陶瓷

陶瓷墨水的组成及稳定性超高的墨水

  国产陶瓷墨水近几年取得了快速的发展,并占据了国内主要市场。在陶瓷墨水快速发展和应用的同时,国产陶瓷墨水的性能和品质还需进一步提升。本文主要讲述陶瓷墨水的组成、制备及性能研究要点,着重讨论墨水制备工艺的技术要点以及墨水的性能指标对墨水使用时的影响,为陶瓷墨水性能的优化提供参考。


  关健词:喷墨打印。陶瓷墨水。数码打印。墨水


  1前言


  陶瓷喷墨打印技术是将超细陶瓷材料粉体制备成墨水,通过计算机控制,利用陶瓷喷墨打印机将墨水直接打印到建筑陶瓷的表面上进行装饰,该技术的采用显著提高了陶瓷的装饰效果(图案更精细、效果更逼真),更重要的是,将大大简化陶瓷的生产装饰工艺,减少生产过程中的污染和原材料消耗,也极大减少了陶瓷生产的能耗[1-3]。正是由于喷墨打印技术在生产过程中呈现的显著优势,近几年国产陶瓷墨水取得了快速的发展,并且迅速取代了进口墨水,占据了国内主要市场。但是国产墨水的性能和品质还需进一步提升,包括墨水发色的鲜艳度和稳定性,储存稳定性能和喷墨打印性能等等。基于目前陶瓷墨水的研发和使用现状,笔者从墨水的配方组成、制备工艺以及性能对陶瓷墨水使用过程的影响等方面做了简单的分析,希望对陶瓷墨水的生产和应用有所帮助。


  2陶瓷墨水的组成


  2.1陶瓷颜料


  陶瓷颜料是墨水的核心物质,要求其颗粒度小于1μm,颗粒尺寸分布要窄,颗粒之间不能有强团聚,并具有良好的稳定性,受溶剂等其它物质的影响小,通常有如下要求:1)陶瓷颜料在墨水中能保持良好的化学和物理稳定性,不会出现化学反应和颗粒团聚等现象。2)在喷墨打印过程中,陶瓷粉体颗粒在短时间内能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,煅烧后获得较高的烧结密度。3)打印的墨水在高温烧成后具有良好的呈色性能以及与坯釉的匹配性能。


  2.2溶剂


  在陶瓷墨水中,溶剂占了50%以上质量,它的性能直接影响着墨水的使用效果。溶剂的结构组成、极性、沸点、粘度、表面张力等影响着墨水的性能和生产的稳定性。同时,溶剂的环保性也直接影响着陶瓷墨水对环境的友好性,主要体现在不含有毒性物质和可挥发物voc的减少。陶瓷墨水对溶剂的主要要求是无毒无味、高沸点、高润湿性能,并且具有合适的表面张力。


  2.3分散剂


  分散剂具有调节陶瓷墨水的分散性及稳定性功能,使陶瓷颜料在溶剂中均匀分散,并保证在打印前不团聚。陶瓷墨水所用的分散剂主要是通过空间位阻来提高颗粒的稳定性,通常为超分散剂,它是一类新型、高效的聚合物型分散剂,它的分子结构中含有性能和功能完全不同的两个部分:一个是锚固基团,另一个是溶剂化基团。陶瓷墨水分散剂就是通过锚固基团的单点或多点锚固的形式吸附在颗粒的表面,而溶剂化基团则伸展于分散介质中,通过空间位阻效应对颗粒的分散起稳定作用[5,6]。


  2.4粘结剂


  粘结剂主要用于调整墨水的粘结性和成膜性能,同时还起到调节墨水粘度的作用。


  2.5表面活性剂和其它辅料


  表面活性剂和其他辅料如润湿剂、流平剂、消泡剂、防沉剂等主要用于调整陶瓷墨水的各项性能指标,如润湿性能、表面张力、气泡以及防沉性能等,用于提高陶瓷墨水的储存稳定性和打印性能。


