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1 前 言
陶瓷喷墨打印技术被称为陶瓷印花技术的第三次革命。自2008年进入中国以来,陶瓷喷墨打印技术在中国迅猛发展,而与之相匹配的陶瓷墨水也很快实现了国产化,并不断发展进步。近几年,随着国家对环境保护要求的日益严格,陶瓷行业的环保工作也日益加强,节能、环保、低耗成为主流。陶瓷墨水作为陶瓷化工原料,消耗品,由于目前陶瓷墨水还是有机溶剂体系,且每月的消耗量比较大,陶瓷墨水打印在瓷砖表面以后,在窑炉烧成过程当中,有机溶剂会挥发燃烧,而其烟气会对空气环境造成一定的污染,因此,找到更加节能环保的陶瓷墨水是目前市场的迫切需求。
水性墨水,由于其采用水和水溶性试剂作为载体,其一,在原料使用上面更加环保;其二,水性墨水由于其本身是水性的,因此可以很好的和瓷砖的水性面釉结合,而不会出现高墨量打印时清晰度不高的问题。近年来,随着数码釉的盛行,釉料墨水得到了快速的发展。釉料墨水必将成为陶瓷行业的下一个风口。水性数码釉,由于其溶剂载体为水性可以和水性釉面完美结合,特别是打印比较厚的立体感的效果釉时,具有十分良好的装饰效果。采用水性数码釉,全数码制备瓷砖将成为可能,瓷砖的立体釉面装饰质感也将成为可能。如果能够成功,必将给陶瓷行业带来新的革命[1,2,3,4]。
2 实验
2.1 实验仪器
2.2 实验原料
实验原料陶瓷釉料A(表2),水性分散剂采用毕克和康溢化工分散剂BYK-180、BYK-2010、H1023、156、BYK23160、A4600、W100、W200、W400,乙二醇,去离子水、消泡剂BYK-066N。
釉料原料配制好以后,将分散剂和乙二醇、去离子水和釉料粉料配制成分散液,加入砂磨机中研磨,研磨转速3000rpm。
3 结果与讨论
水性分散剂能降低分散体系中固体或液体粒子的聚集,吸附在各种微小颗粒表面并产生静电斥力使之分散,避免沉降、返粗。水性釉料墨水的制备关键在于选择合适的水性分散剂,而水性釉料墨水的制备将比溶剂型墨水的制备更难。一个优良的分散剂应满足以下要求:
(1)分散性能好,防止分散粒子之间相互聚集,团聚;
(2)与树脂、填料有适当的相容性;热稳定性良好;
(3)不影响制品的性能; 无毒、价廉。
3.1实验1
经过研磨120min后,从图1粒径分布图中可知,粒径D100=3.12μm,粒径偏粗。
研磨后浆料触变,说明BYK-180在乙二醇加水体系不适合。
3.2实验2
经过研磨180min后,从图2粒径分布图中可知,粒径D100=0.765μm。
研磨过程当中气泡较多,加入消泡剂,消泡仍然不理想。墨水粘度25℃-6.36cp,BYK-2010用于乙二醇加水体系需要解决消泡问题。
取样5g,经过1000转离心实验1h,沉淀0.18g。
3.3实验3
经过研磨120min后,从图3粒径分布图中可知,粒径D100=1.12μm。
研磨过程当中搅拌气泡很多。墨水粘度25℃-22.45cp。H1023可用于乙二醇加水体系。
取样5g,经过1000转离心实验1h,沉淀0.12g。
3.4实验4
经过研磨120min后,从图4粒径分布图中可知,粒径D100=1.12μm。
研磨过程当中气泡比较少。墨水粘度25℃-24.36cp。156可用于乙二醇加水体系。
取样5g,经过1000转离心实验1h,沉淀0.15g。
3.5实验5
经过研磨120min后,从图5粒径分布图中可知,粒径D100=0.988μm。
研磨过程当中容易起泡,停止搅拌消泡较快。墨水粘度25℃-5.94cp,BYK-23160可用于乙二醇加水体系。
