陶瓷墨水的最新發展趨勢

張翼+石教藝

摘 要：本文介紹了陶瓷墨水的研究狀態及未來的發展趨勢。著重介紹了具有特殊裝飾效果的功能陶瓷墨水和水性陶瓷墨水，并討論了其相關性能及研究要點。實踐經驗證明，功能性陶瓷墨水和釉料墨水必將成為陶瓷墨水的發展方向，但這些產品的功能要想發揮出來，還需要技術人員在產品的開發過程中解決以下幾個問題：穩定的釉料配方，對釉料的物理化學性質及制備工藝過程進行嚴格的控制；選擇合適的分散體系來穩定分散釉料，提高墨水懸浮穩定性能。這樣才能保證陶瓷墨水在陶瓷裝飾中靈活的應用，讓更多的陶瓷企業做出真正仿天然石材質感的瓷磚。

關鍵詞：噴墨打印；陶瓷墨水；功能墨水；釉料墨水；陶瓷裝飾；數碼噴釉

1 前言

陶瓷噴墨打印技術作為一種新的無接觸、無壓力、無印版的印刷技術，無疑將當今瓷磚個性化、藝術化、小批量、多花色、低碳環保的發展趨勢推向了一個新的高度。正是由于噴墨打印技術在生產過程中呈現的顯著優勢，自2008年我國引進第一臺陶瓷噴墨機以來，陶瓷噴墨印刷技術的發展突飛猛進。近兩年，國產陶瓷墨水和設備的研制都取得了長足的進步和卓越的成績，陶瓷噴墨打印技術在中國的市場全面打開。據不完全統計，目前我國在線運行的噴墨機已超過2000臺。作為全球瓷磚產量最大、生產線最多的國家，中國毫無疑問已成為噴墨打印機安裝使用最多的國家。到2015年，中國瓷磚行業噴墨打印機的市場需求量將達到3000臺，國內陶瓷墨水年使用量將達到3萬t。由此可見，中國建陶行業正迎來數碼化時代，而被業界公認為全球陶瓷行業第三次技術革命的陶瓷噴墨打印技術，對瓷磚的設計、生產、應用等整個價值鏈都產生了巨大影響，也將陶瓷噴墨技術的優勢發揮得淋漓盡致。

然而，陶瓷噴墨技術的迅速普及也導致了各大陶瓷企業的同質化競爭。據不完全統計，目前國內已有30多家企業推出陶瓷墨水，生產陶瓷墨水的企業也將近20家。所以，只有不斷的將工藝、設計與新材料大膽相結合，開發出新型陶瓷噴墨墨水，才能打造出具有千姿百態的特殊裝飾效果的瓷磚，才能把瓷磚個性化的概念提升到全新的高度，才能大大提升產品附加值。

2 陶瓷墨水研究現狀

噴墨打印技術是20世紀70年代末開發成功的一種非接觸式的數字印刷技術。它將墨水通過打印頭上的噴嘴噴射到各種介質表面上，實現了非接觸、高速度、低噪音的單色和彩色的文字和圖像印刷。在噴墨打印技術的基礎上，將陶瓷材料粉體制備成墨水，通過計算機控制，利用陶瓷噴墨打印機將配置好的墨水直接打印到建筑陶瓷的表面上進行裝飾[1-4]。

2000年，世界第一臺工業使用的陶瓷裝飾噴墨打印機在美國問世，打印機由美國Ferro公司聯合Kerajet公司共同開發，陶瓷墨水也由Ferro公司帶頭研發[5，6]。從2004年開始，該技術在歐洲開始推廣應用，2006年以后，陶瓷墨水在西班牙得到了快速的發展。在此期間，國外許多公司如Dip Tech公司[7]、 Colorobbia [8]、Torrecid [9]、Simon Kahn-Pyi Tech [10]、Metco公司[11]等都相繼申請了與陶瓷墨水相關的專利。2008年起，歐洲對該陶瓷噴墨打印技術實施了“開放政策”。2009年5月20日，該技術首次成功運用在中國諾貝爾陶瓷的一次燒壁磚上，正式叩響了中國陶瓷噴墨打印的大門。此后，國內一些單位也相繼報導了與陶瓷墨水相關的發明專利，如：廣東道氏技術股份有限公司[12，13]、佛山市明朝科技有限公司[14]、佛山歐神諾陶瓷股份有限公司[15]、卡羅比亞釉料（昆山）有限公司[16]、中山大學[17]、天津大學[18]、西安電子科技大學[19]、佛山市科學技術學院[20]等。

