建筑陶瓷激光印刷技術初探

郝小勇

(1 江蘇脒諾甫納米材料有限公司 江蘇 宜興 214221)(2 江蘇拜富科技有限公司 江蘇 宜興 214221)

前言

近30年以來，我國建筑衛生陶瓷得到迅速發展，建筑衛生陶瓷的裝飾技術也經歷了絲網印刷、膠輥印刷和噴墨印刷。噴墨印刷目前雖然已成為陶瓷墻地磚的裝飾技術的主流，但噴墨印刷也存在一定的缺陷：如噴頭數量多、磨損大、價格高和噴頭易堵塞等問題；同時墨水性能不穩定、沉淀和保質期過短等也是噴墨印刷不能回避的問題。對于無機非金屬材料的陶瓷產品來說，筆者認為噴墨印刷技術只是一個過渡，據觀察絲網印刷和膠輥印刷用的耗材是印油(油墨)，這種產品的粘度大，屬于無機非金屬材料，不易沉淀，相對在生產中容易控制。而噴墨印刷則不同，所用的是墨水，即屬水性，則液體性成分多固體性成分少，而液固容重差異又較大，也就必然產生沉淀。若要不沉淀一定要以很好的大分子有機化合物做“框架”把無機材料“架”起來，那樣會對噴墨印刷后在瓷磚表面的滲透性和滲透深度產生影響，同時要做到不沉淀，則成本一定很高。用溶膠-凝膠法生產陶瓷噴墨顏料和墨水，目前國內大生產很難實現，原因主要是生產成本高陶瓷廠很難接受，同時部分技術還不成熟，當然這樣制作的墨水也會產生沉淀，只是時間較用燒結法顏料生產墨水長很多。鑒于以上原因，很多研究人員在思考有沒有一種印刷技術來代替噴墨印刷，答案是有的，那就是激光印刷技術，只是目前還有一些技術難點需要解決。

1 從印刷技術的發展看激光印刷

印刷術是中國古代的四大發明之一，始于隋朝的雕版印刷，經宋仁宗時期畢升的發展、完善，發明了活字印刷，并由蒙古人傳至了歐洲，所以后人稱畢升為印刷術的始祖。中國的印刷術是人類近代文明的先導，為知識的廣泛傳播、交流創造了條件，為人類的進步作出了杰出貢獻。印刷術是活字版印刷，實際上就是一種拓印方法的延續。從拓印開始到雕版印刷再到絲網印刷，人類走過了2 000多年的歷史。20世紀70年代的中國還處于鉛字排版階段，圖像制版當時還處于照相分色階段，電子分色機剛開始引進，那時還沒有出現整頁拼版系統。從印刷來講，膠印發展較快，膠印機是當時一些展會上的主流產品。真正意義上的數字印刷出現在20世紀90年代中期，我國引進了第一臺數碼印刷機。

陶瓷的裝飾技術首先是從陶瓷花紙和工藝美術陶瓷開始，逐步擴展到日用陶瓷，進一步發展到建筑衛生陶瓷的。建筑陶瓷印刷由于起步較晚，因而直接開始應用的技術就是絲網印刷，這是同建筑陶瓷的平面結構密不可分的，后來發展到滾筒印刷，再就出現噴墨印刷。整個印刷技術和國內的紙張印刷技術基本相同。紙張印刷技術本世紀初還應用點針式打印機打印和復印兩種方式結合來完成，點針式打印機使用約3年基本上就完成了其歷史使命，從而進展到噴墨打印，紙張的噴墨打印使用時間也不長，3～5年就被激光打印所替代?，F在紙張印刷幾乎全部采用激光打印機與激光復印機結合的方式。

激光印刷的工具就是激光印刷機和激光需要打印的內容轉換成數據序列形式的原始圖像，將這些原始圖像轉換成光電信號用數據傳送給打印機。打印機中的微處理器將這些數據破譯成點陣的圖樣，直接送到激光發生器，激光發生器根據圖樣的內容迅速作出開與關的反應，把激光束投射到經過充電的旋轉鼓上，鼓的表面凡是被激光照射到的地方電荷都被釋放掉，沒有照射到的地方仍然帶有電荷，通過帶電電荷吸附的碳粉轉印在紙張上，即完成印刷。

