淺析陶瓷墨水的發展方向

摘 要：自2009年以來，華東地區和佛山地區的部分一線陶瓷品牌企業先后引進了陶瓷數字噴墨打印技術與裝備，數字化陶瓷產品推出以來，陶瓷噴墨打印技術和陶瓷墨水成為業內人士熱捧和熱研的對象。筆者根據自己的理解闡述陶瓷噴墨打印技術的未來發展方向，以供商榷。

關鍵詞：建筑陶瓷；數字化；功能化；智能化；噴墨打印技術；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，最早起源于1878年。1951年，Siemens公司申請了將液態墨水轉變成墨滴的技術專利，當時因為針、墨出現問題，效果不佳，直到1964年才正式進入實用階段。1964年研發出一種特殊設備，可以控制墨滴的大小及噴出的速率，這就是噴墨機的雛形。直到1967年，Hertz研發出連續式的噴墨印機，這就是目前在工業上使用的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。數字噴墨印刷技術真正的開端是1997年，1997年英國塞爾技術有限公司申請了一系列壓電按需噴墨打印專利技術，隨后日本精工愛普生株式會社也申請了一系列壓電按需噴墨打印專利技術，10多年來隨著電腦技術發展，數字噴墨打印技術得到了飛速發展。2007年英國塞爾技術有限公司推出Xaar 1001噴頭，Xaar 1001噴頭具備的三大獨特特點使得噴墨技術成功應用于流水線性的工業化生產。

西班牙Kerajet公司是陶瓷噴墨打印技術的先驅者，2000年Kerajet公司與愛爾法公司及福祿公司合作進入陶瓷噴墨打印機市場，由于西班牙對釉下彩拋光玉石產品的喜愛，使得陶瓷噴墨打印機很快得到應用。2006年由于噴墨打印噴頭技術的進步，以Kerajet公司為領頭羊的數字噴墨打印機開始在西班牙迅速發展。2007年，Xaar 1001噴頭的成功亮相，又激發包括意大利、中國在內的眾多陶瓷裝備制造商和陶瓷產品制造商青睞。

陶瓷噴墨打印技術作為一種數字化技術，在研究和應用領域也主要集中在裝飾方面，在陶瓷產業結構調整的關鍵時期，陶瓷噴墨打印技術應該可以作為撬起產業朝“資源化、低碳化、數字化、個性化、功能化、智能化”發展的支點。

2 陶瓷墨水的研究現狀

國外陶瓷墨水的研究起始較早，2000年世界第一臺工業使用的陶瓷裝飾噴墨打印機問世，打印機是由美國FERRO公司開發的Karejet系統，墨水也是由FERRO公司與賽爾公司聯合研制的陶瓷墨水。2000年1月7日，FERRO公司向美國專利商標局提交了一份名為《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，為陶瓷噴墨打印技術奠定了基礎。2006年以后，陶瓷墨水在西班牙得到了較好的發展，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。

國內陶瓷墨水的研究始于2000年，近年來形成了天津大學、南昌航空工業大學、大連理工大學、陜西科技大學和華南理工大學五所研究團隊，發表研究論文32篇。尤其是天津大學研究團隊發表論文11篇，出現了楊正方、郭瑞松等一批專家。企業研究方面出現了廣東佛陶集團股份有限公司、道氏制釉、華山制釉、科信達奧斯博、博奧科技、鷹牌陶瓷等公司，獲得３個發明專利，尤其是道氏制釉已經獲得２個專利。盡管如此，陶瓷墨水在國內仍處于研究階段，離真正產業化還有一定的距離。2011年廣州陶瓷工業展覽會已有國產陶瓷墨水展出。

綜觀國內外情況，陶瓷墨水目前主要集中在個性化裝飾領域，對于建筑陶瓷功能化、智能化的應用研究尚不多見。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高、原料昂貴、溶膠不穩定而受到限制；反相乳相法由于制得的墨水固含量低，需解決其技術問題；分散法由于顆粒度較大，需要解決墨水的穩定性問題。如何解決墨水的固含量、穩定性及成本問題是今后研究的重點。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。陶瓷墨水生產銷售情況如表1所示。

