浅谈陶瓷墨水的关键性能指标

浅谈陶瓷墨水的关键性能指标
作者：胡俊区卓琨郭武生
来源：《佛山陶瓷》 2012年第8期
胡俊1，区卓琨1，郭武生2（1．国家陶瓷水暖及卫浴产品质量监督检验中心，佛山528225；
2．巴塞罗那自治大学化学系，巴塞罗那08193）
摘要：本文介绍了陶瓷墨水的关键性能指标。

通过分析影响各关键性能指标的因素，提出了陶瓷喷墨打印技术的整体解决方案，为陶瓷墨水的研发和使用提供参考。

关键词：陶瓷；喷墨打印；墨水；性能指标；影响因素；解决方案
1 前言
陶瓷装饰用喷墨打印墨水的国产化是未来发展的趋势。

一方面，陶瓷墨水国产化的关键在于性能的提升，除了分散体系的稳定性、固相含量、粒度分布、粘度、表面张力、pH值、密度等基本性能外，还包括假触变性、烧成后显色、与坯釉的适应性、干燥性和防渗透性、与喷头的兼容性等方面的性能：另一方面，国内陶瓷墨水企业需要针对当前国内外墨水在实际生产中出现的拉线问题、烧成后色彩偏淡和色差、墨滴干燥过慢而引起图案清晰度的降低、墨水与底釉适应性不理想等问题，提供整体解决方案。

本文介绍了陶瓷墨水的关键性能指标，通过分析各关键性能指标及其相关影响因素，提出陶瓷喷墨打印技术的整体解决方案，为陶瓷墨水的研发和使用提供参考。

2 关键性能指标
2.1分散的稳定性
陶瓷墨水是着色剂分散在载液中得到的一种分散体系，这种体系相对稳定，其中着色剂主要是无机陶瓷色料。

如果放置一段时间不聚集、不沉淀，说明其稳定性较好。

聚集指无机色料之间的相互团聚，与色料颗粒间的分散作用有关。

沉淀是指无机色料颗粒不断聚集，直至下沉到分散体系底部，其影响因素包括：无机色料的密度、粒度分布、分散体系的组成等。

与此同时，分散体系需要选择合适的溶剂、分散剂等有机物，要求墨水能保持良好的化学稳定性，长时间存放也不会出现化学反应变化。

对陶瓷墨水的色料颗粒的沉降情况进行分析，从Stocks的沉降速率公式可确定其相关的影响因素，如式(l)所示。

2.2假触变性和可恢复性
陶瓷墨水的假触变性是指由于放置一定时间后陶瓷墨水中的色料发生沉降，当对其进行搅拌时，陶瓷墨水会再次变成均匀的分散体系，这是一个可恢复（可逆）的过程。

陶瓷墨水在喷墨打印机及喷头中是循环流动的，其假触变性显得尤为重要。

这是由于陶瓷墨水主要是由无机色料、有机溶剂、分散剂及添加剂组成。

在静止状态下，色料颗粒之间的静电作用、空间位阻作用、静电位阻作用，使色料颗粒之间相互达到引力和斥力的平衡，形成一个亚稳定的胶体状
分散体系。

放置一段时间后陶瓷墨水发生沉降，色料在底部聚集，破坏了均匀分散的结构。

在
搅动和摩擦等外部作用力下，色料的团聚体被分散，色料再次被均匀地分散到有机溶剂中。

可恢复性的关键在于色料颗粒间较强的分散排斥作用，可避免色料颗粒直接接触而产生吸
附力较强的团聚，即使沉降、轻微团聚，在剪切力作用下会重新被均匀分散。

静电稳定机制为
热力学亚稳态，而空间位阻稳定机制为热力学稳定状态。

为了提高陶瓷墨水的可恢复性，可添
加高分子聚合物（如树脂）作为分散剂，使之紧密而又牢固地连接，并完全覆盖在色料的表面，其溶剂部分渗透到分散介质中，以形成一定厚度的有效屏障，阻止色料颗粒的进一步聚集。

