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黑色陶瓷墨水的制备及其性能研究
作者:admin日期:2020-05-08阅读
随着科学技术的发展,数字化控制技术在现代制造行业的地位越来越突出,作为一种数字化非接触印刷技术,陶瓷数字喷墨打印技术被认为是具有工业化前杲的技术之一研究利用研磨分散法成功制备出黑色的陶瓷墨水,并探究了不同的研磨时间对墨水性能的影响结果表明:研磨时间为1.5h内可以制得平均粒径200-300nm的黑色陶瓷墨水,符合喷墨打印机的要求、
2结果与讨论
喷墨打印技术由于能够在短时间内,将陶瓷制品达到个性化和功能化的要求,而且打印的产品图案更精细,效果更逼真、无重复打印、操作简单的优势,已广泛应用于电子标签打印、电容器、显示器等领域。与普通喷墨印刷不同,陶瓷喷墨打印墨水在印刷后,还要进行高温的烧结.在不同的釉面或烧结温度下,其呈色效果也有所不同叫陶瓷墨水作为喷墨打印技术中核心要素,是指喷墨打印机中含有特殊陶瓷粉体、陶瓷色料或者颜色着色剂的一类液体叫陶瓷墨水一般由无机非金属颜料(色料、釉料)、溶剂、分散剂、表面活性剂及其它助剂构成目前陶瓷墨水的制备方法主要有溶胶凝胶法、反相微乳液法、分散法讥溶胶凝胶法^目前技术已较成熟,但其制得的陶瓷墨水固相含量较,长期放置会产生沉淀.稳定性较差;反相微乳液法何则制备成本高、难度较大,不适宜工厂化生产;针对上述两种方法的缺点,分散法作为一种常用的方法,使陶瓷墨水工艺更为简单,成本更廉,加之研磨技术的不断更新,更加容易实现工业化大生产。
陶瓷墨水的制备主要有两个关键要素:一是陶瓷墨水的稳定性,着色颗粒在墨水中能否均匀分散;二是陶瓷墨水的性能是否达到喷墨打印机的硬件要求。这就需要对陶瓷墨水的粘度、密度、粒径等性能指标严加管控。陶瓷墨水中的无机着色颜料的分散稳定过程也并非是简单的粉末化,而是让陶瓷墨水中的着色颗粒均匀地稳定地分布在介质中,达到不重新产生聚集、不凝聚在一起形成新的大颗粒、不产生沉淀的稳定的分散体系吟⑷。然而,目前不同工艺条件下对无机着色颜料的粉碎程度也会有所不同四。如何控制陶瓷墨水的颗粒粒径分布范围并尽可能的窄,以及缩短研磨时间成为研磨分散法的难点所在本文对黑色陶瓷墨水进行了研究,选择铜珞黑体系,采用研磨分散法来制备黑色陶瓷墨水,并探讨不同研磨时间对墨水性能如粒径的影响。通过纳米粒度与zeta电位分析仪和透射电子显微镜对陶瓷墨水的粒径大小进行分析,并选择佳研磨时间,制备出性能优异的陶瓷墨水,从而达到降能耗,提高工业经济效益的目的。
1实验部分
陶瓷墨水的制备主要有两个关键要素:一是陶瓷墨水的稳定性,着色颗粒在墨水中能否均匀分散;二是陶瓷墨水的性能是否达到喷墨打印机的硬件要求。这就需要对陶瓷墨水的粘度、密度、粒径等性能指标严加管控。陶瓷墨水中的无机着色颜料的分散稳定过程也并非是简单的粉末化,而是让陶瓷墨水中的着色颗粒均匀地稳定地分布在介质中,达到不重新产生聚集、不凝聚在一起形成新的大颗粒、不产生沉淀的稳定的分散体系吟⑷。然而,目前不同工艺条件下对无机着色颜料的粉碎程度也会有所不同四。如何控制陶瓷墨水的颗粒粒径分布范围并尽可能的窄,以及缩短研磨时间成为研磨分散法的难点所在本文对黑色陶瓷墨水进行了研究,选择铜珞黑体系,采用研磨分散法来制备黑色陶瓷墨水,并探讨不同研磨时间对墨水性能如粒径的影响。通过纳米粒度与zeta电位分析仪和透射电子显微镜对陶瓷墨水的粒径大小进行分析,并选择佳研磨时间,制备出性能优异的陶瓷墨水,从而达到降能耗,提高工业经济效益的目的。
1实验部分
1.1实验仪器和实验药品
本文使用的实验仪器和实验药品如表1所示
1.2黑色陶瓷墨水的制备
本文采用研磨分散法制备黑色陶瓷墨水,具体实验步骤如下:将无机颜料铜铭黑、溶剂、分散剂2055、消泡剂、润湿剂Anti-terra-U按固定配比混合,采用分散机在分散速度为800()转/分钟的条件下分散30min;将墨水分成五份,分别在砂磨机中对混合物用氧化锆珠进行不同时间的研磨,研磨时间分别为0.5h、lh、1.5h、2h、2.5h.经过滤后,所得滤液即为黑色陶瓷墨水,并对陶瓷墨水进行后续的性能测试。
2结果与讨论
