淺析陶瓷墨水的發(fā)展方向

摘 要：自2009年以來，華東地區(qū)和佛山地區(qū)的部分一線陶瓷品牌企業(yè)先后引進(jìn)了陶瓷數(shù)字噴墨打印技術(shù)與裝備，數(shù)字化陶瓷產(chǎn)品推出以來，陶瓷噴墨打印技術(shù)和陶瓷墨水成為業(yè)內(nèi)人士熱捧和熱研的對(duì)象。筆者根據(jù)自己的理解闡述陶瓷噴墨打印技術(shù)的未來發(fā)展方向，以供商榷。

關(guān)鍵詞：建筑陶瓷；數(shù)字化；功能化；智能化；噴墨打印技術(shù)；墨水

1 引 言

噴墨印刷是一種無接觸、無壓力、無印版的印刷技術(shù)，最早起源于1878年。1951年，Siemens公司申請(qǐng)了將液態(tài)墨水轉(zhuǎn)變成墨滴的技術(shù)專利，當(dāng)時(shí)因?yàn)獒槨⒛霈F(xiàn)問題，效果不佳，直到1964年才正式進(jìn)入實(shí)用階段。1964年研發(fā)出一種特殊設(shè)備，可以控制墨滴的大小及噴出的速率，這就是噴墨機(jī)的雛形。直到1967年，Hertz研發(fā)出連續(xù)式的噴墨印機(jī)，這就是目前在工業(yè)上使用的Continuous Ink-jet Printing。1972年Siemens推出Piezoelectric（壓電式）的Drop-on-Demand Ink-jet Printing，1979年Canon推出Thermal的Drop-on-Demand Ink-jet Printing，但稱為Bubble Ink-jet Printing。數(shù)字噴墨印刷技術(shù)真正的開端是1997年，1997年英國塞爾技術(shù)有限公司申請(qǐng)了一系列壓電按需噴墨打印專利技術(shù)，隨后日本精工愛普生株式會(huì)社也申請(qǐng)了一系列壓電按需噴墨打印專利技術(shù)，10多年來隨著電腦技術(shù)發(fā)展，數(shù)字噴墨打印技術(shù)得到了飛速發(fā)展。2007年英國塞爾技術(shù)有限公司推出Xaar 1001噴頭，Xaar 1001噴頭具備的三大獨(dú)特特點(diǎn)使得噴墨技術(shù)成功應(yīng)用于流水線性的工業(yè)化生產(chǎn)。

西班牙Kerajet公司是陶瓷噴墨打印技術(shù)的先驅(qū)者，2000年Kerajet公司與愛爾法公司及福祿公司合作進(jìn)入陶瓷噴墨打印機(jī)市場(chǎng)，由于西班牙對(duì)釉下彩拋光玉石產(chǎn)品的喜愛，使得陶瓷噴墨打印機(jī)很快得到應(yīng)用。2006年由于噴墨打印噴頭技術(shù)的進(jìn)步，以Kerajet公司為領(lǐng)頭羊的數(shù)字噴墨打印機(jī)開始在西班牙迅速發(fā)展。2007年，Xaar 1001噴頭的成功亮相，又激發(fā)包括意大利、中國在內(nèi)的眾多陶瓷裝備制造商和陶瓷產(chǎn)品制造商青睞。

陶瓷噴墨打印技術(shù)作為一種數(shù)字化技術(shù)，在研究和應(yīng)用領(lǐng)域也主要集中在裝飾方面，在陶瓷產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵時(shí)期，陶瓷噴墨打印技術(shù)應(yīng)該可以作為撬起產(chǎn)業(yè)朝“資源化、低碳化、數(shù)字化、個(gè)性化、功能化、智能化”發(fā)展的支點(diǎn)。

2 陶瓷墨水的研究現(xiàn)狀

國外陶瓷墨水的研究起始較早，2000年世界第一臺(tái)工業(yè)使用的陶瓷裝飾噴墨打印機(jī)問世，打印機(jī)是由美國FERRO公司開發(fā)的Karejet系統(tǒng)，墨水也是由FERRO公司與賽爾公司聯(lián)合研制的陶瓷墨水。2000年1月7日，F(xiàn)ERRO公司向美國專利商標(biāo)局提交了一份名為《用于陶瓷釉面磚（瓦）和表面彩色噴墨印刷的獨(dú)特油墨和油墨組合》的專利，該專利闡述了陶瓷墨水的制作方法技術(shù)，為陶瓷噴墨打印技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。2006年以后，陶瓷墨水在西班牙得到了較好的發(fā)展，到目前為止，除了西班牙FERRO公司外，西班牙的ESMALGLASS.ITACA、CHIMIGRAF、COLORBBIA、 TORRECID四家公司也是陶瓷裝飾墨水的主要制造商。

