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“水性墨水”:别听风就是雨
来源 : 陶瓷资讯网     阅读 : 54347    作者 : 吴旭    2014-07-06

前言

    陶瓷喷墨技术的飞速发展引领了我国陶瓷工业印刷工艺的第三次“革命”,这极大地提高了建材产品的附加值,扩展了市场空间。作为喷墨印刷技术最关键的一环,墨水工艺的变革发展影响着行业的发展历程。
    由早期进口墨水占据我国墨水市场半壁江山,到2013年国产墨水异军突起开始冲击进口墨水在华市场地位,墨水领域变化突显。墨水功能性逐渐多样;颜色类别逐渐丰富;价格方面更是以极大的幅度从早期几十万元每吨暴跌至2013年末的10-13万元每吨。
    据数据显示,2013年陶瓷行业在线生产的喷墨机数量为1800台,墨水全年用量为1.3万吨。随着新增线的投产,2014年喷墨机将新增500到1000台,这预示着墨水用量将有30%-40%的增幅,全年用量增至2万吨(销售额约24亿元)。更有专家预测未来10年内我国墨水市场的市场容量将达120亿元。
    在巨大的市场潜力推动下,墨水工艺的变革突破速度迅猛,众墨水商把抢占市场份额的战略眼光聚焦在墨水的价格和环保方面,“水性墨水”在此背景下成为行业新潮,市面更有商家对外公布已产出“水性墨水”。
    然而,市面所推“水性墨水”是否符合我国陶瓷工业发展对墨水产品的本质需求?其在发色、工艺、成本、环保等方面是否比现有陶瓷墨水更优胜?对此,本报特别采访了赛尔公司邓永华博士、翁杰硕士、游德璋硕士。


对话赛尔 
    目前,“水性墨水”被标榜为发色更佳、成本更低的新一代陶瓷墨水。对此,赛尔公司相关专家直言:从物理及化学角度去理解,单纯在墨水中增加15%的水成份对于发色、成本、环保方面的“优势”何在?

喷墨印刷首要需求是发色
    墨水由最初色系单一逐渐向多元化转变,墨水公司投入资金及科研力量克服种种技术难关,不断对墨水产品进行改造、突破、完善、发展,其首要目的是满足陶瓷产品对墨水的本质需求。这是基于消费者的消费需求,瓷砖釉面颜色的“饱和度”和“厚重感”是其评定一款产品的重要指标。因此,对于陶瓷企业而言,便会要求墨水公司为其供应发色程度更高的墨水产品。
    某墨水公司技术人员表示,现阶段,墨水在正红、纯黑等包裹色系方面扩展受阻,这限制了一些深色调产品的研发生产。在这种发展瓶颈下,为达到陶瓷企业的生产要求,墨水公司首要进行的技术突破是产品的发色问题。

墨水发色与水成分无关
【陶瓷资讯】:影响墨水发色的因素有哪些?
【赛    尔】:色料颗粒的大小和数量是墨水发色的关键因素。
陶瓷墨水的主要成份为色料颗粒、载体及其他添加剂。色料颗粒是墨水发色源,水或油均为色料颗粒的载体。
    墨水色料颗粒越大,发色越深,颜色越鲜艳。同理,在色料颗粒大小同等的条件下,增加色料颗粒量,也能使得墨水发色程度更好,这就要求陶瓷企业在生产深色砖的时候增加色料颗粒量,即加大喷墨量。在颗粒大小同等情况下,“水性墨水”如需增强发色,则与油性墨水无异,必须加大喷墨量。
    市场上有一个说法,“因为水的表面张力比油高,所以水性墨水更易把色料留在釉料表层。”的确,水的液体表面张力比油强,但和墨水把色料留在釉料上的能力亳无关系。水性载体和亲水的釉层之间的固/液表面张力远低于油性载体的固/液表面张力。故此,水性载体和釉层间的接触角会比油性载体小,即水性载体在釉料面上会扩散得更广。在颗粒大小同等的情况下,使用亲水的载体比油性载体更易把色料颗粒带入白色的釉料层中,这反而降低了成品的发色表现。

    受制于喷孔直径和颗粒直径的安全比例,现在的陶瓷墨水适用的颗粒直径都不大于1微米,“水性墨水”亦不例外。
  现在市场上推出的“水性墨水”,其发色强的唯一根据是所载有的色料颗粒大小达3微米,与加入水成份无关。若要使用这种墨水,便需要一个有更大喷孔直径的打印头配合。

水性载体极易引起色料沉淀
【陶瓷资讯】:含水量越大的陶瓷墨水会使色料更难沉淀吗?
【赛    尔】:含水量越大的陶瓷墨水只会加快色料颗粒的下沉。
所有陶瓷墨水都是与厂方预制,所以都要有一定长度的保质期。墨水中的色料颗粒亦要有一定的悬浮性。
    以小实验为例,同一时间把两颗同样大小的玻璃弹珠分别放入水中及油中,结果必然是放进水中的弹珠最先沉淀,主要原因是油的黏度比水高的原故(在室温下,一般油性墨水的黏度约为30cP,水的黏度则为1cP。)。同时,如果色料颗粒更大,重力会加快色料的沉淀。含水量越大的陶瓷墨水较油性墨水而言,传统的色料颗粒更易沉淀,对储存保质更为不利。

