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水性黑色陶瓷墨水的穩定性研究

儒特 2023-07-27 | 閱讀：1372

采用研磨分散法制備了水性黑色陶瓷墨水，主要研究溶劑含量和分散劑種類對陶瓷墨水性能的影響，同時對不同廠家生產的分散劑種類進行篩選。選出溶劑、分散劑在***分散效果時的添加量，進一步考查溶劑和分散劑對陶瓷墨水粒徑的影響，從而對陶瓷墨水配方進行優化。測試結果表明：制備的水性黑色陶瓷墨水在30 天內不發生分層，保持良好的穩定性。

噴墨打印技術打印的產品圖案更精細，效果更逼真、無重復打印、操作簡單的優勢[1-2]，已廣泛應用于電子標簽打印、電容器、顯示器等領域。和普通噴墨印刷不同，陶瓷噴墨打印墨水在印刷后，還要進行高溫的燒結，在不同的釉面配方或燒結溫度下，其呈色效果也有所不同[3-5]。陶瓷墨水作為噴墨打印技術中核心要素，是指噴墨打印機中含有特殊陶瓷粉體、陶瓷色料或者顏色著色劑的一類液體[6]。陶瓷墨水一般由無機非金屬顏料(色料、釉料)、溶劑、分散劑、表面活性劑及其它助劑構成。目前制備陶瓷墨水的方法主要有溶膠凝膠法[4-6]、反相微乳液法[7-10]、分散法[11-14]。溶膠凝膠法目前技術已較成熟，但其制得的陶瓷墨水固相含量較低，長期放置會產生沉淀，穩定性較差；反相微乳液法則制備成本高、難度較大，不適宜工廠化生產；針對上述兩種方法的缺點，分散法作為一種***常用的方法，使陶瓷墨水工藝更為簡單，成本更低廉，加之研磨技術的不斷更新，更加容易實現工業化大生產。
目前，市場上的陶瓷墨水大多是偏油性的。油性陶瓷墨水對環境和人體是有害的，隨著人們對環保意識的增強，市場上急需開發出環保無毒的油性陶瓷墨水和水性陶瓷墨水，這將是未來陶瓷墨水的發展趨勢。

現在制備的陶瓷墨水配方體系均使用低極性的有機溶劑，著色顆粒平均粒徑為200-400 nm。目前，制備陶瓷墨水的成本昂貴、技術難度大、穩定性差等問題，導致陶瓷墨水的種類不多，色域受到限制。但目前面對的難題是如何選擇合適的分散劑來提高微米級陶瓷墨水的穩定性；水性陶瓷墨水配方體系更為復雜，添加的助劑種類繁多，在添加的同時，需要考慮各種助劑之間的搭配。同時，制備水性陶瓷墨水還應考慮防腐、殺菌等問題。
1 實驗過程
以Cu-Cr-O 陶瓷色料為著色劑，以丙二醇、二乙二醇作為溶劑，添加分散劑、消泡劑等其它助劑進行均勻混合。實驗一：按溶劑含量為5%、10%、15%、20%、25%五個不同比例進行配比，將配好的溶液放入分散機中進行分散；分散后的漿料移入砂磨機中進行研磨，***通過過濾裝置進行過濾，所得濾液即為水性黑色陶瓷墨水；實驗二：在確定***溶劑含量的條件下，添加不同生產廠家的分散劑，進行分散、研磨、過濾等一系列相同的操作，得到水性黑色陶瓷墨水。
2 結果與討論
溶劑在陶瓷墨水中的作用是載體，它將著色顆粒、分散劑、助劑等成分分散或溶解在其中，從而形成一個新的穩定體系。它可以調節陶瓷墨水體系的粘度和流變性，不同的溶劑對著色顆粒分散性能和助劑的溶解性能不一樣。選擇溶劑應該考慮與著色劑的相容性、分散劑和助劑的溶解性。有相關文獻[18-19]報告，至少選擇一種低揮發性溶劑和一種高揮發性溶劑。要找到一個穩定點，需要經過無數次實驗來驗證，表1 為常見的幾種用作水性陶瓷墨水溶劑。

綜上所述，根據已查文獻資料數據，從溶劑的溶解性、表面張力、粘度等因素考慮，選擇丙二醇和二乙二醇作為制備水性陶瓷墨水的主要溶劑。其他條件固定不變的情況下，考察不同溶劑含量對陶瓷墨水粒度的影響，如圖1 所示。
根據圖1 可知，隨著溶劑含量的增加，陶瓷墨水體系中的顆粒分布由寬慢慢變窄。達到***窄時對應的溶劑含量為15%，顆粒粒徑分布范圍為68.1-341.9 nm，見表2；隨后繼續增加溶劑含量，顆粒粒徑分布范圍逐漸變寬。所以，當溶劑含量為15%時，平均顆粒粒徑在150-200 nm 左右，***粒徑尺寸小于400 nm。當溶劑含量較低時，溶劑很難與添加的其它助劑達到充分混合溶解的效果，體系中的分散劑得不到很好的延伸，因此相互纏繞在一起，不能很好地吸附在著色劑小顆粒的表面。所以，當著色劑顏料顆粒研磨后，大顆粒居多，則會導致體系的研磨效率降低，沉降速率越大；隨著溶劑含量的增加，溶劑發揮溶解作用，分散劑能很好的發揮自身的分散效果，從而使體系達到一個穩態。當溶劑含量為15%時，體系中的顆粒分布區間***窄。但是，體系的粘度也會隨之增加，高粘度溶液環境會使研磨效果減低。研磨過程中由于著色顆粒和研磨鋯珠之間的相互碰撞，會產生高溫、多泡、粘度繼續上升等現象。當溶劑含量超過20%時，小顆粒之間發生團聚，粒徑分布范圍變寬。所以，制備水性陶瓷墨水時將溶劑含量控制在15%較為合適。
其他條件固定不變的情況下，考察不同溶劑含量對陶瓷墨水粘度的影響，如圖2 所示。

