剖析 喷墨打印技术在陶瓷上的应用

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坯料成分、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。陶瓷墨水通常由陶瓷粉料（色料、着色剂）、溶剂、分散剂、结合剂、表面活性剂及其它辅料构成。陶瓷粉料（色料、着色剂）是墨水的核心物质，要求其颗粒度小于１微米，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。溶剂是把陶瓷粉料（色料、着色剂）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。分散剂是帮助陶瓷粉料（色料）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：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，不会出现化学反应变化和颗粒团聚沉淀。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。陶瓷墨水的一般性能要求见表一。

三、陶瓷墨水的制备

获取超细陶瓷（色料）粉体和将一定含量的陶瓷粉体均匀稳定地分散在溶剂中而不使其团聚成大颗粒（小于１微米）是陶瓷墨水制备的核心技术。目前制备陶瓷墨水的方法主要有分散法、溶胶法和反相微乳液法。按照分散法的原理，许多制备陶瓷超细粉体的方法均可用于制备陶瓷墨水。按原料起始状态，陶瓷（色料）超细粉体的制备方法可分为固相法、液相法和气相法三大类。

１、固相法

固相法的特点是设备简单、操作方便，但所得粉体不够纯，粒度分布较大。固相法主要有机械粉碎法和固相反应法两类。机械粉碎法可利用高能球磨机加工超细粉体。固相反应法又有燃烧法和热分解法之分。燃烧法是指把金属盐或金属氧化物按配方充分混合、研磨后进行煅烧，发生固相反应后，直接或通过研磨得到陶瓷超细粉体。热分解法是利用金属化合物的热分解来制备陶瓷超细粉体，即Ａ?ｓ?→Ｂ?ｓ?＋Ｃ?ｇ?。

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２、液相法

液相法是目前实验室和工业上广泛采用的制备陶瓷超细粉体的方法，很有发展前途，其基本过程原理是：选择一种或多种合适的可溶性金属盐类，按所制备的材料组成计量配制成溶液，使各元素呈离子或分子态，再选择一种合适的沉淀剂或用蒸发、升华、水解等操作，使金属离子均匀沉淀或结晶出来，最后将沉淀或结晶出来的物质脱水或加热分解而得到超细的陶瓷粉体。液相法中主要有沉淀法、水热法、溶胶—凝胶法和水解法。沉淀法又可分为直接沉淀法、共沉淀法和均匀沉淀法等，都是利用生成沉淀的液相反应来制备陶瓷超细粉体；水热法是通过高温高压在水溶液或蒸汽中合成物质，再经分离和热处理得到陶瓷超细粉体；溶胶—凝胶法是利用金属醇盐的水解和聚合反应制备金属氧化物或金属氢氧化物的均匀溶胶，然后利用溶剂、催化剂、配合剂等将溶胶浓缩成透明凝胶，凝胶经干燥、热处理得到陶瓷超细粉体；水解法是利用化合物的水解反应产物（氢氧化物或水合物沉淀），经过滤、干燥、煅烧等工序得到超细粉体。

３、气相法

气相法是直接利用气体，或者通过各种手段将物质转变为气体，使之在气体状态下发生物理变化或化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成超细微粒的方法。用该法可制备纯度高、颗粒分散性好、粒径分布窄、粒径小的陶瓷超细粉体。气相法又可分为气体中蒸发法、化学气相反应法、溅射源法、金属蒸汽合成法等。

近几年，国内已有单位从事喷墨打印用陶瓷墨水的研究与开发，发表了一些研究论文。主要研究单位与代表性的相关论文有：天津大学的“Ｓｏｌ－Ｇｅｌ法制备连续式喷墨打印用彩色陶瓷墨水的理化性能”、“反相微乳液法制备高浓度ＺｒＯ２陶瓷墨水”、“ＢａＴｉＯ３陶瓷墨水的制备与性能”；南昌航空工业学院的“喷打用蓝色及红色陶瓷表面装饰墨水的制备与性能”；陕西科技大学的“反相微乳液法制备陶瓷装饰用彩喷墨水”、大连理工大学的“Ａｌ２Ｏ３陶瓷墨水的乳化分散制备工艺”；中国地质大学的“纳米氧化锆陶瓷墨水的制备”等。目前，公开的与陶瓷墨水制备相关的中国专利申请有：美国费罗公司的“用于陶瓷釉面砖（瓦）和表面的彩色喷墨印刷的独特的油墨和油墨组合”（００８１８２６１．２）；中国科学院化学研究所的“一种无机颜料水溶胶及制备方法和应用”（２００４１０００１４３２．０）等。

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