颗粒表面经特殊处理才能避免墨水沉淀
【陶瓷资讯】:如果色料颗粒在水中更易沉淀,为什么市面上的含水陶瓷墨水能达至和油性墨水相近的稳定性?
【赛    尔】:这是因为墨水厂商对色料颗粒本身做了特殊的表面处理。
一般情况下,“水性墨水”中的色料颗粒在水中更易沉淀,其稳定性要劣于油性墨水。而市面上的含水陶瓷墨水若要达到和油性墨水相近的稳定性,墨水厂商则需要对色料颗粒本身进行特殊的表面处理。
    现在常用的表面处理有两种:第一种是使用表面活化剂,使每粒色料颗粒都带同样的电荷,并互相排斥,防止聚合沉淀;第二种是以聚合物包裹颗粒,造成阻隔颗粒聚合的作用。除了两种常用工艺,采用特别的结晶方法把色料颗粒密度降低,从而减慢色料沉淀速度。
    以上三种表面处理工艺都有较高的技术要求,并且和传统的研磨工艺有较大的差异。值得留意的是,类似的处理亦适用于油性载体中,以达到更佳的悬浮效果。采用含水份的载体,除了增加额外的工序外,对改善陶瓷墨水表现的作用成疑。

颗粒表面处理成本高
【陶瓷资讯】:含水的陶瓷墨水一定比油性墨水便宜吗?
【赛    尔】:15%的含水量不能带来明显的价格优势。
    目前市面上的“水性”陶瓷墨水,含水量大概15%,这充分说明以水为载体代替部分油性载体,其所带来的成本优势有限。由于色料颗粒需经过先进工艺对表面作特别处理,最终生成的陶瓷墨水较生产油性墨水的成本优势并不明显。有趣的是,在国外,陶瓷厂商并不期望水性墨水能来巨大的成本效益,反而在中国市场却被无限放大。

水用作色料载体环保效用模糊
【陶瓷资讯】:水性陶瓷墨与水性喷绘墨有什么分别?
【赛    尔】:主要区别为发色源的本质不同。
    市场上有人套用喷绘行业的发展路径,指出“水性墨水”稍经更改便可以用于陶瓷行业中。广告喷绘所用的水性墨水,是染料型墨水,由一些可溶解于水中的有机发色化合物和水组成,其精细化的图案效果颇受陶瓷行业青睐。含水的陶瓷墨水仍旧使用和油性墨水相同的发色物料,都是不溶于水的无机色料颗粒,在本质上和喷绘用的水性墨水完全不同。水仅作为色料颗粒的载体,它在陶瓷墨水的角色确实存在着疑问。
    从载体方面去想,提高水的成份会变得更环保,但水性陶瓷墨水所需的特别工艺对环境带来的影响,仍然有待研究。

拓宽墨水色域喷头是关键
【陶瓷资讯】:该如何突破陶瓷墨水发色和色域的瓶颈?
【赛    尔】:从我们的角度来说,扩大喷头孔径是我们的选择。
大墨滴、大颗粒直径是改善发色和增大色域的途径,采用含水的陶瓷墨水并没有明显作用。含水量只有约15%的陶瓷墨水,除了对环保属性的考虑以外,它需要特别的工艺制造,对发色及成本控制没有直接的改善,这充分说明加入水作为载体的意义值得相榷。针对突破陶瓷墨水发色和色域的瓶颈这个问题,使用超大孔径的打印头以打印大墨滴和大颗粒墨水,这是赛尔公司的选择。当然,这要在色彩饱和度和图案精细度上找一个平衡点。不能否认,陶瓷墨水的技术将来可能会有重大突破,但是我们看待新技术时必须基于科学理论,用开放的思维来小心认证。
    赛尔一向重视持续的科研发展,并以严谨的科学基础,带动陶瓷行业的革命。过去一年,我们在不同场合对陶瓷业界提供专业培训,目的是推动业界以理性角度选择适合自己的喷墨方案,令陶瓷行业得以健康发展。

