【应用】第七课：国内外陶瓷墨水的现状及应用

    第七课：国内外陶瓷墨水的现状及应用

主讲人： 张天杰

工程师，1986年毕业于长沙理工大学陶瓷工程专业。现任佛山市三水区康立泰无机合成材料有限公司副总经理。

主讲人：沈少雄

英国利兹大学光子材料专业，博士。现任佛山市三水区康立泰无机合成材料有限公司技术总监。

从世界第一台工业用陶瓷喷墨机于2000年在西班牙问世起，陶瓷墨水也随之进入人们的视野。一直以来，外国陶瓷墨水企业牢牢抓住陶瓷墨水的生产技术，在国内占领了80%以上的市场，而国内的一些陶瓷墨水企业如明朝科技、博今科技、道氏制釉、康立泰伯陶墨水和山东汇龙等不甘落后，也先后加入到这场陶瓷墨水的逐鹿当中。下面介绍陶瓷墨水的相关技术及应用。

■喷墨技术对陶瓷墨水的要求

墨滴的形成和喷射速度是喷墨技术的关键。喷墨技术对陶瓷墨水有以下技术要求：

1、流体质量和参数：陶瓷墨水必须是层流流体，层流质点之间的流动是一致的，而紊流的每一个质点是多方向流动的。当流体的雷诺数不大于2300时，陶瓷墨水处于层流状态，这时流体的粘性力比较大，在外界的干扰下，墨水的流动方向不会受太大干扰，在高速运动时不会产生分层或者出现比较差的打印质量。流体的韦伯数可以影响流体界面的流动、润湿以及在喷嘴上形成弧度，因此也是一个比较重要的参数。

2、表面张力和粘弹性：影响墨水上游的动力特性(喷嘴内)以及下游的墨滴断裂机制。表面张力是墨水喷射的动力源，它使流体不断地颈缩，形成体积均匀的墨滴，同时，表面张力控制墨滴的扩散过程以及与承印材料的接触角，与墨水通道的浸润能力影响墨滴的形貌和卫星点。根据喷墨需要要求表面张力在20~40mn/m之间。墨水的粘性提高要求有更高的喷射动能，易发生多点断裂颈缩，形成卫星点;粘性太低，墨水从打印头泄露出去，在高频率喷射下形成卫星点。所以，液体墨丝与主墨滴之间的连接要有最佳粘弹性，断裂的墨丝立即拉向主墨滴，得到无卫星点的墨滴。墨水的粘度应控制在5~40mpa.s之间。

3、墨滴的形成：正常情况下，墨水在喷头内形成一个正常的平面，加上电压以后，墨水开始往外出，然后形成一根长的墨丝，墨丝在表面张力的作用下形成一个墨滴，墨滴与粘度相互作用以后，墨丝断裂形成喷墨，如果墨丝太长容易形成卫星点，所以粘度与表面张力对墨滴形成非常关键。墨滴形成以后，在电压作用下墨水要回位，正常情况下墨水回来之后可以在喷嘴表面润湿，然后回到正常的位置，如果墨水工作表面对喷嘴的润湿性不好，或是压力不稳定，它就会产生电压的波动，这样就会产生气泡堵喷头和供墨不足。所以，墨滴的形成与表面张力、粘度、墨水分子之间的电压是息息相关的，任何变化都会影响墨滴的形成，导致堵塞喷头，墨水喷不出来。

4、渗透和吸收：σcosθ(σ为表面张力，θ为接触角)的值越大，墨水干得越快，渗透速度也越快。

5、干燥时间：墨水的过度扩散会导致颜色或阶调的变化，墨水扩散不足则引起填充区域空白，墨滴扩展和毛细作用会导致羽毛边效应。墨水的干燥主要是吸收干燥，吸收干燥的快慢取决于坯体表面的湿气以及墨水的成分、表面活性剂。干燥时间取决于墨水的扩散系数。墨水的快速扩展和吸收可能导致喷墨质量下降，不发生图象偏差的吸收干燥时间与墨水覆盖密度成线性关系，高的分辨率喷墨干燥更容易。

■陶瓷墨水的质量控制

墨水生产最重要的就是质量控制。墨水检测设备包括墨水理化性能测试设备、墨滴性能检测设备、喷头检测设备、小型打印机和喷墨质量检测设备。需要检测的项目包括：墨水的理化指标—粘度、密度、表面张力和粒径大小;墨滴性能—墨滴的形貌、体积、速度和润湿性;墨水的流动性;墨水的稳定性—墨水的寿命和喷墨的稳定性;发色及烧成性能—墨水的烧成温度区间和发色性能。

影响墨水稳定性的因素有色料颗粒的布朗运动和重力沉降，重力沉降是影响墨水稳定性的决定性因素。布朗运动主要取决于墨水温度、粘度、墨水的颗粒。温度越高，布朗运动越强，粘度、颗粒越大，布朗运动越弱，颗粒越不容易团聚。因为色料颗粒比较大，也比较重，所以墨水沉降速度主要取决于色料与溶剂的密度之差，密度差越大沉得越快;沉降速度与粒径平方成正比，颗粒越大，沉降速度越大，墨水的粘度越大，沉降速度越慢。墨水的稳定机理有空间位阻和静电稳定两种。空间位阻，就是在墨水颗粒表面包裹一层高分子，在空间上阻止颗粒之间的粘合。目前该机理在陶瓷墨水行业用得较多，但有一个缺陷就是对墨水的粘度影响比较大，随着时间增加粘度是下降的，这样就会影响墨水的寿命。静电稳定，采用小分子分散剂，适合于水和极性溶剂，但目前陶瓷墨水大都使用非极性溶剂。

影响墨水发色的因素有陶瓷墨水色料的制备、固含量、墨水粒径以及烧成温度。相比于普通色料，墨水色料要求色料的发色力更强。这就要求色料的粒径分布均匀一致，在原材料的选型上，要求选用高纯、粒径均匀的原材料，在工艺上，要求制备过程时间更长，以保证晶体生长更完善以及结构的完整性。同时墨水的固含量也影响发色，固含量越高，颜色相对较深一些，但固含量高会影响墨水的寿命，所以不同的颜色墨水的固含量要根据情况进行调整。颗粒越大，越接近色料的发色，色料磨细以后，一些颜色如黄色、红色，就会变浅，甚至没有颜色，棕色、桔色墨水色调会发生变化，所以粒径影响色调和颜色深浅。墨水色料的熔点比普通色料降低了很多，所以温度波动大以后色料可能全部熔化，熔化后就不是晶体而是熔融体，这样发色就会消失，变质变样。

■陶瓷墨水的发展趋势

　　作为墨水企业，不光要看眼前，生产墨水为陶瓷企业提供原材料，同时也要考虑今后墨水的发展方向。陶瓷墨水今后的发展方向有：1、环保型溶剂的开发：无污染和水性陶瓷墨水的研制;2、专用墨水色料的开发：从原料，工艺和合成结构上探索;3、功能陶瓷墨水的开发：如开发高强保温砖、抗菌陶瓷砖、抗辐射陶瓷砖、光伏发电陶瓷砖等功能性陶瓷产品;4、陶瓷墨水品种的细化：适应于不同的釉面质量;5、红色墨水：新型色料或不同的墨水制备工艺;6、喷釉的开发：喷头和设备的开发。

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