會發(fā)生絮凝團(tuán)聚等現(xiàn)象。因此必須選擇最合適的分散劑品種以適應(yīng)產(chǎn)品用途，滿足墨水、墨水體系以及其它添加劑的需求。制備墨水所用分散劑為高分子量聚氨酯型分散劑，分散劑用量為2%～10%。

2.3pH值控制

在制備陶瓷表面裝飾墨水過程中，由于分散劑中的pH值過高或者過低，將會影響其在墨水體系中的分散穩(wěn)定性。另外噴墨印花機(jī)對墨水的pH值也有一定的要求，其中酸性環(huán)境容易腐蝕噴頭，因此需要加入一些緩沖劑，調(diào)節(jié)分散液的pH值到適當(dāng)?shù)姆秶?，如氨水、檸檬酸等?/p>

2.4陶瓷墨水的呈色分析

除了常規(guī)的溶劑及分散劑，本項目研制的墨水還添加了樹脂用于提高色料與坯體間的結(jié)合力，防止后續(xù)施釉工藝中圖案發(fā)生移色而導(dǎo)致圖案不清晰；添加了流平劑以調(diào)節(jié)墨水與坯體的潤濕效果，防止墨水出現(xiàn)鋪展不開或過度擴(kuò)散等現(xiàn)象；添加了消泡劑抑制泡沫的產(chǎn)生。墨水制備完成后，利用噴墨打印機(jī)打印在陶瓷坯體上，測試墨水打印的流暢性、清晰度，經(jīng)1 200 ℃高溫?zé)Y(jié)后，通過對表觀顏色深度和圖案效果比較，初步考察墨水的打印效果。經(jīng)試驗達(dá)到如圖3所示的效果。陶瓷墨水打印效果清晰，色澤均勻，可應(yīng)用于實際噴墨打印陶瓷磚的生產(chǎn)中，能夠有效降低陶瓷磚的生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品市場競爭力。

圖3　陶瓷墨水打印效果

3　結(jié)論

筆者所研發(fā)的陶瓷墨水，采用的是國產(chǎn)溶劑和色料，通過優(yōu)化研磨工藝，添加分散劑、pH值調(diào)節(jié)劑、流平劑、消泡劑等助劑，可以實現(xiàn)陶瓷墨水的工業(yè)化生產(chǎn)。相對于進(jìn)口產(chǎn)品或者國內(nèi)同類產(chǎn)品，本研究開發(fā)的產(chǎn)品具有質(zhì)量穩(wěn)定，針對性強(qiáng)(針對企業(yè)中噴墨產(chǎn)品的特性)，同時可根據(jù)不同陶瓷產(chǎn)品和生產(chǎn)線進(jìn)行微調(diào)，且其保質(zhì)期長，發(fā)色好，成本相對便宜，總體而言產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢十分明顯。

1韓復(fù)興,范新暉,王太華,等.淺析陶瓷墨水的發(fā)展方向.佛山陶瓷,2011(6):1～3

2柯林剛,屠天民,武祥珊,等.陶瓷表面裝飾墨水的制備研究.中國陶瓷,2009(1):30～34

3王利鋒.噴墨打印用陶瓷表面裝飾墨水的制備及其性能分析：[碩士學(xué)位論文].天津：天津大學(xué),2013

4黃惠寧,柯善軍,孟慶娟,等.噴墨打印用陶瓷墨水的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢.中國陶瓷工業(yè),2012(1):27～35

5柯林剛.陶瓷表面裝飾墨水的制備：[碩士學(xué)位論文].上海：東華大學(xué),2009

6林偉,韓復(fù)興,邱軍,等.數(shù)字噴墨打印技術(shù)對我國建筑陶瓷未來發(fā)展的影響.全國性科技核心期刊——陶瓷,2011(4):9～12

羅鳳鉆(1987-)，碩士，助理工程師；主要從事科技這種發(fā)展趨勢管理工作。

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