陶瓷噴墨打印技術的現狀與展望

譚靈 鄭乃章

（景德鎮陶瓷學院，江西景德鎮333001）

0 引言

2011年象征全球陶瓷行業風向標的意大利博洛尼亞建筑陶瓷展已落幕，繁榮的景象讓人們對全球陶瓷行業的發展前景充滿了期望。近期，意大利某權威雜志發布了它對全球瓷磚生產、消費、進出口數據的年度調查結果。數據顯示，在經歷了2008年的增長停滯和2009年的急劇下降之后，2010年全球瓷磚的生產、消費及出口均呈現兩位數的增長，2010年全球瓷磚產量由2009年的85.15億平方米增長為95.12億平方米，建筑陶瓷展繁榮的景象為瓷磚印刷方法的一個重要轉變匯集了強勁的動力，造成這種戲劇性變化的一個關鍵因素就是數字技術，主要表現形式就是噴墨印刷。

瓷磚印刷經歷了從絲網印刷到滾筒印花再到噴墨打印的一個發展的歷程（見圖1），噴墨印刷是一種無接觸、無壓力、無印版的印刷。國外，像意大利、西班牙等瓷磚生產強國，從磚體敲碎質量來看，其燒制技術并不比中國強多少，主要優勢在設計和釉面裝飾效果上，中國陶瓷產品要提高檔次并走向世界的話，就必須在印花技術上有所提高，增強裝飾藝術的競爭力，這也是今后陶瓷產品發展的趨勢。噴墨印刷可以充分利用計算機的豐富資源，使陶瓷裝飾的圖案緊隨時代步伐，使陶瓷制品像精細化學品一樣，可以方便地進行小批量生產，把陶瓷裝飾技術推向一個新階段，滿足現代社會人們追求時尚、個性化的要求。因此，噴墨打印法具有廣泛的應用前景。

1 陶瓷墨水的研究現狀

自2009年以來華東地區和佛山地區的部分一線陶瓷品牌企業先后引進了陶瓷數字噴墨打印技術并推出了數字化陶瓷產品以來，陶瓷噴墨打印技術和陶瓷墨水成為業內人士熱捧的對象，陶瓷噴墨打印技術作為一種數字化技術，在研究和應用領域也主要集中在裝飾方面，在陶瓷產業結構調整的關鍵時期，陶瓷噴墨打印技術應該可以作為撬起產業朝“資源化、低碳化、數字化、個性化、功能化、智能化”發展的支點[1]。

不甘落后的中國陶瓷企業家們，對噴墨打印技術在陶瓷生產領域的應用關注度極高。早在2008年開始引入國外先進的噴墨打印設備應用于生產及研發中，國內更有如希望、美嘉等多家陶瓷設備企業開始生產研發并供應噴墨打印設備。具海外知名媒體報道，截至2010年4月份，全球有約370臺噴墨設備在使用，并預測未來5年內將增加至1000臺。世界陶瓷生產已進入噴墨打印年代，而作為全球陶瓷生產第一大國，中國成為了該技術運用的潛力最大的市場之一[1]。

國外陶瓷墨水的研究起始較早，2000年世界第一臺工業使用的陶瓷裝飾噴墨打印機問世，打印機是由美國FERRO公司開發的Kerajet系統，墨水也是由FERRO公司與賽爾公司聯合研制的陶瓷墨水。2000年1月7日，FERRO公司向美國專利商標局提交了一份名為《用于陶瓷釉面磚（瓦）和表面的彩色噴墨印刷的獨特的油墨和油墨組合》的專利，該專利闡述了陶瓷墨水的制作方法技術，為陶瓷噴墨打印技術奠定了良好的基礎。2006年以后，陶瓷墨水在西班牙得到了很好的發展，到目前為止，除了西班牙FERRO公司外，西班牙的ESMAL GLASS、ITACA、CHIM IGRAF、COLORBBIA、TORRECID四家公司也是陶瓷裝飾墨水的主要制造商。

