浅谈陶瓷墨水的关键性能指标
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作者: 胡俊，区卓琨，郭武生
摘 要：本文介绍了陶瓷墨水的关键性能指标。通过分析影响各关键性能指标的因素，提出了陶瓷喷墨打印技术的整体解决方案，为陶瓷墨水的研发和使用提供参考。
关键词：陶瓷；喷墨打印；墨水；性能指标；影响因素；解决方案
1 前言
陶瓷装饰用喷墨打印墨水的国产化是未来发展的趋势。一方面，陶瓷墨水国产化的关键在于性能的提升，除了分散体系的稳定性、固相含量、粒度分布、粘度、表面张力、pH值、密度等基本性能外，还包括假触变性、烧成后显色、与坯釉的适应性、干燥性和防渗透性、与喷头的兼容性等方面的性能；另一方面，国内陶瓷墨水企业需要针对当前国内外墨水在实际生产中出现的拉线问题、烧成后色彩偏淡和色差、墨滴干燥过慢而引起图案清晰度的降低、墨水与底釉适应性不理想等问题，提供整体解决方案。
本文介绍了陶瓷墨水的关键性能指标，通过分析各关键性能指标及其相关影响因素，提出陶瓷喷墨打印技术的整体解决方案，为陶瓷墨水的研发和使用提供参考。
2 关键性能指标
2.1 分散的稳定性
陶瓷墨水是着色剂分散在载液中得到的一种分散体系，这种体系相对稳定，其中着色剂主要是无机陶瓷色料。如果放置一段时间不聚集、不沉淀，说明其稳定性较好。聚集指无机色料之间的相互团聚，与色料颗粒间的分散作用有关。沉淀是指无机色料颗粒不断聚集，直至下沉到分散体系底部，其影响因素包括：无机色料的密度、粒度分布、分散体系的组成等。与此同时，分散体系需要选择合适的溶剂、分散剂等有机物，要求墨水能保持良好的化学稳定性，长时间存放也不会出现化学反应变化。对陶瓷墨水的色料颗粒的沉降情况进行分析，从Stocks的沉降速率公式可确定其相关的影响因素，如式（1）所示。
VS=（1）
其中，VS为颗粒的沉降速率；r为色料团聚颗粒的半径（而非色料单个晶体的半径）；ρ是色料介质密度；ρ0为分散介质密度；g为重力加速度；η为分散介质粘度。从Stocks沉降速率公式也可以看出，在其他条件固定时，r粒径越小，则VS越低，布朗运动越强，颗粒会克服重力影响而不下沉；陶瓷墨水的分散是不稳定的，当色料颗粒的重力大于浮力与各种阻力之和时，就会发生沉降，如式（2）所示。
F=Fg-FF-Ff=πr3（ρ-ρ0）g-6cosθπηrv（2）
其中，F表示色料受到的合力；Fg表示重力；FF表示浮力；Ff表示摩擦力在竖直方向上的分力；r为色料团聚体的半径；ρ表示色料密度；ρ0表示分散介质密度；θ为运动方向与竖直方向的夹角；η表示分散介质粘度；v表示色料在溶剂中的运动速率。
2.2 假触变性和可恢复性
陶瓷墨水的假触变性是指由于放置一定时间后陶瓷墨水中的色料发生沉降，当对其进行搅拌时，陶瓷墨水会再次变成均匀的分散体系，这是一个可恢复（可逆）的过程。陶瓷墨水在喷墨打印机及喷头中是循环流动的，其假触变性显得尤为重要。这是由于陶瓷墨水主要是由无机色料、有机溶剂、分散剂及添加剂组成。在静止状态下，色料颗粒之间的静电作用、空间位阻作用、静电位阻作用，使色料颗粒之间相互达到引力和斥力的平衡，形成一个亚稳定的胶体状分散体系。放置一段时间后陶瓷墨水发生沉降，色料在底部聚集，破坏了均匀分散的结构。在搅动和摩擦等外部作用力下，色料的团聚体被分散，色料再次被均匀地分散到有机溶剂中。
