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陶瓷制品装饰的喷墨打印新技术迎来黄金时代
文 洪桂香
众所周知,喷墨技术是一种新的无接触、无压力、无印版的印刷技术,将电子计算机中存储的信息输入喷墨印刷机即可印刷.喷墨打印技术与陶瓷生产技术的完美结合,使冰冷的瓷砖拥有了生命力,色彩及质感效果让人震撼.我国陶瓷企业家们对喷墨打印技术在陶瓷生产领域的应用关注度极高.早在2008年开始引入国外先进的喷墨打印设备应用于生产及研发中,国内多家陶瓷设备企业开始生产研发并供应喷墨打印设备.目前,世界陶瓷生产已进入喷墨打印年代,而作为全球陶瓷生产第一大国,我国成为了该技术运用的潜力最大的市场之一.随着喷墨打印机器和陶瓷墨水制造加工技术的日益完善和成熟,这种新技术、新设备将在陶瓷工业获得广泛的应用,并受到社会的广泛关注.
陶瓷制品装饰上的陶瓷墨水打印技术大行其道
陶瓷装饰中用喷墨打印指的是将着色剂制成多色墨水,通过喷墨打印的方式将其直接打印到陶瓷表面上,烧成后呈色的装饰方法.喷墨打印技术与现有的陶瓷装饰手段相比,具有突破性的优势：可达到360dpi,直接打印出设计图案的效果实现个性化解决方案,悬空打印降低坯体破损率,凹凸面打印出逼真的仿油画、仿树皮、仿木纹、高档石材等效果.具有良好的应用前景,和巨大的潜在商业机会.
据相关媒体数据显示,截止2014年,国内在线运行的陶瓷喷墨打印机已经达2000台左右.从小试牛刀,到当今的大行其道,陶瓷喷墨打印这一新技术经过这两年的爆炸式增长,目前基本上在全国各陶瓷产区遍地开花,陶瓷喷墨打印的各种优势,比如印刷成本更低、工作现场环境卫生、转换生产方便、色釉料浪费少等传统印花工艺难以比拟的优势.
目前各大陶瓷生产企业纷纷推出别具特色的陶瓷喷墨打印产品,尤其是凹凸面的高清晰喷墨打印陶瓷砖,令人耳目一新.毫无疑问,喷墨打印技术的春天已经到来.虽然陶瓷喷墨打印技术在我国只有几年的发展历史,还存在着一些技术性的问题（例如拉线、烧成后发色不稳定、明亮的红色墨水不能制备）、成本的问题（例如喷头、墨水的核心技术在外国企业手中,导致喷头、墨水偏高）、新商业模式的问题（例如新产品管理制度还需要突破、陶瓷喷墨打印设计和研发体系尚未成熟、针对大批采购的个性化供应链体系尚未成形）等.随着国产墨水企业对于陶瓷墨水品质的不断提升,喷墨打印机企业已经掌握了除喷头外的机械自动化系统、软件系统,喷墨打印技术将在中国这一全球最大市场获得更大范围的应用.
陶瓷墨水国产化进程的加速,促使国内墨水企业在追求陶瓷墨水品质上面的要求也是更加的苛刻,特别是砂磨机技术的不断完善创新,也为陶瓷墨水的进一步性能拓展奠定了基础.而传统溶剂方面,除了水性调墨油的使用,分散剂和陶瓷色料的进一步精细化调试与加工能够更进一步的提高国产陶瓷墨水的整合性能.目前,无论是国内的溶剂生产厂家还是国外的产品,对于在陶瓷喷墨墨水方面的跟进是非常积极的,陶瓷喷墨打印墨水的整体下降,不仅仅是因为国产陶瓷墨水的推出,更与生产工艺与设备的不断完善、产量的提高有直接关系.就陶瓷墨水来说,依靠以往的信息不对称来赚钱的时代一去不返,自身稳定过硬的墨水品质才是保障市场唯一的途径.
