- 2019年7月10日-12日,上海攬境展覽主辦的2019年藍(lán)鯨國際標(biāo)簽展、包裝展...[詳情]
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陶瓷噴墨打印技術(shù)的困境與出路
2012-04-17 10:13 來源:陶瓷報 責(zé)編:江佳
- 摘要:
- 現(xiàn)在筆者剖析了當(dāng)前陶瓷噴墨打印技術(shù)暫時的困境,來探討陶瓷噴墨打印技術(shù)的出路,以促進(jìn)陶瓷噴墨技術(shù)在中國的發(fā)展。 陶瓷裝飾用噴墨打印是將著色劑制成多色墨水,通過噴墨打印的方式將其直接打印到陶瓷表面上,燒成后呈色的裝飾方法。
筆者認(rèn)為可以大部分噴墨產(chǎn)品可以在360dpi的噴墨打印與72dpi的傳統(tǒng)陶瓷印刷中找到一個平衡,通過加大噴頭孔徑,在根本上解決目前噴墨墨水拉線、發(fā)色不穩(wěn)定等問題,并且能夠促進(jìn)陶瓷墨水的大規(guī)模國產(chǎn)化。雖然陶瓷噴墨打印噴頭的生產(chǎn)技術(shù)分別被美國的FUJI-FILM Dimatix“北極星”、英國的XAAR“賽爾”、日本的Konica和精工SPT所壟斷,但是這幾家噴頭企業(yè)之間也存在激烈的競爭關(guān)系。如果日本的Konica、精工SPT或某些國內(nèi)機(jī)械制造企業(yè)通過加大陶瓷噴頭的孔徑,使得國產(chǎn)墨水能夠穩(wěn)定地使用,將迅速占領(lǐng)中國的陶瓷噴頭市場,獲得巨額的利潤。
2、發(fā)色效果的問題
發(fā)色效果的問題包括:墨水的顏色系列單調(diào)、陶瓷色料細(xì)度對發(fā)色的影響、燒成過程中色料的不穩(wěn)定和晶體長大。盡管目前已經(jīng)研發(fā)出十余種陶瓷墨水,陶瓷墨水的彩色范圍仍較窄,鮮艷的紅色色系、黃色色系和黑色色系陶瓷墨水仍極少見,制約了陶瓷墨水在陶瓷磚裝飾上的應(yīng)用。目前陶瓷噴墨打印用的陶瓷色料,主要是將傳統(tǒng)的色料微細(xì)化。在今年2月西班牙卡斯特隆國際陶瓷論壇Qualicer的陶瓷噴墨打印專題研討會上,就重點討論了研磨色料或者膠體尺寸級的顆粒是否可以通過合成法制備Milled pigments or colloidal size par-ticles obtained by synthesis?。
陶瓷色料的發(fā)色效果主要取定于微觀結(jié)構(gòu),即離子的結(jié)構(gòu)、電價、半徑、配位數(shù)及離子間相互極化。陶瓷色料的著色主要可分成三大類:晶體著色,離子著色和膠體著色。其中晶體著色最穩(wěn)定,如剛玉型的鉻鋁紅,金紅石型的釩錫黃,鋯英石型的釩鋯藍(lán),尖晶石型的鈷鐵鉻鋁黑,石榴石型的維多利亞綠等等。在陶瓷色料結(jié)構(gòu)體系中,尖晶石型陶瓷色料的晶體結(jié)構(gòu)致密,發(fā)色穩(wěn)定,氣氛敏感度小,特別是高溫穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好,其飽和度隨著細(xì)度降低反而增大,如鈷藍(lán)系列、棕黃系列和黑色系列。因此,陶瓷墨水最好選擇尖晶石等結(jié)構(gòu)類型的陶瓷色料。對于深紅色或鮮紅色的墨水,如果一味研究包裹色料可能很難找到解決方案,可以嘗試研制固溶體型晶格取代的鮮紅色亞微米級色料。