2.1不同研磨时间对陶瓷墨水性能的影响 研磨时间直接影响陶瓷墨水的粒径大小,能否正确选用佳研磨时间是终决定陶瓷墨水性能的关键因素之一。本文选用不同的研磨时间作为单一变量制备五组陶瓷墨水。表2为在不同的研磨时间下制备陶瓷墨水的粒径分布范围对比。
由表2可知,在相同的溶剂比例下,研鮒'可为05h制备的陶瓷墨水粒径分布范围宽;研磨时间为15h制备的陶瓷墨水粒径分布范围窄,在一定的研磨时间范围内,随着研磨时间的延长,陶瓷墨水粒径分布范围慢慢变窄。当陶瓷墨水颗粒粒度达到一定尺寸后,增加研磨时间,粒径分布范围变化不大。所以,将制备陶瓷墨水的佳研磨时间设置为1.5h,制备出来的陶瓷墨水不粒径分布范围窄,而且符合喷墨打印机的性能要求。从图1可以看出.随着研磨时间的增加,着色颗
3.结论
粒的平均粒径逐渐减小:在研磨初期,着色颗粒粒径减小的速度非常快,颗粒粒径从82()nm左右减至280nm左右。随研磨时间继续增加,颗粒粒径进一步减小,但减小的速度变化很小,尤其是当研磨时间达到1.5h以后,着色粒径大小几乎不再改变。
这是因为研磨开始时.着色大颗粒在研磨机中氧化皓珠的挤压力、剪切力等多种力的作用下,粒径大小迅速减小,但是粒径分布却并不均匀。随着研磨时间的进一步增加,颗粒小的着色颗粒数目相对增加.但是小粒径着色颗粒达到一定数量后可能出现再聚集的倾向现象,也就是着色颗粒平均粒径达到某一限值后,砂磨机的研磨效果开始下降,延长研磨时间并不能让着色颗粒的粒径有所下降。着色颗粒的分散是将颗粒聚集体与颗粒凝聚体在外力的作用下粉碎成原生颗粒的过程脚,同时也是一个需要消耗的过程,着色颗粒团聚体得到足够的.才能发生破碎,分散成细小的颗粒着色颗粒的分散和聚集本身是一个不断运动的动态过程,一方面随着研磨时间的增加.着色颗粒在外力作用下获得足够的,着色大颗粒被分散成小颗粒,粒径被减小。另一方面,着色颗粒在范德华力作用T■相互吸引,容易发生聚集现象,特别是当着色颗粒的粒径研磨到纳米尺寸之后,颗粒的比表面积急剧,表面能也急剧增加.着色颗粒自动聚集的倾向变大。当上述两种作用达到平衡后,着色颗粒的粒径将不再变化。图1说明当着色颗粒的粒径降到280nm时,分散和聚集达到平衡,此时再延长研磨时间.着色颗粒的粒径变化不明显:所以,将制备陶瓷墨水的佳研磨时间设置为1.5h.能的的降能耗,提高工业经济效益。
由图2可以看出.粒径分布指数随研磨时间的增加而减小。在研磨初期,如图2(a)所示,显示有多峰出现.说明此时的着色颗粒分散不均匀,仍有大颗粒存在'在经过1.5h的研磨后,大颗粒消失,粒径分布趋于均匀,粒径分布范围窄,如图2(c)所示。当研磨时间超过1.5h后,粒径分布指数基本保持不变综合以上研磨条件试验的结果.可以确定实验中研磨过程较为理想的条件:研磨时间1.5hc2.2陶瓷墨水分散液的透射电镜观察将1.2屮制备的五组黑色陶瓷墨水,配制成墨水分散液,在透射电子显微镜下观察分散液中着色颗粒的粒径大小和分散情况,如图3所示、图3可以清楚的看出,在透射电镜下观察,着色颗粒分布比较均匀,着色颗粒表面被助剂包裹,形成一颗颗包裹着墨水颗粒分散在溶剂屮;在研磨时间为0.5h的情况下,着色颗粒较大,无团聚现象,此时的颗粒粒径大约在6()()nm左右;在研磨时间为1.5h的情况下,可以看出之前出现的大颗粒都研碎成小颗粒,小颗粒周围被助剂分子缠绕,形成一颗颗更小的陶瓷墨水分散在溶剂中,如图3(c)所示,粒径在30()nm以下。而陶瓷墨水中的大部分颗粒,则像如图3(e)点所示,粒径在150-300nm之间;由于研磨是在砂磨机的作用下完成,因此研磨过后的着色颗粒形态不太规则,其长轴方向的大概在2()()-3()()nm左右。由透射电镜观察到的着色颗粒粒径分布情况与图2纳米粒度与zeta电位分析仪测得结果一致。
2.3陶瓷墨水的打印测试
将设定研磨时间为1.5h配制黑色陶瓷墨水填装入贵仕宝公司的CoPilot256喷墨打印机,通过在白纸上实际打印,打印效果如图4所示。
从图4图像效果可以看出,打印字迹清晰明了,图案清楚,色彩明丽,没有出现拖尾、气泡线、拉线、飞墨等缺陷的产生。说明研磨时间为1.5h配制的黑色陶瓷墨水符合喷墨打印机的要求:
3.结论
(1)采用研磨分散法成功制备出呈色较好的黑色陶瓷墨水,其粒度符合喷墨打印机的要求,且稳定性良好。
(2)通过研磨时间实验,结果表明将研磨时间确定为1.5h内可以研磨制得平均粒径200-300nm的黑色陶瓷墨水.粒径分布情况也较为理想。