纳米分散液推动无机颜料之陶瓷喷墨技术交流

    德国PuhlerGroup,派勒国际控股集团-广州派勒机械设备有限公司亚太区销售总监。 
    纳米科技是本世紀科技发展的重要技术领域，藉由纳米科技之发展，将创造另一波技术创新及产业革命。其应用领域非常广泛，遍及电子产业、光电产业、医药生化保健品产业、化织产业、建材产业、金属产业、基础产业,…等，截至2009-10-26号笔者参加完“2009第八届中国国际纳米科技（湘潭）研讨会”笔者发表完“《纳米粉体之超细纳米研磨技术交流》”后收到很多行业资深人士的来信来电，就纳米研磨设备的介绍到，如此次文章发表如何将分散剂，纳米研磨机，配方工艺更好的结合起来。继之后再次发现更多新型纳米行业领域与我司之PHN超细纳米研磨设备在其产品中的应用，暂不一一列举。不论其应用之领域如何，所需要用的材料均为次微米或纳米级细度的材料。如何得到纳米級的粉体及如何将纳米級的材料於适当的界面改质后成功地应用到其最終的产品，已成为目前产，经及学术界共同之研究课题。本文将介绍如何将量身打造的润湿分散剂，利用超细纳米研磨机为工具，将其包覆在纳米粉体表面上做一适当之改质，以期得到稳定且纳米化的最終产品。  
  关鍵詞： 
    转化技术(Convertingtechnology)、纳米微粒的分散(nanoparticledispersing)、分散(dispersing)、派勒PHN超细纳米珠磨机(highspeedagitatedbeadsmillofPHNNanosystem) 
    引言：
    笔者从事德国公司研磨机销售业务数年，且已曾受邀在国内大专院校﹑工研院﹑中科院及国内外企业针对”新一代高效率纳米研磨的现况及发展”主题演讲，并已规划过数百多个案例，在国内外已销售数百工厂实绩。其主要应用领域可以1998年为区分点。随着3C产品之轻、薄、短小化及纳米细度材料应用之白热化，如何将超威细研磨技术应用于纳米材料之制作及分散研磨已成为当下之重要课题，1998年以前，企业界所面临的问题为如何提高分散研磨效率以降低劳力成本，如染料﹑涂料﹑油漆、油墨﹑铅笔、食品、…等产业。而1998年以后，产业技术瓶颈则为如何得到微细化（纳米化）材料及如何将纳米化材料分散到最终产品里，如光电业TFTLCD﹑Jetink﹑磁性材料﹑保健品﹑生物制药和细胞破碎﹑氧化物﹑纳米材料﹑电子产业﹑光电产业﹑医药生化产业﹑化纤产业﹑建材产业﹑金属产业﹑肥皂、皮革、电子陶瓷、导电浆料、胶印油墨、纺织品、生物制药、喷绘油墨、芯片抛光液、细胞破碎、化妆品、喷墨墨水、陶瓷喷墨、金属纳米材料、塑料材料、特种纳米航空材料等行业。 
    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(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(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(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。随着博今科技、道氏制釉、明朝科技、金鹰色料、万兴色料等国产墨水企业对于陶瓷墨水品质的不断提升，随着泰威、美嘉、精陶等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。但喷墨的研磨最终细度和稳定成了所有生产企业所面临的一大难题，在技术方面，除了拉线、发色的问题以外，笔者参加了广州5月份的国际陶瓷工业展后认为喷墨的多功能化、喷墨打印快速化、喷墨技术与薄板更好的结合、墨水固含量的提高、胶状化学物质的均匀分布及稳定性的提升、水性陶瓷墨水的研制、模具的设计和使用也是今后的发展方向。 
    针对现在陶瓷喷墨行业产品颜色品种多，批量大，产品不容易研磨，大家可以对纳米研磨机的型号进选择，以下为PUHLER派勒最新推出针对现在陶瓷喷墨行业产品颜色品种多，批量大，产品不容易研磨，大家可以对纳米研磨机的型号进选择，针对现在陶瓷喷墨行业产品颜色品种多，批量大，产品不容易研磨，派勒集团推出了研磨腔体为0.5L、6L、10L、25L、60L、150L、1200L多型号纳米砂磨机，第二代PHESupermaxFlow1200™超大型卧式超细砂磨机及制造部同事合影。
    不论是传统产业提升研磨效率求快或是高科技产业纳米化材料求细需求，污染控制都同样重要。所以细﹑快﹑更少污染已成为新一代分散研磨技术最重要的课题。 
    本文将针对纳米级研磨的现况及发展﹑纳米级分散研磨技术的原理﹑纳米级研磨机的构造﹑现有设备的来源﹑应用实例及注意事项﹑结论及建议等六大主题加以探讨。
    1.纳米粉体在市場上应用现状与发展 
    纳米微粒粒子应用范围的广及其潜在市場的大，是大家不可否认的事实，依据USNSF(NationalScienceFoundation)之預测，在2010-2015 
    前，纳米粉体的潜在市场規模将达3,400亿美金。多年来，世界各地的纳米专家不断地在开发纳米粉体的新应用，例如：有人希望能将传统工业产品纳米化，以便提升产品的价值及性能，其应用的领域诸如涂料、油墨、塑膠、树脂、功能性色膏、陶瓷粉，…等传统产业的纳米化；又有人想利用纳米材料的特性开发出消费性新产品，如光学膜、光触媒、保健品、医药等产品，纳米科技可说是产业的另一次大革命!
