陶瓷喷墨渗花工艺技术研究进展
谢悦增
摘 要：本文通过讲述渗花墨水与常规喷墨墨水的区别、渗花墨水的特性、目前喷墨渗花产品的主要生产工艺及其优缺点以及喷墨渗花产品所使用的设备，归纳了目前国内喷墨渗花领域的状况，对生产和后续研究提供了一定的参考依据。
关健词：喷墨打印；渗花墨水；渗透；扩散；生产工艺
1 引言
喷墨打印技术是20世纪70年代末开发成功的一种非接触式的数字印刷技术，它将墨水通过打印头上的喷嘴喷射到各种介质表面上，实现了非接触、高速度、低噪音的单色和彩色的文字和图像印刷。陶瓷喷墨打印技术是在喷墨打印技术的基础上，将特殊的粉体制备成墨水，利用特制的打印机可以将配置好的墨水直接打印到陶瓷的表面上进行表面改性或表面装饰。其与传统的陶瓷表面装饰技术相比具有诸多的优势[1，2]，例如能够实现产品个性化设计与制造，既节省时间，又提高效率；同时有利于实现多种图案小批量的陶瓷制品生产，特别适合于设计复杂图案，进一步提高陶瓷装饰效果。
陶瓷喷墨打印技术2009年以来在国内陶瓷墙地砖生产中逐步普及，墨水的颜色也逐渐丰富，到现在全国几乎所有陶瓷厂都使用喷墨打印技术生产产品。但是目前大部分企业使用的喷墨墨水都只能在产品表面着色，因此抛釉砖必须在喷墨打印后再淋一层透明釉，烧成后抛光。抛釉砖产品的透明釉厚度不能太厚，否则会影响产品的颜色和透感，因此只能使用弹性模块抛光，产品平整度较差，表面呈波浪状起伏。抛光砖虽然表面平整，但是布料方式的图案清晰程度和纹理丰富性远不如喷墨打印。虽然有渗花抛光砖产品，图案变化相对较多，但是水性的渗花釉扩散严重，导致产品图案模糊。如果将渗花釉和喷墨打印技术结合起来，则既能获得清晰丰富的表面图案，又能提高产品抛光后的表面平整度。
2012年，诺贝尔与METCO合作，在国内率先推出喷墨渗花抛光砖产品。至今，先后有东鹏、蒙娜丽莎、新明珠等与METCO合作研发生产。国内的道氏、伯陶、迈瑞斯、明朝、彩佳、安倍尔等公司相继推出渗花墨水，增加渗花墨水的选择性。同时，诸多厂家推出了喷墨渗花产品，产品取名各不相同，主要企业有：天弼、宏宇、卡米亚、能强、金意陶、伟强、华硕、石博士、博德等。国内瓷砖逐渐进入了喷墨渗花产品时代。
2 渗花墨水基本性能
渗花墨水最先由国外的METCO公司推出，并在较长一段时间内几乎独占市场。国产渗花墨水经过多年的研究，近两年推出市场的产品逐渐增多，包括道氏、伯陶、迈瑞斯、明朝、彩佳、安倍尔等，且大部分都与陶瓷墙地砖生产厂家联合推出喷墨渗花产品。从产品的效果上看，国产渗花墨水与进口墨水已无明显区别，但是在使用过程中还是存在一些不足。
2.1 渗花墨水与常规喷墨墨水的区别
渗花墨水是一种渗透型墨水，也是一种溶剂型墨水，采用可溶性金属盐作为着色剂，然后搭配相应的助剂以及溶剂制备成渗花墨水。与常规喷墨墨水相比，渗花墨水的着色剂一般为离子化合物，而常规墨水的着色剂为亚纳米级无机色料；助劑方面渗花墨水对悬浮性的要求没有常规墨水那么严格，但是对墨水的粘度、表面张力、PH值有一定的要求。渗花墨水经喷墨打印机打印后在砖面具有渗透能力，烧成后着色剂在高温下转化为能呈现颜色的金属氧化物，形成图案。
渗花墨水的发色方式与常规喷墨墨水不同，常规喷墨墨水是无机颜料型墨水，一般采用分散法制得。分散法是目前陶瓷墨水制备中最常见的一种方法，其工艺是先将超细陶瓷粉体或着色剂颗粒同溶剂、分散剂等一起通过球磨混合，加入结合剂、表面活性剂、pH调节剂、电解质等助剂后，通过机械分散得到稳定的悬浮液即陶瓷喷墨墨水。分散法与传统的浆料制备较为接近，根据静电-位阻稳定机制，需要加入各种物性调节剂以及助剂使墨水达到稳定状态。分散法制备工艺简单，成本较低，且制得的陶瓷墨水发色效果及发色稳定性较好[3～6]。
