【技术】陶瓷墨水的生产及性能

文/桂劲宁 佛山市迈瑞思科技有限公司

陶瓷墨水的制备技术有化学合成法和机械研磨法两种方式。早期的许多开发集中在化学合成法为主，现阶段陶瓷墨水的制造以机械研磨法为主。本文从陶瓷墨水生产的角度，简单介绍陶瓷墨水的生产相关过程和性能，希望有助于业内人士加深对陶瓷墨水的认识，共同提高国产品牌墨水的技术水平。

1.1 陶瓷墨水生产的原材料

陶瓷墨水生产使用的主要原料有陶瓷色料、有机溶剂、分散悬浮剂、粘度调节剂，此外还有少量的辅助添加助剂。

陶瓷色料是陶瓷墨水的关键成分，色料决定陶瓷墨水的发色效果和在喷墨机上的运行性能。传统用途使用的陶瓷色料在纯度、颗粒度、高温合成的完全程度和色料微小晶体的发育等方面和陶瓷墨水的要求有一定的距离，必需进行针对性改善才能适应陶瓷墨水的要求。陶瓷墨水专用色料的纯净度是指发色矿物晶体之外的其他成分含量的高低，包括未反应的配方原料成分、残余的矿化剂、生产过程引入的外来杂质如水分、铁质成分、塑料或胶质颗粒等等，其中残余的矿化剂、水分和铁质成分的含量需要严加控制。如果残余的矿化剂含量过高，以无机盐的形式存在于加工好的墨水中，对陶瓷墨水的稳定性、在喷墨机上的运行和对喷头的寿命都会有十分不利的影响。

盐分的存在首先会降低墨水在存放和使用过程中的粘度稳定性，这是由于盐分会增加墨水在使用和存放过程中的吸水倾向，导致墨水的粘度升高；盐分在微量水分的存在下会由于发生重结晶过程而颗粒长大，增加墨水在喷墨机墨路内的运行阻力，严重时导致过滤器和喷头提前报废；盐分的存在还会对喷头结构的金属部分产生腐蚀。

陶瓷喷墨色料如果水分的含量过高，除了会导致墨水的粘度上升或粘度波动大而不适合使用外，还有可能由于色料给墨水带入的含水量大于墨水使用的溶剂体系的饱和吸水量，这样，就会由于在一定的温度条件下喷墨机密封管路内部水的分压过高，导致负压不易上升或微小水滴析出而影响使用。由于陶瓷墨水使用的有机溶剂多属于极性较弱的油性体系，饱和吸水量很小，所以色料含水带来的不利影响将十分显著。

色料中的铁质成分主要指金属铁，大多是色料粉碎加工时设备磨损进入或色料烧成时氧化程度不够导致部分色料含有的氧化铁成分还原形成。由于金属铁质软不易磨细，会对墨水的研磨和使用带来不利影响。

陶瓷墨水色料的颗粒度要求明显低于传统色料，这是因为墨水加工使用的研磨机主要是通过研磨作用降低颗粒尺寸的，冲击破碎效果比较低，如果色料颗粒很粗，生产墨水的周期就会很长，生产效率低下。

综上所述，陶瓷墨水用色料的主要控制指标为：盐分含量，水分含量，含铁量，颗粒度，外来杂质含量，在色料细度和发色效果基本稳定的情况下重点控制含盐量、水分含量、含铁量。含盐量可以通过测量色料的水分散液电导率的方法间接判断，水分含量和铁含量可以直接测量，陶瓷墨水生产时可以根据需要尽量优化参数配置，得到合格的产品，目前无统一的标准。

