噴墨打印技術(shù)與陶瓷墨水的制備

摘 要 本文介紹了噴墨打印技術(shù)并從組成、性能和制備方法方面對噴墨打印用陶瓷墨水進(jìn)行了概述。

關(guān)鍵詞 噴墨，打印，墨水，陶瓷

1噴墨打印技術(shù)在陶瓷工業(yè)中的應(yīng)用

噴墨打印是非接觸打印過程，是將小墨滴從直徑為數(shù)十微米的噴嘴噴出，以每秒數(shù)千滴的速度沉積在載體上。目前，打印機(jī)的工作類型有兩種：需求噴墨打印機(jī)和連續(xù)噴墨打印機(jī)。噴墨打印頭有三類：一是使用壓電陶瓷元件將機(jī)械振動轉(zhuǎn)變成墨水壓力波從而排出墨滴的系統(tǒng)；二是使墨水驟然加熱產(chǎn)生氣泡，通過氣泡壓力波排出墨滴的系統(tǒng)；三是吸取墨水并通過靜電力使其定向飛揚(yáng)的系統(tǒng)。

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展與普及，噴墨打印技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于辦公室文件打印、戶外廣告噴繪、數(shù)碼照片沖印、紡織品噴墨印花等各個領(lǐng)域，而在陶瓷工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用則剛開始不久，主要有以下兩方面：陶瓷制品裝飾和陶瓷成形。陶瓷制品裝飾是將陶瓷色料制成多色墨水，通過計算機(jī)控制的打印機(jī)將其直接打印到陶瓷表面進(jìn)行裝飾，該技術(shù)已實用化。其優(yōu)勢在于可充分利用計算機(jī)的豐富資源，通過軟件信號可即時改變裝飾設(shè)計，提高了新產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)效率，同時可依靠計算機(jī)方便地制作復(fù)雜圖案，提高裝飾效果。陶瓷成形用噴墨打印是將待成形的陶瓷粉料制成陶瓷墨水，通過打印機(jī)將這種陶瓷墨水直接打印到載體上成形，成形體的形狀及幾何尺寸由計算機(jī)控制，該技術(shù)仍處于研發(fā)階段。陶瓷噴墨打印成形技術(shù)可應(yīng)用于固體氧化物電池的制造、多層顯微電路制造、結(jié)構(gòu)或壓電有序陶瓷復(fù)合材料制備以及小體積高復(fù)雜的整體陶瓷元件的制造等。

2陶瓷墨水的組成與性能

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坯料、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)。陶瓷墨水通常由陶瓷粉料（色料、著色劑）、溶劑、分散劑、結(jié)合劑、表面活性劑及其它輔料構(gòu)成。陶瓷粉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；溶劑是把陶瓷粉料從打印機(jī)輸送到受體上的載體，同時又控制著干燥時間，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；分散劑是幫助陶瓷粉料（色料）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，同時可調(diào)節(jié)墨水的流動性能。通常樹脂能起到結(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。

對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)要求陶瓷粉料在溶劑中能保持良好的化學(xué)和物理穩(wěn)定性，長時間存放也不會出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)變化和顆粒團(tuán)聚沉淀；(2)要求在打印過程中，陶瓷粉料顆粒能在短時間內(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，以便煅燒后獲得較高的燒結(jié)密度；(3)要求打印的色劑高溫?zé)珊缶哂辛己玫某噬阅芤约芭c坯釉的匹配性能。陶瓷墨水的一般性能要求如下表所示。

3陶瓷墨水的制備

目前制備陶瓷墨水的方法主要有分散法、溶膠法和反相微乳液法。按原料的起始狀態(tài)，陶瓷（色料）超細(xì)粉體的制備方法可分為固相法、液相法和氣相法三大類。

3.1固相法

固相法的特點(diǎn)是設(shè)備簡單、操作方便，但所得粉體純度不高，粒度分布較大。固相法主要有機(jī)械粉碎法和固相反應(yīng)法兩類。機(jī)械粉碎法可利用高能球磨機(jī)加工超細(xì)粉體。固相反應(yīng)法又有燃燒法和熱分解法之分：燃燒法是指把金屬鹽或金屬氧化物按配方充分混合、研磨后進(jìn)行煅燒，發(fā)生固相反應(yīng)后，直接或通過研磨得到陶瓷超細(xì)粉體；熱分解法是利用金屬化合物的熱分解來制備陶瓷超細(xì)粉體。