2 激光印刷陶瓷產品的可能性

從平面紙張印刷技術的發展來看，膠輥印刷的歷史不算很長(有70年左右)，計算機輔助的點針式打印機應用的時間更短(不到5年)，再后來的噴墨打印也持續的時間較短，很快就被激光印刷取代。由于激光打印具有速度快、清晰、墨粉用量少等特點，它的出現替代了噴墨方法和技術，從而成為紙張印刷行業的主流。

激光(Laser)又稱鐳射，是20世紀以來繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發明。其理論基礎是愛因斯坦的光子學說，這一理論可解釋為：在組成物質的原子中，有不同數量的粒子(電子)分布在不同的能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發，會從高能級跳到(躍遷)到低能級上，這時將會輻射出與激發它的光相同性質的光，而且在某種狀態下，能出現一個弱光激發出一個強光的現象，這就叫做“受激輻射的光放大”，簡稱激光。光與物質的相互作用，實質上是組成物質的微觀粒子吸收或輻射光子，同時改變自身運動狀況的表現。

激光用于陶瓷首先是利用激光的能量，20世紀70年代美國已經開始利用CO2高功率激光切割陶瓷制品。目前高技術結構陶瓷、特種陶瓷、工業陶瓷、日用陶瓷等普遍應用激光技術，這些激光技術主要用在切割、雕印、噴印等方面，其中激光切割是應用激光的能量對陶瓷材料進行“外科手術”，而噴印和雕印是利用激光的光電性能對陶瓷材料進行印刷裝飾。雕印是利用激光的高能量將計算機設定的信號雕刻在陶瓷產品上，如商標、條形碼、二維碼等。噴印是將彩色墨粉按計算機傳輸的信號噴到陶瓷花紙上通過不同溫度的燒制或烤將圖像轉印到陶瓷的表面。在“2014上海國際工業陶瓷展會”期間，筆者經過咨詢，獲悉該行業一般將激光雕印稱為激光打印，將所使用的機器稱為激光打印機，和噴印歸為一類，稱為激光印刷，所使用的機器稱為激光印刷機。網絡上一般將前者稱為激光打標機、激光打碼機等，將后者稱為激光印刷機。

可以看到，激光印刷技術在結構陶瓷、高技術陶瓷、工業陶瓷和日用陶瓷等領域的應用已經很成熟也很普遍。建筑衛生陶瓷特別是建筑陶瓷需要應用的激光印刷技術實際上和上述的激光印刷方法類似，不同的是：建筑陶瓷的激光印刷要求墨粉的耐溫性能要更高一些，印刷速度要更快一些，最重要的是承印材料是陶瓷產品，這三者解決好激光印刷就可以成功用于建筑陶瓷的印刷。

3 建筑陶瓷產品激光印刷需要的材料

建筑陶瓷的激光印刷，需要的工具和材料為：計算機、激光印刷機、墨粉和陶瓷材料等。印刷的方法和紙張激光印刷方法相同或者說類似。

3.1 未來建筑陶瓷激光打印機的構想

用于建筑陶瓷的激光打印機尚未正式面世，無法得到數據和資料，因而筆者只能根據所見和理解來進行構想，雖然2014年的廣州展會期間有個別企業展出了激光陶瓷打印機，但是否能夠應用于建筑陶瓷還未可知。

建筑陶瓷激光打印機的結構可以參考紙張激光打印機結構，由激光掃描系統、電子照相系統和控制系統3大部分組成，其中激光掃描系統包括激光器、偏轉調制器、掃描器和光路系統。它的作用是利用激光束的掃描形成靜電潛像。電子照相系統由光導鼓、高壓發生器、顯影定影裝置和輸出機構組成。其中輸出機構應可以輸出平面材料，其作用是將靜電潛像變成可見的輸出圖像。瓷磚在進入輸出系統之前應進行充分的吸塵和表面靜電處理。建筑陶瓷激光打印機的印刷原理類似于靜電復印，所不同的是靜電復印是采用對原稿進行可見光掃描形成潛像，而激光打印機是用計算機輸出的信息經過調制后的激光束掃描形成潛像。