取样5g,经过1000转离心实验1h,沉淀0.19g。
3.6实验6
经过研磨140min后,从图6粒径分布图中可知,粒径D100=1.12μm。
研磨过程当中有少量气泡。墨水粘度25℃-47.04cp,分散剂4600可用于乙二醇加水体系,但是用量比例较大,粘度偏大,不是较好的选择。
取样5g,经过1000转离心实验1h,沉淀0.08g 。
3.7实验7
经过研磨130min后,从图7粒径分布图中可知,粒径D100=0.767μm。
研磨过程当中不容易起泡,泡相对容易消除。墨水粘度25℃-5.52cp,W100可用于乙二醇加水体系。
取样5g,经过1000转離心实验1h,沉淀0.11g 。
3.8实验8
经过研磨140min后,从图8粒径分布图中可知,粒径D100=2.41μm,粒径偏粗。
研磨过程当中不容易起泡,泡相对容易消除。墨水粘度25℃-6.61cp。说明W200在乙二醇加水体系中的分散性较差。
取样5g,经过1000转离心实验1h,沉淀0.39g 。
3.9实验9
经过研磨140min后,从图8粒径分布图中可知,粒径D100=35.2μm,粒径分布较粗,分散性较差。W400在乙二醇加水体系中的分散性很差。研磨过程当中不容易起泡,泡相对容易消除。墨水粘度25℃-5.65cp。
取样5g,经过1000转离心实验1h,沉淀1.48g 。离心沉淀较严重。
无机颜料的分散,与研磨工艺,分散剂的种类-用量有密切的关系。不同种类的分散剂由于其分子结构的不同,其用量不同。而合适的分散剂的选取对分散体系的稳定性的影响至关重要。墨水的粘度直接会影响墨水的打印顺畅性,因此制备的墨水的粘度不能太高也不能太低,必须控制在一个合适的额范围,水性釉料墨水的粘度一般建议控制在25℃时5-10cp。
根据经典的Stocks沉降定律:
公式中:Vs为颗粒的沉降速率;r为颗粒的粒子半径;ρ为分散体系中分散相的密度;ρ0为分散体系中分散介质的密度;g为重力加速度;η为分散体系中分散介质的粘度。由Stocks沉降速率公式可知,颗粒粒径越小,粘度越高,分散相与分散介质的密度差越小,其沉降速率越小[5,6]。从离心沉淀的数据也可以看出当粒子的粒径越粗时,其沉淀越严重;分散体系的粘度越大,其离心沉淀越少。
从以上九组实验对比可以得知,第一组实验BYK180触变,不适合使用;第二组实验BYK2010难消泡,也不是最优选择;第三组实验H1023和第四组实验156研磨后粘度偏高,打印顺畅性可能受到影响;第五组实验BYK23160各项性能指标较好;第六组实验4600分散剂用量较大,墨水粘度偏高,不合适;第七组实验W100各项性能指标较优,且不容易起泡,消泡容易;第八组实验W200和第九组实验W400的分散性较差,离心沉淀较严重,不适合。
4 结论
综上,采用实验五BYK23160和实验七W100作为分散剂,其制备的水性釉料墨水的性能较优。
参考文献
[1]胡俊,区卓琨. 陶瓷墨水的制备技术[J]. 佛山陶瓷,2011:23-26.
[2]林伟,韩复兴. 数字喷墨打印技术对我国建筑陶瓷未来发展的影响[J]. 陶瓷,2011:9-12.
[3]韩复兴,范新晖. 浅析陶瓷墨水的发展方向[J]. 佛山陶瓷,2011,177(6),1-3.
[4]谭灵,郑乃章. 陶瓷喷墨打印技术的现状与展望[J]. 中国陶瓷工业,2012:20-23.
[5]熊超圆. 棕色陶瓷墨水的制备及稳定性研究[D]. 中国广东省:华南理工大学,2015.
[6]付威,袁志. 水性黑色陶瓷墨水的稳定性研究[J]. 中国陶瓷工业,2020,2:10-12.
