陶瓷噴墨色料的生產及其工藝探討

摘要：噴墨打印技術在陶瓷上的應用關鍵在于陶瓷墨水的制備，本文分析了目前陶瓷噴墨墨水的研究現狀，并結合墨水的特性從生產的角度對陶瓷噴墨墨水相關的技術指標提出了要求。

關鍵詞： 陶瓷噴墨 陶瓷墨水 溶劑

1 前言

陶瓷噴墨打印是陶瓷行業一個重大的技術革命，噴墨打印技術的工業化使陶瓷行業產生新的市場機遇。隨著噴墨技術在工業化生產中的不斷拓展，噴墨打印技術開始進入建筑陶瓷裝飾市場，它必將是未來建筑衛生陶瓷市場發展的趨勢。

2000年世界第一臺工業使用的陶瓷裝飾噴墨打印機是由美國FERRO公司開發的Kerajet系統，陶瓷墨水是由FERRO公司與賽爾公司聯合研制的。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)和表面的彩色噴墨印刷的獨特的油墨和油墨組合》的專利，該專利闡述了陶瓷墨水的制作方法，為陶瓷噴墨打印技術奠定了良好的基礎。2006年以后，陶瓷墨水在西班牙得到了很好的發展，到目前為止，除了美國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生產商。

目前，國內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裝備，并隨后相應推出了數字化陶瓷產品。相信陶瓷噴墨打印設備的國產化和陶瓷墨水的研制，將在今后一段時間內成為陶瓷行業技術人員的攻關重點。

2 國內陶瓷噴墨設備及墨水的研究現狀

目前，我國的陶瓷噴墨打印機和相關的配套設備和墨水國產化都開始進入工業化階段。2011年廣州陶瓷工業展覽會上，國內的色料行業龍頭企業萬興公司發布并展出了自己的陶瓷噴墨墨水系列產品，代表著國內陶瓷墨水已進入工業化生產狀態。在國產陶瓷噴墨打印機方面，早在2008年，希望陶瓷機械設備有限公司就推出了噴墨打印機，并在2009年廣州陶瓷工業展上亮相，上海泰威技術發展有限公司緊隨其后，于2010年年底推出噴墨打印機設備。目前，新景泰、泰威(科達代理)、美嘉、科越、希望、彩神、精陶已經分別推出了噴墨設備。其中，新景泰推出全套噴墨打印機設備；希望機械推出數碼彩噴印花機(350/4、420/4、700/4、1050/4、350/4-6、420/4-6、700/4-6、1050/4-6)、X-Y700、X-Y1350的寬幅數碼噴墨印花機；深圳市潤天智圖像技術有限公司“彩神”推出高速陶瓷數碼噴墨印花系統；佛山市美嘉陶瓷設備有限公司推出數碼嘉年華噴墨打印機，產品已被金舵陶瓷訂購；佛山市科越陶機推出專利產品—KM46BZD型噴墨打印機；廣東精陶機電推出平臺直噴型陶瓷噴墨打印機。上海泰威作為國內自行開發、自主生產噴墨打印設備全套技術的企業，推出了最新產品“陶印大師TeckVersa系列瓷磚噴墨打印機”。

2004年以后，國內研究機構開始投入到陶瓷墨水的研究中，在學術派方面主要代表有天津大學、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等研究團隊，共發表論文32篇，其中天津大學團隊在學術上形成了楊正方、郭瑞松等一批專家。同時部分企業，如廣東佛陶集團股份有限公司、江門道氏制釉、華山制釉、科信達奧斯博、博奧科技、鷹牌陶瓷等公司也投入到陶瓷噴墨墨水的國產化研究中，并取得3個發明專利，江門道氏標準制釉公司已獲得其中的2個專利。

