摘要：國(guó)產(chǎn)陶瓷墨水近幾年取得了快速的發(fā)展，并占據(jù)了國(guó)內(nèi)主要市場(chǎng)。在陶瓷墨水快速發(fā)展和應(yīng)用的同時(shí)，國(guó)產(chǎn)陶瓷墨水的性能和品質(zhì)還需進(jìn)一步提升。本文主要講述陶瓷墨水的組成、制備及性能研究要點(diǎn)，著重討論墨水制備工藝的技術(shù)要點(diǎn)以及墨水的性能指標(biāo)對(duì)墨水使用時(shí)的影響，為陶瓷墨水性能的優(yōu)化提供參考。

1、前言

陶瓷噴墨打印技術(shù)是將超細(xì)陶瓷材料粉體制備成墨水，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，利用陶瓷噴墨打印機(jī)將墨水直接打印到建筑陶瓷的表面上進(jìn)行裝飾，該技術(shù)的采用顯著提高了陶瓷的裝飾效果（圖案更精細(xì)、效果更逼真），更重要的是，將大大簡(jiǎn)化陶瓷的生產(chǎn)裝飾工藝，減少生產(chǎn)過(guò)程中的污染和原材料消耗，也極大減少了陶瓷生產(chǎn)的能耗[1-3]。正是由于噴墨打印技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中呈現(xiàn)的顯著優(yōu)勢(shì)，近幾年國(guó)產(chǎn)陶瓷墨水取得了快速的發(fā)展，并且迅速取代了進(jìn)口墨水，占據(jù)了國(guó)內(nèi)主要市場(chǎng)。但是國(guó)產(chǎn)墨水的性能和品質(zhì)還需進(jìn)一步提升，包括墨水發(fā)色的鮮艷度和穩(wěn)定性，儲(chǔ)存穩(wěn)定性能和噴墨打印性能等等。基于目前陶瓷墨水的研發(fā)和使用現(xiàn)狀，筆者從墨水的配方組成、制備工藝以及性能對(duì)陶瓷墨水使用過(guò)程的影響等方面做了簡(jiǎn)單的分析，希望對(duì)陶瓷墨水的生產(chǎn)和應(yīng)用有所幫助。

2、陶瓷墨水的組成

2.1、陶瓷顏料

陶瓷顏料是墨水的核心物質(zhì)，要求其顆粒度小于1μm，顆粒尺寸分布要窄，顆粒之間不能有強(qiáng)團(tuán)聚，并具有良好的穩(wěn)定性，受溶劑等其它物質(zhì)的影響小，通常有如下要求：1）陶瓷顏料在墨水中能保持良好的化學(xué)和物理穩(wěn)定性，不會(huì)出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)和顆粒團(tuán)聚等現(xiàn)象；2）在噴墨打印過(guò)程中，陶瓷粉體顆粒在短時(shí)間內(nèi)能以最有效的堆積結(jié)構(gòu)排列，附著牢固，獲得較大密度的打印層，煅燒后獲得較高的燒結(jié)密度；3）打印的墨水在高溫?zé)珊缶哂辛己玫某噬阅芤约芭c坯釉的匹配性能。

2.2、溶劑

在陶瓷墨水中，溶劑占了50%以上質(zhì)量，它的性能直接影響著墨水的使用效果。溶劑的結(jié)構(gòu)組成、極性、沸點(diǎn)、粘度、表面張力等影響著墨水的性能和生產(chǎn)的穩(wěn)定性。同時(shí)，溶劑的環(huán)保性也直接影響著陶瓷墨水對(duì)環(huán)境的友好性，主要體現(xiàn)在不含有毒性物質(zhì)和可揮發(fā)物VOC的減少。陶瓷墨水對(duì)溶劑的主要要求是無(wú)毒無(wú)味、高沸點(diǎn)、高潤(rùn)濕性能，并且具有合適的表面張力。

2.3、分散劑

分散劑具有調(diào)節(jié)陶瓷墨水的分散性及穩(wěn)定性功能，使陶瓷顏料在溶劑中均勻分散，并保證在打印前不團(tuán)聚。陶瓷墨水所用的分散劑主要是通過(guò)空間位阻來(lái)提高顆粒的穩(wěn)定性，通常為超分散劑，它是一類新型、高效的聚合物型分散劑，它的分子結(jié)構(gòu)中含有性能和功能完全不同的兩個(gè)部分：一個(gè)是錨固基團(tuán)，另一個(gè)是溶劑化基團(tuán)。陶瓷墨水分散劑就是通過(guò)錨固基團(tuán)的單點(diǎn)或多點(diǎn)錨固的形式吸附在顆粒的表面，而溶劑化基團(tuán)則伸展于分散介質(zhì)中，通過(guò)空間位阻效應(yīng)對(duì)顆粒的分散起穩(wěn)定作用[5,6]。