渗花墨水采用离子化合物作着色剂，制备成有机金属盐溶解在溶剂中，在高温下转化成能呈色的金属氧化物。渗花墨水的颜色由金属离子的发色规律决定，如钴呈蓝色，铁呈红色或褐色，铬呈黄色或绿色，镍呈绿色[7，8]。受限于金属离子的着色方式，现有渗花墨水的颜色局限于蓝、棕、黄三种颜色，除了蓝色渗花墨水之外，其他的渗花墨水的发色能力远弱于常规喷墨墨水，需要配合大喷墨量的喷头使用。
2.2 渗透性
渗花墨水具有一定的渗透性，但是无法控制其渗透方向，容易同时在纵向和横向扩散，若墨水横向扩散过多会导致图案模糊，因此生产中需要搭配助渗剂实现纵向渗透。助渗剂本质上是一种或几种矿物油的混合物，通过控制其表面张力、粘度，能够促进渗花墨水中着色剂沿着陶瓷坯体中的孔隙纵向渗透，并改善图案的清晰程度。但是助渗剂因为使着色剂纵向渗透，会减弱渗花墨水在产品表面的发色能力，因此要求助渗剂不能将着色剂完全渗透到坯体底部，而是要逐步渗透。此外，渗花墨水在产品表面的发色深浅还受坯体干燥时间影响。干燥时间越长则产品表面发色越浅，渗透深度越深；干燥时间越短则表面发色越深，渗透深度越浅。在生产中要平衡渗花墨水的渗透深度和表面发色深浅，使产品表面和内部发色接近，有利于提高产品抛光后的稳定性。
2.3其它特性
渗花墨水稳定性比普通喷墨墨水差，主要表现为在35 ～ 40℃时容易变质，渗花墨水粘度等参数发生变化，导致波形文件不匹配及喷墨拉线等问题。渗花墨水的粘度、表面张力、PH值、电导率等特性均会影响其使用性能，通过测试多家公司的渗花墨水，40℃时的粘度在13 ～ 19 mpa.s，表面张力在25 ～ 28 mN/m，PH值在4.2 ～ 8.0。
2.3.1 粘度
粘度是影响打印效果的一个重要因素，粘度过高会造成墨水在墨盒中流动不畅，在喷射的过程中也难以保证墨水顺畅地通过细小的喷墨头，以至造成堵塞喷头的现象。过低的粘度也会造成喷射困难，影响墨水的正常喷射。墨水的粘度还需要和喷头相适应，不同的喷头对墨水的粘度范围有不同的要求。
2.3.2 表面张力
渗花墨水的表面张力适当时才能形成标准墨滴，如果表面张力过大，墨流将难以断裂，将导致墨滴打印不流畅。墨水的表面张力低，则墨滴与纸张的接触角小，有助于提高覆盖率，得到高质量的图案。但表面张力过小时，墨水非常容易扩散，影响图案的清晰程度。
2.3.3 PH值
PH值过低（呈酸性）墨水会腐蚀墨盒；PH值过高（呈碱性）会产生额外的盐而减低墨盒的使用寿命，并提高电导率。墨水的电导率受墨水的盐类和离子性决定，墨水中的盐分会损坏墨盒甚至使墨盒失效。墨水的电导率反映的是墨水的含盐量的高低，含盐量过高，会产生结晶，造成喷头堵塞现象，墨水的电导率受墨水的盐类和离子决定。
2.3.4 扩散性
渗花墨水相对常规墨水有一定的扩散性，扩散较大时会影响图案的清晰程度，使产品丧失噴墨的优势。黄色墨水扩散较小，基本在3%以内；蓝色墨水扩散一般在10 ～ 30%之间；棕色墨水扩散最严重，在25 ～ 45%。除墨水本身外，助渗剂的种类和用量、干燥的温度和时间、喷墨时的坯体温度都会影响渗花墨水的扩散性。此外，在设计文件时，要根据渗花墨水的扩散能力将喷墨文件做相应的处理，尤其是线条石纹纹理。
3 渗花墨水使用设备
3.1 喷墨打印机
渗花墨水使用的喷墨机与常规墨水使用的相同，保证不同产品交替生产时的稳定性，在国内主要使用的喷墨机有进口的Cretaprint、Tecno、Kerajet，国产的有希望、新景泰、彩神等。进口喷墨机整体使用效果更好，体现在硬件及软件两个方面。
硬件方面进口喷墨机有更加完善的供墨、墨水循环、过滤、除尘等系统，能够单独调整每个喷头的喷墨量，并且能加载更大更多的文件，反应速度更快，Cretaprint的喷墨打印机还可以实现两块砖同时打印不同图案。
软件方面进口喷墨机的操作更加人性化，比如能同时加载多个喷墨文件，打印模式更加丰富，能在生产的同时渲染另外的喷墨文件，能够指定插入打印的文件和次数，有配套的色彩管理系统，可以减少工艺设计人员的工作量。
