陶瓷墨水的技術(shù)特點(diǎn)
噴墨打印技術(shù)在陶瓷上的應(yīng)用關(guān)鍵在于陶瓷墨水的制備。所謂陶瓷墨水就是含有某種陶瓷釉料成分、陶瓷色料或陶瓷著色劑的墨水。陶瓷墨水的組成和性能與打印機(jī)的工作原理和墨水用途有關(guān)。陶瓷墨水通常由無(wú)機(jī)非金屬顏料(色料、釉料)、溶劑、分散劑、結(jié)合劑、表面活性劑及其它輔料構(gòu)成。無(wú)機(jī)非金屬顏料(色料、釉料)是墨水的核心物質(zhì)，要求其顆粒度小于1微米，顆粒尺寸分布要窄，顆粒之間不能有強(qiáng)團(tuán)聚，具有良好的穩(wěn)定性，受溶劑等其它物質(zhì)的影響小。溶劑是把無(wú)機(jī)非金屬顏料(色料、釉料)從打印機(jī)輸送到受體上的載體，同時(shí)又控制著干燥時(shí)間，使墨水粘度、表面張力等不易隨溫度變化而改變，溶劑一般采用水溶性有機(jī)溶劑，如：醇、多元醇、多元醇醚和多糖等。分散劑是幫助無(wú)機(jī)非金屬顏料(色料、釉料)均勻地分布在溶劑中，并保證在噴印前粉料不發(fā)生團(tuán)聚。分散劑主要是一些水溶性和油溶性高分子類、苯甲酸及其衍生物、聚丙烯酸及其共聚物等。結(jié)合劑是保障打印的陶瓷坯體或色料具有一定的強(qiáng)度，便于生產(chǎn)操作，同時(shí)可調(diào)節(jié)墨水的流動(dòng)性能，通常樹(shù)脂能起到結(jié)合劑和分散劑的雙重作用。表面活性劑是控制墨水的表面張力在適合的范圍內(nèi)。其它輔助材料主要有墨水pH值調(diào)節(jié)劑、催干劑、防腐劑等。
陶瓷墨水的性能要求除普通墨水的顆粒度、粘度、表面張力、電導(dǎo)率、pH值以外，根據(jù)陶瓷應(yīng)用特點(diǎn)還要求一些特殊性能：1、要求陶瓷粉料(色劑)在溶劑中能保持良好的化學(xué)和物理穩(wěn)定性，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間存放，不會(huì)出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)變化和顆粒團(tuán)聚沉淀。2、要求在打印過(guò)程中，陶瓷(色料)顆粒能在短時(shí)間內(nèi)以最有效的堆積結(jié)構(gòu)排列，附著牢固，獲得較大密度的打印層，以便煅燒后具有高的燒結(jié)密度。3、要求打印的色劑具有高溫?zé)珊蠓€(wěn)定和良好的呈色性能以及與坯釉的匹配性能。陶瓷墨水的關(guān)鍵技術(shù)有幾點(diǎn)：1)粒度，亞微米甚至納米級(jí)，平均粒徑應(yīng)小于0.5μm;2)粘度;3)沉淀穩(wěn)定性;4)電導(dǎo)率;5)pH值。當(dāng)然還有墨水與噴頭材料的適應(yīng)性研究，噴頭材料和孔徑及壓電特征決定了陶瓷墨水的技術(shù)特征。
傳統(tǒng)陶瓷墨水在亮度強(qiáng)度、彩色范圍、印刷質(zhì)量、均勻性和穩(wěn)定性等方面，還有許多問(wèn)題需要研究。譬如亮度強(qiáng)度方面，由于陶瓷墨水噴墨時(shí)要求墨滴小，小至4pl-6pl;噴墨快，噴墨速度快至點(diǎn)火頻率6kHz;墨滴可變，譬如賽爾XAAR1001，墨滴可變?yōu)?-42 pl，能實(shí)現(xiàn)8級(jí)灰度，這些參數(shù)決定陶瓷墨水的流速、粘度與比重等物理參數(shù)，低比重也就決定了墨水的亮強(qiáng)度，如何研究高強(qiáng)度發(fā)色色料是今后研究的重要課題。目前陶瓷墨水的彩色范圍仍較窄，盡管有報(bào)道目前已經(jīng)有11種陶瓷墨水被發(fā)明，但是對(duì)于絢艷的紅色色系、黃色色系和黑色色系陶瓷墨水極少見(jiàn)，較窄的彩色范圍陶瓷墨水也是制約陶瓷磚裝飾應(yīng)用的根本因素。此外由于陶瓷墨水加工技術(shù)的局限性，譬如分散法雖然色系較多、彩色范圍較廣,成本也最低，但由于其顆粒度較大，陶瓷墨水的穩(wěn)定性問(wèn)題仍有待探索;而溶膠凝膠法盡管其粒度較小，但穩(wěn)定性和生產(chǎn)成本又略顯不足;由于陶瓷墨水粘度低、比重低，需要解決墨水的穩(wěn)定性;反相乳相法在粒度、固含量上都較溶膠凝膠法略好，但穩(wěn)定性也并非十分理想。研究陶瓷墨水加工方法和在亮度強(qiáng)度、彩色范圍、印刷質(zhì)量、均勻性和穩(wěn)定性上有明顯優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品仍是未來(lái)陶瓷墨水開(kāi)發(fā)的主題方向。