陶瓷噴墨技術將計算機技術、噴墨打印技術與特種陶瓷色釉料技術完美結合，是陶瓷裝飾技術的一次革命。但是，國內外陶瓷行業對陶瓷噴墨打印技術的追求遠遠不止這些。在近兩年國內外陶瓷展上，各項噴墨新技術也競相出現，噴釉瓷磚成為展會上閃耀奪目的明星，有陶瓷墨水制造商展示用于噴釉的釉料新品及其應用的最新效果，將噴釉技術推向一個新的高度。噴頭及噴墨打印設備也不斷更新和升級，賽爾推出大墨量噴頭及噴釉噴頭Xarr 1001，噴墨量達50 g/m2；柯尼卡推出三種尺寸的KM1024產品，三者的墨滴大小分別為6～42 pl、13～91 pl和30～210 pl，其中，KM1024i噴頭兼容了水性墨水與油性墨水；Dimatix公司則推出了大中小三種尺寸各分為單雙色的6個版本的噴頭：最小尺寸（12 pl）用于墻磚等高精度圖像打印，中尺寸（25 pl）用于地磚等高速打印，大尺寸（65 pl）則適合超高速打印，特別是噴釉等特殊效果；SG1024噴頭可適用于水性墨水。Kerajet推出kerajetmaster融合技術，兼容賽爾、精工、Dimatix等噴頭，支持噴釉功能，打印速度更達90 m/min，顏色通道擴展到12色。西斯特姆也推出了creadigit 和wind powder新品，分別應用于噴墨、噴釉和噴干粉。國內噴墨設備商也推出了8色數字噴墨噴釉一體機采用全新的硬件架構，軟件功能進一步升級，最大特點便是具有8個顏色通道，能同時使用柯尼卡1024和Dimatix星光1024噴釉噴頭，實現噴墨和噴釉功能。這些企業的推陳出新昭示了未來陶瓷行業的發展趨勢，基于此，陶瓷墨水的發展也需要不斷創新，以適應陶瓷噴墨技術的發展需要。

3 新型陶瓷墨水發展趨勢

3.1 特殊裝飾效果陶瓷墨水

特殊裝飾效果陶瓷墨水即功能墨水，能使瓷磚達到如經傳統施釉一般的釉面裝飾效果，包括：下陷釉、金屬釉、閃光釉、啞光釉、亮光釉、白花釉等[21]。通過陶瓷噴墨打印噴頭將功能墨水直接通過噴頭噴射到瓷磚表面，呈現出特殊的裝飾效果，如：凹凸紋理、金屬光澤、閃光、啞光、亮光等。借助噴墨技術，陶瓷企業可省去施釉線繁雜的工序與設備，無需借助模具即可實現瓷磚的特殊表面效果，為節省生產空間、降低生產成本、提高生產效率提供很大可能。功能性墨水將成為陶瓷墨水創新和研發的新方向。本文主要介紹部分功能墨水的特點及研究要點。

（1）下陷釉墨水

下陷釉墨水是通過噴墨打印的方式施加在陶瓷上，燒成后實現表面局部區域產生下陷效果，展現出凹凸的紋理，逼真的肌理和柔和的質感。陶麗西公司、福祿公司、卡羅比亞公司在近期的陶瓷工業展期間展出了凹凸層次感很強的下陷墨水陶瓷磚樣品。國內，廣東道氏技術股份有限公司也推出了下陷釉墨水。

下陷墨水中下陷效果的產生主要從兩個方面考慮：1） 利用低溫熔塊的低始熔點，能與釉面充分熔融產生相對大的燒成收縮；2） 利用V2O5降低熔融釉料的黏度和表面張力導致釉面下凹，同時，利用在高溫下V2O5分解產生的O2氣不斷沖破釉面，形成平滑的局部下凹。但是下陷釉墨水在制備和應用時需要解決的技術難題有：1） 由于噴墨量較少，在高溫釉面的仿古磚上的下陷效果會受到限制；2） 下陷墨水和顏料墨水同時使用時，可能會導致圖案上部分的顏色發色變淺。

（2） 金屬釉墨水

具有金屬光澤的金屬釉料是陶瓷產業釉料中的一種特殊藝術釉，主要施于仿古磚瓷磚上，不僅能產生金屬般高雅、華麗的外觀效果，而且能增強陶瓷釉面的化學穩定性以及對酸堿的耐受性。金屬釉是指在基礎釉中加入Ti、Co、Cr、Mn、Fe、Ni、Zn、Cu等過渡金屬氧化物的一種或多種，在高溫下達到飽和，析出晶體，使釉面產生金屬光澤的效果。

金屬釉墨水是將金屬釉制備成墨水，通過噴墨打印的方式施加在陶瓷上，燒成后施加金屬釉墨水的瓷磚表面呈現出金屬質感的光澤。但是金屬釉墨水在應用時需考慮的問題有：1）通常金屬釉的使用時都要求有0.3～0.5mm的堆積厚度，否則難以呈現良好的析晶效果；2）金屬釉對面釉的要求較高，需要相匹配的面釉才能呈現析晶效果；3）金屬釉墨水中的有機物在經過窯爐煅燒過程中產生的CO或者NO等對金屬氧化物會產生一定的還原作用，從而影響最終的金屬光澤度。因此，這些問題都是金屬釉墨水在研發時需要解決的關鍵技術。