國內(nèi)陶瓷墨水的研究始于2000年，近年來形成了天津大學(xué)、南昌航空工業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)、陜西科技大學(xué)和華南理工大學(xué)五所研究團(tuán)隊(duì)，發(fā)表研究論文32篇。尤其是天津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文11篇，出現(xiàn)了楊正方、郭瑞松等一批專家。企業(yè)研究方面出現(xiàn)了廣東佛陶集團(tuán)股份有限公司、道氏制釉、華山制釉、科信達(dá)奧斯博、博奧科技、鷹牌陶瓷等公司，獲得３個(gè)發(fā)明專利，尤其是道氏制釉已經(jīng)獲得２個(gè)專利。盡管如此，陶瓷墨水在國內(nèi)仍處于研究階段，離真正產(chǎn)業(yè)化還有一定的距離。2011年廣州陶瓷工業(yè)展覽會(huì)已有國產(chǎn)陶瓷墨水展出。

綜觀國內(nèi)外情況，陶瓷墨水目前主要集中在個(gè)性化裝飾領(lǐng)域，對(duì)于建筑陶瓷功能化、智能化的應(yīng)用研究尚不多見。陶瓷墨水的制造方法主要有分散法、溶膠凝膠法、反相乳相法。在這三種加工方法中，溶膠凝膠法由于制造工藝造價(jià)高、原料昂貴、溶膠不穩(wěn)定而受到限制；反相乳相法由于制得的墨水固含量低，需解決其技術(shù)問題；分散法由于顆粒度較大，需要解決墨水的穩(wěn)定性問題。如何解決墨水的固含量、穩(wěn)定性及成本問題是今后研究的重點(diǎn)。在色系中，紅色主要是鈰鐠紅、鉻鋁紅、錳鋁紅、鈷鎂紅、鐵鋯紅等；青色主要是鈷鎳鋁；黃色主要為釩鋯黃、鉻鈦黃等；黑色主要為鈷鎳鐵黑；此外還有白色和透明色。而整個(gè)陶瓷墨水可分為水性溶劑、高分子助劑、著色劑和釉料四部分。陶瓷墨水生產(chǎn)銷售情況如表1所示。

3 陶瓷墨水的技術(shù)特點(diǎn)

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釉料成分、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)，它通常由無機(jī)非金屬顏料（色料、釉料）、溶劑、分散劑、結(jié)合劑、表面活性劑及其它輔料構(gòu)成。無機(jī)非金屬顏料是墨水的核心物質(zhì)，要求顆粒度小于１μm，顆粒尺寸分布窄，顆粒之間不能團(tuán)聚，有良好的穩(wěn)定性，受溶劑等其它物質(zhì)的影響小。溶劑是把無機(jī)非金屬顏料從打印機(jī)輸送到受體上的載體，同時(shí)要控制好干燥時(shí)間、墨水粘度、表面張力等不隨溫度變化而改變。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；分散劑是幫助無機(jī)非金屬顏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。它的主要成分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(shí)可調(diào)節(jié)墨水的流動(dòng)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。

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（色劑）在溶劑中能保持良好的化學(xué)和物理穩(wěn)定性，經(jīng)長時(shí)間存放，不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和顆粒團(tuán)聚沉淀。

（２） 要求在打印過程中，陶瓷色料顆粒能在短時(shí)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，以便煅燒后具有較高的燒結(jié)密度。

（3） 要求打印的色劑具有高溫?zé)珊蠓€(wěn)定和良好的呈色性能以及與坯釉的匹配性能。

表2是陶瓷墨水的一般性能。目前，由于采用按需噴墨工藝，對(duì)電導(dǎo)率要求不高，但如果采用連續(xù)噴墨工藝，對(duì)電導(dǎo)率就會(huì)要求較高。當(dāng)然墨水與噴頭材料的適應(yīng)性、噴頭材料和孔徑及壓電特征等決定了陶瓷墨水的技術(shù)特征。

