陶瓷喷墨打印用ZnFe2-xCrxO4色料及陶瓷墨水制备与性能研究

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陶瓷喷墨打印技术是继丝网印花、辊筒印花后的第三代瓷砖印花技术,被誉为“瓷砖装饰技术第三次革命”。喷墨打印技术使陶瓷装饰步入了低碳化、智能化的数字装饰时代。Zn Fe2-xCrxO4色料被广泛应用于红棕色陶瓷墨水中,该类墨水也是目前陶瓷喷墨打印技术中使用量最多的品种。丝网印花和辊筒印花技术中使用的Zn Fe2-xCrxO4色料无需经过超细研磨即可直接应用,而在陶瓷喷墨打印技术中,需将固相法生产的微米级Zn Fe2-xCrxO4色料颗粒经研磨至亚微米级后制备成陶瓷墨水后才能使用。然而,高强度的机械研磨导致Zn Fe2-xCrxO4色料晶体结构被破坏,色料的发色性能显著降低。另一方面,目前的商用陶瓷墨水都是采用油性的有机溶剂,此类溶剂具有较强的挥发性和毒性,可对人体和环境造成危害。采用环境友好型水性陶瓷墨水已成为下一步的发展方向,这也符合国家在环保方面的法令法规要求。本课题主要研究了高性能红棕陶瓷色料的制备以及红棕色陶瓷墨水的性能。本课题使用蔗糖作为燃料,通过溶液燃烧法成功地合成了Zn Fe2-xCrxO4纳米晶体,采用热重与差热分析(TG-DTA)、X射线衍射分析(XRD)、傅里叶红外光谱分析(FT-IR)、拉曼光谱分析(Raman)、扫描电镜分析(SEM)、高分辨透射电镜分析(HRTEM)和X射线光电子能谱分析(XPS)等技术表征样品。结果表明,所制备的Zn Fe2-xCrxO4纳米晶体为纯尖晶石相,并且随着Cr含量的增加,晶格参数和晶粒尺寸减小,样品的红色调先增后减。当x=0.8时,样品具有最佳的红棕色调,即L*=41.5,a*=22.3,b*=20.2。与此同时,与传统固相法相比,溶液燃烧法制备的Zn Fe2-xCrxO4纳米晶体在制备墨水所需研磨能耗和墨水的发色性能都更有优势。为了提高陶瓷墨水的稳定性和减少废液的产生,本课题采用溶液燃烧辅助两步法制备了亚微米级Zn Fe2-xCrxO4陶瓷色料。此外,还合成了陶瓷墨水用改性聚酯分散剂,将合成的色料采用自制分散剂制备成相应的陶瓷墨水。采用傅里叶红外光谱分析(FT-IR)、~1H-核磁共振分析(~1H-NMR)、X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜分析(SEM)等技术测试和表征样品。结果表明,尽管溶液燃烧辅助两步法制备色料的烧成温度比固相法低300 oC,但所制备的样品仍为纯尖晶石相。与传统固相法色料相比,该亚微米级色料制备的墨水具有更优的研磨时间、能耗和发色性能。同时,在墨水过滤性能和稳定性方面也优于固相法制备的色料,这与该方法制备的色料为亚微米的类球形颗粒相关。通过综合性能分析,说明溶液燃烧辅助两步法制备的Zn Fe2-xCrxO4陶瓷色料更适用于陶瓷墨水。通过水溶液自由基聚合法制备了水性高分子分散剂(AD、BD和CD),并将其用于自制Zn Fe1.2Cr0.8O4色料的研磨和分散。结果表明,溶液燃烧辅助两步法制备的Zn Fe1.2Cr0.8O4色料颗粒能够得到颗粒尺寸更细且分布更窄的颗粒产品。当p H=7.0时,将5 wt.%的AD01分散剂添加到该色料颗粒悬浮液中,可制得具有较窄粒度分布的Zn Fe1.2Cr0.8O4色料颗粒产品。以去离子水、AD01分散剂、PG和DG溶剂、其他添加剂(润湿流平剂、消泡剂和水性树脂)和溶液燃烧辅助两步法制备的Zn Fe1.2Cr0.8O4色料为原料,成功地制备出水性红棕色陶瓷墨水。在添加5 wt.%的AD01分散剂的条件下,添加一定量的PG溶剂可以改善Zn Fe1.2Cr0.8O4色料颗粒的研磨效果。当PG溶剂的加入量为20 wt.%时,可以提高水性红棕色陶瓷墨水的粘度,并且其色料颗粒的分散稳定性能提高。在20 wt.%的PG溶剂基础上,加入6 wt.%的DG溶剂可以进一步提高墨水分散稳定性。同时,PG和DG溶剂也可以降低水性红棕色陶瓷墨水的表面张力。通过分析水性红棕色陶瓷墨水的综合性能,可确定S2、S4和S5墨水配方较为理想,它们具有适当粘度、表面张力、密度、Oh值、打印精度、发色性能和稳定性,完全满足陶瓷喷墨打印技术的要求,具有很好的应用前景。
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