陶瓷喷墨打印技术被称为陶瓷印花技术的第三次革命。自2008年进入中国以来,陶瓷喷墨打印技术在中国迅猛发展,而与之相匹配的陶瓷墨水也很快实现了国产化,并不断发展进步。近几年,随着国家对环境保护要求的日益严格,陶瓷行业的环保工作也日益加强,节能、环保、低耗成为主流。陶瓷墨水作为陶瓷化工原料,消耗品,由于目前陶瓷墨水还是有机溶剂体系,且每月的消耗量比较大,陶瓷墨水打印在瓷砖表面以后,在窑炉烧成过程当中,有机溶剂会挥发燃烧,而其烟气会对空气环境造成一定的污染,因此,找到更加节能环保的陶瓷墨水是目前市场的迫切需求。
水性墨水,由于其采用水和水溶性试剂作为载体,其一,在原料使用上面更加环保;其二,水性墨水由于其本身是水性的,因此可以很好的和瓷砖的水性面釉结合,而不会出现高墨量打印时清晰度不高的问题。近年来,随着数码釉的盛行,釉料墨水得到了快速的发展。釉料墨水必将成为陶瓷行业的下一个风口。水性数码釉,由于其溶剂载体为水性可以和水性釉面完美结合,特别是打印比较厚的立体感的效果釉时,具有十分良好的装饰效果。采用水性数码釉,全数码制备瓷砖将成为可能,瓷砖的立体釉面装饰质感也将成为可能。如果能够成功,必将给陶瓷行业带来新的革命[1,2,3,4]。
2 实验
2.1 实验仪器
2.2 实验原料
实验原料陶瓷釉料A(表2),水性分散剂采用毕克和康溢化工分散剂BYK-180、BYK-2010、H1023、156、BYK23160、A4600、W100、W200、W400,乙二醇,去离子水、消泡剂BYK-066N。
釉料原料配制好以后,将分散剂和乙二醇、去离子水和釉料粉料配制成分散液,加入砂磨机中研磨,研磨转速3000rpm。
3 结果与讨论
水性分散剂能降低分散体系中固体或液体粒子的聚集,吸附在各种微小颗粒表面并产生静电斥力使之分散,避免沉降、返粗。水性釉料墨水的制备关键在于选择合适的水性分散剂,而水性釉料墨水的制备将比溶剂型墨水的制备更难。一个优良的分散剂应满足以下要求:
(1)分散性能好,防止分散粒子之间相互聚集,团聚;
(2)与树脂、填料有适当的相容性;热稳定性良好;
(3)不影响制品的性能; 无毒、价廉。
3.1实验1
经过研磨120min后,从图1粒径分布图中可知,粒径D100=3.12μm,粒径偏粗。
研磨后浆料触变,说明BYK-180在乙二醇加水体系不适合。
3.2实验2
经过研磨180min后,从图2粒径分布图中可知,粒径D100=0.765μm。
研磨过程当中气泡较多,加入消泡剂,消泡仍然不理想。墨水粘度25℃-6.36cp,BYK-2010用于乙二醇加水体系需要解决消泡问题。
取样5g,经过1000转离心实验1h,沉淀0.18g。
3.3实验3
经过研磨120min后,从图3粒径分布图中可知,粒径D100=1.12μm。
研磨过程当中搅拌气泡很多。墨水粘度25℃-22.45cp。H1023可用于乙二醇加水体系。
取样5g,经过1000转离心实验1h,沉淀0.12g。
3.4实验4
经过研磨120min后,从图4粒径分布图中可知,粒径D100=1.12μm。
研磨过程当中气泡比较少。墨水粘度25℃-24.36cp。156可用于乙二醇加水体系。
取样5g,经过1000转离心实验1h,沉淀0.15g。
3.5实验5
经过研磨120min后,从图5粒径分布图中可知,粒径D100=0.988μm。
研磨过程当中容易起泡,停止搅拌消泡较快。墨水粘度25℃-5.94cp,BYK-23160可用于乙二醇加水体系。
取样5g,经过1000转离心实验1h,沉淀0.19g。
