淺談陶瓷噴墨打印技術*

淺談陶瓷噴墨打印技術*

田怡

(建筑材料工業技術情報研究所北京100024)

摘要陶瓷噴墨打印技術是近幾年陶瓷行業的熱點技術之一，也是建筑陶瓷生產企業用于釉面的最新技術。筆者從陶瓷噴墨打印技術的發展現狀入手，介紹了陶瓷噴墨打印技術的特點、裝飾效果以及在行業內的應用情況，并分析了陶瓷噴墨打印技術在我國快速發展的原因。重點介紹了陶瓷噴墨打印機核心技術墨水和噴頭的性能要求、制造方法及使用情況，采用分散法制造墨水的工藝要求，并對國內外墨水性能、價格及穩定性能進行了分析對比；在研究國外主要噴頭制造商性能參數的基礎上，提出了陶瓷噴墨打印機噴頭的發展方向，對現階段陶瓷噴墨打印技術存在的問題進行了分析，指出隨著噴墨打印機噴頭的進一步改進，噴墨打印技術將向著噴釉、噴干粉的發展方向，逐步成為瓷磚裝飾印花、施釉的主要技術手段。

關鍵詞瓷磚裝飾技術噴墨打印機墨水噴頭趨勢

陶瓷噴墨打印技術是建筑陶瓷領域中集成創新的成果，采用噴墨打印技術進行裝飾的產品，其花紋色彩日趨豐富，立體感強，具有逼真的仿油畫、仿樹皮、仿木紋和高檔石材的效果。因此，圍繞噴墨打印的各種裝飾技術也成為行業技術創新點。陶瓷噴墨打印機是近幾年陶瓷行業的熱點裝備之一，它轉版容易、迅速，調色操作簡單，生產重復性好，使陶瓷磚的個性化定制成為可能。

1陶瓷噴墨打印技術

1.1　陶瓷噴墨打印技術的發展現狀

陶瓷噴墨打印技術通過電腦系統控制，花色轉產靈活、色差小、圖案變化豐富，即使有幾十款花色，也可以隨時安排生產。除了常規的花色外，產品花色沒有雷同，即使是同一家企業，不同品牌之間的花色和風格也是不一樣的。噴墨打印技術的應用縮短了企業新產品的研發周期，減少了產品的研發費用，加快了推出新產品的步伐。雖然噴墨打印與絲網印花相比，成本不相上下，但是生產企業如果成本控制不到位，就會導致生產成本偏高。

1998年,西班牙的凱拉捷特(KERAjet)公司制造出全球首臺陶瓷噴墨打印機，亦是最早進入中國陶瓷行業的國外噴墨打印供應商，其全球的銷量已經達到1 400多臺，占據全球陶瓷行業70%的噴墨打印機市場。該公司2013年推出的KERAjet1400打印機，有6排打印色槽、12個色彩模塊，最大打印尺寸為1.4 m，最高分辨率可達400 dpi×1 016 dpi，是目前規格最大的陶瓷噴墨打印機。

2011年噴墨打印技術開始在我國瓷磚行業中應用，迄今為止全國有超過三分之一的陶瓷磚生產線配備了噴墨打印設備。生產企業采用噴墨打印技術主要用于瓷磚、仿古磚、全拋釉磚、外墻磚等產品的釉面裝飾，其中瓷片類企業使用的噴墨打印機數量最多，瓷片類產品一條生產線需要配置3臺或以上噴墨打印機，部分大型陶瓷磚生產企業裝備的噴墨打印機超過10臺，噴墨打印產品所占比例在50%～60%，一些企業已經開始生產全噴墨印花產品。除了瓷片，仿古磚和全拋釉磚也是使用噴墨打印機的兩大類產品，尤其是從2013年起，在一些瓷區的仿古磚和全拋釉磚生產企業開始推廣噴墨打印技術，也有很多仿古磚企業準備增加噴墨打印機，相對普通仿古磚來說，噴墨打印花色效果更好，客戶更易于接受。