3.2液相法

液相法是目前實驗室和工業(yè)上廣泛采用的制備陶瓷超細(xì)粉體的方法。其基本原理是：選擇一種或多種合適的可溶性金屬鹽類，按所制備的材料組成計量配制成溶液，使各元素呈離子或分子狀態(tài)，再選擇一種合適的沉淀劑或用蒸發(fā)、升華、水解等操作，使金屬離子均勻沉淀或結(jié)晶出來，最后將沉淀或結(jié)晶出來的物質(zhì)脫水或加熱分解而得到超細(xì)的陶瓷粉體。液相法中主要有沉淀法、水熱法、溶膠-凝膠法和水解法。沉淀法是利用生成沉淀的液相反應(yīng)來制備陶瓷超細(xì)粉體；水熱法是通過高溫高壓在水溶液或蒸汽中合成物質(zhì)，再經(jīng)分離和熱處理得到陶瓷超細(xì)粉體；溶膠-凝膠法是利用金屬醇鹽的水解和聚合反應(yīng)制備金屬氧化物或金屬氫氧化物的均勻溶膠，然后利用溶劑、催化劑、配合劑等將溶膠濃縮成透明凝膠，凝膠經(jīng)干燥、熱處理得到陶瓷超細(xì)粉體；水解法是利用化合物的水解反應(yīng)產(chǎn)物（氫氧化物或水合物沉淀），經(jīng)過濾、干燥、煅燒等工序得到超細(xì)粉體。

3.3氣相法

氣相法是直接利用氣體，或者通過各種手段將物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理變化或化學(xué)反應(yīng)，最后在冷卻過程中凝聚長大形成超細(xì)微粒的方法。用該法可制備純度高、顆粒分散性好、粒徑分布窄、粒徑小的陶瓷超細(xì)粉體。

4國內(nèi)外開發(fā)應(yīng)用狀況

近幾年，國內(nèi)已有單位從事噴墨打印用陶瓷墨水的研究與開發(fā)，發(fā)表了一些研究論文。主要研究單位與代表性的相關(guān)論文有：天津大學(xué)的“Sol-Gel法制備連續(xù)式噴墨打印用彩色陶瓷墨水的理化性能\"、“反相微乳液法制備高濃度ZrO₂陶瓷墨水\"、“BaTiO₃陶瓷墨水的制備與性能\"；南昌航空工業(yè)學(xué)院的“噴打用藍(lán)色及紅色陶瓷表面裝飾墨水的制備與性能\"；陜西科技大學(xué)的“反相微乳液法制備陶瓷裝飾用彩噴墨水\"；大連理工大學(xué)的“Al2O₃陶瓷墨水的乳化分散制備工藝\"；中國地質(zhì)大學(xué)的“納米氧化鋯陶瓷墨水的制備\"等。目前，公開的與陶瓷墨水制備相關(guān)的中國專利申請有：美國費(fèi)羅公司的“用于陶瓷釉面磚（瓦）和表面的彩色噴墨印刷的獨(dú)特油墨和油墨組合\"（00818261.2）；中國科學(xué)院化學(xué)研究所的“一種無機(jī)顏料水溶膠及制備方法和應(yīng)用\"（200410001432.0）等。

世界上第一臺工業(yè)使用的陶瓷裝飾噴墨打印機(jī)是由美國FERRO公司開發(fā)成功的KERAjet系統(tǒng)，如圖所示。它使用20個賽爾XJ500工業(yè)打印頭，能在陶瓷片上以180dpi的分辨率進(jìn)行100%邊緣到邊緣的打印，實現(xiàn)有光澤或無光澤的裝飾打印。它使用FERRO公司與賽爾公司聯(lián)合研制的特殊配方的陶瓷墨水，高質(zhì)量的打印頭即使在多塵的工業(yè)環(huán)境中也能取得良好的打印效果，開拓了陶瓷打印市場的新天地。

目前，陶瓷墨水在實際應(yīng)用中存在的問題有：（1）由于陶瓷墨水制備技術(shù)涉及多個高新技術(shù)領(lǐng)域，研發(fā)難度大，故可以商品化的陶瓷墨水品種還很少；（2）對不同種類的產(chǎn)品，需要研發(fā)相應(yīng)專用的噴墨打印機(jī)器，這使陶瓷墨水的應(yīng)用受到一定限制；（3）生產(chǎn)成本較高。

隨著噴墨打印機(jī)器和陶瓷墨水制造加工技術(shù)的日益完善和成熟，這種新技術(shù)、新設(shè)備將在陶瓷工業(yè)獲得廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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