陶瓷墨水使用的有机溶剂一般是非极性或弱极性的高沸点低粘度溶剂，一般还要求具有气味淡，对金属和塑料、橡胶等没有腐蚀破坏作用和尽可能低的橡胶溶胀效应。

1.2 陶瓷墨水生产需要的设备

机械研磨法生产陶瓷墨水的关键设备有砂磨机、过滤器等。砂磨机的研磨机构由研磨腔、高速搅拌的转子、填充在研磨腔内的研磨介质小球组成，研磨时转子对物料和研磨介质小球混合浆料进行高速搅拌，小球通过强烈的机械力作用对色料颗粒进行细化作用，最终得到细度合格的陶瓷墨水。研磨机运转时产生大量热量，需要通过冷冻水冷却降温。砂磨机采用循环研磨方式，即墨水从进料口不断地进入高速搅拌的研磨腔，同时从出料口不断流出，循环研磨一定次数后达到细度要求。陶瓷墨水研磨加工到要求的细度后，通过过滤器滤除少量粗颗粒或杂质，就得到成品。

（1）砂磨机

砂磨机按照研磨腔旋转轴的方向分为立式和卧式两种，按搅拌转子的型式不同可以分为棒销式、盘式和涡轮式。按出料方式可以分为隔珊（滤网）出料和离心出料式。各种形式的砂磨机都可以将色料磨到墨水需要的细度，可以根据实际需要灵活选用。

（2）过滤器

陶瓷墨水的过滤大多采用由有机聚合物纤维或玻璃纤维制成的滤芯进行过滤，实际生产中选用截留尺寸1微米到20微米的3~6种滤芯或滤袋串联形成多级过滤系统对墨水进行过滤。

1.3 陶瓷墨水生产流程

1.3.1基本流程

研磨流程为：配料→预分散→过筛→研磨→过滤→包装。其中预分散、研磨和过滤是三个重要的环节。

研磨时按固定的时间间隔取样测量粒度数据，粒度数据达到要求后，再取样测量粘度，如果粘度和标准有偏差，应进行适当调整达标后，才能进入过滤环节。

（1）预分散

预分散的目的是把称量好的色料粉末、溶剂、分散剂以及其他添加剂混合成为均匀的悬浮分散液，预分散过程涉及比较粘稠的分散剂在溶剂内的溶解和超细的色料颗粒在溶剂中的分散，要求分散过程有强烈的剪切和搅拌作用，避免形成色料颗粒成团或分散剂溶解不佳影响下一个阶段的研磨，预分散得到的色料分散液要用筛网滤除原料中可能带入的异物。

（2） 研磨

1）单桶循环模式

单桶循环模式是指研磨的循环过程中，进料桶和出料桶共用一个料桶，墨水一边泵入研磨机研磨，一边和从研磨机流出的墨水混合在一起，该模式具有结构简单的优点，但由于在研磨过程中总有一部分色料颗粒无法进入研磨腔研磨，对墨水的性能或后续的生产操作可能会有不利的影响。

2）双桶循环模式

双桶循环模式是指研磨的循环过程中，进料桶和出料桶分别用一个料桶，待进入研磨腔的墨水和从研磨腔流出的墨水分别存放在两个不同的料桶，用管道相连，当进料桶空桶后，将出料桶的墨水全部泵到进料桶供进料，出料桶泵空后关闭两桶连接阀门，出料桶继续接料，这样可以实现所有的色料颗粒机会均等地进入研磨腔研磨，有助于降低大颗粒含量，收窄粒度分布宽度。由于采用两个桶，需要增设连接管道和一些控制单元，结构相对比较复杂。

3）过滤

2.1 颗粒度

颗粒度是墨水质量控制的关键指标。墨水研磨开始后，颗粒细度持续下降。研磨的初期，色料颗粒细度下降迅速，随着研磨过程进行到后期，色料颗粒细度下降越来越慢。研磨过程的粒度变化趋势如图1所示。可见，在研磨进入中、后期以后，D10、D25不再下降，而D50、D75、D90随研磨进行持续下降。在研磨后期，通过不断抽样检验颗粒的粒度和粒度分布来控制墨水的颗粒度指标，当达到指标后，粘度正常后，立即停止研磨，将半成品进入下一工序。