  3陶瓷墨水的制备方法及技术要点


  3.1陶瓷喷墨颜料的制备技术要点


  陶瓷颜料是墨水的核心物质,它直接影响着墨水的稳定性能和使用效果。当陶瓷颜料制备成墨水后,颜料在溶剂中的化学和物理稳定性、打印过程中陶瓷颜料颗粒在短时间内能以最有效的堆积结构排列、和陶瓷颜料在超细化之后在高温烧成后的呈色性能等问题,都与陶瓷喷墨打印用颜料的制备工艺相关。


  以往陶瓷颜料的生产工艺简单、粗放,原料的混合均匀度很低,发色体的含量很低,而且晶型稳定性差。颜料在超细化之后发色会变得很浅,或者没有。因此陶瓷颜料的研究过程中需要解决如何使原料在烧成过程中反应更完全,制备的色料结晶度高、颜料晶体更稳定、发色强度更好,同时为了有利于色料的后续分散问题需要考虑对色料破碎至一定细度,并且利用表面活性剂对颜料进行表面处理。


  3.2陶瓷墨水的制备技术要点


  陶瓷墨水的制备过程可以分为两个部分,一是陶瓷色浆的制备,二是墨水性能的调节。陶瓷墨水的整个制备过程中,最关键的是陶瓷色浆的研磨。陶瓷色浆的制备路线如图1(a):选取合适的分散剂、溶剂和研磨树脂配成分散液,后加入陶瓷颜料进行预混合,使陶瓷颜料被充分润湿,后通过砂磨机研磨至所需粒径,得陶瓷色浆。通常控制颜料的粒径在300nm左右,最大粒径小于1μm。


  研磨设备的选型和研磨介质的选择以及相关的工艺参数是墨水制备过程中的关键因素,直接影响着色浆的研磨效率、研磨色浆的性能以及色浆生产的稳定性。通常研磨设备的内部结构设计和材质的选取对研磨工艺影响很大,正确的选择研磨设备及其工艺方法,是保证产品质量的重要环节,并且在节省能源、降低消耗、提高生产效率有着更广泛的意义。除此之外,研磨锆珠的光泽度、硬度、耐磨性、抗碎强度、球形度和粒径分布等性能对浆料的生产有着重要影响。因此在制备过程中需要研究这些参数对墨水性能的影响,通过对它们的控制来提高研磨效率,降低生产成本,实现陶瓷墨水中颗粒球形形貌的控制和窄细粒径分布。


  制备好色浆之后,下一步则需要将色浆调配成墨水,如图1(b)所示。在分散好的陶瓷色浆中加入润湿流平剂、消泡剂、防沉剂,并加入溶剂将墨水调节至所需的固含量和粘度,后用相应的滤芯过滤掉微量的大颗粒,得陶瓷墨水。然后对其粘度、表面张力、粒径分布、固含量和稳定性的各项指标进行测试,考察各项物理指标是否符合要求,进一步在墨滴观测仪上观察墨水喷墨墨滴的形状,以及在喷墨机上的打印测试性能,通过这一系列测试后才能得到合格的陶瓷墨水。


  4陶瓷墨水的理化性能对其使用过程的影响


  4.1粘度


  粘度影响墨水在墨盒中的流动性以及墨水的喷射性能。适当的粘度可确保墨水在墨路内循环流动顺畅,有利于墨水从喷口的喷出和墨滴的均匀形成[9,10]。陶瓷墨水的粘度指标也会随着墨盒以及喷嘴板表面的温度的改变而变化,粘度高低的不同对应的喷头工作电压也相应的发生变化,否则会引起喷孔喷射不稳定,容易出现断线、断墨的现象。同时粘度的高低也会影响墨滴的大小,影响喷墨产品的最终发色。