3.2 喷头
无论是进口喷墨机还是国产喷墨机，所用的喷头都是进口的。渗花墨水因为喷墨量较大，需要使用大墨量的喷头，主要有东芝XL、赛尔GS40、星光1024、精工、柯尼卡KM1024ILHE。这些喷头的工作频率、对渗花墨水的性能要求不尽相同，共同特点是最大喷墨量大于100 pl。喷头生产厂家会根据自身喷头的特点，对使用的墨水做出相应的要求。其中精工喷头相对其它喷头属于高频喷头，要求配套墨水的粘度较低。
3.3 波形文件
每一种墨水需要经过喷头生产厂家的认证，然后根据墨水的特性设计一个适合该墨水的波形文件。在喷墨打印机上使用该墨水的时候，要在对应的通道上加载经过认证的波形文件，喷墨打印机才能正常打印该墨水。如果没有对应的波形文件，即使使用同样的喷墨打印机和喷头，也有可能出现各种缺陷，主要缺陷如下：
（1）无法打印，即喷墨打印机已经开始工作，但是无法打印出墨水；
（2）缺墨，即打印过程中会随机时间和位置出现无墨水的情况；
（3）拉线，即打印时会随机出现偏深或偏浅的线状图案，宽度至少1 ～ 3 mm，严重时接近喷头宽度；
（4）水纹，即打印的图案像是浸入水中一般，有明显的深浅变化和波纹状纹理；
（5）模糊，即墨水打印位置无法按照文件设计打印，或者无法正常控制墨滴大小，造成图案模糊。
可见波形文件对于墨水的重要性，进口墨水在出厂前就已经通过喷头公司的认证。国产墨水这方面还需要加强，只有部分墨水得到喷头公司的认证；很多墨水只是在喷墨机上加载其它公司墨水的波形文件，通过实验选择能够正常工作的参数，但是长期生产的稳定性难以保证。
4 喷墨渗花产品生产工艺
不同厂家实现喷墨渗花产品的生产工艺有所区别，产品也各有特点。有代表性的产品生产工艺方案有二次布料、淋面浆料以及通体一次布料结合淋浆3种。
4.1 二次布料工艺
此工艺方案基本采用抛光砖二次布料的工艺流程，基本工艺流程为二次布料→压制→干燥→磨坯→喷墨渗花→喷助渗剂→烧成→中性抛。采用此工艺方案的代表企业有东鹏、天弼、宏宇。由于工艺方案与二次布料的抛光砖基本一致，只是使用渗花墨水替代有色微粉布料，使产品的图案相对抛光砖更加清晰，变化更加丰富。
该工艺方案主要优点如下：一是产品的内质与抛光砖接近，莫氏硬度高于抛釉砖，由于图案深入面料中，耐磨程度更高，适合于人流量较大的场所。二是对生产线改造小，只需要在现有的抛光砖生产线加装一台喷墨机即可。三是对底料白度要求不高，可以较好的控制坯体成本。
该工艺方案的主要缺点如下：一是采用二次布料工艺，面料中需加入发色剂促进渗花墨水发色，而现阶段助色剂价格昂贵，导致产品成本居高不下。二是布料的均匀程度对砖型影响大，使产品的砖型难以控制，从而影响抛光平整度。三是无法实现天然石材表面石纹线的凹凸立体效果。四是二次布料工艺中面料的厚度一般在3 mm，而渗花墨水的渗透深度不足1 mm，因此采用此工艺方案的产品在经过倒边、拉槽等冷加工后，会显现出底料层、面料层、渗花墨水层3层完全不同的颜色，影响装饰效果。五是表面图案比较模糊。
4.2 淋面料浆工艺
此工艺方案与常规瓷质釉面砖的生产工艺基本一致，基本工艺流程为布白色粉料→压制→干燥→淋面料浆→干燥→喷墨渗花→喷助渗剂→烧成→中性抛。采用此工艺方案的代表企业有能强、石博士。该工艺方案与现有瓷质釉面砖生产线的布局一致，只是面料和喷墨墨水换成了渗花产品专用的，整个生产线布局和人员基本不需要调整，能够较快速的转换。
该工艺方案的主要优点如下：一是面料相对二次布料工艺明显偏薄，成本相对较低。二是淋浆厚度均匀，砖型相对容易控制。三是喷墨打印的图案较二次布料工艺更加清晰。四是产品表面平整度优于抛釉产品。五是产品表面莫氏硬度比抛釉产品高一个级别，耐磨性也更好。六是渗花墨水基本能渗透整个面料层，配合白度较高的坯体产品的整体性更强。
