摘要：國產(chǎn)陶瓷墨水近幾年取得了快速的發(fā)展，并占據了國內主要市場(chǎng)。在陶瓷墨水快速發(fā)展和應用的同時(shí)，國產(chǎn)陶瓷墨水的性能和品質(zhì)還需進(jìn)一步提升。本文主要講述陶瓷墨水的組成、制備及性能研究要點(diǎn)，著(zhù)重討論墨水制備工藝的技術(shù)要點(diǎn)以及墨水的性能指標對墨水使用時(shí)的影響，為陶瓷墨水性能的優(yōu)化提供參考。

1、前言

陶瓷噴墨打印技術(shù)是將超細陶瓷材料粉體制備成墨水，通過(guò)計算機控制，利用陶瓷噴墨打印機將墨水直接打印到建筑陶瓷的表面上進(jìn)行裝飾，該技術(shù)的采用顯著(zhù)提高了陶瓷的裝飾效果（圖案更精細、效果更逼真），更重要的是，將大大簡(jiǎn)化陶瓷的生產(chǎn)裝飾工藝，減少生產(chǎn)過(guò)程中的污染和原材料消耗，也極大減少了陶瓷生產(chǎn)的能耗[1-3]。正是由于噴墨打印技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中呈現的顯著(zhù)優(yōu)勢，近幾年國產(chǎn)陶瓷墨水取得了快速的發(fā)展，并且迅速取代了進(jìn)口墨水，占據了國內主要市場(chǎng)。但是國產(chǎn)墨水的性能和品質(zhì)還需進(jìn)一步提升，包括墨水發(fā)色的鮮艷度和穩定性，儲存穩定性能和噴墨打印性能等等?；谀壳疤沾赡难邪l(fā)和使用現狀，筆者從墨水的配方組成、制備工藝以及性能對陶瓷墨水使用過(guò)程的影響等方面做了簡(jiǎn)單的分析，希望對陶瓷墨水的生產(chǎn)和應用有所幫助。

2、陶瓷墨水的組成

2.1、陶瓷顏料

陶瓷顏料是墨水的核心物質(zhì)，要求其顆粒度小于1μm，顆粒尺寸分布要窄，顆粒之間不能有強團聚，并具有良好的穩定性，受溶劑等其它物質(zhì)的影響小，通常有如下要求：1）陶瓷顏料在墨水中能保持良好的化學(xué)和物理穩定性，不會(huì )出現化學(xué)反應和顆粒團聚等現象；2）在噴墨打印過(guò)程中，陶瓷粉體顆粒在短時(shí)間內能以最有效的堆積結構排列，附著(zhù)牢固，獲得較大密度的打印層，煅燒后獲得較高的燒結密度；3）打印的墨水在高溫燒成后具有良好的呈色性能以及與坯釉的匹配性能。

2.2、溶劑

在陶瓷墨水中，溶劑占了50%以上質(zhì)量，它的性能直接影響著(zhù)墨水的使用效果。溶劑的結構組成、極性、沸點(diǎn)、粘度、表面張力等影響著(zhù)墨水的性能和生產(chǎn)的穩定性。同時(shí)，溶劑的環(huán)保性也直接影響著(zhù)陶瓷墨水對環(huán)境的友好性，主要體現在不含有毒性物質(zhì)和可揮發(fā)物VOC的減少。陶瓷墨水對溶劑的主要要求是無(wú)毒無(wú)味、高沸點(diǎn)、高潤濕性能，并且具有合適的表面張力。

2.3、分散劑

分散劑具有調節陶瓷墨水的分散性及穩定性功能，使陶瓷顏料在溶劑中均勻分散，并保證在打印前不團聚。陶瓷墨水所用的分散劑主要是通過(guò)空間位阻來(lái)提高顆粒的穩定性，通常為超分散劑，它是一類(lèi)新型、高效的聚合物型分散劑，它的分子結構中含有性能和功能完全不同的兩個(gè)部分：一個(gè)是錨固基團，另一個(gè)是溶劑化基團。陶瓷墨水分散劑就是通過(guò)錨固基團的單點(diǎn)或多點(diǎn)錨固的形式吸附在顆粒的表面，而溶劑化基團則伸展于分散介質(zhì)中，通過(guò)空間位阻效應對顆粒的分散起穩定作用[5,6]。

