数字喷墨打印用陶瓷颜料的制备工艺进展

摘 要：本文介绍了数字喷墨打印用陶瓷颜料的几种制备技术，如：固相分散法、溶胶-凝胶法、化学共沉淀法、水热法、微乳液法、自蔓延燃烧法、微波加热法、机械化学合成法、声化学法等。对这些工艺技术的组合，如：超声-共沉淀、共沉淀-水热、微波-溶胶凝胶、微波-水热、微乳液-水热、自蔓延燃烧-水热技术等也作了分析。讨论了陶瓷数字喷墨打印技术的特点、研究现状、存在问题及发展前景。

关键词：喷墨打印；陶瓷颜料；工艺进展

1 前言

随着数字化技术的发展与普及，喷墨打印技术正突破常规，进入到了我们所熟悉和不熟悉的领域，例如：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，还有生物技术、生物工程、法学、金属沉淀学、微结构制造、电子制造、网络连接、制药、玻璃、陶瓷装饰及显示器制造等各个领域。

陶瓷喷墨打印技术作为一种数字化技术，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，可以实现无机材料表面的随意装饰，可以将任意复杂花色的图案像彩色打印一样打印到陶瓷以及玻璃的表面上。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而产生气泡，从而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。

在陶瓷产业结构调整的关键时期，陶瓷喷墨技术以其“资源化、低碳化、数字化、个性化、功能化、智能化”发展的特点，在陶瓷行业掀起了一股“巨浪”。自2009年中国引进第一台喷墨打印机开始，中国喷墨市场就在被逐渐地打开，其分别经历了国产化第一阶段的“萌芽期”和第二阶段“青涩期”。至此，喷墨市场进入完全的“成熟期”。具体来说，从2011开始就进入了一个全面开启的“井喷期”，这个“井喷期”还将继续持续，在未来的某个时候，市场容量可能达到1000台。

2 陶瓷喷墨打印的优势

陶瓷喷墨打印技术具有以下明显的特点与优势。

（1） 个性化

能够实现个性化设计与制造，既节省时间，又提高效率。

（2） 精细化

几何形状由计算机软件控制，图像分辨率高，可制作各种复杂图案。

（3） 高速化

如：在纸品印刷上，印刷速度可达6～10m/s。

（4） 网络化

适应面广，机械化、自动化程度高。该系统由计算机控制，从图案设计到喷墨程序再到执行步骤，印刷图案可在短短的几秒钟内迅速变换，并可通过网络远距离传输。

（5） 无接触

和丝网印花相比，它属于无接触印花。它没有丝网作为介质，与被装饰的形状复杂半成品表面相接触的只是油墨。能突破现有装饰手段中的一些人为因素的制约，进一步提高陶瓷装饰效果。

（6） 低碳化、资源化

与陶瓷其他装饰方法相比，大大减少了色料、釉料的浪费。

（7） 智能化、功能化

陶瓷喷墨打印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。

3 陶瓷墨水的组成与性能

陶瓷喷墨技术的核心组成材料——陶瓷墨水通常由陶瓷粉料（色料、着色剂、釉料）、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、釉料）是墨水的核心物质。要求其颗粒度小于1μm，平均粒径为0.5μm，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。而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为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。如：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；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；要求打印的色剂具有高温烧成后的稳定性能、良好的呈色性能，以及与坯釉的匹配性能。

4 陶瓷墨水的制备

目前，行业内陶瓷墨水常用的制备方法主要有溶胶法、反相微乳液法及分散法，三种方法各有优缺点[19-21]。其中，溶胶法具有较高的分散稳定性，物化性能容易调节而备受关注。但另一方面，溶胶液是一种热力学不稳定体系，所以，当其长时间放置时，会出现沉降现象；反相微乳液法虽然具有良好的分散稳定性，但由于墨水中固含量偏低，所以限制了其发色性能，而且不适合组成复杂的颜料；分散法制备工艺简单、成本低廉，但其分散稳定性较差，在分散过程中，其颗粒形貌难以控制。因此，在喷墨打印时，容易堵塞喷头，而且当墨水浓度较高时，容易出现絮凝、触变等现象，从而影响打印效果。

除了以上三种方法外，随着喷墨技术对颜料的要求越来越高，新的制备技术值得研究。如：化学共沉淀法、水热法、蔓延燃烧法、微波加热法、机械化学合成法、声化学法等。对这些工艺技术的组合，如：超声-共沉淀、共沉淀-水热、微波-溶胶凝胶、微波-水热、微乳液-水热、自蔓延燃烧-水热技术等。借助这些新工艺，使得陶瓷颜料的制备技术和性能会有新的突破。