截至2014年4月，我國在線運行的陶瓷噴墨設備已超過2 000臺，國產陶瓷噴墨打印設備在國內的市場份額已經占到60%左右，占據主導地位。到2014年年底，國內瓷磚生產企業配備的噴墨打印設備已達到3 000臺。

佛山市三水盈捷精密機械有限公司生產的King Jet 910/8色大型噴墨機是新景泰系列的成熟機型。該機結構緊湊，選用目前使用率最高的XAAR 1001噴頭，采用循環式供墨系統，數碼打印板打印功能強。該種機型主要用在墻磚、地磚、外墻磚、腰線等大規格產品生產線上，打印產品尺寸最大可達1 m。該系列設備的升級機型，顏色通道由原來的6色增加至8色，并對設備的抽風系統進行了改進，使其在大規格產品生產線上使用時，即使坯體溫度較高、水蒸汽較多也能夠正常運轉。Mini Jet 490/6色小型噴墨機，機身小巧功能齊備，其中的雙層皮帶送磚結構是國內首創的設計，能使設備在維護、停產和試驗時不影響原施釉線的正常使用，解決了噴墨打印機需要另外設置備用通道的問題。該設備具有占用空間少、支持插打和雙通道打印，可以在小規格瓷片的生產中發揮作用。

1.2　陶瓷噴墨打印技術的快速發展

陶瓷噴墨打印技術在我國快速發展的原因有以下幾點：

1)建筑陶瓷行業的轉移與新產區的興起，新建的陶瓷企業和中小型陶瓷企業采用噴墨打印技術能夠迅速提升產品的裝飾效果。

2)在人力成本大幅度上升的背景下，采用噴墨打印技術能夠大幅度減少對版人員、傳統輥筒印花與絲網印花工藝跟線人員的數量。

3)該項技術的應用提升了生產的自動化水平，縮減了輥筒和絲網印花的工藝環節，簡化了生產管理。

4)陶瓷墨水的價格不斷走低，使陶瓷企業降低了應用該項技術的生產成本。伴隨陶瓷噴墨打印技術在我國的推廣和普及，我國陶瓷噴墨打印技術將進一步完善，并拓展到全新高度。

2陶瓷噴墨打印墨水

2.1　陶瓷噴墨打印墨水的制備

陶瓷墨水的制造方法主要有分散法、溶膠-凝膠法和反相乳相法。

溶膠-凝膠法由于所需原料昂貴、溶膠不穩定而受到限制。反相乳相法由于墨水固含量低，有許多技術問題亟待解決。分散法工藝較上述兩種方法簡單，而且生產成本相對較低，結合國內陶瓷色料技術配方上的優勢以及國內超細研磨機械制造商在砂磨機方面取得的突破，分散法成為國內大部分陶瓷噴墨打印墨水生產廠的首選工藝。

采用分散法制備墨水要求色料發色力度強、導電率低、高溫發色穩定和抗磨性能好。色料的發色飽和度、發色鮮艷度以及色料發色穩定性是衡量色料的標準。若要在多種釉料中發色均勻，特別是在鋯白釉料和亞光高溫釉料中發色飽和度要均勻，不能存在部分釉料中發色好，部分釉料中不發色或者發色減弱等現象。因此，應用于陶瓷墨水生產的色料，在原料選擇上除了要求粒徑小之外，還要求盡量使用純度較好且性能穩定的原料，煅燒過程中應該采用降低燒成溫度，延長保溫時間的方案。另外，部分礦化劑類如鉀鹽、銨鹽等對于色料的發色有促進作用，但是在陶瓷墨水制備中的礦化劑容易導致墨水導電率過高而產生結膠和絮凝抱團現象。同時，對于煅燒溫度過高或者過低的色料產品，在后期的霧化超細研磨過程中容易發生物理和化學變化，導致產品發色不穩定和延長墨水的研磨時間。色料飽和度的增加可以減少墨水中的固含量，而固含量會影響到分散劑的加入量。因此，選擇發色力度好的色料產品可以降低墨水成本，提高產品的穩定性。進口和國產陶瓷墨水固含量對比見表1。

