陶瓷墨水稳定性研究及发展趋势
摘 要：建筑陶瓷功能化是传统建筑陶瓷产业升级的必由之路。利用喷墨技术将功能性的陶瓷墨水打印在陶瓷砖上，可以实现建筑陶瓷的个性化和功能化，并且大幅度提高产品的附加值。喷印技术能大幅提高产品的仿真度和清晰度，增强产品的竞争力，助力企业抢占终端市场。未来的陶瓷墨水产品技术创新，主要集中在水性陶瓷墨水和功能化陶瓷墨水两大领域。本文对陶瓷墨水的技术特性进行了剖析，提出了陶瓷墨水稳定性研究方向。同时，列出了陶瓷墨水未来的发展趋势。
关键词：陶瓷墨水；分散稳定性；功能化；喷印技术；发展趋势
1 引言
随着计算机技术的发展，数字化技术（Digital technology）在我国传统制造业中的应用越来越广泛，现已成为一项非常重要的技术[1]。喷墨打印技术是20世纪70年代末开发成功的一种非接触式的数字印刷技术（Digital printingtechnology），其将墨水（Ink）通过打印头上的喷嘴喷射到各种介质表面，实现了非接触、高速度、低噪音的单色和彩色的文字和图像印刷[2]。在喷墨打印技术的基础上，将特殊的粉体制备成适用于陶瓷装饰用的陶瓷墨水，通过计算机的控制，利用特制的喷打装置，可以将配制好的陶瓷墨水直接打印到陶瓷的表面上进行表面改性或表面装饰。陶瓷喷墨打印技术（Ceramic ink-jet printing technology）的广泛应用是陶瓷装饰技术的一次历史性革命，具有非常广阔的市场前景。
陶瓷装饰用彩色喷墨打印技术是将陶瓷色料粉体制成彩色墨水，通过打印机将其直接打印到坯体、釉面或其他载体上而呈色的装饰方法，成型体的形状和尺寸由计算机控制[3]。喷墨打印法与现有的装饰手段相比具有如下优点[4]：（1） 能够实现个性化设计与制造，既节省时间，又提高效率；（2） 几何形状由计算机软件控制，可制作各种复杂图案；（3）有可能突破现有的装饰手段中一些人为因素的制约，进一步提高陶瓷装饰效果；（4） 有利于实现多种图案小批量的陶瓷制品生产，特别适合于设计复杂图案；（5） 可用于块体材料装饰，更适合于薄膜材料装饰。
陶瓷喷墨打印关键技术之一为陶瓷墨水（Ceramic ink）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、表面活性剂及其他辅料[5]。陶瓷喷墨打印技术作为一种数字化技术，在研究和应用领域也主要集中在装饰方面。在陶瓷产业结构调整的关键时期[6]，陶瓷喷墨打印技术应该可以作为撬起产业朝“资源化、低碳化、数字化、个性化、功能化、智能化”发展的支点。
2 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[7]。无机非金属颜料是墨水的核心物质，要求颗粒度小于l μm，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[8]。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[9]。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、黏度、表面张力、电导率、pH值外，根据陶瓷应用特点还要求一些特殊性能[10]。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[11]。
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。
3 提高陶瓷墨水稳定性的途径
3.1 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[12]，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 mPa·s，表面张力为30～32 mN/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[13]。
3.2 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。