该工艺方案的主要缺点如下：一是坯体粉料成本偏高。二是釉线在喷墨打印前需要增加一条较长的干燥窑，对釉线长度和布局有较高的要求。三是淋面料浆较薄或者没有化妆土时产品白度偏低，颜色不够鲜艳。四是无法实现天然石材表面石纹线的凹凸立体效果。五是倒边、拉槽等深加工效果仍然不如通体布料产品，拉槽偏深则会露出白色的坯体。
4.3 通体一次布料结合淋浆工艺
此工艺方案坯体采用通体一次布料，淋浆工艺与方案二相同，基本工艺流程为通体布料→压制→干燥→淋面料浆→干燥→喷墨渗花→喷助渗剂→烧成→中性抛。采用此工艺方案的代表企业有诺贝尔、新明珠。该工艺方案相对比较复杂，对坯体粉料要求较高，釉线与现有抛釉砖生产线基本保持一致。
该工艺方案的主要优点如下：一是坯体为通体布料，坯体的颜色与产品表面颜色接近，产品的整体感较好，可以满足倒边、拉槽等深加工装饰。二是面料相对二次布料工艺明显偏薄，成本相对较低。三是淋浆厚度均匀，砖型相对容易控制。四是产品表面平整度优于抛釉产品。五是产品表面莫氏硬度比抛釉产品高一个级别，耐磨性也更好。
该工艺方案的主要缺点如下：一是坯体粉料制备及压制方法与抛光砖产品类似，生产难度比使用白坯偏高。二是釉线在喷墨打印前需要增加一条较长的干燥窑，对釉线长度和布局有较高的要求。三是淋面料浆较薄或者没有化妆土时产品白度偏低，颜色不够鲜艳。四是无法实现天然石材表面石纹线的凹凸立体效果。五是总体成本偏高。
5 现有喷墨渗花技术的不足及展望
喷墨打印技术自从应用在陶瓷墙地砖生产中后，在行业中所占比重越来越大。随着喷墨打印技术的成熟，围绕着喷墨打印设备，行业内逐渐将亮光釉、下陷釉、白釉、金属釉等工艺转移到喷墨打印平台。渗花砖作为一种特殊产品，在此环境下也转化为喷墨打印工艺，在图案清晰程度方面比传统工艺有着长足的进步。但是，喷墨渗花工艺技术还有许多需要改进的地方：
（1）国产渗花墨水的研发远不如常规墨水，在发色能力和稳定性方面较METCO还有一定差距，与常规墨水相比色域明显偏窄。
（2）喷头和喷墨打印机制造商对国产渗花墨水接受程度不高，缺乏完善的认证和相应的波形文件。
（3）没有专门针对渗花墨水开发的喷头。
（4）助渗剂的定向渗透仍显不足，渗花墨水扩散性问题没有根本上得到解决。
（5）渗透深度与传统渗花釉相比偏浅，导致生产难度偏大，抛光时也不能完全采用硬抛，产品表面平整度远不如抛光砖和微晶产品。
渗花墨水因其渗透性带来的产品表面图案透感和立体感则是常规墨水难以达到的效果。随着技术的不断进步，相信喷墨渗花工艺在墨水发色、渗透深度、扩散性方面均会有长远提升。届时更多地企业会投入喷墨渗花产品的生产，其产品效果也会有所突破。
参考文献
[1] 柯林刚，屠天民，武祥珊，等.陶瓷表面装饰墨水的制备研究[J].中国陶瓷，2009，45（1）：30-34.
[2] 郭瑞松，齐海涛，郭多力，等.喷射打印成型用陶瓷墨水制备方法[J].无机材料学报，2011，16（6）：1049-1054.
[3] 王利鋒，王富民，张旭斌，等.喷墨打印用陶瓷墨水的研究进展[J].硅酸盐通报，2013，32（5）：863-867.
[4] 黄惠宁，柯善军，孟庆娟，等.喷墨打印用陶瓷墨水的研究现状及其发展趋势[J].中国陶瓷，2012，48（2）：4-7
[5] 蔡晓峰.喷墨打印技术与陶瓷墨水的制备[J].佛山陶瓷，2006，7：35-37.
[6] 秦威，胡东娜.陶瓷喷墨色料的生产及其工艺探讨[J].佛山陶瓷，2011，8：23-25
[7] 张翼，石教艺.陶瓷渗花墨水的性能及研究状况[J].佛山陶瓷，2016，241（8）：1-3.
[8] 石教艺，李向钰，张翼。一种可调渗透深度的陶瓷喷墨打印油墨及方法[P].中国专利：201510141827.9，2015-3-27.