國內陶瓷墨水的研究始于2000年，近年來形成了天津大學研究團隊、南昌航空工業大學研究團隊、大連理工大學研究團隊、陜西科技大學研究團隊和華南理工大學研究團隊，發表了研究論文32篇，尤其是天津大學研究團隊發表論文11篇，形成了楊正方、郭瑞松等一批專家。企業研究方面出現了廣東佛陶集團股份有限公司、道氏制釉、華山制釉、科信達奧斯博、博奧科技、鷹牌陶瓷等公司，也形成了3個發明專利的成績，尤其是道氏制釉已經獲得專利2個。盡管如此，陶瓷墨水在國內仍處于研究階段，離真正產業化還有一定的距離，不過，在2011年廣州陶瓷工業展覽會上已看到中國自己的陶瓷墨水[2]。

綜觀國內外情況，陶瓷墨水目前主要集中在個性化裝飾領域，對于建筑陶瓷功能化、智能化的應用研究尚不多見。陶瓷墨水的制造方法仍集中于：分散法、溶膠凝膠法和反相乳相法，而以上三種加工方法中，溶膠凝膠法由于制造工藝方法原料昂貴、溶膠不穩定而受到限制，反相乳相法由于制得的墨水固相含量低，也有待解決許多技術問題，分散法卻由于顆粒度較大，需要解決墨水的穩定性問題。如何保證墨水的固相含量和穩定性及成本問題是今后研究的重點。色系仍以CMKY為主的四色系和加上透明、乳白的六色系。紅色主要是鈰鐠紅、鉻鋁紅、錳鋁紅、鈷鎂紅、鐵鋯紅等，青色主要是鈷鎳鋁，黃色主要為釩鋯黃、鉻鈦黃等，黑色主要為鈷鎳鐵黑，白色和透明等11種。而整個陶瓷墨水可分為水性溶劑、高分子助劑、著色劑和釉料四部分[3]。

2 噴墨印刷原理[2]

噴墨印刷是一種無接觸、無壓力、無印版的印刷。電子計算機中存儲的信息，輸入噴墨印刷機即可印刷。陶瓷噴墨印刷最早起源于1878年。西班牙Kerajet公司是陶瓷噴墨打印技術的先驅者，2000年Kerajet公司與愛爾法公司及福祿公司合作進入陶瓷噴墨打印機市場，由于西班牙對釉下彩拋光玉石產品的喜愛，使得陶瓷噴墨打印機很快得到應用。2006年由于噴墨打印噴頭技術的進步，以Kerajet公司為領頭羊的數字噴墨打印機開始在西班牙迅速發展。2007年，Xaar1001噴頭的成功亮相，很快得到包括意大利、中國在內的眾多陶瓷裝備制造商和陶瓷產品制造商的青睞。

陶瓷噴墨印刷的原理是：油墨泵以一定的壓力，把油墨從噴嘴噴射出來，形成連續的墨流，這股墨流在印刷頭中充有高電壓的金屬管中獲得靜電，成為排列有序的墨滴流。調節油墨泵的壓力和電壓的幅度，以產生盡量多的微墨滴，當墨滴流通過高壓電管道時，微墨滴被充電，而大墨滴并不充電。充電信號一旦去除，被充電的微墨滴，在偏轉電極直流電場的作用下發生偏轉，形成印刷的油墨束，射到承印物上，完成印刷。不充電的墨滴不發生偏轉，由油墨系統回收再利用。

同步彩色噴墨印刷機的接口，能接受彩色圖象終端、彩色電視機、彩色掃描器送來的色光三原色信息并可存儲，也可以由色彩轉換器，轉換成色料三原色及黑色的信號，再用灰度控制器控制中性灰，經灰度控制器的四種顏色信號，分別送到相應顏色噴頭的電極上，控制油墨的噴射量[6]。

陶瓷噴墨打印技術作為一種數字化技術，在研究和應用領域也主要集中在裝飾方面，在陶瓷產業結構調整的關鍵時期，陶瓷噴墨打印技術應該可以作為撬起產業朝“資源化、低碳化、數字化、個性化、功能化、智能化”發展的支點。

3 陶瓷墨水的技術特點

噴墨打印技術在陶瓷上的應用關鍵在于陶瓷墨水的制備。所謂陶瓷墨水就是含有某種陶瓷釉料成分、陶瓷色料或陶瓷著色劑的墨水。陶瓷墨水的組成和性能與打印機的工作原理和墨水用途有關，它通常由無機非金屬顏料（色料、釉料）、溶劑、分散劑、結合劑、表面活性劑及其它輔料構成[2]。