2.3粒度分布
由于喷头孔径和墨水通路系统的制约，墨水中的色剂颗粒必须足够细小，以保证喷墨过程
的顺畅。

陶瓷墨水中颗粒的粒度分布要尽可能窄，以避免色剂过细导致显色不均匀（色料在坯
体上的堆积密度不均匀）或减弱（色料溶解在釉料中）的现象。

陶瓷墨水中色料颗粒的分散包括润湿、分散及分散稳定三个过程。

将色料润湿，使色料粒
子表面上吸附的空气逐渐被分散介质所取代后，还要通过剪切力或冲击力将润湿后的色料粒子
聚集体破碎成为更为细小的色料颗粒，被粉碎后细小的粒子通过碰撞可以重新聚集或絮凝，为
了阻止这一现象的发生，就要在粒子之间引入足够的斥力，例如颗粒表面包裹一层分散剂，使
其达到分散稳定。

从理论上讲，这三个过程完成之后，色料以初级粒子或者小的团聚颗粒的形
态分散在介质中，形成稳定的分散体系。

实际上，由于粒子的表面能量高，较易发生粒子的聚集。

2.4固相含量
固含量是指陶瓷墨水在规定条件下烘干后剩余部分占总量的质量百分数。

主要是不挥发物
含量。

固含量越高，单位质量墨水中色料含量越高，能够提高陶瓷喷墨的发色强度和色彩范围，也能够降低单位陶瓷墨水的用量，进而降低生产成本。

在对设计图稿的表现力上，提高墨水固
含量的作用优于对同一位置重复打印、堆积墨水的作用，这是由于重复打印容易导致墨点偏离
目标位置，降低清晰度。

然而对于喷头企业来说，为了提高喷头的使用寿命，需要降低喷头的
磨损程度，由此希望限制陶瓷墨水中的无机色料含量。

2.5粘度
适当的粘度可确保墨水在墨路内循环流动顺畅，有利于墨水喷出和墨滴的均匀形成。

粘度
太小，则墨水内摩擦力小，液滴呈弯月形而产生阻尼振荡，影响喷射速度：粘度过大，墨水流
动性差，且不易形成小液滴。

此外，墨水的喷射对其粘度变化也十分敏感，微小的剪切稠化现象都会因粘度的急剧升高
而使打印无法进行。

另外，墨水的粘度会随着墨水温度的上升而下降，因此需要在不同温度下
检测陶瓷墨水的粘度，才能够客观地评价陶瓷墨水粘度的变化情况。

相关研究表明，为了使喷
嘴快速完成墨滴的喷射和陶瓷墨水的填充，陶瓷墨水的流速必须非常快。

点火频率高(Dimatix Fujifilm StarFireTMSG-1024/M -C喷头的点火频率为14～35kHz、Xaar 1001GS12喷头的点火
频率为6～12kHz）、流动速度快(Xaar1001 GS6/GS12喷头的墨滴速度为6m/s、Dimatix FujifilmSpectra Galaxy JA 256/80 AAA喷头的墨滴速度为8m/s)、喷嘴孔径小(Dimatix Fujifilm Galaxy JA 256/80 AAA喷头的喷嘴孔径为52ht,m)，使得剪切率非常大(大约为
105～106s-l)，因此墨水粘度要尽可能低(Xaar 1001 GS12喷头能适用陶瓷墨水的粘度范围为
7～50mPa -s；Dimatix Fuji-film StarFireTM SG-1024/M-C喷头能适用陶瓷墨水的粘度范围
为8～20mPa -s，推荐范围为10～14mPa -s）。