選擇1#轉子，轉速60 r/min，測試其在室溫下（25 ℃）的粘度值，如圖2 所示。從圖2 看到，隨著溶劑含量的增加，陶瓷墨水的粘度值在8.0mPa·s-8.5 mPa·s 之間變動，符合水性陶瓷墨水的粘度范圍。溶劑含量的增加一定程度上不會改善研磨效果，但是會有利于分散助劑的溶解，達到快速溶解的目的。因此，溶劑含量對水性陶瓷墨水的粘度幾乎沒有影響。但是，溶劑含量對于分散劑和分散助劑的溶解具有關鍵影響。在制備噴墨打印用的陶瓷墨水時，利用添加一定量的醇類，可以顯著改善噴嘴阻塞問題。本實驗添加的二乙
二醇作為保濕劑，因為保濕劑的加入，不僅能夠防止陶瓷墨水在使用過程中造成墨水成分的改變，從而使體系不穩定，而且還使陶瓷墨水的粘度難以隨溫度的變化而變化。促使在打印噴嘴處形成液體薄膜，以便在下次打印時容易溶解，不發生噴嘴堵塞。
2.4分散劑陶瓷墨水粒度的影響
分散劑是影響陶瓷墨水穩定性的主要因素，因此選擇合適的分散劑是決定陶瓷墨水性能的關鍵因素。
本文選擇丙二醇和二乙二醇用作主要溶劑，并使用相同比例的配方。分散劑以北京麥爾化工科技有限公司生產的分散劑HY-2000、侗富貴化工原材料有限公司生產的分散劑SRE-4026X、SRE-4760W 和鴻昶新材料有限公司生產的分散劑W-4025 作為單一變量制備四組陶瓷墨水。圖3 為分散劑對陶瓷墨水粒徑的影響。在其他參數不變的情況下，添加分散劑SRE-4026X 制備的陶瓷墨水平均粒徑***小，達到164 nm，粒徑分布范圍***窄，***粒徑約500 nm。如果分散劑溶劑化鏈在分散介質中溶解性較好，但由于溶解在介質中的溶劑化鏈長度太短，形成的吸附層厚度受到限制。因此，空間位阻不能使分散體系達到穩定。所以，選擇合適的分散劑對于墨水的制備具有重要影響。

分散劑對陶瓷墨水粘度的影響
粘度直接影響陶瓷墨水的穩定性和流動性。在其他條件都不變的情況下，考察不同類型的分散劑對陶瓷墨水粘度的影響。
采用數字粘度計測量不同分散劑配制而成的陶瓷墨水粘度值，選擇1#轉子，轉速為60 r/min，如圖4 所示。從圖4 可知，使用不同的分散劑配制而成的陶瓷墨水，其測得的粘度值也不一樣；分散劑HY-2000、SRE-4026X、SRE-4760W 對應的陶瓷墨水的粘度值在17 mPa·s-20 mPa·s 之間，滿足水性陶瓷墨水使用的粘度范圍。較高的粘度值可以在一定程度上提高研磨效果，并提高陶瓷墨水的穩定性。但過高的粘度會降低研磨效果，顆粒變粗，粒徑分布范圍也越寬。雖然宏觀上墨水的穩定性較好，實際上陶瓷墨水已經不滿足噴墨打印的技術要求。W-4025 分散劑的粘度值已經遠遠超出了陶瓷墨水的使用要求。所以，這款分散劑不適合用于制備黑色陶瓷墨水。

2.6 陶瓷墨水的穩定性
在分散體系中，著色顆粒會因為自身重力的關系而發生沉降。在靜止的情況下，粒度直徑在微米級以下的顆粒，其沉淀遵循Stokes 定律。顆粒的沉降破壞了分散穩定性，在介質不變的情況下，顆粒的沉降速度主要由粒度大小及密度決定；粒徑尺寸越大，沉降速度越快。在本實驗中，通過沉降實驗表征墨水的穩定性。圖6 反映了水性陶瓷墨水真實的沉降情況。經過30 天的靜置，墨水沒有明顯的分層現象，說明這四款分散劑的分散效果較佳，墨水的穩定性良好。但是，在實際生產應用過程中，噴墨打印裝置都設置有墨水振
蕩分散設備，可以有效防止陶瓷墨水由于長時間的存放而發生團聚現象。

結論
選擇湖南巨發科技有限公司生產的Cu-Cr-O陶瓷色料為原料（巨發公司用的氧化鋯珠和砂磨機磨出的色料），通過分散研磨法制備水性黑色陶瓷墨水，研究了溶劑含量和分散劑對陶瓷墨水性能的影響，以及水性黑色陶瓷墨水的穩定性。旨在為今后的水性陶瓷墨水的研究提供一些參考依據，并將其應用于陶瓷裝飾領域。結論如下：
（1）制備水性黑色陶瓷墨水選擇丙二醇、二乙二醇用作主要溶劑，陶瓷墨水***的溶劑含量為15%。
（2）在其他參數不變的情況下，添加分散劑SRE-4026X 制備的陶瓷墨水粒徑***小，達到164 nm，粘度值為19.2 mPa·s，滿足噴墨打印的技術要求。
（3）使用四種市面上出售的水性分散劑，所制備的水性陶瓷墨水穩定性良好，在30 d 內不發生分層，說明其分散穩定性較佳。