因此,對于陶瓷墨水用納米著色劑發(fā)色機(jī)理的研究非常重要。通過分析現(xiàn)有的英文資料,用于四色印刷青色、品紅、黃色、黑色的陶瓷墨水中,每一種納米著色劑都有其獨特的發(fā)色機(jī)理。品紅色主要是金納米著色劑在燒成后產(chǎn)物的表面振動。當(dāng)熱處理溫度不超過1100℃時,金納米著色劑在基體中較為穩(wěn)定,表現(xiàn)為強(qiáng)烈的品紅色;熱處理溫度在1100℃以上時,金納米色劑的尺寸會快速增長,導(dǎo)致發(fā)色的明度L*值下降,甚至出現(xiàn)顏色參數(shù)向黃色的細(xì)微轉(zhuǎn)變?梢岳勉y納米著色劑和金納米色劑的相互包裹、其他著色劑替代金納米著色劑等方法制備品紅色陶瓷墨水,降低成本。青色墨水的發(fā)色可以通過Co2+的染色。有證據(jù)表明Co2+主要以六配位的形式溶解在玻璃相中,在硅酸鹽和硼硅酸鹽玻璃中能顯著地提高可見光在14000-17000cm-1光譜范圍的吸收。陶瓷墨水在熱處理后通過XRD分析,既不能探測出CoAl2O4尖晶石,也不能探測出Co的晶相。墨水發(fā)色效果與六配位的Co2+離子一致,主要集中于19000 cm-1的光譜寬帶,可能是乙二醇和金屬有機(jī)物的共同作用。一旦墨水被用于各種陶瓷質(zhì)基體,所有發(fā)色光譜表現(xiàn)出彼此類似的光譜,不依賴于鈷有機(jī)物的穩(wěn)定性和基體物質(zhì)的種類,這同傳統(tǒng)微米級CoAl2O4發(fā)色效果完全不同。由于四配位Co2+的轉(zhuǎn)變,傳統(tǒng)微米級CoAl2O4展現(xiàn)出期望的15000 cm-1-18000 cm-1光譜寬帶。黃色墨水的發(fā)色,則是將Cr、Cd摻雜進(jìn)入納米氧化鈦中,隨著氧化鈦從銳鈦礦晶型轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石晶型、晶體尺寸的增長,Cr3+引起能帶狀結(jié)構(gòu)的改變,從而提高了對藍(lán)光的吸收。隨著熱處理的升高,黃色會褪色,這是由于氧化鈦晶相的分解,以及Cr3+溶解到玻璃基質(zhì)中。黑色墨水的著色,可以通過Co–O和Fe–O的電荷轉(zhuǎn)移形成CoFe2O4。伴隨著八面體和四面體狀態(tài)Co2+的共存,結(jié)合Co2+和Fe3+多重協(xié)調(diào)作用下的d–d電子遷移,確保對可見光譜的充分吸收。隨著溫度的升高,CoFe2O4尖晶石的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定,但是晶體尺寸會增大。
在技術(shù)方面,除了拉線、發(fā)色的問題以外,筆者認(rèn)為噴墨的多功能化、噴墨打印快速化、噴墨技術(shù)與薄板更好的結(jié)合、墨水固含量的提高、膠狀化學(xué)物質(zhì)的均勻分布及穩(wěn)定性的提升、水性陶瓷墨水的研制、模具的設(shè)計和使用也是今后的發(fā)展方向。
2、發(fā)色效果的問題
發(fā)色效果的問題包括:墨水的顏色系列單調(diào)、陶瓷色料細(xì)度對發(fā)色的影響、燒成過程中色料的不穩(wěn)定和晶體長大。盡管目前已經(jīng)研發(fā)出十余種陶瓷墨水,陶瓷墨水的彩色范圍仍較窄,鮮艷的紅色色系、黃色色系和黑色色系陶瓷墨水仍極少見,制約了陶瓷墨水在陶瓷磚裝飾上的應(yīng)用。目前陶瓷噴墨打印用的陶瓷色料,主要是將傳統(tǒng)的色料微細(xì)化。在今年2月西班牙卡斯特隆國際陶瓷論壇Qualicer的陶瓷噴墨打印專題研討會上,就重點討論了研磨色料或者膠體尺寸級的顆粒是否可以通過合成法制備Milled pigments or colloidal size par-ticles obtained by synthesis?。