3 陶瓷噴墨色料的技術要求及制備工藝

陶瓷噴墨打印技術發展分兩個階段：（1）在2000~2006年間，噴墨系統只有可溶性墨水，可溶性墨水的色彩范圍窄、穩定性差、成本高，制約了產品的發展；（2）隨著顏料墨水的技術進步，噴墨系統發生了質的飛躍，噴墨打印系統可以打印市場上的許多常規顏色，而且價格也具有競爭力。這種技術的飛躍影響到其圖案設計，并帶動更多的新設備廠家進入市場，將一些新元素引入到新的色彩制作中。

目前，陶瓷墨水的制造方法有：溶膠—凝膠法、反相乳相法和分散法。溶膠—凝膠法由于制造工藝所需成本較高、溶膠穩定性差而受到限制；反相乳相法由于制得的墨水含量低，許多技術問題還有待進一步解決；分散法卻由于顆粒度較大，需要進一步解決墨水的穩定性問題。

3.1陶瓷噴墨墨水的技術要求

噴墨打印技術在陶瓷上的應用關鍵在于陶瓷墨水的制備。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。陶瓷墨水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，陶瓷噴墨墨水要求具備以下特性：

（1）陶瓷粉體在溶劑中能保持良好的化學和物理穩定性，不會出現化學反應和顆粒團聚現象；

（2） 在打印過程中，陶瓷粉體顆粒在短時間內能以最有效的堆積結構排列，牢固附著，獲得較大密度的打印層，以便煅燒后獲得較高的燒結密度；

（3）打印的色劑高溫燒成后具有良好的呈色性能以及與坯釉的匹配性能。

除了核心的發色之外，墨水的介質也是核心關鍵技術之一。介質的功能相當于傳統的釉料作用，介質以溶劑的形式把色料粉體從打印機輸送到載體上，同時控制干燥時間。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。高分子分散劑是幫助色料粉體均勻地分布在溶劑中，并保證在打印前粉料不發生團聚。類似于傳統花釉中使用的CMC和STTP添加劑，同時還可以起到調節墨水流動性能的作用。表面活性劑控制墨水的表面張力在適合的范圍內。輔助性材料有墨水pH值調節劑、催干劑、防腐劑等。陶瓷噴墨墨水的性能要求如表1所示。

3.2陶瓷噴墨墨水對色料的要求

目前，市場上常見的陶瓷坯釉用色料細度要求過325目篩，篩余在0.3左右，輥筒印花色料細度為325目全通過。由此可見，傳統印花使用的色料對細度要求不高，但要達到噴墨墨水的技術要求，陶瓷色料細度需<1 μm。通過試驗，可研究色料粒徑對產品發色的影響狀況。試驗采用熔塊的化學組成如表2所示，把不同細度的鋯譜黃色料和寶石藍色料分別加入到熔塊中，其發色情況見表3~4。

實驗表明，傳統的陶瓷色料的粒徑對發色的影響較大，鋯系色料存在結構不穩定和飽和度不夠等問題。隨著粒徑的減小，在釉料中的發色飽和度明顯降低，黃度值隨著降低；寶石藍色料對于粒徑影響較小，隨著粒徑的減小，發色飽和度反而更好。因此，陶瓷噴墨墨水必須具備超強的發色飽和度和穩定性。

目前，在陶瓷色料結構體系中，尖晶石結構的色料具有高溫化學穩定性，如鈷藍系列、棕黃系列和黑色系列，而且尖晶石結構色料的細度越小飽和度反而越好。因此，噴墨墨水最好選擇尖晶石等結構類型的陶瓷色料。

3.3噴墨色料的加工設備及其制備工藝

傳統的陶瓷色料用于加工的設備主要有研磨機和球磨機兩大類型。研磨機是以剛玉質球石為介質，加工工藝簡單，產品的外觀顏色較差。球磨機的球磨工藝相對復雜，需要后期的烘干工序，制造成本相對較高，但生產的色料品質相對較穩定，發色較鮮艷。