2.4、粘結(jié)劑

粘結(jié)劑主要用于調(diào)整墨水的粘結(jié)性和成膜性能，同時(shí)還起到調(diào)節(jié)墨水粘度的作用。

2.5、表面活性劑和其它輔料

表面活性劑和其他輔料如潤(rùn)濕劑、流平劑、消泡劑、防沉劑等主要用于調(diào)整陶瓷墨水的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如潤(rùn)濕性能、表面張力、氣泡以及防沉性能等，用于提高陶瓷墨水的儲(chǔ)存穩(wěn)定性和打印性能。

3、陶瓷墨水的制備方法及技術(shù)要點(diǎn)

3.1、陶瓷噴墨顏料的制備技術(shù)要點(diǎn)

陶瓷顏料是墨水的核心物質(zhì)，它直接影響著墨水的穩(wěn)定性能和使用效果。當(dāng)陶瓷顏料制備成墨水后，顏料在溶劑中的化學(xué)和物理穩(wěn)定性、打印過(guò)程中陶瓷顏料顆粒在短時(shí)間內(nèi)能以最有效的堆積結(jié)構(gòu)排列、和陶瓷顏料在超細(xì)化之后在高溫?zé)珊蟮某噬阅艿葐?wèn)題，都與陶瓷噴墨打印用顏料的制備工藝相關(guān)。

以往陶瓷顏料的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、粗放，原料的混合均勻度很低，發(fā)色體的含量很低，而且晶型穩(wěn)定性差；顏料在超細(xì)化之后發(fā)色會(huì)變得很淺，或者沒(méi)有。因此陶瓷顏料的研究過(guò)程中需要解決如何使原料在燒成過(guò)程中反應(yīng)更完全，制備的色料結(jié)晶度高、顏料晶體更穩(wěn)定、發(fā)色強(qiáng)度更好，同時(shí)為了有利于色料的后續(xù)分散問(wèn)題需要考慮對(duì)色料破碎至一定細(xì)度，并且利用表面活性劑對(duì)顏料進(jìn)行表面處理。

3.2、陶瓷墨水的制備技術(shù)要點(diǎn)

陶瓷墨水的制備過(guò)程可以分為兩個(gè)部分，一是陶瓷色漿的制備，二是墨水性能的調(diào)節(jié)。陶瓷墨水的整個(gè)制備過(guò)程中，最關(guān)鍵的是陶瓷色漿的研磨。陶瓷色漿的制備路線如圖1（a）：選取合適的分散劑、溶劑和研磨樹(shù)脂配成分散液，后加入陶瓷顏料進(jìn)行預(yù)混合，使陶瓷顏料被充分潤(rùn)濕，后通過(guò)砂磨機(jī)研磨至所需粒徑，得陶瓷色漿。通常控制顏料的粒徑在300 nm左右，最大粒徑小于1μm。

研磨設(shè)備的選型和研磨介質(zhì)的選擇以及相關(guān)的工藝參數(shù)是墨水制備過(guò)程中的關(guān)鍵因素，直接影響著色漿的研磨效率、研磨色漿的性能以及色漿生產(chǎn)的穩(wěn)定性。通常研磨設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材質(zhì)的選取對(duì)研磨工藝影響很大，正確的選擇研磨設(shè)備及其工藝方法，是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，并且在節(jié)省能源、降低消耗、提高生產(chǎn)效率有著更廣泛的意義。除此之外，研磨鋯珠的光澤度、硬度、耐磨性、抗碎強(qiáng)度、球形度和粒徑分布等性能對(duì)漿料的生產(chǎn)有著重要影響。因此在制備過(guò)程中需要研究這些參數(shù)對(duì)墨水性能的影響，通過(guò)對(duì)它們的控制來(lái)提高研磨效率，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)陶瓷墨水中顆粒球形形貌的控制和窄細(xì)粒徑分布。

制備好色漿之后，下一步則需要將色漿調(diào)配成墨水，如圖1（b）所示。在分散好的陶瓷色漿中加入潤(rùn)濕流平劑、消泡劑、防沉劑，并加入溶劑將墨水調(diào)節(jié)至所需的固含量和粘度，后用相應(yīng)的濾芯過(guò)濾掉微量的大顆粒，得陶瓷墨水。然后對(duì)其粘度、表面張力、粒徑分布、固含量和穩(wěn)定性的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，考察各項(xiàng)物理指標(biāo)是否符合要求，進(jìn)一步在墨滴觀測(cè)儀上觀察墨水噴墨墨滴的形狀，以及在噴墨機(jī)上的打印測(cè)試性能，通過(guò)這一系列測(cè)試后才能得到合格的陶瓷墨水。

4、陶瓷墨水的理化性能對(duì)其使用過(guò)程的影響

4.1、粘度

粘度影響墨水在墨盒中的流動(dòng)性以及墨水的噴射性能。適當(dāng)?shù)恼扯瓤纱_保墨水在墨路內(nèi)循環(huán)流動(dòng)順暢，有利于墨水從噴口的噴出和墨滴的均勻形成[9,10]。陶瓷墨水的粘度指標(biāo)也會(huì)隨著墨盒以及噴嘴板表面的溫度的改變而變化，粘度高低的不同對(duì)應(yīng)的噴頭工作電壓也相應(yīng)的發(fā)生變化，否則會(huì)引起噴孔噴射不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)斷線、斷墨的現(xiàn)象。同時(shí)粘度的高低也會(huì)影響墨滴的大小，影響噴墨產(chǎn)品的最終發(fā)色。