建筑陶瓷功能化是傳統(tǒng)建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)升級(jí)的必由之路。陶瓷墨水本身已經(jīng)接近納米結(jié)構(gòu)，利用納米技術(shù)的功能性特征升級(jí)。未來(lái)建筑陶瓷將集中在高強(qiáng)保溫磚、抗菌陶瓷磚、抗靜電陶瓷磚、抗輻射陶瓷磚、光伏發(fā)電陶瓷磚、光伏發(fā)光陶瓷磚等功能性陶瓷產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。利用噴墨技術(shù)將功能性的陶瓷墨水打印在陶瓷磚上，將是最終實(shí)現(xiàn)“資源化、低碳化、數(shù)字化、個(gè)性化、功能化”的必由之路。從裝飾到功能，噴墨打印的“數(shù)字化、節(jié)約化”理念應(yīng)該是傳統(tǒng)陶瓷融入“兩型社會(huì)”的必由途徑。
感應(yīng)陶瓷是實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境智能控制的前提，未來(lái)智能陶瓷墨水將集中在“熱”、“壓”、“氣”、“濕”、“光”、“輻射”六方面敏感功能上。未來(lái)家居和城市熱的調(diào)控除了功能陶瓷以外，還要考慮智能陶瓷對(duì)熱的檢測(cè)和智能調(diào)控，除此之外，城市噪音、城市或家居空氣環(huán)境、包括熱污染、氣體污染、噪聲污染、濕度污染、光污染和輻射污染均可以通過(guò)智能陶瓷傳感器和物聯(lián)網(wǎng)傳播控制。當(dāng)然，智能陶瓷在生產(chǎn)控制、物流管理、遠(yuǎn)程醫(yī)療檢測(cè)也是必不可少的。總而言之，智能時(shí)代少不了智能陶瓷墨水的妝點(diǎn)。
陶瓷墨水的研究現(xiàn)狀
國(guó)外陶瓷墨水的研究起始較早，2000年世界第一臺(tái)工業(yè)使用的陶瓷裝飾噴墨打印機(jī)問(wèn)世，打印機(jī)是由美國(guó)FERRO公司開(kāi)發(fā)的Kerajet系統(tǒng)，墨水也是由FERRO公司與賽爾公司聯(lián)合研制的陶瓷墨水。2000年1月7日，F(xiàn)ERRO公司向美國(guó)專利商標(biāo)局提交了一份名為《用于陶瓷釉面磚(瓦)和表面的彩色噴墨印刷的獨(dú)特的油墨和油墨組合》的專利，該專利闡述了陶瓷墨水的制作方法技術(shù)，為陶瓷噴墨打印技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。2006年以后，陶瓷墨水在西班牙得到了很好的發(fā)展，到目前為止，除了西班牙FERRO公司外，西班牙的ESMALGLASS.ITACA,CHIMIGRAF,COLORBBIA, TORRECID四家公司也是陶瓷裝飾墨水的主要制造商。
國(guó)內(nèi)陶瓷墨水的研究始于2000年，近年來(lái)形成了天津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)、南昌航空工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)、大連理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)、陜西科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)和華南理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，發(fā)表了研究論文32篇，尤其是天津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文11篇，形成了楊正方、郭瑞松等一批專家。企業(yè)研究方面出現(xiàn)了廣東佛陶集團(tuán)股份有限公司、道氏制釉、華山制釉、科信達(dá)奧斯博、博奧科技、鷹牌陶瓷等公司，也形成了3個(gè)發(fā)明專利的成績(jī)，尤其是道氏制釉已經(jīng)獲得專利2個(gè)。盡管如此，陶瓷墨水在國(guó)內(nèi)仍處于研究階段，離真正產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離，不過(guò)，在2011年廣州陶瓷工業(yè)展覽會(huì)上已看到中國(guó)自己的陶瓷墨水。
綜觀國(guó)內(nèi)外情況，陶瓷墨水目前主要集中在個(gè)性化裝飾領(lǐng)域，對(duì)于建筑陶瓷功能化、智能化的應(yīng)用研究尚不多見(jiàn)。陶瓷墨水的制造方法仍集中于：分散法、溶膠凝膠法和反相乳相法，而以上三種加工方法中，溶膠凝膠法由于制造工藝方法原料昂貴、溶膠不穩(wěn)定而受到限制，反相乳相法由于制得的墨水固含量低，也有待解決許多技術(shù)問(wèn)題，分散法卻由于顆粒度較大，需要解決墨水的穩(wěn)定性問(wèn)題。如何保證墨水的固含量和穩(wěn)定性及成本問(wèn)題是今后研究的重點(diǎn)。色系仍以CMKY為主的四色系和加上透明、乳白的六色系。紅色主要是鈰鐠紅、鉻鋁紅、錳鋁紅、鈷鎂紅、鐵鋯紅等，青色主要是鈷鎳鋁，黃色主要為釩鋯黃、鉻鈦黃等，黑色主要為鈷鎳鐵黑，白色和透明等11種。而整個(gè)陶瓷墨水可分為水性溶劑、高分子助劑、著色劑和釉料四部分。
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