可恢复性的关键在于色料颗粒间较强的分散排斥作用，可避免色料颗粒直接接触而产生吸附力较强的团聚，即使沉降、轻微团聚，在剪切力作用下会重新被均匀分散。静电稳定机制为热力学亚稳态，而空间位阻稳定机制为热力学稳定状态。为了提高陶瓷墨水的可恢复性，可添加高分子聚合物（如树脂）作为分散剂，使之紧密而又牢固地连接，并完全覆盖在色料的表面，其溶剂部分渗透到分散介质中，以形成一定厚度的有效屏障，阻止色料颗粒的进一步聚集。
2.3 粒度分布
由于喷头孔径和墨水通路系统的制约，墨水中的色剂颗粒必须足够细小，以保证喷墨过程的顺畅。陶瓷墨水中颗粒的粒度分布要尽可能窄，以避免色剂过细导致显色不均匀（色料在坯体上的堆积密度不均匀）或减弱（色料溶解在釉料中）的现象。
陶瓷墨水中色料颗粒的分散包括润湿、分散及分散稳定三个过程。将色料润湿，使色料粒子表面上吸附的空气逐渐被分散介质所取代后，还要通过剪切力或冲击力将润湿后的色料粒子聚集体破碎成为更为细小的色料颗粒，被粉碎后细小的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，例如颗粒表面包裹一层分散剂，使其达到分散稳定。从理论上讲，这三个过程完成之后，色料以初级粒子或者小的团聚颗粒的形态分散在介质中，形成稳定的分散体系。实际上，由于粒子的表面能量高，较易发生粒子的聚集。
2.4 固相含量
固含量是指陶瓷墨水在规定条件下烘干后剩余部分占总量的质量百分数。主要是不挥发物含量。固含量越高，单位质量墨水中色料含量越高，能够提高陶瓷喷墨的发色强度和色彩范围，也能够降低单位陶瓷墨水的用量，进而降低生产成本。在对设计图稿的表现力上，提高墨水固含量的作用优于对同一位置重复打印、堆积墨水的作用，这是由于重复打印容易导致墨点偏离目标位置，降低清晰度。然而对于喷头企业来说，为了提高喷头的使用寿命，需要降低喷头的磨损程度，由此希望限制陶瓷墨水中的无机色料含量。
2.5 粘度
适当的粘度可确保墨水在墨路内循环流动顺畅，有利于墨水喷出和墨滴的均匀形成。粘度太小，则墨水内摩擦力小，液滴呈弯月形而产生阻尼振荡，影响喷射速度；粘度过大，墨水流动性差，且不易形成小液滴。
此外，墨水的喷射对其粘度变化也十分敏感，微小的剪切稠化现象都会因粘度的急剧升高而使打印无法进行。另外，墨水的粘度会随着墨水温度的上升而下降，因此需要在不同温度下检测陶瓷墨水的粘度，才能够客观地评价陶瓷墨水粘度的变化情况。相关研究表明，为了使喷嘴快速完成墨滴的喷射和陶瓷墨水的填充，陶瓷墨水的流速必须非常快。点火频率高（Dimatix Fujifilm StarFireTM SG-1024/M-C喷头的点火频率为14～35kHz、Xaar 1001 GS12喷头的点火频率为6～12kHz）、流动速度快 (Xaar 1001 GS6/GS12 喷头的墨滴速度为6m/s、 Dimatix Fujifilm Spectra Galaxy JA 256/80 AAA喷头的墨滴速度为8m/s)、喷嘴孔径小（Dimatix Fujifilm Galaxy JA 256/80 AAA喷头的喷嘴孔径为52μm），使得剪切率非常大（大约为105～106s-1），因此墨水粘度要尽可能低（Xaar 1001 GS12喷头能适用陶瓷墨水的粘度范围为7～50mPa?s；Dimatix Fujifilm StarFireTM SG-1024/M-C 喷头能适用陶瓷墨水的粘度范围为8～20mPa?s，推荐范围为10～14mPa?s）。
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