微科普
1.墨水概念
1)溶剂型墨水:以有机溶剂或高分子成膜剂作载体,将颜料分散在载体中形成墨水,具有色彩鲜明,色彩还原性好,干燥速度快的特点;
2)水溶性墨水:不含挥发性有毒害的有机溶剂,对大气何环境无污染,不易燃。
2.水性墨水配方模型
色浆液A:陶瓷色料:30-40%;树脂:2-15%;丙二醇:18-25%;水:12-25%;
分散剂:10-37%;硅烷偶联剂:0.3-0.5%;稀释剂B:混合溶液C:60-70%;
水:25-30%;助分散剂:0.5-10%;PH调节剂:0.5-5%;防腐杀菌剂:0.1-1%。
3.水性墨水制备流程
1)制备色浆液:在丙二醇与水的混合溶液中,加入陶瓷色料、分散剂和树脂搅拌均匀,用高速球磨机进行预分散,使色浆液具有流动性,然后再将预分散好的色浆液转移到砂磨机进行研磨,至D50径粒为200-350NM,最大直径小于或等于800NM;研磨后的色浆液用1微米的滤芯过滤;
2)制备稀释剂B:将各组分混合,用高速搅拌机搅拌;
3)将色浆液和稀释剂按照一定比例进行高速混合,再经超声分散,得到水性墨水。
4.树脂在水性墨水中的作用:
    树脂具有良好的分散性,能提高色浆的研磨效率,能增加陶瓷墨水在高温发色后的光泽度,保证立体图案的清晰,并且不容易褪色;
5.稀释剂在水性墨水中的作用:
    稀释剂中的混合溶液和水主要用于调节墨水的粘度,改变墨水的流动性。由于溶剂以水性为主,不仅具有溶剂型墨水的色彩还原性,还能满足试剂的清洁环境性,不会对环境造成很大污染;以满足喷墨印花时候的性能要求。PH调节剂用来调节墨水的酸碱性,让墨水保持在一个弱碱性的范围,解决水溶性墨水对喷头的腐蚀问题。
6.分散剂在水性墨水中的作用:
    水性墨水添加分散剂是为了防止墨水沉淀,可同时解决分散性和粘度问题。
7.墨水稳定性的原理
    陶瓷墨水的核心成分是陶瓷颜料,主要成分是各种金属盐类和氧化物。无机颜料表面容易吸水,通常在粒子外围存在一层水分子,使颜料的固体颗粒形成聚集体或互相隔离的屏障,在水溶性体系中较为不易分散,容易沉降。这需要在喷墨制造过程添加表面活性剂或强分散剂,通常为水溶性的两亲有机分子,其极性基团能选择性地吸附在无机颜料的表面,而非极性基团能否在体系中伸展,并与树脂分子缠绕在形成空间位阻使得颜料粒子相互分开和排斥,形成双电层结构,加强无机颜料在水溶性体系中的稳定性。
8.墨水的表面张力
    墨滴的形成主要由表面张力来控制,墨水的表面张力太大,墨流将难以断裂,将导致墨水打印不通畅,出现间歇性打印中断;如果表面张力太小,则难以形成微小均匀的墨滴;适当的表面张力可以有效地控制墨滴的喷射方向。
9.墨水的粘度
    墨水粘度过高,会造成墨水在墨盒中流动不通畅,也难以保证墨水顺畅地通过细小的喷头,造成喷头堵塞;粘度太低,会使墨水喷射发生困难。


人物档案
【邓永华】赛尔业务发展经理。于香港中文大学电子工程系取得哲学博士学位,曾在高端线路版及先进光通讯业从事研发工作,并与大学研究所及跨国科技公司包括IBM于国际权威期刊及重要会议上联合发表专业论文多达30多篇,亦曾分别为美国电气和电子工师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineering,IEEE)及美国光学学会(Optical Society of America, OSA)附属期刋担任评审员;自2009年起受邀编入美国知名刊物——马奎斯世界名人录 (Marquis Who’s Who in the World)。
【翁杰】赛尔销售工程师。早年肆业于香港航空技术学校,拥有4年的飞机航空燃油和液压系统的维修经验。后继续进修,先后获得英国哈德斯菲尔大学机械工程学士和威尔斯大学电脑理科硕士学位。拥有逾十年的数码打印经验,经历了数码打印的发展路程,从画线条到似像相片级别的图像,从二态9dpi至8灰度级的900dpi打印质量的提升;从机器操作到各个部位的维修、安装、设计原理、图像和色彩功能管理等等均有比较全面的认识。Xaar公司在亚洲远东地区最富资历的工程人员。
【游德璋】赛尔销售工程师。于加拿大英属哥伦比亚大学(University of British Columbia)取得化学及生物工程硕士学位,并累积了多年的化学及化工系统相关经验。曾为奔驰汽车、福特汽车、香港应用科技研究院等进行研究,并将成果发布于美国化学工程师协会(American Institute of Chemical Engineers)及美国电化学学会(The Electrochemical Society)的年度会议中。除了国际研究期刊外,他亦曾参与撰写 “PEM燃料电池耐用性手册” (PEM Fuel Cell Durability Handbook)一书。

 
后话
    经记者调查得知,赛尔公司所产喷头已被中山大学《水性墨水发明专利》(专利号码:201210139834.1)认可为“可喷射水性墨水喷头”,据其专利要求书表明,其专利产品“水性墨水”与赛尔喷头相互兼容。
    有行业人士表示,陶瓷喷墨印刷技术推动我国陶瓷工业发展,在突破喷墨发色的技术瓶颈时,喷头商和墨水商协同作战,才能引导行业良性发展。在“水性墨水”性能和效用有待进一步研究的情况下,盲目进行推广并不利好陶瓷企业、墨水商、喷头商赢取市场。“水性墨水”能否引爆喷墨技术革命新风潮,亟待相关各方站在行业高度去探索、实践。
(责任编辑:庞杏华)
 
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