陶瓷喷墨打印技术的未来发展方向

时间:2011-07-12 14:02:25来源:印联传媒

【印联传媒内容摘要】:未来智能陶瓷墨水将集中在“热”、“压”、“气”、“湿”、“光”、“辐射”六方面敏感功能上。

  国外陶瓷墨水的研究起始较早,2000年世界第一台工业使用的陶瓷装饰喷墨打印机问世,打印机是由美国FERRO公司开发的Kerajet系统,墨水也是由FERRO公司与赛尔公司联合研制的陶瓷墨水。2000年1月7日,FERRO公司向美国专利商标局提交了一份名为《用于陶瓷釉面砖(瓦)和表面的彩色喷墨印刷的独特的油墨和油墨组合》的专利,该专利阐述了陶瓷墨水的制作方法技术,为陶瓷喷墨打印技术奠定了良好的基础。2006年以后,陶瓷墨水在西班牙得到了很好的发展,到目前为止,除了西班牙FERRO公司外,西班牙的ESMALGLASS.ITACA,CHIMIGRAF,COLORBBIA,TORRECID四家公司也是陶瓷装饰墨水的主要制造商。

  国内陶瓷墨水的研究始于2000年,近年来形成了天津大学研究团队、南昌航空工业大学研究团队、大连理工大学研究团队、陕西科技大学研究团队和华南理工大学研究团队,发表了研究论文32篇,尤其是天津大学研究团队发表论文11篇,形成了杨正方、郭瑞松等一批专家。企业研究方面出现了广东佛陶集团股份有限公司、道氏制釉、华山制釉、科信达奥斯博、博奥科技、鹰牌陶瓷等公司,也形成了3个发明专利的成绩,尤其是道氏制釉已经获得专利2个。尽管如此,陶瓷墨水在国内仍处于研究阶段,离真正产业化还有一定的距离,不过,在2011年广州陶瓷工业展览会上已看到中国自己的陶瓷墨水。

  综观国内外情况,陶瓷墨水目前主要集中在个性化装饰领域,对于建筑陶瓷功能化、智能化的应用研究尚不多见。陶瓷墨水的制造方法仍集中于:分散法、溶胶凝胶法和反相乳相法,而以上三种加工方法中,溶胶凝胶法由于制造工艺方法原料昂贵、溶胶不稳定而受到限制,反相乳相法由于制得的墨水固含量低,也有待解决许多技术问题,分散法却由于颗粒度较大,需要解决墨水的稳定性问题。如何保证墨水的固含量和稳定性及成本问题是今后研究的重点。色系仍以CMKY为主的四色系和加上透明、乳白的六色系。红色主要是铈镨红、铬铝红、锰铝红、钴镁红、铁锆红等,青色主要是钴镍铝,黄色主要为钒锆黄、铬钛黄等,黑色主要为钴镍铁黑,白色和透明等11种。而整个陶瓷墨水可分为水性溶剂、高分子助剂、着色剂和釉料四部分。

  陶瓷墨水的技术特点

  喷墨打印技术在陶瓷上的应用关键在于陶瓷墨水的制备。所谓陶瓷墨水就是含有某种陶瓷釉料成分、陶瓷色料或陶瓷着色剂的墨水。陶瓷墨水的组成和性能与打印机的工作原理和墨水用途有关。陶瓷墨水通常由无机非金属颜料(色料、釉料)、溶剂、分散剂、结合剂、表面活性剂及其它辅料构成。无机非金属颜料(色料、釉料)是墨水的核心物质,要求其颗粒度小于1微米,颗粒尺寸分布要窄,颗粒之间不能有强团聚,具有良好的稳定性,受溶剂等其它物质的影响小。溶剂是把无机非金属颜料(色料、釉料)从打印机输送到受体上的载体,同时又控制着干燥时间,使墨水粘度、表面张力等不易随温度变化而改变,溶剂一般采用水溶性有机溶剂,如:醇、多元醇、多元醇醚和多糖等。分散剂是帮助无机非金属颜料(色料、釉料)均匀地分布在溶剂中,并保证在喷印前粉料不发生团聚。分散剂主要是一些水溶性和油溶性高分子类、苯甲酸及其衍生物、聚丙烯酸及其共聚物等。