陶瓷喷墨印刷的技术特点与性能要求
喷墨打印技术在陶瓷上应用的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1μm,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：一是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；二是要求在打印过程中,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；三是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.
陶瓷墨水是喷墨打印技术在陶瓷上应用的关键
喷墨 打印是非接触打印过程,是将小墨滴从直径为数十微米的喷嘴喷出,以每秒数千滴的速度沉积在载体上.陶瓷喷墨打印成形技术可应用于固体氧化物电池的制造、多层显微电路制造、结构或压电有序陶瓷复合材料制备以及小体积高复杂的整体陶瓷元件的制造等.
目前,打印机的工作类型有两种：需求喷墨打印机和连续喷墨打印机.喷墨打印头有三类：一是使用压电陶瓷元件将机械振动转变成墨水压力波从而排出墨滴的系统；二是使墨水骤然加热产生气泡,通过气泡压力波排出墨滴的系统；三是吸取墨水并通过静电力使其定向飞扬的系统.随着数字化技术的发展与普及,喷墨打印技术已广泛地应用于办公室文件打印、户外广告喷绘、数码照片冲印、纺织品喷墨印花等各个领域,而在陶瓷工业领域的应用则刚开始不久,主要有陶瓷制品装饰和陶瓷成形.陶瓷制品装饰是将陶瓷色料制成多色墨水,通过计算机控制的打印机将其直接打印到陶瓷表面进行装饰,该技术已实用化.其优势在于可充分利用计算机的丰富资源,通过软件信号可即时改变装饰设计,提高了新产品的开发和生产效率,同时可依靠计算机方便地制作复杂图案,提高装饰效果.
陶瓷墨水的关键技术有以下几点： 粒度, 亚微米甚至纳米级, 平均粒径应小于0.5μm；粘度；沉淀稳定性；电导率；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.目前喷墨墨水存在保质期短和颜色少的问题.喷墨墨水的保质期相对较短,容易造成沉淀,尽管喷墨打印机的喷头内部装有循环系统,但陶瓷墨水不同于家用墨水,它是陶瓷色料和液体墨水的混合体,加上色料比重较高,因此循环系统只能减少墨水沉淀的情况,却无法做到完全避免,这样的一个特点使得国内引进国外的墨水只能通过空运,增加了运输成本.据了解,还有一个问题是陶瓷墨水的颜色并不是很齐全,比如红色的表现就是个问题,喷墨技术对于墨水细度有很高的要求,细度小的话,颜色颗粒的反射度就会减弱,加上红色本身很难发色,所以就加重了这个问题的产生.
陶瓷制品装饰喷墨印刷墨水的制备方法
陶瓷喷墨印刷的关键技术之一为陶瓷墨水的制备.所谓陶瓷墨水就是含有某种特殊陶瓷粉体的悬浊液或乳浊液,通常包括陶瓷粉体、溶剂、分散剂、结合剂、表面活性剂及其它辅料.
陶瓷墨水性能要求：陶瓷粉末材料在溶剂中能保持良好的化学稳定性,不会出现化学反应,以及需要物理稳定性,不会发生颗粒团聚沉淀；喷墨打印时快速堆积且牢固附着.陶瓷粉料颗粒能在短时间内以最有效的堆积结构排列,附着牢固,使得打印层密度大,以保证煅烧后烧结密度较高；要求打印的色剂高温烧成后具有良好的呈色性能以及与坯釉的匹配性能.
陶瓷粉体是陶瓷墨水的核心物质,其组成和性能决定着墨水的应用范围.目前,陶瓷墨水所用的陶瓷粉体主要包括两大类：一类为功能陶瓷粉体,如：ZrO2、TiO2、BaTiO3及PZT陶瓷粉体等；另一类为陶瓷色料和着色剂,如：铬铝红色料、钒锆料、钴铁黑色料及钴铝蓝色料等.按照墨水所含的陶瓷粉体不同,可将其分为功能陶瓷墨水和陶瓷装饰墨水两类.其中功能陶瓷墨水可赋予基体表面以力学性能、光催化性能及电学性能等.而陶瓷装饰墨水主要用于传统陶瓷的表面装饰,其实质还是利用色釉料进行表面着色,但又不同于传统喷墨印刷墨水,对于陶瓷装饰墨水不仅需要考虑与喷墨印刷机匹配,而且需考虑高温煅烧后的颜色变化是否能满足图案要求.
