陶瓷墨水的制备及其应用

    丁宁

    摘 要：陶瓷数字喷墨打印技术是一种极具潜力的陶瓷装饰技术，是现代计算机技术与陶瓷装饰材料技术相结合的产物，其具有传统陶瓷装饰工艺无可比拟的的优势。本文探讨了喷墨打印陶瓷墨水的制备及其在陶瓷制造中的应用。通过分析陶瓷墨水的合成方法、墨水的性能要求和喷墨陶瓷打印工艺的应用等领域的最新进展情况，笔者认为喷墨打印陶瓷墨水的成功研发及其与喷墨打印机兼容性研究是该技术应用的基础，喷墨陶瓷打印技术可为实现陶瓷制品表面装饰的复杂化、自动化提供新的技术路线和解决方案，因而在制备高附加值瓷砖领域，具有巨大的竞争力，显示出良好的应用前景。

    关键词：陶瓷墨水；应用；发展

    1 引言

     数字化技术已成为制造行业中一项重要的技术，随着计算机技术的发展，在我国传统制造业中的应用也越来越广泛。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[1]。它将墨水(Ink)通过打印头上的喷嘴喷射到各种介质表面，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，将特殊的粉体制备成墨水，通过计算机控制，利用特制的打印机可以将配置好的墨水直接打印到陶瓷的表面上进行表面改性或装饰。高性能、能顺利喷印的陶瓷墨水是喷墨打印技术在陶瓷上应用的基础，材料基础科学问题与墨水的复配技术的研究是其发展的关键。本文从喷墨打印陶瓷墨水的合成技术、喷墨打印工艺在先进陶瓷制造领域的应用、存在的关键问题及展望等角度阐述了该技术在陶瓷领域应用的最新进展。

    2 喷墨打印用陶瓷墨水的制备技术

     陶瓷墨水制备的关键在于超细陶瓷粉体的制备及其在溶剂中的稳定分散，即保证粉体在溶剂中处于单分散状态，无絮凝效应。目前，陶瓷墨水的制备方法主要有溶胶法、反相微乳液法及分散法[2~4]。

    2.1溶胶法[5~6]

     溶胶-凝胶法是制备超细粉体和纳米材料的一种湿化学方法，已经获得广泛应用，工艺技术也已经成熟。该方法用于制备陶瓷墨水时，只利用其第一步，即溶胶的制备。其中包括有机盐在溶剂中的水解反应和水解产物的聚合或缩聚反应，同时根据需要，调节溶胶的物理性能，如固含量、黏度、导电率及表面张力等。采用溶胶法制备陶瓷墨水的过程中，前驱体溶液是反应的主体，为了保证水解反应在分子水平上均匀进行，反应所处的环境需为均相系统，要严格控制溶剂的量，防止不相溶区的形成。同时可通过调整催化剂种类及用量、有机盐种类及溶液浓度、水解温度等工艺参数来控制水解和聚合反应速度，制备均匀稳定的溶胶，即稳定的陶瓷墨水。

    2.2反相微乳液法[7~8]

     微乳液体系是由表面活性剂、助表面活性剂、油和水构成的热力学稳定的均相体系，宏观上呈各向同性、外观透明或半透明，微观上由表面活性剂界面膜所稳定的一种或两种液体的微滴所组成。利用反相微乳液制备的陶瓷墨水其粒径一般在几十纳米左右，分散性极好，并且可以长期稳定保存，能很好地满足喷墨打印对颗粒度、分散性和稳定性的要求。反相微乳液法制备陶瓷墨水是一种新的尝试，其关键在于，要获得溶水量（即水油比）尽可能高的微乳液体系，才能使陶瓷墨水具有实用性。此外，所选择的体系还应具有较高的盐溶液浓度，同时应保证颗粒度和稳定性。

    2.3分散法[9~10]

     分散法制备陶瓷墨水，一般是将陶瓷粉体与分散介质进行球磨混合后，再通过超声分散，获得稳定的悬浮液。这种方法与传统的浆料制备较为接近，根据静电-位阻稳定机制，需加入各种物性调节剂及辅助成分使墨水达到短时间内的均匀稳定状态。利用分散法制备陶瓷墨水主要包括超细粉体的制备和墨水的调制两个部分。首先粉体的最大粒径要在1 μm 以下、粒度分布要窄、粉体颗粒球形度要好，通过球磨、超声分散等手段实现团聚打开，使陶瓷颗粒分布于胶粒区间。同时需控制pH值对粉体表面电势及分散剂的离解、舒展等特性的调节，最终通过静电-位阻稳定机制来防止粉体团聚，使陶瓷墨水中超细颗粒处于包裹吸附和稳定的单分散状态。