降低粘度的方式有：降低墨水的固含量、选择合适的分散剂、提高温度，在墨水的研制过
程中主要考虑后面两种方式。

陶瓷墨水由于含有无机色料颗粒，其粘度通常高于普通墨水的粘度。

基于可溶性盐的陶瓷墨水，其张力通常在l～lOmPa -s之间；基于微粉化无机色料的墨水，其粘度可低于35mPa．s。

降低墨水的固含量，会降低装饰图案的层次感。

乙二醇常被用作陶瓷
墨水的分散介质，其粘度大约为24mPa.s(25℃)，降低粘度的作用较弱。

此时可通过添加防止
颗粒团聚的分散剂和低表面张力的溶剂代替乙二醇来降低粘度。

由于乙二醇不是简单的分散介质，可能在其他环节起到关键作用，很难完全被替代。

通过喷头加热墨水可在不改变固含量的
情况下降低粘度。

粘度的变化情况可以参考Arrhenius方程，如式(3)所示。

2.6表面张力
适当的表面张力可以保证墨滴的均匀形成，以及不粘喷头，有助于喷墨的长期稳定。

墨水
的表面张力过大，容易出现墨滴拖尾的现象（如图1）；表面张力过小，墨滴容易扩散、易产
生卫星状墨滴（如图2），会使图案的清晰度和层次感降低。

与此同时，墨水的表面张力会随
着墨水温度的上升而下降。

因此需要在不同温度下检测陶瓷墨水的表面张力，才能够客观地评
价陶瓷墨水表面张力的变化情况。

表面张力也会影响色料在分散介质中的润湿。

色料在分散前呈团聚体状，被空气包围。

润
湿的过程需要溶剂把色料表面的空气排出，可通过润湿过程的吉布斯函数式(4)和杨氏方程式(5)来进行分析。

2.7烧成后的呈色
影响陶瓷喷墨发色的主要因素有：色料的种类、结晶度、纯度、在墨水中的粒度分布及含量；坯、釉的成份；温度、气氛制度等等。

例如所选用的色料必须确保在超细颗粒的状态下才
具有良好的发色能力，要求选用的色料在制备过程中反应完全，呈色晶体发育良好、高温稳定
性好、耐釉料侵蚀。

2.8与坯釉的适应性
在其他因素相同的情况下，坯、釉的成份不同，喷墨打印出来的效果可能差别很大。

相关
研究表明，釉料组成中的多种金属氧化物，如氧化锂、氧化硼、氧化锌、氧化镁和氧化锑会影
响墨水的发色，应该避免和减少使用。

氧化钾对陶瓷墨水发色的不利影响超过氧化钠。

氧化钙
和氧化钡不会严重影响陶瓷墨水的发色，可被用来替代氧化锂和氧化硼等物质。

氧化锡会促进
红色的发色，使得产品泛红色。

氧化钛能促进红色和黄色的发色，使产品泛黄色，还会减弱黑
色的发色。

2.9干燥性和防渗透性
如果陶瓷墨水的干燥性不好，各种颜色容易相互渗透，造成图案模糊。

陶瓷墨水在坯体表
面的干燥方式有两种，一是墨滴在空气中挥发；二是墨滴在坯体上渗透。

干燥的空气和较高的
温度会促进墨水的挥发，气孔率高的素坯会促进陶瓷墨水的渗透。

可在陶瓷墨水中加入一定量
的醇类溶剂，以提高挥发性。

也可以加入少量的渗透剂（如加多元醇烷基醚等有机物），降低
陶瓷墨水的表面张力，以符合喷墨打印的要求。

为了防止陶瓷墨水在室温下挥发过快，而引起喷射的中断和喷嘴堵塞，在制备过程中需要
加入一些沸点高、不易挥发的保湿剂。

Colorobbia公司声称，其陶瓷墨水中添加了DEG(_甘醇，其沸点为2450C)以避免陶瓷墨水的挥发。

为了防止墨水与坯体上残留的水分发生扩散，避免大
量水蒸气的生成，目前陶瓷墨水主要是采用油性（有机物）的分散体系，其中Dimatix
Fujifilm StarFireTM SG-1024/M-C喷头要求使用Oil Based Ceramic Inks（油基陶瓷墨水）。

2.10其它性能指标
陶瓷墨水与喷头的兼容性（是否会严重磨损喷头、是否会堵塞喷头、在喷头底板上是否会
因为过度扩展而影响其他喷孔的喷射、是否能够在合适的电压脉冲波形方程下流畅地运行、喷
射速度及墨滴体积是否合理、墨滴落点是否准确等），与陶瓷喷墨打印机的相容性（是否会腐蚀、溶解墨路系统等）以及其他性能指标（导电率、pH等）也需要在一定程度上满足陶瓷喷墨
打印的要求。

3 结论
对陶瓷墨水关键性能指标的深入研究，不但有助于陶瓷墨水的研发和改进，而且能够为解
决陶瓷生产中遇到的问题提供参考。

陶瓷墨水的国产化不但需要墨水企业制备分散体系稳定、
发色效果好的陶瓷墨水，而且需要根据陶瓷墨水的使用情况来调整喷头（电压脉冲波形方程、
恒温控制系统、负压情况等）、调整坯釉料的配方（尤其是底釉）、调整窑炉（窑炉的温度制度、气氛、砖的移动速度）以解决陶瓷喷墨打印使用过程中出现的问题，即提供陶瓷喷墨打印
技术的整体解决方案。