  结合剂是保障打印的陶瓷坯体或色料具有一定的强度,便于生产操作,同时可调节墨水的流动性能,通常树脂能起到结合剂和分散剂的双重作用。表面活性剂是控制墨水的表面张力在适合的范围内。其它辅助材料主要有墨水pH值调节剂、催干剂、防腐剂等。

  陶瓷墨水的性能要求除普通墨水的颗粒度、粘度、表面张力、电导率、pH值以外,根据陶瓷应用特点还要求一些特殊性能:1、要求陶瓷粉料(色剂)在溶剂中能保持良好的化学和物理稳定性,经长时间存放,不会出现化学反应变化和颗粒团聚沉淀。2、要求在打印过程中,陶瓷(色料)颗粒能在短时间内以最有效的堆积结构排列,附着牢固,获得较大密度的打印层,以便煅烧后具有高的烧结密度。3、要求打印的色剂具有高温烧成后稳定和良好的呈色性能以及与坯釉的匹配性能。陶瓷墨水的关键技术有几点:1)粒度,亚微米甚至纳米级,平均粒径应小于0.5μm;2)粘度;3)沉淀稳定性;4)电导率;5)pH值。当然还有墨水与喷头材料的适应性研究,喷头材料和孔径及压电特征决定了陶瓷墨水的技术特征。

  传统陶瓷墨水在亮度强度、彩色范围、印刷质量、均匀性和稳定性等方面,还有许多问题需要研究。譬如亮度强度方面,由于陶瓷墨水喷墨时要求墨滴小,小至4pl-6pl;喷墨快,喷墨速度快至点火频率6kHz;墨滴可变,譬如赛尔XAAR1001,墨滴可变为0-42pl,能实现8级灰度,这些参数决定陶瓷墨水的流速、粘度与比重等物理参数,低比重也就决定了墨水的亮强度,如何研究高强度发色色料是今后研究的重要课题。目前陶瓷墨水的彩色范围仍较窄,尽管有报道目前已经有11种陶瓷墨水被发明,但是对于绚艳的红色色系、黄色色系和黑色色系陶瓷墨水极少见,较窄的彩色范围陶瓷墨水也是制约陶瓷砖装饰应用的根本因素。此外由于陶瓷墨水加工技术的局限性,譬如分散法虽然色系较多、彩色范围较广,成本也最低,但由于其颗粒度较大,陶瓷墨水的稳定性问题仍有待探索;而溶胶凝胶法尽管其粒度较小,但稳定性和生产成本又略显不足;由于陶瓷墨水粘度低、比重低,需要解决墨水的稳定性;反相乳相法在粒度、固含量上都较溶胶凝胶法略好,但稳定性也并非十分理想。研究陶瓷墨水加工方法和在亮度强度、彩色范围、印刷质量、均匀性和稳定性上有明显优势的产品仍是未来陶瓷墨水开发的主题方向。

  建筑陶瓷功能化是传统建筑陶瓷产业升级的必由之路。陶瓷墨水本身已经接近纳米结构,利用纳米技术的功能性特征升级。未来建筑陶瓷将集中在高强保温砖、抗菌陶瓷砖、抗静电陶瓷砖、抗辐射陶瓷砖、光伏发电陶瓷砖、光伏发光陶瓷砖等功能性陶瓷产品的开发。利用喷墨技术将功能性的陶瓷墨水打印在陶瓷砖上,将是最终实现“资源化、低碳化、数字化、个性化、功能化”的必由之路。从装饰到功能,喷墨打印的“数字化、节约化”理念应该是传统陶瓷融入“两型社会”的必由途径。

  感应陶瓷是实现家居环境智能控制的前提,未来智能陶瓷墨水将集中在“热”、“压”、“气”、“湿”、“光”、“辐射”六方面敏感功能上。未来家居和城市热的调控除了功能陶瓷以外,还要考虑智能陶瓷对热的检测和智能调控,除此之外,城市噪音、城市或家居空气环境、包括热污染、气体污染、噪声污染、湿度污染、光污染和辐射污染均可以通过智能陶瓷传感器和物联网传播控制。当然,智能陶瓷在生产控制、物流管理、远程医疗检测也是必不可少的。总而言之,智能时代少不了智能陶瓷墨水的妆点。

印联传媒转自慧聪网.

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