4 陶瓷墨水的未來發(fā)展趨勢(shì)

4.1特殊陶瓷墨水及陶瓷墨水加工技術(shù)

傳統(tǒng)陶瓷墨水在亮度強(qiáng)度、彩色范圍、印刷質(zhì)量、均勻性和穩(wěn)定性等方面還有許多問題需要研究。陶瓷墨水噴墨時(shí)要求墨滴小、噴墨快、墨滴可變能實(shí)現(xiàn)8級(jí)灰度，因?yàn)檫@些方面決定陶瓷墨水的流速、粘度與比重等物理參數(shù)，低比重決定了墨水的高亮強(qiáng)度，研究高強(qiáng)度發(fā)色色料是今后的重要課題。

盡管目前已經(jīng)研發(fā)出11種陶瓷墨水，陶瓷墨水的彩色范圍仍較窄，絢艷的紅色色系、黃色色系和黑色色系陶瓷墨水仍極少見，制約了陶瓷墨水在陶瓷磚裝飾上的應(yīng)用。此外，陶瓷墨水的加工技術(shù)具有局限性，如分散法雖然色系較多、彩色范圍較廣、成本較低，但由于其顆粒度較大，陶瓷墨水的穩(wěn)定性問題仍有待探索。研究陶瓷墨水加工方法和在亮度強(qiáng)度、彩色范圍、印刷質(zhì)量、均勻性和穩(wěn)定性上有明顯優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品仍是未來陶瓷墨水開發(fā)的主要方向。

4.2功能性陶瓷墨水

功能化是傳統(tǒng)建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)升級(jí)的必經(jīng)之路。陶瓷墨水本身已經(jīng)接近納米結(jié)構(gòu)，利用納米技術(shù)的功能性特征升級(jí)傳統(tǒng)建筑陶瓷，如開發(fā)高強(qiáng)保溫磚、抗菌陶瓷磚、抗靜電陶瓷磚、抗輻射陶瓷磚、光伏發(fā)電陶瓷磚、光伏發(fā)光陶瓷磚等功能性陶瓷產(chǎn)品。利用噴墨技術(shù)將功能性的陶瓷墨水打印在陶瓷磚上，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)陶瓷的“資源化、低碳化、數(shù)字化、個(gè)性化、功能化”。從裝飾到功能，噴墨打印的“數(shù)字化、節(jié)約化”理念應(yīng)該是傳統(tǒng)陶瓷融入“兩型社會(huì)”的必由途徑。

4.3智能性陶瓷墨水

感應(yīng)陶瓷是實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境智能控制的前提，未來智能陶瓷墨水將集中在“熱、壓、氣、濕、光、輻射”六方面敏感功能上。未來家居和城市熱的調(diào)控除了依靠功能陶瓷以外，還要靠智能陶瓷對(duì)熱的檢測(cè)和智能調(diào)控。除此之外，城市噪音、城市或家居空氣環(huán)境包括熱污染、氣體污染、噪聲污染、濕度污染、光污染和輻射污染均可以通過智能陶瓷傳感器和物聯(lián)網(wǎng)傳播控制。當(dāng)然，智能陶瓷在生產(chǎn)控制、物流管理、遠(yuǎn)程醫(yī)療檢測(cè)中也是必不可少的，智能時(shí)代少不了智能陶瓷墨水的妝點(diǎn)。

5 結(jié) 論

筆者認(rèn)為，今后陶瓷墨水的發(fā)展將依照以下三個(gè)方向開展。

（1） 完善陶瓷墨水在亮度強(qiáng)度、彩色范圍、印刷質(zhì)量、均勻性和穩(wěn)定性等方面的工藝需求，降低成本，穩(wěn)定生產(chǎn)；

（2） 推進(jìn)建筑陶瓷在高強(qiáng)保溫、抗菌、光伏、抗靜電、抗輻射方面的升級(jí)轉(zhuǎn)化，滿足市場(chǎng)對(duì)建筑陶瓷功能化的需求；

（3） 通過諸如“熱、壓、氣、濕、光、輻射”六方面敏感功能墨水對(duì)建筑陶瓷的智能妝點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)智能時(shí)代智能陶瓷的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文