根据陶瓷喷墨印刷机的类型不同,又可将陶瓷墨水分为连续式喷墨印刷用陶瓷墨水和需求喷射印刷用陶瓷墨水两种.由于两种喷墨印刷机在工作原理方面有一定的差异,因此所用的陶瓷墨水的性能要求也有所不同.其中连续式喷墨印刷机工作时,墨滴的路径由水平及垂直偏向板以静电偏向的方式控制,因此墨水本身需要具备一定的导电性能,通常采用导电盐来调节墨水的导电率.陶瓷墨水制备的关键在于超细陶瓷粉体的制备及其在溶剂中的稳定分散,即保证粉体在溶剂中处于单分散状态,无絮凝效应.目前,陶瓷墨水的制备方法主要有溶胶法、反相微乳液法及分散法.
溶胶凝胶法是制备超细粉体和纳米材料的一种湿化学方法,已经获得广泛应用,工艺技术也已经成熟.该方法用于制备陶瓷墨水时,只利用其第一步,即溶胶的制备.其中包括有机盐在溶剂中的水解反应和水解产物的聚合或缩聚反应,同时根据需要调节溶胶的物理性能,如固含量、粘度、导电率及表面张力等.
反相微乳液法即微乳液体系是由表面活性剂、助表面活性剂、油、水构成的热力学稳定的均相体系,宏观上呈各向同性、外观透明或半透明,微观上由表面活性剂界面膜所稳定的一种或两种液体的微滴所组成.利用反相微乳液制备的陶瓷墨水其粒径一般在几十纳米左右,分散性极好并且可以长期稳定保存,能满足喷墨印刷对颗粒度、分散性和稳定性的要求.
分散法制备陶瓷墨水,一般是将陶瓷粉体与分散介质进行球磨混合后,再通过超声分散,获得稳定的悬浮液.这种方法与传统的浆料制备较为接近,根据静电-位阻稳定机制,需加入各种物性调节剂及辅助成分使墨水达到短时间内的均匀稳定状态.
陶瓷制品喷墨打印技术的应用发展
由于喷墨打印喷头技术的进步,数字喷墨打印机在西班牙迅速发展, 激发包括意大利、中国在内的众多陶瓷装备制造商和陶瓷产品制造商青睐.短短几年,已经有批量陶瓷数字喷墨打印机走进生产车间.目前,国内陶瓷墨水相关企业分四个梯队：外国陶瓷墨水企业、国内陶瓷墨水领军企业、国内观望的色釉料企业、国内陶瓷生产企业.首先,外国陶瓷墨水企业牢牢掌握着陶瓷装饰用喷墨打印墨水这一领域的核心技术和绝大部分市场份额,如美国Fe r r o、西班牙Tor-recid、意大利Colorobbia等.其次,博今科技、道氏制釉、明朝科技等国内陶瓷墨水领军企业已经能推出商品化的陶瓷墨水, 经过长时间的测试,性能也比较稳定了.
虽然陶瓷喷墨打印技术在我国只有几年的发展历史,还存在着一些问题,但随着国产墨水企业对于陶瓷墨水品质的不断提升,喷墨打印技术将在中国这一全球最大市场获得更大范围的应用.
陶瓷制品装饰喷墨打印技术是产业升级的必由之路
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6 k H z ； 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1 1 种陶瓷墨水被发明,但是对于绚艳的红色色系、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,但稳定性能也并非十分的理想.
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,智能时代少不了智能陶瓷墨水的妆点.
