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陶瓷墨水的技术特点

2020-09-29 11:26:06    来源:    浏览次数:
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份、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, 它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。 
无机非金属颜料是墨水的核心物质,要求颗粒度小于 1 μm,小于1μm,一般用到0.4-0.6mm必威官网体育登录,颗粒尺寸分布窄,颗粒之间不能团聚,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从打印机输送到受体上的载体, 同时要控制好干燥时间、墨水黏度、表面张力等不随温度变化而改变。 
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均匀地分布在溶剂中,并保证在喷印前粉料不发生团聚。 
它的主要成份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 p H 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、黏度、表面张力、电导率、p H 值外,根据陶瓷应用特点还要求一些特殊性能。 
如:
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,不会发生化学反应和颗粒团聚沉淀。
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,以便煅烧后具有较高的烧结密度。
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。
由于目前采用按需喷墨工艺, 所以对电导率要求不高。 但如果采用连续喷墨工艺,对电导率就会要求较高。当然墨水与喷头材料的适应性、 喷头材料和孔径及压电特征等决定了陶瓷墨水的技术特征。

提高陶瓷墨水稳定性的途径
降低色料颗粒的沉降速率首先, 要求色料的粒度较小, 并且需经过良好的分散,而不是团聚在一起,所以分散设备、分散方法、分散介质、分散时间等因素很重要。 
色料颗粒越小,布朗运动越强,颗粒会克服重力影响而不下沉。 
其次,可尝试降低分散相与分散介质的密度差, 可通过调整色料制备工艺降低色料的密度,或通过加入添加剂(如壳聚糖等糖类物质)增加分散介质的密度。 
但前提是陶瓷墨水的密度要在1.0~1.5 g/cm3的范围内。 最后,在适应喷墨打印(进口陶瓷墨水要求打印温度下黏度为 l~13 m Pa·s,表面张力为 30~32 m N/m)的 前提下 ,可以添加适量的黏度调节剂以提高分散介质的黏度 η 来降低 vs。 
制备陶瓷墨水可以尝试使用的黏度调节剂有:丙烯酸树脂、乙醇、异丙醇、正丙醇、正丁醇、三乙二醇甲醚、聚乙二醇甲醚、聚乙二醇、羧甲基纤维素、N,N-二甲基间甲苯胺、乙二醇苄醚、壳聚糖、四氢糠醇、吗琳等等。

选择合适的陶瓷色料种类
尽管目前已经研发出十余种陶瓷墨水, 但陶瓷墨水的彩色范围仍较窄,鲜艳的红色色系、黄色色系和黑色色系陶瓷墨水高温烧成后的发色效果仍不是很理想, 制约了陶瓷墨水在陶瓷砖装饰上的应用。
首先,陶瓷色料的发色主要决定于微观结构,即离子的结构、电价、半径、配位数及离子间相互极化作用。 
陶瓷色料的着色主要可分成三大类:晶体着色、离子着色和胶体着色。 
第一类是晶体着色,它占了大多数,如刚玉型的铬铝红、金红石型的钒锡黄、锆英石型的钒锆蓝、尖晶石型的钴铁铬铝黑、石榴石型的维多利亚绿等等;
第二类是离子着色,我国传统的铁青釉就是典型的离子着色;
第三类是胶体着色,铜红釉的着色就是依靠氧化亚铜胶体粒子。
其次,发色效果除了与着色离子等因素有关外,还与载体的形式有关。 若形成固溶体、包裹体、尖晶石等载体结构,可提高色料的呈色稳定性。
再次,陶瓷墨水要求具备超强的发色饱和度和稳定性, 而陶瓷色料的粒径对发色效果的影响很大。
黑色色料的呈色机理主要是通过颜色的减色混合原理实现的, 即通过几种色料颗粒对不同波段的可见光进行选择性吸收、最终将 400~700 nm 波段的可见光全部吸收,从而使釉面呈现黑色。 特别是含钴的黑色料,粒度越小,黑度越好。 
棕色色料随着粒度的减小,一般红、黄调会增大,但颜色深度会明显变浅。 由于人眼对棕色的色差敏感,即使在 AE 很小的情况下,也能观察出来。 
锆系三原色色料存在结构不稳定的问题,随着粒径的减小,在釉料中的发色饱和度明显降低。 
锆系灰色色料随着粒度的减小,呈色更加均匀。 
钒锆黄色料属“媒染型”色料,结构稳定性差,粒度的减小对色凋影响明显。 
包裹色料受粒度的影响非常大, 长时间研磨易使包裹结构受到破坏,缺陷增多,导致发色变浅。 Co-Si 系统的宝蓝色料属离子着色,在乳浊釉中粒度越小,呈色越均匀;在透明釉中,随着粒度减小,游离到釉中的 Co2+转化为四配位的机会增多,其紫红调减小,蓝调增大。 
在陶瓷色料结构体系中。 
尖晶石型陶瓷色料的晶体结构致密、 发色稳定、气氛敏感度小,特别是高温稳定性和化学稳定性好。
如钴蓝系列、棕黄系列和黑色系列,而且尖晶石结构色料的细度越小饱和度反而越好。
因此, 陶瓷墨水最好选择尖晶石等结构类型的陶瓷色料。 
目前陶瓷墨水色料的生产主要采用固相法,原料的活性、原料的粒度、混料的均匀程度、表面活性剂、矿化剂种类及用量、烧成制度等因素对色料的合成至关重要。 
由于纳米级原料的表面吸附、团聚作用较大,混料的均匀程度较难控制,且固体反应时组分扩散只能在微米级,因此产品的质量不理想, 存在色料色彩明度低, 着色能力差,显色稳定性差和色差等问题。 由于固相法具有制备工艺简单、成本较低、技术成熟等优点,所以它被广泛地使用。 
制备时也可考虑以均匀系统代替非均相系统,即采用化学共沉淀法、溶胶一凝胶法、水热法、微乳液法等方法制备高性能陶瓷墨水颜料。
也有许多专家在利用化学共沉淀法、溶胶一凝胶法等液相法来制备陶瓷墨水色料,但当前存在所制备的墨水发色较浅、中位粒径>1 μm,且粒径分布不均匀等问题,还需要继续深入研究。 
可用于加工陶瓷墨水色料的设备, 主要有干法气流磨和湿法搅拌式球磨机。 
其中,气流磨是以气流作为介质,通过环形超音速喷嘴加速形成高速气流,带动颗粒加速,相互碰撞导致颗粒粉碎。 
粉碎后的颗粒经过涡轮气流分级机分级,合格颗粒进入收集系统,不合格颗粒返回粉碎机继续粉碎。若使用搅拌式球磨机对颜料粗品进行球磨, 需要在处理粉体至亚微米级之后,再通过分级设备的分离,以得到亚微米级的产品。

纳米研磨
氧化锆磨球

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