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浅析陶瓷墨水的发展方向

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  摘 要:自2009年以来,华东地区和佛山地区的部分一线陶瓷品牌企业先后引进了陶瓷数字喷墨打印技术与装备,数字化陶瓷产品推出以来,陶瓷喷墨打印技术和陶瓷墨水成为业内人士热捧和热研的对象。笔者根据自己的理解阐述陶瓷喷墨打印技术的未来发展方向,以供商榷。
  关键词:建筑陶瓷;数字化;功能化;智能化;喷墨打印技术;墨水
  
  1 引 言
  
   喷墨印刷是一种无接触、无压力、无印版的印刷技术,最早起源于1878年。1951年,Siemens公司申请了将液态墨水转变成墨滴的技术专利,当时因为针、墨出现问题,效果不佳,直到1964年才正式进入实用阶段。1964年研发出一种特殊设备,可以控制墨滴的大小及喷出的速率,这就是喷墨机的雏形。直到1967年,Hertz研发出连续式的喷墨印机,这就是目前在工业上使用的Continuous Ink-jet Printing。1972年Siemens推出Piezoelectric(压电式)的Drop-on-Demand Ink-jet Printing,1979年Canon推出Thermal的Drop-on-Demand Ink-jet Printing,但称为Bubble Ink-jet Printing。数字喷墨印刷技术真正的开端是1997年,1997年英国塞尔技术有限公司申请了一系列压电按需喷墨打印专利技术,随后日本精工爱普生株式会社也申请了一系列压电按需喷墨打印专利技术,10多年来随着电脑技术发展,数字喷墨打印技术得到了飞速发展。2007年英国塞尔技术有限公司推出Xaar 1001喷头,Xaar 1001喷头具备的三大独特特点使得喷墨技术成功应用于流水线性的工业化生产。
   西班牙Kerajet公司是陶瓷喷墨打印技术的先驱者,2000年Kerajet公司与爱尔法公司及福禄公司合作进入陶瓷喷墨打印机市场,由于西班牙对釉下彩抛光玉石产品的喜爱,使得陶瓷喷墨打印机很快得到应用。2006年由于喷墨打印喷头技术的进步,以Kerajet公司为领头羊的数字喷墨打印机开始在西班牙迅速发展。2007年,Xaar 1001喷头的成功亮相,又激发包括意大利、中国在内的众多陶瓷装备制造商和陶瓷产品制造商青睐。
   陶瓷喷墨打印技术作为一种数字化技术,在研究和应用领域也主要集中在装饰方面,在陶瓷产业结构调整的关键时期,陶瓷喷墨打印技术应该可以作为撬起产业朝“资源化、低碳化、数字化、个性化、功能化、智能化”发展的支点。
  
  2 陶瓷墨水的研究现状
  
   国外陶瓷墨水的研究起始较早,2000年世界第一台工业使用的陶瓷装饰喷墨打印机问世,打印机是由美国FERRO公司开发的Karejet系统,墨水也是由FERRO公司与赛尔公司联合研制的陶瓷墨水。2000年1月7日,FERRO公司向美国专利商标局提交了一份名为《用于陶瓷釉面砖(瓦)和表面彩色喷墨印刷的独特油墨和油墨组合》的专利,该专利阐述了陶瓷墨水的制作方法技术,为陶瓷喷墨打印技术奠定了基础。2006年以后,陶瓷墨水在西班牙得到了较好的发展,到目前为止,除了西班牙FERRO公司外,西班牙的ESMALGLASS.ITACA、CHIMIGRAF、COLORBBIA、 TORRECID四家公司也是陶瓷装饰墨水的主要制造商。
   国内陶瓷墨水的研究始于2000年,近年来形成了天津大学、南昌航空工业大学、大连理工大学、陕西科技大学和华南理工大学五所研究团队,发表研究论文32篇。尤其是天津大学研究团队发表论文11篇,出现了杨正方、郭瑞松等一批专家。企业研究方面出现了广东佛陶集团股份有限公司、道氏制釉、华山制釉、科信达奥斯博、博奥科技、鹰牌陶瓷等公司,获得3个发明专利,尤其是道氏制釉已经获得2个专利。尽管如此,陶瓷墨水在国内仍处于研究阶段,离真正产业化还有一定的距离。2011年广州陶瓷工业展览会已有国产陶瓷墨水展出。
   综观国内外情况,陶瓷墨水目前主要集中在个性化装饰领域,对于建筑陶瓷功能化、智能化的应用研究尚不多见。陶瓷墨水的制造方法主要有分散法、溶胶凝胶法、反相乳相法。在这三种加工方法中,溶胶凝胶法由于制造工艺造价高、原料昂贵、溶胶不稳定而受到限制;反相乳相法由于制得的墨水固含量低,需解决其技术问题;分散法由于颗粒度较大,需要解决墨水的稳定性问题。如何解决墨水的固含量、稳定性及成本问题是今后研究的重点。在色系中,红色主要是铈镨红、铬铝红、锰铝红、钴镁红、铁锆红等;青色主要是钴镍铝;黄色主要为钒锆黄、铬钛黄等;黑色主要为钴镍铁黑;此外还有白色和透明色。而整个陶瓷墨水可分为水性溶剂、高分子助剂、着色剂和釉料四部分。陶瓷墨水生产销售情况如表1所示。
  