當前的加工設備和工藝根本無法滿足噴墨墨水對陶瓷色料細度的要求。因此細度問題是當前需要解決的首要問題。在2011年的廣州陶瓷工業展覽會上，已有廠家展示納米級加工的機械設備，其中主要有蒸汽氣流磨和水球磨兩大類型的設備。蒸汽氣流磨是以過熱蒸汽作為介質，通過環形超音速噴嘴加速成高速氣流，帶動物料加速，相互碰撞導致物料粉碎。粉碎后的物料經過渦輪氣流分級機分級，合格粉體進入收集系統，不合格物料返回粉碎機繼續粉碎。整個系統蒸汽保持過熱狀態，在全干法狀況下進行生產。蒸汽氣流磨型號及加工效率如表5所示。

另外，深圳某廠家展出的高壓球磨機，其原理為在高壓環境下進行高強硬度的濕法球磨，可以進行粉體納米級加工。秦皇島市太極環納米公司可承接粉體材料納米化加工處理，加工粉碎的平均粒徑在100~300nm（6~18萬目），使用的設備是純物理機械法制備的納米材料，分為干法和濕法加工。其設備的特點是不但可以粉碎物料，而且使粉末和溶液達到均勻分散及乳化的功能。

4 陶瓷噴墨墨水當前存在的問題和發展前景

目前陶瓷墨水在發色、色彩色調、打印質量、物理化學穩定性等方面還存在一些問題。如發色強度，由于陶瓷墨水噴墨時要求墨滴小，小至4pl~6pl；噴墨快，其頻率為6kHz；墨滴可變，決定陶瓷墨水的流速、粘度與比重等物理參數；墨水的比重決定產品的發色程度，比重過低導致產品可調明暗值降低。另外，陶瓷墨水的顏色系統還不夠豐富，目前已經有11種陶瓷墨水推出，但是紅色色系、黃色色系和黑色色系陶瓷墨水仍然極少見，較窄的彩色范圍陶瓷墨水也是制約陶瓷磚裝飾應用的根本因素。

陶瓷墨水的加工方法、發色強度、顏色系統、噴墨效率、穩定性等方面是未來陶瓷墨水開發的主題方向。由于陶瓷墨水加工技術的局限性，如分散法雖然色系較多、色彩范圍較廣、成本較低，但由于其顆粒度較大，陶瓷墨水穩定性差等問題還有待進一步解決；而溶膠凝膠法粒度較小，但穩定性差和生產成本高，又略顯不足；反相乳相法在粒度、固含量上都較溶膠—凝膠法略好，但穩定性也并非十分理想。因此，選擇一種能保證產品品質和提高生產效率的低成本墨水生產工藝是十分必要的。

5 結語

陶瓷噴墨打印技術是未來陶瓷行業發展的必然趨勢。目前國內在噴墨墨水和噴墨機械設備上已經取得長足的發展，但陶瓷噴墨打印的核心技術與國外還存在一定的差距。市場上所謂的國產設備，其核心技術仍然引自于外國。因此，必須抓住機遇盡快消化和掌握陶瓷噴墨色料和打印噴頭的生產制造技術。

噴墨打印在產量上無法跟傳統的絲網、（下接第29頁）輥筒印花相比，尤其是在大規格瓷磚的生產上。在現今的國內市場上，噴墨陶瓷以高端產品的光環而獲得好評。許多大型企業不惜高成本引入國外先進設備，爭相占領市場先機。而隨著噴墨陶瓷的神秘面紗逐步褪去，更多的中小型企業加入其中，噴墨陶瓷的高端形象遲早會崩塌，噴墨產品在“價格戰”的國內市場，其前景也是不容樂觀的。

參考文獻

[1] 新浪家居，http://jiaju.sina.com.cn.

[2] 陶城報資訊網，http://china.toocle.com.

[3] 慧聰印刷網，http://info.printing.hc360.com.

[4] 百度百科，http://baike.baidu.com.

[5] 中國納米網，http://www.cnnami.com.