    2.4喷墨打印陶瓷墨水性能要求

     陶瓷墨水的性能要求除普通墨水的颗粒度、黏度、表面张力、电导率、pH值以外，根据陶瓷应用特点还要求一些特殊性能：（1） 要求墨水能保持良好的化学和物理稳定性，长时间存放也不会出现化学反应变化和颗粒团聚沉淀。（2） 要求在打印过程中，喷墨层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，以便煅烧后获得较高的烧结密度。（3） 要求打印的色剂高温烧成后具有良好的呈色性能以及与基体的匹配性能。（4） 墨水与打印机的兼容性问题。无机墨水不但需要解决细度的问题，同时还要配合喷墨打印机的内部回路系统，需具备良好的分散性和流速稳定性。

    3 喷墨打印在陶瓷生产中出现的问题、原因和解决方法

    3.1滴墨

     该现象产生可能是由于喷头滴墨或吸风管抽力不够。针对此问题主要有如下几种解决方法：（1） 增大真空度。增大喷头对墨滴的抽力，一般用于压力不能达到装机要求的时候，所以也不能盲目增大真空度。（2） 降低砖坯温度，坯温过高会产生一些水蒸气，水滴会与墨水结合形成沉淀并渐渐形成墨滴。（3） 用自动清洗功能清洗喷头。手动物理清理方式是最简易最常用的应急处理方式。（4） 加大吸风管的频率，但必须在压强足够大的基础上才能适用。

    3.2白线、拉线

     白线的产生可能在于喷头堵塞，堵塞物可能是颗粒，也可能是墨滴。解决方法如下：（1） 可能是真空度过高，可降低真空度。因为真空度过高会抑止墨水的正常喷射。（2） 滴墨用自动清洗功能清洗喷头。该方式是生产当中惯用的应急处理。（3） 用清洗布擦拭喷头，注意喷头不能来回擦拭，只能沿着一个方向，否则会损害喷头。此步骤一般用于自动清洗喷头无果后使用。（4） 提高电压并用百分百灰度图片连续打印。虽然效果并不是很好，但有可能把墨路冲开使得打印正常。（5） 把喷头上的进出管道进行调换使墨水反向流动。注意此步骤在自动清洗喷头及人工擦拭喷头无果后，方才使用。

    3.3生产过程中真空度不稳定

     真空度不稳定可能是墨盒有空气进入或墨路漏气。解决方法如下：（1） 检查供墨泵、消泡泵、循环泵是否正常工作，注意更换供墨泵 消泡泵时要看清进出管道。（2） 检查消泡器 过滤器进出管道是否漏气。（3） 检查过滤器管道的夹子是否夹紧，核查并重新夹紧管道。

    3.4喷头上有积墨或挂墨

     这种情况主要是墨水的张力偏小或喷墨机的电压偏大所致。解决方法如下：（1） 更换张力大的墨水。但不建议使用此方法，因为放掉已有墨水并清洗干净会产生大量费用，若未清洗干净，不同种类的墨水可能发生反应而影响到喷墨。（2） 减小喷墨机的电压，观察喷头挂墨，注意调电压时不要波动过大。建议调试电压要适合墨水的张力，一般装机时会调试好。

    3.5生产过程中出现色差或深浅度有变化

     该现象产生原因可能是墨水密度变化、墨水没有充分摇匀或墨水性能不稳定。某些国产墨水性能不稳定，容易沉淀。解决方法如下：（1） 温度设定是否有变化，注意温度设定不能波动4 ℃以上，否则颜色变动会很明显。（2） 检查加墨水前是否充分摇匀20~30 min。（3） 检查搅拌器是否正常工作。（4） 检查设备的电压设定是否有变化。

    4 结论

     陶瓷喷墨打印技术为实现陶瓷制品表面装饰的复杂化、自动化提供新的技术路线和解决方案，在制备高附加值瓷砖领域具有巨大的竞争力，显示出良好的应用前景。随着喷墨打印机和陶瓷墨水制造加工技术的日益完善和成熟，这种新技术和材料必将在我国陶瓷墙地砖行业获得广泛的应用。同时，陶瓷墙地砖行业应积极采用这种先进的技术与材料，利用用国产陶瓷墨水制备出装饰效果出众的陶瓷产品，促进国内墨水行业的快速发展。

    参考文献

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