陶瓷墨水的性能（如表1）要求除普通墨水的顆粒度、粘度、表面張力、電導率、p H值外，根據陶瓷應用特點還要求一些特殊性能。

（1）要求陶瓷粉料（色劑）在溶劑中能保持良好的化學和物理穩定性，經長時間存放，不會發生化學反應和顆粒團聚沉淀。

（2）要求在打印過程中，陶瓷色料顆粒能在短時間內以最有效的堆積結構排列，附著牢固，獲得較大密度的打印層，以便煅燒后具有較高的燒結密度。

（3）要求打印的色劑具有高溫燒成后穩定和良好的呈色性能以及與坯釉的匹配性能。

目前，由于采用按需噴墨工藝，對電導率要求不高，但如果采用連續噴墨工藝，對電導率就會要求較高。當然墨水與噴頭材料的適應性、噴頭材料和孔徑及壓電特征等決定了陶瓷墨水的技術特征。

4 影響陶瓷噴墨打印的發展的主要技術問題

4.1噴墨技術成本高

表1 陶瓷墨水性能要求Tab.1 The performance requirements for ceram ic ink

噴墨技術成本高是制約國內企業運用噴墨技術的關鍵。一般噴墨墨水的保質期只有2~3個月，容易造成沉淀。盡管噴墨打印機的噴頭內部裝有循環系統，但陶瓷墨水與家用的液體墨水不同，它是陶瓷色料和液體墨水的混合體，加上色料的比重較高，因此循環系統只能減少墨水沉淀問題。由于墨水的保質期短，國外的噴墨墨水又需要通過空運送到我國市場，造成了墨水價格居高不下的狀況。值得欣慰的是，在2011年廣州陶瓷工業展覽會上已看到我國自己的陶瓷墨水。盡管如此，陶瓷墨水在國內仍處于研究階段，離真正產業化還有一定的距離[5]。

4.2噴頭壽命短

由于噴頭制造難度非常大，到目前為止，不管國外進口的或是國產的噴墨印花機，都使用進口的噴頭，噴頭也是一臺噴墨印花機的核心部件，占機器70％以上的成本。噴頭正是噴墨打印機的核心技術之一。

國內噴頭的使用壽命較短，經常更換噴頭是噴墨技術急需解決的問題，據了解，噴頭的壽命都在2個月左右，而且噴頭目前還沒有國產化，因此許多陶企都需要花高價進口噴頭。據悉，一個噴頭就要3萬元左右。這樣折算下來，如果一家企業擁有4臺噴墨打印機，單是噴頭的開銷一年就需要72萬元左右。

4.3墨水與噴頭的匹配

噴墨墨水在實際打印中與噴頭有著密切的聯系，是不可分割的統一整體。墨水質量再好，如果沒有與之相匹配的噴頭，同樣也得不到一副完美的圖案。高質量的墨水要想發揮出最好的效果，必須把握好每個環節，發現問題需立刻修復。現在市面上的噴頭主要有以下兩個方面的問題：

（1）噴頭墨滴如果較小，噴孔密度高則可以大幅提高噴印畫面質量和清晰度，但是對墨水的要求就比較高，要求墨水有良好的細度和分散性。

（2）噴頭墨滴如果較大，噴頭孔大，可以在一定程度上解決陶瓷墨水易沉淀、發色力弱的特點，比較適合國內現在墨水的生產水平，但噴印產品的畫面清晰度和質量都有所下降。

因此筆者認為一方面應該提高墨水的制造水平，對生產出來的墨水需要檢測墨水的粘度、表面張力、納米顆粒、密度等方面的物理參數，另一方面可以改變噴頭，使得墨滴大小和墨滴的流速可以調控，從而滿足不同的畫面對墨水和噴頭的要求。

4.4墨水色劑的制備問題

高精色料噴墨墨水對色劑的要求較高，對于陶瓷噴墨用無機顏料，需要細化后的顆粒最大尺寸要小于1μm，顆粒尺寸分布要窄，顆粒間不能有強團聚。因此，在色料微細化過程中，控制其粒度及分布，防止發色濃度的減退非常關鍵。