陶瓷色料的發(fā)色效果主要取定于微觀結(jié)構(gòu),即離子的結(jié)構(gòu)、電價、半徑、配位數(shù)及離子間相互極化。陶瓷色料的著色主要可分成三大類:晶體著色,離子著色和膠體著色。其中晶體著色最穩(wěn)定,如剛玉型的鉻鋁紅,金紅石型的釩錫黃,鋯英石型的釩鋯藍(lán),尖晶石型的鈷鐵鉻鋁黑,石榴石型的維多利亞綠等等。在陶瓷色料結(jié)構(gòu)體系中,尖晶石型陶瓷色料的晶體結(jié)構(gòu)致密,發(fā)色穩(wěn)定,氣氛敏感度小,特別是高溫穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好,其飽和度隨著細(xì)度降低反而增大,如鈷藍(lán)系列、棕黃系列和黑色系列。因此,陶瓷墨水最好選擇尖晶石等結(jié)構(gòu)類型的陶瓷色料。對于深紅色或鮮紅色的墨水,如果一味研究包裹色料可能很難找到解決方案,可以嘗試研制固溶體型晶格取代的鮮紅色亞微米級色料。
因此,對于陶瓷墨水用納米著色劑發(fā)色機(jī)理的研究非常重要。通過分析現(xiàn)有的英文資料,用于四色印刷青色、品紅、黃色、黑色的陶瓷墨水中,每一種納米著色劑都有其獨特的發(fā)色機(jī)理。品紅色主要是金納米著色劑在燒成后產(chǎn)物的表面振動。當(dāng)熱處理溫度不超過1100℃時,金納米著色劑在基體中較為穩(wěn)定,表現(xiàn)為強(qiáng)烈的品紅色;熱處理溫度在1100℃以上時,金納米色劑的尺寸會快速增長,導(dǎo)致發(fā)色的明度L*值下降,甚至出現(xiàn)顏色參數(shù)向黃色的細(xì)微轉(zhuǎn)變?梢岳勉y納米著色劑和金納米色劑的相互包裹、其他著色劑替代金納米著色劑等方法制備品紅色陶瓷墨水,降低成本。青色墨水的發(fā)色可以通過Co2+的染色。有證據(jù)表明Co2+主要以六配位的形式溶解在玻璃相中,在硅酸鹽和硼硅酸鹽玻璃中能顯著地提高可見光在14000-17000cm-1光譜范圍的吸收。陶瓷墨水在熱處理后通過XRD分析,既不能探測出CoAl2O4尖晶石,也不能探測出Co的晶相。墨水發(fā)色效果與六配位的Co2+離子一致,主要集中于19000 cm-1的光譜寬帶,可能是乙二醇和金屬有機(jī)物的共同作用。一旦墨水被用于各種陶瓷質(zhì)基體,所有發(fā)色光譜表現(xiàn)出彼此類似的光譜,不依賴于鈷有機(jī)物的穩(wěn)定性和基體物質(zhì)的種類,這同傳統(tǒng)微米級CoAl2O4發(fā)色效果完全不同。由于四配位Co2+的轉(zhuǎn)變,傳統(tǒng)微米級CoAl2O4展現(xiàn)出期望的15000 cm-1-18000 cm-1光譜寬帶。黃色墨水的發(fā)色,則是將Cr、Cd摻雜進(jìn)入納米氧化鈦中,隨著氧化鈦從銳鈦礦晶型轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石晶型、晶體尺寸的增長,Cr3+引起能帶狀結(jié)構(gòu)的改變,從而提高了對藍(lán)光的吸收。隨著熱處理的升高,黃色會褪色,這是由于氧化鈦晶相的分解,以及Cr3+溶解到玻璃基質(zhì)中。黑色墨水的著色,可以通過Co–O和Fe–O的電荷轉(zhuǎn)移形成CoFe2O4。伴隨著八面體和四面體狀態(tài)Co2+的共存,結(jié)合Co2+和Fe3+多重協(xié)調(diào)作用下的d–d電子遷移,確保對可見光譜的充分吸收。隨著溫度的升高,CoFe2O4尖晶石的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定,但是晶體尺寸會增大。
在技術(shù)方面,除了拉線、發(fā)色的問題以外,筆者認(rèn)為噴墨的多功能化、噴墨打印快速化、噴墨技術(shù)與薄板更好的結(jié)合、墨水固含量的提高、膠狀化學(xué)物質(zhì)的均勻分布及穩(wěn)定性的提升、水性陶瓷墨水的研制、模具的設(shè)計和使用也是今后的發(fā)展方向。
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