（3） 閃光釉墨水

閃光釉是一種裝飾藝術釉，燒成后產生金屬鏡面般的反光效果。閃光釉主要是在基礎釉料中加入CeO2，利用燒成時，在釉面析出定向排列的CeO2晶體從而產生閃光效果。

閃光釉墨水是將閃光釉制備成墨水，通過噴墨打印的方式施加在陶瓷上，燒成后產生閃光效果。閃光釉對面釉的要求較高，需要相匹配的面釉才能呈現良好的閃光效果。

（4） 啞光釉墨水

啞光釉是無光釉系的微結晶釉，其啞光機理是向配合料中加入能導致啞光作用的元素，并在一定的燒成溫度和適當的冷卻速度過程中生成無數的微小單晶體，這些無數微小單晶體使光線發生折射，從而產生啞光效果。

啞光釉料為鋅啞光釉料、鈣啞光釉料、鎂啞光釉料、鋇啞光釉料中的至少一種或其復合啞光釉料，分別通過調控配方中CaO、MgO、ZnO和BaO的含量來實現。但是啞光釉料超細化之后，再加上施釉量比較薄，燒結之后，會影響微結晶效果，可能啞光也會變成亮光。因此，啞光陶瓷油墨的制備需要調整釉料配方、釉料和油墨的制備工藝來實現，如：降低低溫熔劑的含量的同時增加Al2O3的含量。

除了上述的特殊裝飾效果墨水外，還有亮光釉、白花釉、糖果釉等等均可以用于制備墨水。而這些墨水制備的關鍵在于釉料配方以及釉料的穩定分散。由于部分釉料需要一定的堆積厚度才能呈現良好的裝飾效果，因此，應用時還需要大噴墨量噴頭的配合。

3.2 水性陶瓷墨水

目前，陶瓷墨水都是油性的。隨著環保的要求，水性陶瓷墨水必將是未來的發展趨勢。同時，隨著噴頭及噴墨設備的不斷更新換代，水性陶瓷墨水將會成為陶瓷墨水的主流。

（1） 水性陶瓷顏料墨水

現有陶瓷墨水的配方體系均為低極性的有機溶劑，而且陶瓷顏料的粒徑較小，平均粒徑在200～400nm。存在的問題是，陶瓷墨水的制備不僅加工成本高、技術難度大，而且部分顏料，如：包裹顏料等難以在亞微米級下穩定發色，在一定程度上限制了墨水的發色效果，使得陶瓷墨水色域偏窄、種類不夠豐富。

在新型的水性陶瓷顏料墨水研制中，將陶瓷顏料的平均粒徑提高至1～2微米，會提高墨水的發色效果，使更多的陶瓷顏料能夠制備陶瓷墨水，豐富陶瓷墨水的色彩。但是在配方研究中面臨的難題有：如何選取合適的分散劑或者分散體系來提高微米級陶瓷顏料的懸浮穩定性；水性墨水配方體系較為復雜，添加的助劑種類較多，在配方的研究中需要考慮各種助劑之間的配合，同時，水性體系還應考慮防腐殺菌等問題。

（2） 水性釉料墨水

陶瓷釉料的施工工藝通常都是通過淋釉、噴釉、絲網印刷或者輥筒印刷等方式，這些工藝污染高、效率低，并且在很大程度上對資源造成了浪費，更難以實現的是對陶瓷凹凸面進行裝飾。如果制備出水性釉料墨水，可以大大節省陶瓷企業生產的成本。與顏料墨水相結合，可以實現陶瓷釉料在陶瓷立體圖案上的打印，能在極短的時間內達到個性化的要求。

噴釉是陶瓷噴墨機的發展趨勢。噴釉技術的實現，要求噴頭制造企業研發出新型水性噴頭，其次，由于釉料的顆粒直徑很大，需要大規格噴嘴的噴頭避免噴頭堵塞和實現大噴墨量的需求。因此，陶瓷噴墨打印機要實現噴釉功能，其先決條件是噴頭能提供相應的技術支持。其次是開發出相應的釉料墨水。這對釉料墨水及釉料本身提出了更高的要求，釉料墨水是一個固-液分散體系，釉料顆粒大小在微米級間，由于重力作用和靜電力對懸浮體系的作用會引起團聚和沉降，為了防止團聚和沉降，保持漿料的穩定性，需要通過合適的靜電穩定機制和空間位阻穩定機制來實現。釉料中含有部分塑性料，當釉料在研磨過程中或者研磨至更細的粒度時，大量的水包裹在釉料顆粒之中，不能參與自由流動和潤滑作用，產生觸變，從而影響了釉漿的流動性。這些技術難點是釉料墨水研發時需要攻克的技術難題。

4 結論

功能性陶瓷墨水和釉料墨水必將成為陶瓷墨水的發展方向，這些產品在開發過程中需要解決的關鍵技術主要有：穩定的釉料配方，對釉料的物理化學性質及制備工藝過程進行嚴格的控制；選擇合適的分散體系來穩定分散釉料，提高墨水懸浮穩定性能。

陶瓷噴釉打印技術在瓷磚生產中應用的效益是明顯的，能夠有效降低成本、提高成品品質和提升生產效率等，與噴墨印花技術相結合將成為瓷磚裝飾印花、施釉的主流技術。目前，陶瓷顏料墨水只是打印在釉的表面，還是一個平面的裝飾效果，如果實現釉料和顏料墨水同時打印的情況下，會形成一個立體打印的表現效果，能夠仿出真正天然石材的質感。

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