墨水颗粒尺寸和颗粒分布通过激光粒度仪来测量，具有良好的准确性和重现性。

2.2 粘度

墨水研磨过程中，粘度是持续降低的，如图2所示，这是由于研磨将色料粉中的团聚破坏，同时色料颗粒被研磨而不断出现的新生表面吸附分散剂分子，使颗粒被分散剂分子包裹而达到良好的分散状态，降低了墨水流动的阻力。研磨后期粘度逐渐稳定。在研磨过程中，如果色料颗粒细度达到要求后发现粘度和指标值有所偏差，可以通过配方的微调或粘度调节剂的加入来调整粘度值。

粘度的测量采用数显旋转粘度计来测量，一般测量40℃下的粘度，这是因为喷墨机的喷头大多是在40℃左右工作的。

墨水的粘度随着温度的增加而呈降低趋势，如图3所示。

墨水粘度随温度下降的性能使同样粘度的墨水可以适用于不同的喷头，通过微调喷头温度可以将墨水粘度调到最合适打印的范围。

2.3 触变性

触变性是指流体受到剪切时粘度变小，停止剪切时粘度又变大或流体受到剪切时粘度变大，停止剪切时粘度又变小的性质。前一种触变性称为正触变，后一种称为负触变。较弱的正触变性有助于墨水的存放和使用的稳定性，可以减缓墨水存放和喷墨机使用频率不高时容器和管路中墨水的过度沉淀。而较大的正触变性和负触变则十分不利于墨水的存放和使用。

触变性大小可以通过对比粘度随剪切速度的增加→降低循环过程的粘度变化曲线所包围形成的区域的面积大小来衡量。图4到图11是具有不同程度的正触变、负触变的测量结果。

2.4 表面张力

表面张力利用最大气泡压力法测量。一些表面张力仪可以连续测量从气泡产生到气泡破灭的过程中表面张力的变化过程。从图十二可见，表面张力在气泡产生到破灭过程是逐渐下降直到趋近一稳定的值，这是由于气泡产生后，表面活性剂需要一定的时间进行分布并逐渐达到平衡，表面活性剂在新生表面分布达到平衡时表面张力趋于稳定，一般所说的墨水表面张力数据包是气泡破灭时的稳定表面张力。

2.5 悬浮性能

陶瓷墨水由于悬浮的色料颗粒比重远大于溶剂，而其颗粒细度又比较粗，没有细化到可以稳定悬浮的胶体量级，墨水在存放过程中的沉淀是很难避免的。通过引入适当的添加剂，让墨水具备适量的正触变性，是减缓墨水沉淀的有效途径。墨水的沉降有三种典型情况，一种是快速的整体沉降，墨水静置一段时间后，固液界面下移，即固相占据的体积整体收缩，表面析出固含量很少或不含色料的溶剂，而容器底部不产生沉淀；第二种是缓慢的整体沉降，前述的过程进行得非常缓慢；第三种观察不到固液界面整体下移，而是在容器底部出现局部的固体沉淀。一般具有较强正触变性的墨水为第一种沉淀模式，具有较弱正触变的墨水为第二种沉淀模式，而完全没有触变性的墨水属于后一种沉淀模式。通过适量引入某些添加剂，可以产生弱的正触变性，使墨水的沉降避免第二种沉降模式，减缓使用中的沉淀堵管或喷头长期不用时的堵喷孔现象。

（1） 粘度(mPa.s)：其中乙、丙的数据包括赛尔、北极星、精工三种喷头适用的粘度数据，赛尔、北极星适用的粘度较高，精工适用的粘度较低。从表1可见，所有的墨水粘度都处于15~20 mPa.s范围或附近。

（2） 颗粒度(请加入正常指标范围的内容说明)

（3） 表面张力：表面张力由色料以外的溶剂和分散剂等成分决定，市面上的墨水均处于25~35达因范围。

墨水使用的色料和传统工艺使用的色料不同，为了使墨水的性能达到使用要求，色料生产商需要按照专门的标准生产喷墨色料。墨水的生产中，粘度、颗粒度、表面张力等各项性能指标通过精密测量设备实现精准量化控制，并且随研磨进程的进行各种指标的变化过程规律性强，可以根据需要有效控制，满足喷墨的要求。

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