近年来厂家针对陶企的生产需要对喷墨打印机进行改进创新,设备性能得到全面提升.陶企对陶瓷喷印机的需求越来越多样化、个性化,需要喷印设备企业更加贴近客户,贴近市场,应用于瓷片、仿古砖、全抛釉、薄板、外墙砖等瓷砖及配套的腰线、花片产品的专用喷墨打印设备逐渐兴起.据介绍,外墙砖喷墨打印机专门为外墙砖量身打造,已经推向市场,它针对外墙砖表面粗糙、凹凸不平及尺寸较少等特点进行了技术创新,克服了瓷砖定位、缝隙处理等相关难题,可以实现双排打印,提高生产效率.
喷墨打印机的发展方向是将大部分功能集中在一台机器上,形成一台多功能集成单机,这样的设计将减少瓷砖加工环节,减少生产成本.这类喷墨打印机运行的稳定性高,独特的设计对砖坯及生产环境的容忍度更高,可以根据不同生产的需求选择不同的打印功能,来实现特殊的打印效果,可以满足陶企绝大部分的使用需求.
现在,陶瓷喷墨打印机除了喷墨外,还能喷釉.集喷墨喷釉于一体,喷釉与喷墨功能可在该设备同时配合使用,釉料可安放在任何一个色槽中,并根据实际情况来调整色槽位置.
今后陶瓷墨水的发展将依照以下方向开展：完善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的工艺诉求和在降低成本、稳定生产方面的技术探索；推进建筑陶瓷在实现保温、抗菌、光伏、抗静电、抗辐射方面的升级转化,满足市场对建筑陶瓷功能化的需求；通过诸如热、压、气、湿、光、辐射六方面敏感功能墨水对建筑陶瓷的智能妆点,实现智能时代智能陶瓷的价值.
随着喷墨设备功能的提升,喷墨打印机准确来说应称为陶瓷喷印机.尽管喷釉是陶瓷喷墨机的发展趋势,但该技术的实现除了要解决喷头的技术问题之外,对釉料的稳定性和陶瓷企业的实力都有较高要求.喷墨打印机不但要在硬件方面提升性能,还要在软件方面加大研发力度,提高其对机器的控制能力和对色调、计算等方面的处理能力.喷墨打印机的软件系统发展趋势使人机界面将会变得更亲和,更容易操作,满足陶瓷企业对喷墨设计更高要求.陶瓷墨水具有非常广阔的发展前景,陶瓷墨水国产化的实现弥补了国内陶瓷喷墨市场的空白.同时,随着国产墨水的不断推广,完全有可能对陶瓷企业在深入研发、扩大生产、降低成本、节能环保等方面产生深远的影响,助推喷墨技术成为国内陶瓷行业的主流方向的速度.巨大的市场前景加速了国内研究陶瓷墨水的步伐,促使陶瓷墨水国产化的实现.
结束语
总之,陶瓷喷墨打印技术与现有的装饰手段相比较具有不可比拟的优势,显示出良好的应用前景.陶瓷喷墨打印技术的核心是喷头、墨水,目前国内墨水仍处于研发和调试阶段.部分企业已经推出陶瓷墨水,目前尚未大规模推广和应用.陶瓷墨水国产化有着相当大的发展潜力,而目前的关键仍在于技术的不断革新.国产陶瓷墨水的发色效果与喷墨打印机兼容性及其图案的设计是推广和应用的基础,而陶瓷墨水的稳定性则是关键.因此,在保证陶瓷墨水发色效果的基础上,相关陶瓷墨水制造企业可以尝试通过降低色料颗粒的沉降速率、选择合适的色料、对色料颗粒进行表面改性、选择合适的分散剂、对色料颗粒进行聚合物微胶囊包裹等途径来提高陶瓷墨水的稳定性.在喷墨技术被广泛应用与推广的今天,陶瓷工艺已经从单一的产品功能上升到向艺术表达的层次.随着喷墨技术的革新带来的陶瓷行业第三次印花技术革命,相信不久的将来,陶瓷行业将进入一个新的发展时代.
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