表1　進口墨水和國產墨水中固含量的對比(質量%)

2.2　陶瓷噴墨打印墨水的發展現狀

陶瓷噴墨打印技術的普及促進了傳統色釉料生產企業的轉型升級，在國產噴墨打印設備不斷完善和改進的前提下，國內色釉料行業也迎來了一次技術革命，國產墨水在短時間內不斷推出新產品。當前國產墨水的占有率為30%左右，隨著國產陶瓷墨水用量的不斷增加，產品性能的不斷改進，產品品質得到了很大的提升。對照國外墨水公司近幾年的色卡，國產墨水的發色效果也在逐步完善，在技術服務、墨水價格等方面，國內墨水生產企業的優勢已經超過了進口墨水供應商。另外，大孔徑噴頭、噴釉噴頭的推出對于國產墨水企業也是一個發展良機。

目前，國內市場中常見的墨水品種有粉色、棕色、桔色、黃色、藍色、米色、黑色等顏色，用于墨水生產的色料品種主要有錫桃紅、鐠黃、紅棕、金黃、鈷藍、鈷黑、釩鋯黃等。在墨水的實際生產中，如果色料產品自身發色飽和度好，經過砂磨機研磨后，色度值會偏向于鮮艷，這一現象在黑色墨水中比較明顯。因此，黑色墨水色料要求色調必須純正，藍調值越高越好。

2013年國產噴墨打印墨水開始進入商業化應用，逐步扭轉國外產品一統市場的格局，國產墨水在這一年得到了快速發展。如果按國內在線運行的陶瓷噴墨打印機2 000臺、每臺機器每月使用1 t墨水、全年生產時間按10個月計算，國內市場全年墨水需求量在20 000 t以上，以國產墨水市場占有率50%計算，市場空間在10 000 t左右。目前，國內不少陶瓷墨水企業都在擴大生產能力，供應量將進一步加大，市場競爭也會越來越激烈，企業要想生存下去必須通過穩定的品質和更高的性價比去搶占進口墨水的市場份額。

國外墨水常規顏色價格在10萬～11萬元/t，黑色陶瓷墨水價格為13萬～14萬元/t。國產墨水常規顏色價格在9.0萬～9.5萬元/t，現已出現7萬元/t的價格。墨水降價跟其成本有關，如紅棕色墨水的成本約為6萬元/t，綜合考慮設備成本、人工、損耗等因素，可能會降至5萬元/t以下。因為大孔徑噴頭、噴釉噴頭對于陶瓷墨水的技術要求、工藝要求相對常規墨水較低，所以噴釉墨水的制備成本會進一步下降。

陶瓷墨水的穩定性主要取決于色料粒徑，粒徑過大和分布范圍變寬，容易出現墨水的懸浮穩定性變差和噴頭堵塞等問題。由于國產色料在研磨粒徑及粒徑的合理分布范圍方面不如國外產品，因此國產墨水與進口墨水相比，在穩定性方面存在一定的差距。

3陶瓷噴墨打印機噴頭

3.1　陶瓷噴墨打印機噴頭的性能

噴墨打印機噴頭的分辨率一般為360 dpi，陣列式噴頭的寬度可與實際打印幅面一致，設計圖案可直接打印出來，滿足了多元化設計環境和色彩再現的需求。噴頭采用懸空打印方式，可以降低坯體破損率；采用凹凸面打印方式，可以制作出仿油畫、仿樹皮、仿木紋、仿高檔石材的裝飾效果，確保陶瓷企業實現高品質、高效率、低成本、高附加值的生產。

