喷墨打印技术与陶瓷墨水的制备

喷墨打印技术与陶瓷墨水的制备

摘要本文介绍了喷墨打印技术并从组成、性能和制备方法方面对喷墨打印用陶瓷墨水进行了概述。关键词喷墨,打印,墨水,陶瓷

1 喷墨打印技术在陶瓷工业中的应用

喷墨打印是非接触打印过程，是将小墨滴从直径为数十微米的喷嘴喷出，以每秒数千滴的速度沉积在载体上。目前，打印机的工作类型有两种：需求喷墨打印机和连续喷墨打印机。喷墨打印头有三类：一是使用压电陶瓷元件将机械振动转变成墨水压力波从而排出墨滴的系统；二是使墨水骤然加热产生气泡，通过气泡压力波排出墨滴的系统；三是吸取墨水并通过

静电力使其定向飞扬的系统。

随着数字化技术的发展与普及，喷墨打印技术已广泛地应用于办公室文件打印、户外广告喷绘、数码照片冲印、纺织品喷墨印花等各个领域，而在陶瓷工业领域的应用则刚开始不久，主要有以下两方面：陶瓷制品装饰和陶瓷成形。陶瓷制品装饰是将陶瓷色料制成多色墨水，通过计算机控制的打印机将其直接打印到陶瓷表面进行装饰，该技术已实用化。其优势在于可充分利用计算机的丰富资源，通过软件信号可即时改变装饰设计，提高了新产品的开发和生产效率，同时可依靠计算机方便地制作复杂图案，提高装饰效果。陶瓷成形用喷墨打印是将待成形的陶瓷粉料制成陶瓷墨水，通过打印机将这种陶瓷墨水直接打印到载体上成形，成形体的形状及几何尺寸由计算机控制，该技术仍处于研发阶段。陶瓷喷墨打印成形技术可应

用于固体氧化物电池的制造、多层显微电路制造、结构或压电有序陶瓷复合材料制备以及小体积高复杂的整体陶瓷元件的制造等。

2陶瓷墨水的组成与性能

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、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。陶瓷粉料是墨水的核心物质，要求其颗粒度小于1μm，颗粒尺寸分布要窄，颗粒之间不能有强团聚，并具有良好的稳定性，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。

对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)要求陶瓷粉料在溶剂中能

保持良好的化学和物理稳定性，长时间存放也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，陶瓷粉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，以便煅烧后获得较高的烧结密度；(3)要求打印的色剂高温烧成后具有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如下表所示。

3陶瓷墨水的制备

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。按原料的起始状态，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。

3.1固相法

固相法的特点是设备简单、操作方便，但所得粉体纯度不高，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。

3.2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。其基本原理是：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状态，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。

3.3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。

4国内外开发应用状况

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。

世界上第一台工业使用的陶瓷装饰喷墨打印机是由美国FERRO公司开发成功的KERAjet系统，如图所示。它使用20个赛尔XJ500工业打印头，能在陶瓷片上以180dpi的分辨率进行100%边缘到边缘的打印，实现有光泽或无光泽的装饰打印。它使用FERRO