    然而，尽管US-NSF大胆地預测纳米市场的潜在規模如此大，同时美、日、德等国家亦已投入相当大之人力物力来开发纳米粉体的应用（如德国Degussa公司开发纳米级之SiO2,….等），然而在2003年一年中，全世界的纳米陶瓷粉的产值仅为1.5亿美金，与預测值相距太远!其原因不外乎如下: 
    1.1价值链落差: 
    纳米粉体仍无法成功地被应用于量产阶段，其主要原因为生产者尚未将传统工业于纳米化时，掌握住所有制程的转化条件，其中包括工艺配方的设计，纳米粉体的前处理，纳米粉体的转化条件等，尤其是纳米粉体因凡得瓦尔力的作用易产生团聚的现象，若只靠传统的分散技术，并无法将纳米粉体分散开来，因此若要成功地将传统工业纳米化，首先要了解的关键技术，即是如何先将纳米粉体适当地转化，使其在添加到下一个界面后仍为纳米粒子，沒有团聚的现象产生。说到这里，大家不难了解为何至今仍有那么多纳米粉体无法成功地被应用！其主要原因为市面上大部分的纳米粉体皆尚未被适当地改质，因此无法直接使其成功地被应用到纳米产品的开发与制造。
    到今日为止，市面上至少有200种纳米产品已被开发出来，可惜的是大部分的粉体例如inkjet、SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2及ATO、ITO…等粉体皆尚未被依需求而量身打造地改质，所以无法成功地被应用。同時，至少有成千上萬之企业想从事纳米产品的开发，但大部份的人找不到适合他们用的改质过的粉体，所以如何先将纳米粉体做一适当地改质，并使其可以成功地应用到产品端，将是从事纳米科技的人不可不学的課程!
    1.2纳米粉体需要因不同的应用而加以改质:
    目前市面上已有多家的化学品公司及新成立的纳米通用分散液公司，宣称可提供一些通用标准的纳米分散液，但因市面上大部分的纳米分散液尚未被量身打造地改质，因此仍无法直接使其被应用到最终纳米产品的开发与应用。其原因为当尚未被适当改质的纳米分散液于添加到最終的产品时，往往因界面不相容而产生团聚之现象产生，所以纳米的效果并无法被展现出来。例如有些应用将纳米的ZnO涂布到光学膜上，由于该ZnO粉体並未先做适当的界面改质，所以光学膜于涂布該ZnO粉体后抗UV之效果非但沒有增加，穿透率卻反而大幅降低! 
    PUHLER派勒公司为了帮客户解決上述问题，自2003年起，已与德国新材料开发中心从事纳米研究的专家合作，并将设备与工艺进行同步调整和研发新机型(请参阅上图一所示)，负责帮客户开发并量身打造所需的表面改质分散剂，提供帮客戶完整的服务，使想从事纳米材料应用的客戶可以心想事成! 
    2.界面改质技术的概念
    2.1化学机械制程: 
    在导入界面改质技术概念前，先前大家可利用三辊研磨、分散机、珠磨机、搅拌磨…等分散研磨设备将材料分散研磨到微米或次微米級，但却很难达到纳米级的细度!其主要原因为一旦材料的颗粒大小被机械力分散研磨纳米化后，此时粉体的比表面积急剧增加，凡得瓦尔力效应及布朗运动转为明显，粉体因而容易再度凝聚在一起，所以不管再怎么分散研磨，粒径总是降不下来!
    为了解決此问题，我們在此介紹一个非常有效的方法-化学机械制程法。此制程的主要概念如下图一所示，将量身打造好之界面改质剂，利用高速搅拌珠磨机(highspeedagitatedbeadsmill)为工具，将纳米粉体做适当之界面改质，以避免纳米粉体之再凝聚，一直分散研磨到粒径达到要求为止。

 图6:矽溶膠colloidal silica(colloidal silica)之粒径分佈,D90< 12 nm