英國賽爾公司研制出的XAAR 1002型噴頭，與XAAR 1001型噴墨機完全兼容。經實際測試，XAAR 1002型噴頭的調色時間比XAAR1001型噴頭縮短了一半。XAAR 1002型噴頭有90%的組件為全新設計(頂蓋、密封膠和新連接器都經過全新改良)，與XAAR 1001型相比，其均勻一致性有所提高，墨滴平均直徑范圍減少50%，墨滴落點精確度也有所提升，X和Y方向的落點誤差均為±15 μm。另外，賽爾公司還開發出大墨滴噴頭與噴釉噴頭，大墨滴噴頭可通過功能性墨水，噴墨量可達50 g/m2。

富士DIMATIX公司通過持續創新，開發出SG1024型系列噴頭產品。SG1024型的小尺寸(12 pL)噴頭用于墻磚的高精度打印；中尺寸(25 pL)噴頭用于地磚的高速打印；大尺寸(65 pL)噴頭則適合超高速打印，特別是下陷釉等特殊效果的打印。“高效率、可修復、系列全”是SG1024型噴頭的三大特征。SG1024型噴頭的噴射速度為8 m/s，可以滿足企業生產瓷磚日產量高的要求。相比普通噴頭，SG1024型噴頭的每個部分均可單獨拆卸，節省重新購買整個噴頭的成本。

為了獲得高清晰度圖像、高細膩度紋理的效果，日本柯尼卡美能達公司在2013年推出了KM1024i型系列噴頭，該系列包括KM1024iSHE、 KM1024iMHE和KM1024iLHE噴頭，其墨滴分布為6～42 pL、13～91 pL和30～210 pL。由于噴頭的工作電壓只有12 V，降低了打印時噴頭散發的熱量，其150 g的質量也降低了機器的制造成本。幾種不同型號噴頭的性能對比見表2。

表2　幾種不同型號噴頭的性能對比

目前，墨水供應商已經研制出發色鮮艷、成本更低、保質期更長、性能更穩定的水性墨水，為水性墨水全面取代油性墨水奠定了基礎。通過與墨水供應商的合作，不少噴頭制造商已經開發出用于陶瓷磚生產的水性墨水噴頭。

研制陶瓷水性墨水噴頭的技術難點在于噴頭墨腔內部的每個部位都要完全防水，以避免由于水性墨水的導電性可能產生短路或信號干擾，還要克服水性墨水容易干燥的問題。富士DIMATIX公司的水性墨水噴頭在紡織、廣告等市場已應用多年，所以很快開發出了SG1024-A型水性陶瓷墨水噴頭。柯尼卡美能達公司的KM1024i型噴頭可以兼容水性墨水與油性墨水。由于噴頭壓電陶瓷片外部增設了特殊涂層，因此能有效地防止水性墨水與噴頭內部發生短路現象。

3.2　陶瓷噴墨打印機噴頭的發展方向

今后陶瓷噴墨打印機噴頭的發展方向是：

1)噴頭墨水循環化。墨水循環過濾系統設計更科學，“雙循環”系統使用更多。

2)真空系統合理化。噴頭內外溫差設計更合理，杜絕墨水聚集在噴頭位置而產生滴墨。

3)噴射頻率、出墨量擴大化。高壓、高頻、中等偏大出墨量的噴頭使用增加。

4)結構材料更優化。噴頭材料結構更科學，使用壽命延長。

5)使用方便化。噴頭集成化，可拆卸，維修更方便。

6)分辨率清晰化。噴頭的分辨率不斷提高，從180 dpi、200 dpi、360 dpi、400 dpi到600 dpi。

7)孔徑擴大化。為適應干粉、干粒、水性釉料等材料的需要，噴孔的直徑將增大。在我國噴繪行業的噴頭尚未國產化，在現階段技術水平下，陶瓷噴頭要實行國產化還是有一定的難度。陶瓷噴墨用的噴頭為壓電噴頭，涉及電路系統、壓電陶瓷、壓電薄膜、噴頭板打孔等多項技術，陶瓷壓電噴頭的研發和產業化需要雄厚的資金支持。直噴式噴釉噴頭的技術難度不高，但研發出來的設備打印效果是否穩定，裝飾效果是否被消費者接受還有待觀察。