2.4、粘結劑

粘結劑主要用于調整墨水的粘結性和成膜性能，同時(shí)還起到調節墨水粘度的作用。

2.5、表面活性劑和其它輔料

表面活性劑和其他輔料如潤濕劑、流平劑、消泡劑、防沉劑等主要用于調整陶瓷墨水的各項性能指標，如潤濕性能、表面張力、氣泡以及防沉性能等，用于提高陶瓷墨水的儲存穩定性和打印性能。

3、陶瓷墨水的制備方法及技術(shù)要點(diǎn)

3.1、陶瓷噴墨顏料的制備技術(shù)要點(diǎn)

陶瓷顏料是墨水的核心物質(zhì)，它直接影響著(zhù)墨水的穩定性能和使用效果。當陶瓷顏料制備成墨水后，顏料在溶劑中的化學(xué)和物理穩定性、打印過(guò)程中陶瓷顏料顆粒在短時(shí)間內能以最有效的堆積結構排列、和陶瓷顏料在超細化之后在高溫燒成后的呈色性能等問(wèn)題，都與陶瓷噴墨打印用顏料的制備工藝相關(guān)。

以往陶瓷顏料的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、粗放，原料的混合均勻度很低，發(fā)色體的含量很低，而且晶型穩定性差；顏料在超細化之后發(fā)色會(huì )變得很淺，或者沒(méi)有。因此陶瓷顏料的研究過(guò)程中需要解決如何使原料在燒成過(guò)程中反應更完全，制備的色料結晶度高、顏料晶體更穩定、發(fā)色強度更好，同時(shí)為了有利于色料的后續分散問(wèn)題需要考慮對色料破碎至一定細度，并且利用表面活性劑對顏料進(jìn)行表面處理。

3.2、陶瓷墨水的制備技術(shù)要點(diǎn)

陶瓷墨水的制備過(guò)程可以分為兩個(gè)部分，一是陶瓷色漿的制備，二是墨水性能的調節。陶瓷墨水的整個(gè)制備過(guò)程中，最關(guān)鍵的是陶瓷色漿的研磨。陶瓷色漿的制備路線(xiàn)如圖1（a）：選取合適的分散劑、溶劑和研磨樹(shù)脂配成分散液，后加入陶瓷顏料進(jìn)行預混合，使陶瓷顏料被充分潤濕，后通過(guò)砂磨機研磨至所需粒徑，得陶瓷色漿。通?？刂祁伭系牧皆?00 nm左右，最大粒徑小于1μm。

研磨設備的選型和研磨介質(zhì)的選擇以及相關(guān)的工藝參數是墨水制備過(guò)程中的關(guān)鍵因素，直接影響著(zhù)色漿的研磨效率、研磨色漿的性能以及色漿生產(chǎn)的穩定性。通常研磨設備的內部結構設計和材質(zhì)的選取對研磨工藝影響很大，正確的選擇研磨設備及其工藝方法，是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節，并且在節省能源、降低消耗、提高生產(chǎn)效率有著(zhù)更廣泛的意義。除此之外，研磨鋯珠的光澤度、硬度、耐磨性、抗碎強度、球形度和粒徑分布等性能對漿料的生產(chǎn)有著(zhù)重要影響。因此在制備過(guò)程中需要研究這些參數對墨水性能的影響，通過(guò)對它們的控制來(lái)提高研磨效率，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現陶瓷墨水中顆粒球形形貌的控制和窄細粒徑分布。

制備好色漿之后，下一步則需要將色漿調配成墨水，如圖1（b）所示。在分散好的陶瓷色漿中加入潤濕流平劑、消泡劑、防沉劑，并加入溶劑將墨水調節至所需的固含量和粘度，后用相應的濾芯過(guò)濾掉微量的大顆粒，得陶瓷墨水。然后對其粘度、表面張力、粒徑分布、固含量和穩定性的各項指標進(jìn)行測試，考察各項物理指標是否符合要求，進(jìn)一步在墨滴觀(guān)測儀上觀(guān)察墨水噴墨墨滴的形狀，以及在噴墨機上的打印測試性能，通過(guò)這一系列測試后才能得到合格的陶瓷墨水。

4、陶瓷墨水的理化性能對其使用過(guò)程的影響

4.1、粘度

粘度影響墨水在墨盒中的流動(dòng)性以及墨水的噴射性能。適當的粘度可確保墨水在墨路內循環(huán)流動(dòng)順暢，有利于墨水從噴口的噴出和墨滴的均勻形成[9,10]。陶瓷墨水的粘度指標也會(huì )隨著(zhù)墨盒以及噴嘴板表面的溫度的改變而變化，粘度高低的不同對應的噴頭工作電壓也相應的發(fā)生變化，否則會(huì )引起噴孔噴射不穩定，容易出現斷線(xiàn)、斷墨的現象。同時(shí)粘度的高低也會(huì )影響墨滴的大小，影響噴墨產(chǎn)品的最終發(fā)色。