建筑陶瓷的激光打印機工作過程可能類似于高溫瓷像用的激光打印機的工作過程，首先將圖片從電腦輸送到打印機，打印機接到圖像的打印命令后，將陶瓷坯體通過傳感器輸送到打印機的感光鼓，由激光顯影器充電到顯影倉，再由載體將粉盒的粉吸出，通過激光照射顯影到陶瓷坯體上。為了操作和維護方便，在設計時可將激光發射器、感光鼓、粉盒3部分分離。

如果按上述方法承印建筑陶瓷產品，原理上是可行的，印刷的速度也不會太慢，但是否能完成建筑陶瓷流水線生產的要求還有待于實踐。

3.2 陶瓷墨粉

噴墨打印機使用的是墨水，而激光打印機使用的是墨粉。墨粉的優點在于陶瓷原輔材料企業制作方便，陶瓷生產企業使用方便。原因是墨粉不會像墨水一樣出現沉淀。同時，打印同樣數量的陶瓷磚，墨粉的用量要少得多，節約成本。再者，感光技術發展到今天已經能夠很好的實現這一技術，技術難度不大。

據資料顯示，激光墨粉傳統的仍以熔融粉碎法來完成，這類似于陶瓷色料的燒結后再粉碎，其中成品的細度是個重點，一般辦公用激光打印機的墨粉粒度在5 μm左右，陶瓷色料做到這一點幾乎沒有難度。

陶瓷激光墨粉的難點在于以下幾個方面：

1)墨粉的電性能；

2)墨粉與陶瓷磚坯體的粘附性能；

3)墨粉如何實現在陶瓷磚表面的滲透。

墨粉的電性能更多可能是在陶瓷色料燒結的過程中加入可以極化的無機非金屬材料(如氧化物和化合物)來實現，其重要的是不能影響陶瓷色料在高溫下發生色度不夠和出現色彩偏移。

墨粉與陶瓷磚的粘附性和滲透性是屬于陶瓷色料燒成后后期處理的問題，可以通過有機或無機材料來調節，這和目前的印油、墨水等類似，基本上通過試驗可以完成。

3.3 陶瓷材料的處理

建筑陶瓷的激光印刷其承印材料為瓷磚坯體，瓷磚素坯是經過原料球磨、原料干燥、壓磚機壓制和坯體快速干燥等過程形成的具有一定溫度、水分和強度的陶瓷坯體。目前流水線生產過程中生產速度較快，壓制、印刷、施釉、干燥等過程都以窯爐為中心進行，整個生產過程要滿足窯爐的連續化要求，一個環節出問題，整個窯爐都可能出現空燒或產品不合格等問題。因此，陶瓷企業通常都在每個工藝過程中進行嚴格的質量和數量考核，以確保窯爐用量和最后的產品質量。

瓷磚的激光印刷必須要滿足陶瓷的流水線生產需求。要滿足這種需求一定要使激光印刷機的進出口相反而不是像紙張那樣上下彎曲，即要滿足平面直線印刷，這樣可一臺一個花色逐臺進行，也可以設計成通道式一次完成，總而言之設備運行必須穩定。

瓷磚坯體在進入激光印刷機前要進行預處理。激光印刷要進行以下處理：

1)除去瓷磚坯體表面的灰塵；

2)擴大或者疏通坯體表面的毛細孔；

3)進行靜電處理。

這些處理中靜電處理最復雜，因為要讓磁性墨粉吸附到瓷磚表面，而瓷磚和墨粉盒又不能接觸，這兩者之間的電位一定要足夠強，且要瞬間完成。

瓷磚坯體印刷完成后可能也要做定影處理，這個過程應該和紙張的影印技術類似。目的是讓磁性陶瓷墨粉向瓷磚內部進行滲透，達到一定的深度。

4 總結

激光印刷是否能成為建筑陶瓷未來的印刷趨勢目前還沒有太多的討論，但從國內外印刷技術的發展趨勢來看，激光印刷建筑陶瓷顯然更具生命力，也更符合無機非金屬材料的印刷需求和材料性能。用于建筑陶瓷印刷的激光印刷機基本原理應該和紙張印刷的原理一致，且墨粉比較容易制作，方法和陶瓷色料的制成相通，電性能解決好就可以生產出符合要求的墨粉，顏色也易于控制，色彩將更加豐富和飽滿；瓷磚坯體的處理也相對容易，可以在線完成；顯影、定影等工作可以運用計算機輔助，技術比較成熟。