4存在的問題及發展趨勢

噴墨打印技術帶來了陶瓷生產工藝的革命，對陶瓷行業的發展做出了貢獻，也對陶瓷企業的生存與發展提出了新的挑戰。

隨著噴墨打印機用量的增多，許多企業都發現噴墨打印機也有一些無法避免的問題，或者無法超越絲網印刷的技術性難題。如，噴墨打印機使用的墨水只有5個色系，不能調制出更復雜的色號，生產深色產品沒有優勢。當墨水不能及時干透，釉面的花色會模糊，尤其是做一些紋理圖案時花色效果不如絲網印花和輥筒印花，黑金花、深咖色這類產品還要通過絲網印花技術才能做出效果。對瓷片生產企業來說，瓷片的花色品種非常多，一個品牌幾十款花色，如果使用絲網印花或者輥筒印花安排生產就比較困難，噴墨打印機則相對方便，而且產品色號少，生產易于控制，也易于倉儲。由于產品花色的同質化現象嚴重，縮小了不同規模和不同實力陶瓷磚生產企業的競爭差距，因此企業必須增加產品的品牌附加值和提升企業的服務水平。

目前，陶瓷噴墨打印技術在陶瓷墻地磚和瓷片生產上的應用已經非常成熟，所用相關設備正在向噴頭精細化和陣列化、水性墨水和油性墨水的通用性與可替換性、自適應與智能化的色彩管理系統等方向發展。隨著噴墨打印機噴頭的進一步改進，噴墨打印技術開始向噴釉、噴干粉的方向發展，將逐步成為瓷磚裝飾印花、施釉的主要技術手段。噴釉打印技術可以根據用戶需求，在一個圖案中的某一個線條中使用閃光釉、金屬釉，再搭配色釉噴出色彩，呈現凹凸不平的效果。噴釉打印所用的白墨水、下陷釉、金屬釉、糖果釉、透明釉、滲透釉和干釉等將會成為色釉料行業今后發展的熱點。

噴墨打印結合傳統工藝也是噴墨打印技術的發展方向，如噴墨與干粉、干粒、二次布料、面釉、單頭輥印、四頭輥印、絲網、云彩噴釉、凹凸模具等傳統工藝相結合。現在已經有很多企業推出多重傳統工藝相結合陶瓷噴墨技術的新產品，如：印泥+噴墨+干粒、噴墨+金屬釉+干粒、凹凸模具+噴墨+虹彩、噴墨+輥筒+下陷釉等。同一種顏色的同一款瓷磚通過多種工藝的配合，能夠產生不同的裝飾效果。用于地面鋪貼的藍色仿古磚，在施釉印花工序中采用3種不同模具+有無干粒+亞光與光亮面釉+弧線擺動的云霧噴墨等技術，可以達到3×2×2×N種變化效果。

在陶瓷磚施釉印花工序的發展過程中，絲網印花機被輥筒印花機取代，輥筒印花機被噴墨打印機取代，噴墨打印機的升級換代產品是噴釉印花設備，如果打印設備能夠同時實現噴墨、噴釉、噴粉功能，而各類自動化設備又能夠相互配合，就可以在前端實現數碼機床操作、在后端充分利用網絡工具傳輸圖案，從而實現陶瓷磚花色品種的量身定制。

參考文獻

1尹虹.2014年中國陶瓷行業競爭力報告.廣州：2014年中國國際陶瓷技術裝備及建筑陶瓷衛生潔具產品展覽會論壇報告,2014

2霍敏儀.陶瓷噴頭：噴墨革新的核心驅動力.陶城報,2014-04

中圖分類號：TQ174

文獻標識碼：B

文章編號：1002-2872(2015)02-0009-05

*作者簡介：田怡(1962-),本科,高級工程師；主要從事陶瓷信息的收集與研究。