如何在超微細的顆粒狀態下能夠實現良好的發色，也對色料品質提出了新的要求。這是目前的關鍵問題，大多數色料（特別是固溶體型的色料）存在著顆粒微細則發色變淡的現象，這就要求開發新型的發色穩定且顆粒微細的色料[6]。

在陶瓷裝飾墨水色彩方面，目前國內已有幾種顏色的陶瓷墨水推出，但主要的色系（如紅色、黑色等）發色偏淺，且無白色墨水及白色墨水顏料的報道，此外，無機顏料在燒成階段容易受高溫熔體的侵蝕，使發色力受到影響，包裹處理也是制備某些深色顏料的重要途徑。

4.5噴墨打印載體與噴墨打印墨水之間的相互作用

噴墨打印質量除了受噴墨打印機精度的影響外，主要取決于墨水液滴在紙面和紙層中的活動，即墨水液滴與紙之間的相互作用。圖2描述了墨水滴離開噴嘴噴射到載體磚上干燥附著的大體過程。墨水與載體磚接觸后油墨液滴立即與載體磚發生作用，同時墨水開始干燥，直至墨水固定在載體磚上為止，墨水的干燥方式對最終的印刷質量是非常重要的[11]。

5 小結與建議

（1）陶瓷產業結構調整的關鍵時期，陶瓷噴墨打印技術得到迅猛發展，中國陶瓷產品要提高檔次并走向世界的話，就必須在印花技術上有所提高，增強裝飾藝術的競爭力，這也是今后陶瓷產品發展的趨勢。

（2）高精色料噴墨墨水對色劑的要求較高，對于陶瓷噴墨用無機顏料，需要細化后的顆粒最大尺寸要小于1μm，顆粒尺寸分布要窄，顆粒間不能有強團聚。因此，在色料微細化過程中，控制其粒度及分布，防止發色濃度的減退非常關鍵。

（3）噴墨打印質量除了受噴墨打印機精度的影響外，主要取決于墨水液滴在紙面和紙層中的活動，即墨水液滴與紙之間的相互作用。墨水與載體磚接觸后油墨液滴立即與載體磚發生作用，同時墨水開始干燥，直至墨水固定在載體磚上為止，墨水的干燥方式對最終的印刷質量是非常重要的

（4）噴墨技術成本高，噴頭壽命短，墨水色劑的制備難度大等因素都制約著我國陶瓷噴墨打印技術的發展，因此筆者認為一方面應該提高墨水的制造水平，對生產出來的墨水需要檢測墨水的粘度、表面張力、納米顆粒、密度等方面的物理參數，另一方面可以改變噴頭，使得墨滴大小和墨滴的流速可以調控，從而滿足不同的畫面對墨水和噴頭的要求。

1陳淘陶，邱鎮滬.淺談國內外陶瓷墨水的研發狀況與發展趨勢.佛山陶瓷，2011（11）

2林偉，韓復興.陶瓷數字噴墨打印技術對我國建筑陶瓷未來發展的影響.陶瓷，2011（5）

3黃惠寧，柯善軍，孟慶娟等.噴墨打印用陶瓷墨水的研究現狀及其發展趨勢.中國陶瓷.2012（1）

4何振建.陶瓷墨水與噴頭匹配問題的探討.佛山陶瓷，2011（9）

5吳桂周.陶瓷墨水的主要控制指標以及國內外墨水性能的比較.佛山陶瓷，2011（12）

6郭艷杰.噴墨打印用彩色陶瓷墨水的理化性能.中國陶瓷

7 De Carlo A.The digital revolution in tile decoration.Ceram ic World Review，2003，51：78~84

8郭艷杰.噴墨打印用彩色陶瓷墨水的理化性能.中國陶瓷

9鄭樹龍，唐奇等.一種適用于噴墨打印的陶瓷滲透釉及其用于陶瓷磚生產的方法.CN201110187245.6，2011.11

10中尾惠一，沖中秀行.噴墨打印用墨水.CN200510078050.2，2005.11

11孫中華.噴墨打印紙與噴墨打印油墨.印刷質量與標準化2008，10