4.2、粒徑分布

由于噴頭孔徑和墨路系統(tǒng)的制約，墨水中的顏料顆粒必須足夠細(xì)小，以保證噴墨的順暢。為了避免存放和使用過(guò)程中的顆粒沉淀的出現(xiàn)，也要求顏料的顆粒細(xì)小。但是墨水的粒徑大小和分布對(duì)墨水的性能影響很大，顏料顆粒的沉降速度與粒徑平方成正比，顆粒越大，沉降速度越大，所以粒徑是墨水控制的關(guān)鍵。粒徑小可以降低墨水的沉淀，但是墨水的層色會(huì)減弱，粒徑越大，墨水的發(fā)色越好，但是沉淀會(huì)增加，這是一個(gè)矛盾的現(xiàn)象。所以，墨水中顆粒的粒度分布區(qū)域要盡可能窄，這樣發(fā)色也會(huì)穩(wěn)定，發(fā)色強(qiáng)度也高，可以避免細(xì)小顏料顆粒帶來(lái)的呈色減弱，和大顆粒打帶來(lái)的沉淀，這是墨水制備過(guò)程中需要攻克的核心技術(shù)。

4.3、表面張力

墨水的表面張力會(huì)影響墨水在坯體上的鋪展性能和滲透性，以及墨滴在噴頭上的積墨情況。適當(dāng)?shù)谋砻鎻埩梢员ＷC墨滴的均勻形成和不粘噴頭，有助于噴墨的長(zhǎng)期穩(wěn)定；墨水的表面張力過(guò)大，當(dāng)墨水飛出噴頭時(shí)，容易出現(xiàn)墨滴拖尾的現(xiàn)象，造成拉線問(wèn)題；若表面張力過(guò)小，墨水噴出時(shí)容易擴(kuò)散，在空中分離，易產(chǎn)生衛(wèi)星狀墨滴，會(huì)使圖案的清晰度和層次感降低，并隨著時(shí)間的遷移，在噴嘴膜形成墨滴，造成掛墨，影響打印效果。

4.4、呈色

所選用的顏料必須確保在超細(xì)顆粒的狀態(tài)下具有良好的發(fā)色能力，要求選用的顏料在制備過(guò)程中反應(yīng)完全，呈色晶體結(jié)晶度高。

4.5、墨水與噴頭的匹配性

陶瓷墨水和噴頭的匹配性是比較重要的，如果墨水跟噴頭不匹配，就會(huì)造成堵噴頭，以及打印性能差等現(xiàn)象。在打印機(jī)墨路系統(tǒng)的相容性方面，要求墨水對(duì)噴頭和墨路系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生破壞性的損傷或形變，以及在不同工作溫度下的揮發(fā)速度、觸變性等性能需求。

4.6、墨水的儲(chǔ)存穩(wěn)定性能

陶瓷墨水是一種固液懸浮體系，墨水中顏料的粒徑在300 nm左右，高固含并且低粘度，是一種熱力學(xué)極不穩(wěn)定體系。影響墨水穩(wěn)定性的因素除了墨水本身的分散性能好壞之外，還與墨水溫度、粘度、墨水的顆粒大小，顏料與溶劑的密度之差有關(guān)。所以墨水在配方及工藝設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)上述因素進(jìn)行考慮，盡量減少沉淀。通常墨水長(zhǎng)時(shí)間靜置都會(huì)出現(xiàn)沉淀，而沉淀有兩種情況，一種通過(guò)搖床搖晃之后沉淀都可以搖開(kāi)，這種為軟沉底，另一種通過(guò)搖晃之后還有部分沉淀存在，這種為硬沉底，軟沉底不會(huì)影響墨水的正常使用，硬沉底會(huì)影響墨水的有效固含，最終影響墨水的發(fā)色而導(dǎo)致色差。

4.7、墨水的干燥速率

磚坯的溫度，存放時(shí)間以及生產(chǎn)環(huán)境會(huì)影響磚坯的含水率，所以生產(chǎn)中磚坯含水率一直都在波動(dòng)中，而含水率會(huì)影響陶瓷墨水的滲透性能，含水率低墨水滲透快，含水率高墨水滲透較慢。如果磚坯進(jìn)窯爐前墨水還未干燥，會(huì)導(dǎo)致噴墨磚產(chǎn)品產(chǎn)生色差，因此墨水的干燥速率會(huì)影響墨水發(fā)色的穩(wěn)定性。此外在生產(chǎn)大灰度瓷片時(shí)，墨水在磚坯表面干燥慢，會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，導(dǎo)致圖案模糊，清晰度不高，快干墨水在瓷片上提高產(chǎn)品的清晰度較為明顯。