4.2、粒徑分布

由于噴頭孔徑和墨路系統的制約，墨水中的顏料顆粒必須足夠細小，以保證噴墨的順暢。為了避免存放和使用過(guò)程中的顆粒沉淀的出現，也要求顏料的顆粒細小。但是墨水的粒徑大小和分布對墨水的性能影響很大，顏料顆粒的沉降速度與粒徑平方成正比，顆粒越大，沉降速度越大，所以粒徑是墨水控制的關(guān)鍵。粒徑小可以降低墨水的沉淀，但是墨水的層色會(huì )減弱，粒徑越大，墨水的發(fā)色越好，但是沉淀會(huì )增加，這是一個(gè)矛盾的現象。所以，墨水中顆粒的粒度分布區域要盡可能窄，這樣發(fā)色也會(huì )穩定，發(fā)色強度也高，可以避免細小顏料顆粒帶來(lái)的呈色減弱，和大顆粒打帶來(lái)的沉淀，這是墨水制備過(guò)程中需要攻克的核心技術(shù)。

4.3、表面張力

墨水的表面張力會(huì )影響墨水在坯體上的鋪展性能和滲透性，以及墨滴在噴頭上的積墨情況。適當的表面張力可以保證墨滴的均勻形成和不粘噴頭，有助于噴墨的長(cháng)期穩定；墨水的表面張力過(guò)大，當墨水飛出噴頭時(shí)，容易出現墨滴拖尾的現象，造成拉線(xiàn)問(wèn)題；若表面張力過(guò)小，墨水噴出時(shí)容易擴散，在空中分離，易產(chǎn)生衛星狀墨滴，會(huì )使圖案的清晰度和層次感降低，并隨著(zhù)時(shí)間的遷移，在噴嘴膜形成墨滴，造成掛墨，影響打印效果。

4.4、呈色

所選用的顏料必須確保在超細顆粒的狀態(tài)下具有良好的發(fā)色能力，要求選用的顏料在制備過(guò)程中反應完全，呈色晶體結晶度高。

4.5、墨水與噴頭的匹配性

陶瓷墨水和噴頭的匹配性是比較重要的，如果墨水跟噴頭不匹配，就會(huì )造成堵噴頭，以及打印性能差等現象。在打印機墨路系統的相容性方面，要求墨水對噴頭和墨路系統不會(huì )產(chǎn)生破壞性的損傷或形變，以及在不同工作溫度下的揮發(fā)速度、觸變性等性能需求。

4.6、墨水的儲存穩定性能

陶瓷墨水是一種固液懸浮體系，墨水中顏料的粒徑在300 nm左右，高固含并且低粘度，是一種熱力學(xué)極不穩定體系。影響墨水穩定性的因素除了墨水本身的分散性能好壞之外，還與墨水溫度、粘度、墨水的顆粒大小，顏料與溶劑的密度之差有關(guān)。所以墨水在配方及工藝設計時(shí)需要對上述因素進(jìn)行考慮，盡量減少沉淀。通常墨水長(cháng)時(shí)間靜置都會(huì )出現沉淀，而沉淀有兩種情況，一種通過(guò)搖床搖晃之后沉淀都可以搖開(kāi)，這種為軟沉底，另一種通過(guò)搖晃之后還有部分沉淀存在，這種為硬沉底，軟沉底不會(huì )影響墨水的正常使用，硬沉底會(huì )影響墨水的有效固含，最終影響墨水的發(fā)色而導致色差。

4.7、墨水的干燥速率

磚坯的溫度，存放時(shí)間以及生產(chǎn)環(huán)境會(huì )影響磚坯的含水率，所以生產(chǎn)中磚坯含水率一直都在波動(dòng)中，而含水率會(huì )影響陶瓷墨水的滲透性能，含水率低墨水滲透快，含水率高墨水滲透較慢。如果磚坯進(jìn)窯爐前墨水還未干燥，會(huì )導致噴墨磚產(chǎn)品產(chǎn)生色差，因此墨水的干燥速率會(huì )影響墨水發(fā)色的穩定性。此外在生產(chǎn)大灰度瓷片時(shí)，墨水在磚坯表面干燥慢，會(huì )發(fā)生擴散，導致圖案模糊，清晰度不高，快干墨水在瓷片上提高產(chǎn)品的清晰度較為明顯。