  4.2粒径分布


  由于喷头孔径和墨路系统的制约,墨水中的颜料颗粒必须足够细小,以保证喷墨的顺畅。为了避免存放和使用过程中的颗粒沉淀的出现,也要求颜料的颗粒细小。但是墨水的粒径大小和分布对墨水的性能影响很大,颜料颗粒的沉降速度与粒径平方成正比,颗粒越大,沉降速度越大,所以粒径是墨水控制的关键。粒径小可以降低墨水的沉淀,但是墨水的层色会减弱,粒径越大,墨水的发色越好,但是沉淀会增加,这是一个矛盾的现象。所以,墨水中颗粒的粒度分布区域要尽可能窄,这样发色也会稳定,发色强度也高,可以避免细小颜料颗粒带来的呈色减弱,和大颗粒打带来的沉淀,这是墨水制备过程中需要攻克的核心技术。


  4.3表面张力


  墨水的表面张力会影响墨水在坯体上的铺展性能和渗透性,以及墨滴在喷头上的积墨情况。适当的表面张力可以保证墨滴的均匀形成和不粘喷头,有助于喷墨的长期稳定。墨水的表面张力过大,当墨水飞出喷头时,容易出现墨滴拖尾的现象,造成拉线问题。若表面张力过小,墨水喷出时容易扩散,在空中分离,易产生卫星状墨滴,会使图案的清晰度和层次感降低,并随着时间的迁移,在喷嘴膜形成墨滴,造成挂墨,影响打印效果。


  4.4呈色


  所选用的颜料必须确保在超细颗粒的状态下具有良好的发色能力,要求选用的颜料在制备过程中反应完全,呈色晶体结晶度高。


  4.5墨水与喷头的匹配性


  陶瓷墨水和喷头的匹配性是比较重要的,如果墨水跟喷头不匹配,就会造成堵喷头,以及打印性能差等现象。在打印机墨路系统的相容性方面,要求墨水对喷头和墨路系统不会产生破坏性的损伤或形变,以及在不同工作温度下的挥发速度、触变性等性能需求。


  4.6墨水的储存稳定性能


  陶瓷墨水是一种固液悬浮体系,墨水中颜料的粒径在300nm左右,高固含并且低粘度,是一种热力学极不稳定体系。影响墨水稳定性的因素除了墨水本身的分散性能好坏之外,还与墨水温度、粘度、墨水的颗粒大小,颜料与溶剂的密度之差有关。所以墨水在配方及工艺设计时需要对上述因素进行考虑,尽量减少沉淀。通常墨水长时间静置都会出现沉淀,而沉淀有两种情况,一种通过摇床摇晃之后沉淀都可以摇开,这种为软沉底,另一种通过摇晃之后还有部分沉淀存在,这种为硬沉底,软沉底不会影响墨水的正常使用,硬沉底会影响墨水的有效固含,最终影响墨水的发色而导致色差。


  4.7墨水的干燥速率


  砖坯的温度,存放时间以及生产环境会影响砖坯的含水率,所以生产中砖坯含水率一直都在波动中,而含水率会影响陶瓷墨水的渗透性能,含水率低墨水渗透快,含水率高墨水渗透较慢。如果砖坯进窑炉前墨水还未干燥,会导致喷墨砖产品产生色差,因此墨水的干燥速率会影响墨水发色的稳定性。此外在生产大灰度瓷片时,墨水在砖坯表面干燥慢,会发生扩散,导致图案模糊,清晰度不高,快干墨水在瓷片上提高产品的清晰度较为明显。


  陶瓷墨水的生产和研发目前已经成为陶瓷工业中的常规产品,但是,由于多方面的原因,无论是国产的或者进口的陶瓷喷墨墨水,都有可能发生不可预测的问题。陶瓷墨水的稳定性要求在今天产品相对成熟的条件下,是最为重要的要求,在某种程度上,陶瓷墨水的稳定性是决定陶瓷产品竞争力的重要原素。