3.6实验6
经过研磨140min后,从图6粒径分布图中可知,粒径D100=1.12μm。
研磨过程当中有少量气泡。墨水粘度25℃-47.04cp,分散剂4600可用于乙二醇加水体系,但是用量比例较大,粘度偏大,不是较好的选择。
取样5g,经过1000转离心实验1h,沉淀0.08g 。
3.7实验7
经过研磨130min后,从图7粒径分布图中可知,粒径D100=0.767μm。
研磨过程当中不容易起泡,泡相对容易消除。墨水粘度25℃-5.52cp,W100可用于乙二醇加水体系。
取样5g,经过1000转離心实验1h,沉淀0.11g 。
3.8实验8
经过研磨140min后,从图8粒径分布图中可知,粒径D100=2.41μm,粒径偏粗。
研磨过程当中不容易起泡,泡相对容易消除。墨水粘度25℃-6.61cp。说明W200在乙二醇加水体系中的分散性较差。
取样5g,经过1000转离心实验1h,沉淀0.39g 。
3.9实验9
经过研磨140min后,从图8粒径分布图中可知,粒径D100=35.2μm,粒径分布较粗,分散性较差。W400在乙二醇加水体系中的分散性很差。研磨过程当中不容易起泡,泡相对容易消除。墨水粘度25℃-5.65cp。
取样5g,经过1000转离心实验1h,沉淀1.48g 。离心沉淀较严重。
无机颜料的分散,与研磨工艺,分散剂的种类-用量有密切的关系。不同种类的分散剂由于其分子结构的不同,其用量不同。而合适的分散剂的选取对分散体系的稳定性的影响至关重要。墨水的粘度直接会影响墨水的打印顺畅性,因此制备的墨水的粘度不能太高也不能太低,必须控制在一个合适的额范围,水性釉料墨水的粘度一般建议控制在25℃时5-10cp。
根据经典的Stocks沉降定律:
公式中:Vs为颗粒的沉降速率;r为颗粒的粒子半径;ρ为分散体系中分散相的密度;ρ0为分散体系中分散介质的密度;g为重力加速度;η为分散体系中分散介质的粘度。由Stocks沉降速率公式可知,颗粒粒径越小,粘度越高,分散相与分散介质的密度差越小,其沉降速率越小[5,6]。从离心沉淀的数据也可以看出当粒子的粒径越粗时,其沉淀越严重;分散体系的粘度越大,其离心沉淀越少。
从以上九组实验对比可以得知,第一组实验BYK180触变,不适合使用;第二组实验BYK2010难消泡,也不是最优选择;第三组实验H1023和第四组实验156研磨后粘度偏高,打印顺畅性可能受到影响;第五组实验BYK23160各项性能指标较好;第六组实验4600分散剂用量较大,墨水粘度偏高,不合适;第七组实验W100各项性能指标较优,且不容易起泡,消泡容易;第八组实验W200和第九组实验W400的分散性较差,离心沉淀较严重,不适合。
4 结论
综上,采用实验五BYK23160和实验七W100作为分散剂,其制备的水性釉料墨水的性能较优。
参考文献
[1]胡俊,区卓琨. 陶瓷墨水的制备技术[J]. 佛山陶瓷,2011:23-26.
[2]林伟,韩复兴. 数字喷墨打印技术对我国建筑陶瓷未来发展的影响[J]. 陶瓷,2011:9-12.
[3]韩复兴,范新晖. 浅析陶瓷墨水的发展方向[J]. 佛山陶瓷,2011,177(6),1-3.
[4]谭灵,郑乃章. 陶瓷喷墨打印技术的现状与展望[J]. 中国陶瓷工业,2012:20-23.
[5]熊超圆. 棕色陶瓷墨水的制备及稳定性研究[D]. 中国广东省:华南理工大学,2015.
[6]付威,袁志. 水性黑色陶瓷墨水的稳定性研究[J]. 中国陶瓷工业,2020,2:10-12.