3 陶瓷墨水的技術特點

噴墨打印技術在陶瓷上的應用關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的工作原理和墨水用途有關，它通常由無機非金屬顏料（色料、釉料）、溶劑、分散劑、結合劑、表面活性劑及其它輔料構成。無機非金屬顏料是墨水的核心物質，要求顆粒度小于１μm，顆粒尺寸分布窄，顆粒之間不能團聚，有良好的穩定性，受溶劑等其它物質的影響小。溶劑是把無機非金屬顏料從打印機輸送到受體上的載體，同時要控制好干燥時間、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溶劑，如醇、多元醇、多元醇醚和多糖等；分散劑是幫助無機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生團聚。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；結合劑是保障打印的陶瓷坯體或色料具有一定的強度，便于生產操作，同時可調節墨水的流動性能，通常樹脂能起到結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；其它輔助材料主要有墨水pＨ值調節劑、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、電導率、pＨ值外，根據陶瓷應用特點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和物理穩定性，經長時間存放，不會發生化學反應和顆粒團聚沉淀。

（２） 要求在打印過程中，陶瓷色料顆粒能在短時間內以最有效的堆積結構排列，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密度。

（3） 要求打印的色劑具有高溫燒成后穩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，對電導率要求不高，但如果采用連續噴墨工藝，對電導率就會要求較高。當然墨水與噴頭材料的適應性、噴頭材料和孔徑及壓電特征等決定了陶瓷墨水的技術特征。

4 陶瓷墨水的未來發展趨勢

4.1特殊陶瓷墨水及陶瓷墨水加工技術

傳統陶瓷墨水在亮度強度、彩色范圍、印刷質量、均勻性和穩定性等方面還有許多問題需要研究。陶瓷墨水噴墨時要求墨滴小、噴墨快、墨滴可變能實現8級灰度，因為這些方面決定陶瓷墨水的流速、粘度與比重等物理參數，低比重決定了墨水的高亮強度，研究高強度發色色料是今后的重要課題。

盡管目前已經研發出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用。此外，陶瓷墨水的加工技術具有局限性，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，陶瓷墨水的穩定性問題仍有待探索。研究陶瓷墨水加工方法和在亮度強度、彩色范圍、印刷質量、均勻性和穩定性上有明顯優勢的產品仍是未來陶瓷墨水開發的主要方向。

4.2功能性陶瓷墨水

功能化是傳統建筑陶瓷產業升級的必經之路。陶瓷墨水本身已經接近納米結構，利用納米技術的功能性特征升級傳統建筑陶瓷，如開發高強保溫磚、抗菌陶瓷磚、抗靜電陶瓷磚、抗輻射陶瓷磚、光伏發電陶瓷磚、光伏發光陶瓷磚等功能性陶瓷產品。利用噴墨技術將功能性的陶瓷墨水打印在陶瓷磚上，實現傳統陶瓷的“資源化、低碳化、數字化、個性化、功能化”。從裝飾到功能，噴墨打印的“數字化、節約化”理念應該是傳統陶瓷融入“兩型社會”的必由途徑。

4.3智能性陶瓷墨水

感應陶瓷是實現家居環境智能控制的前提，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控除了依靠功能陶瓷以外，還要靠智能陶瓷對熱的檢測和智能調控。除此之外，城市噪音、城市或家居空氣環境包括熱污染、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網傳播控制。當然，智能陶瓷在生產控制、物流管理、遠程醫療檢測中也是必不可少的，智能時代少不了智能陶瓷墨水的妝點。

5 結 論

筆者認為，今后陶瓷墨水的發展將依照以下三個方向開展。

（1） 完善陶瓷墨水在亮度強度、彩色范圍、印刷質量、均勻性和穩定性等方面的工藝需求，降低成本，穩定生產；

（2） 推進建筑陶瓷在高強保溫、抗菌、光伏、抗靜電、抗輻射方面的升級轉化，滿足市場對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建筑陶瓷的智能妝點，實現智能時代智能陶瓷的價值。

參考文獻

[1] 林偉，韓復興.陶瓷數字噴墨打印技術對我國建筑陶瓷未來發展的影響[J].陶瓷，2011(5).

[2]周振君.陶瓷噴墨打印成形技術進展[J].硅酸鹽通報，2000(6).

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