  墨水在陶瓷厂的应用


  陶瓷墨水的生产环节不多,但是涉及的各种材料和工艺参数很多,每一个参数如果控制不严,可能在普通的质检程序中没有看出有什么变化,但是到了不同机型和不同状态的喷墨机上,可能表现出完全不同的特性,为了生产出质量稳定,性能优越的产品,必须对所有相关环节进行严格的控制和管理。


  陶瓷墨水的生产涉及原材料,生产流程控制和管理,质量监控和售后调整服务方面。下面从各个方面谈一下陶瓷墨水超高稳定性的技巧。


  技巧一:高质量的原料供应是第一关口


  首先是原材料,陶瓷墨水的原材料为两大块:色料和溶剂分散剂等材料。其中色千公司的色料供应来自稳定的供货商,多数供货商和我们是长期的合作,色千公司的工程师也参与到色料的配方设定和生产过程和质量管控中,这是我们陶瓷墨水的起源,我们对色料的色度,粒度及电导率等指标有严格的控制,供应商经常认为我们对色料的要求可能是最最高的,对溶剂和分散剂等化工材料,我们目前还是坚持使用国外进口的溶剂和分散剂产品,虽然价格相对国内的价格较贵,但是其质量稳定性也是国产产品无法比拟的,经过长期对比,我们仍然是坚持使用高质量的原料供应,我们不仅对原料的纯度,含水率进行检验,还对成分进行红外,气相色谱-质镨检验。色千公司对到厂材料进行严格质量检测并和历史上的留样做对比,这是我们墨水质量稳定的第一个关口。


  技巧二:全自动化生产流程避免人为操作失误


  在生产环节上,我们建立和全自动化的墨水生产体系,可以根据订单和个性化要求,安排生产流程,所有重要的生产步骤均为电脑管控,特别是在墨水研磨生产环节上,可以实现无人控制和远程控制生产,包括溶剂和分散剂的自动称量,自动加料,粉体的自动称量和自动加料以及生产过程的变化控制和终点,均为中控室内全自动控制。能实现这个过程,首先是我们的原材料的高度一致性,同时,我们的生产设备和实验室的中试设备和实验设备均为同一个系列的国外netzsch供应,实验室获得的数据可以直接转换成大生产的数据,而且高质量生产的生产设备也保证了生产的稳定性,全自动的生产流程也避免了人为操作失误,这个是我们生产流程控制上最大的优点。


  技巧三:产品出厂前反复进行实际测试确保产品没有问题


  实验室和质量监控体系非常严格,包括马尔文粒度仪,柏立飞的粘度计和流变仪,sita动态表面张力仪以及各种实验室型的电炉,砂磨机,色度计,pall过滤器等为陶瓷墨水的各种性能指标的检测打下良好的基础,所有墨水在出厂前经过严格的检验,经窑炉烧成检验发色一致,我们实验室具备良好的试验型的陶瓷喷墨机,可以在厂内完成各种墨水的上机检测,对新上线的产品的试验在陶瓷厂上线之前,已经反复进行实际测试,确保产品出厂前没有任何问题。


  技巧四:高素质的售后人员减少不匹配带来的各种问题


  质量体系的另一个保证是高质素的售后人员,售后人员可以把我们公司的墨水产品的特性和优势发挥得淋漓尽致,特别是在一个新厂上线的时候,客户对我们墨水的特性尚不熟悉,这个时候,通过我们的售后人员,指导和协助客户避免发生一些不熟悉墨水特性而产生的小问题,而且我们的售后人员可以加快墨水产品和喷墨机之间的磨合,减少不匹配带来的各种问题。


  综上几点,从原材料、生产工序、检测流程、售后服务环节上,都建立了严格的质量标准,为陶瓷墨水的高质量稳定运行打下良好的基础。同时我们还在不断学习各个厂家的优点,进一步提高我们的墨水质量,共同为陶瓷行业的发展贡献自己的能力和产品。


编辑:丁涛