  3 陶瓷墨水的技术特点
  
   喷墨打印技术在陶瓷上的应用关键在于陶瓷墨水的制备。所谓陶瓷墨水就是含有某种陶瓷釉料成分、陶瓷色料或陶瓷着色剂的墨水。陶瓷墨水的组成和性能与打印机的工作原理和墨水用途有关,它通常由无机非金属颜料(色料、釉料)、溶剂、分散剂、结合剂、表面活性剂及其它辅料构成。无机非金属颜料是墨水的核心物质,要求颗粒度小于1μm,颗粒尺寸分布窄,颗粒之间不能团聚,有良好的稳定性,受溶剂等其它物质的影响小。溶剂是把无机非金属颜料从打印机输送到受体上的载体,同时要控制好干燥时间、墨水粘度、表面张力等不随温度变化而改变。溶剂一般采用水溶性有机溶剂,如醇、多元醇、多元醇醚和多糖等;分散剂是帮助无机非金属颜料均匀地分布在溶剂中,并保证在喷印前粉料不发生团聚。它的主要成分是一些水溶性和油溶性高分子类、苯甲酸及其衍生物、聚丙烯酸及其共聚物等;结合剂是保障打印的陶瓷坯体或色料具有一定的强度,便于生产操作,同时可调节墨水的流动性能,通常树脂能起到结合剂和分散剂的双重作用。表面活性剂是控制墨水的表面张力在适合的范围内;其它辅助材料主要有墨水pH值调节剂、催干剂、防腐剂等。
   陶瓷墨水的性能要求除普通墨水的颗粒度、粘度、表面张力、电导率、pH值外,根据陶瓷应用特点还要求一些特殊性能。
  (1) 要求陶瓷粉料(色剂)在溶剂中能保持良好的化学和物理稳定性,经长时间存放,不会发生化学反应和颗粒团聚沉淀。
  (2) 要求在打印过程中,陶瓷色料颗粒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,以便煅烧后具有较高的烧结密度。
  (3) 要求打印的色剂具有高温烧成后稳定和良好的呈色性能以及与坯釉的匹配性能。
  表2是陶瓷墨水的一般性能。目前,由于采用按需喷墨工艺,对电导率要求不高,但如果采用连续喷墨工艺,对电导率就会要求较高。当然墨水与喷头材料的适应性、喷头材料和孔径及压电特征等决定了陶瓷墨水的技术特征。
  
  4 陶瓷墨水的未来发展趋势
  
  4.1特殊陶瓷墨水及陶瓷墨水加工技术
   传统陶瓷墨水在亮度强度、彩色范围、印刷质量、均匀性和稳定性等方面还有许多问题需要研究。陶瓷墨水喷墨时要求墨滴小、喷墨快、墨滴可变能实现8级灰度,因为这些方面决定陶瓷墨水的流速、粘度与比重等物理参数,低比重决定了墨水的高亮强度,研究高强度发色色料是今后的重要课题。
  尽管目前已经研发出11种陶瓷墨水,陶瓷墨水的彩色范围仍较窄,绚艳的红色色系、黄色色系和黑色色系陶瓷墨水仍极少见,制约了陶瓷墨水在陶瓷砖装饰上的应用。此外,陶瓷墨水的加工技术具有局限性,如分散法虽然色系较多、彩色范围较广、成本较低,但由于其颗粒度较大,陶瓷墨水的稳定性问题仍有待探索。研究陶瓷墨水加工方法和在亮度强度、彩色范围、印刷质量、均匀性和稳定性上有明显优势的产品仍是未来陶瓷墨水开发的主要方向。
  4.2功能性陶瓷墨水
   功能化是传统建筑陶瓷产业升级的必经之路。陶瓷墨水本身已经接近纳米结构,利用纳米技术的功能性特征升级传统建筑陶瓷,如开发高强保温砖、抗菌陶瓷砖、抗静电陶瓷砖、抗辐射陶瓷砖、光伏发电陶瓷砖、光伏发光陶瓷砖等功能性陶瓷产品。利用喷墨技术将功能性的陶瓷墨水打印在陶瓷砖上,实现传统陶瓷的“资源化、低碳化、数字化、个性化、功能化”。从装饰到功能,喷墨打印的“数字化、节约化”理念应该是传统陶瓷融入“两型社会”的必由途径。
  4.3智能性陶瓷墨水
   感应陶瓷是实现家居环境智能控制的前提,未来智能陶瓷墨水将集中在“热、压、气、湿、光、辐射”六方面敏感功能上。未来家居和城市热的调控除了依靠功能陶瓷以外,还要靠智能陶瓷对热的检测和智能调控。除此之外,城市噪音、城市或家居空气环境包括热污染、气体污染、噪声污染、湿度污染、光污染和辐射污染均可以通过智能陶瓷传感器和物联网传播控制。当然,智能陶瓷在生产控制、物流管理、远程医疗检测中也是必不可少的,智能时代少不了智能陶瓷墨水的妆点。
  
  5 结 论
  
   笔者认为,今后陶瓷墨水的发展将依照以下三个方向开展。
   (1) 完善陶瓷墨水在亮度强度、彩色范围、印刷质量、均匀性和稳定性等方面的工艺需求,降低成本,稳定生产;
  (2) 推进建筑陶瓷在高强保温、抗菌、光伏、抗静电、抗辐射方面的升级转化,满足市场对建筑陶瓷功能化的需求;
  (3) 通过诸如“热、压、气、湿、光、辐射”六方面敏感功能墨水对建筑陶瓷的智能妆点,实现智能时代智能陶瓷的价值。
  
  参考文献
  [1] 林伟,韩复兴.陶瓷数字喷墨打印技术对我国建筑陶瓷未来发展的影响[J].陶瓷,2011(5).
  [2]周振君.陶瓷喷墨打印成形技术进展[J].硅酸盐通报,2000(6).
  注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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