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應用實例

表面張力、粘度在陶瓷噴墨中起的作用

案例簡介

當墨水飛出噴頭時,若表面張力過大,容易出現墨滴拖尾的現象,造成拉線問題;若表面張力過小,墨水噴出時容易擴散,在空中分離,易產生衛星狀墨滴,會使圖案的清晰度和層次感降低,并隨著時間的遷移,在噴嘴膜形成墨滴,造成掛墨。

詳細介紹 / Details

  陶瓷裝飾用噴墨打印墨水是通過噴墨打印的方式施在待裝飾陶瓷制品上,經過800 ℃以上燒制后起裝飾作用的液態物料。陶瓷墨水分類,按結構分,可以分為水基型和有機溶劑型陶瓷墨水。按顏色分,可以分為黃、粉紅、紅棕、藍、黑等顏色。

  陶瓷墨水有三方面的要求,第一,滿足噴墨打印的要求:粘度、表面張力、粒度分布等;第二,滿足高溫燒成顯色:色差;第三,其他參數: pH值、固含量、穩定性等。

  本文主要分析表面張力、粘度在陶瓷噴墨中起的作用。

  在陶瓷噴墨打印過程中,影響墨水最終打印效果有兩個狀態:墨水飛出噴頭瞬間的形狀和墨水在底釉上的鋪展。

  當墨水飛出噴頭時,若表面張力過大,容易出現墨滴拖尾的現象,造成拉線問題;若表面張力過小,墨水噴出時容易擴散,在空中分離,易產生衛星狀墨滴,會使圖案的清晰度和層次感降低,并隨著時間的遷移,在噴嘴膜形成墨滴,造成掛墨。如下圖,藍色曲線為出現掛墨墨水(黃色)的動態表面張力曲線,紅色曲線為意達加墨水(黃色),可以很清晰的看出藍色曲線的20ms-80ms之間的動態表面張力值低于意達加墨水。

表面張力測試曲線

  當墨水與底釉接觸時,會在極短時間內形成液-固界面,短時間內遷移至此液-固界面上的表面活性劑分子數量決定了最終的潤濕效果。遷移到界面的表面活性劑分子數量越多,即反映出來的此時刻動態表面張力越小,最終的潤濕效果越好;反之潤濕效果越差。因此,墨水能否快速地潤濕滲透底釉取決于墨水在此時間內的動態表面張力值。此過程也解釋了許多廠家普遍反映的傳統的靜態表面張力值不準確的原因。

  墨水在底釉上的鋪展分為單層印刷與多層印刷。單層印刷時,因沒有后續的墨水疊色,故只需考慮墨水在底釉上潤濕效果,潤濕時間要求并不嚴格,其準靜態表面張力值在18-30mN/m(40℃)。

  疊色印刷時,不同色的疊印間隔時間很短,為了不影響后面的疊印效果,第一層(通常為青色)墨水要求必須在極短時間內干燥并潤濕底釉,因此,青色墨水的20ms~80ms內的動態表面張力需足夠低。此外,對于色調淺的墨水(如鐠黃),此類墨水通常在潤濕時間內的動態表面張力值比其他墨水略高,這是因為要保證發色效果,固含量高的結果。

  如下圖,可以清晰看出黃色墨水(淺藍色曲線)與藍色墨水(黑色曲線)之間的差異。同時,可以看出在后面趨于平穩的準靜態表面張力值部分兩者差異小了很多。這也是靜態表面張力值不適用墨水研發的原因之一。

墨水表面張力曲線變化

  在陶瓷墨水的瓷片與仿古兩大體系中,表面張力的要求也有差異。

  瓷片體系,燒制溫度低,色彩艷麗,要求不要干的太快(不要向下滲透,不要擴散過快),只有底釉與墨水兩層,故其表面張力值比仿古體系高1~3mN/m。

  仿古體系,為了達到仿舊的效果,需要一層面釉,此面釉通常為水性。因為墨水為油性,面釉為水性,水油不相溶,為避免墨水未干而造成的面釉在墨水層上擴散不好的問題,要求仿古墨水快干和快速潤濕滲透,故其表面張力值稍低。

  在打印過程中的對墨水表面張力的作用原理和要求大致如此。而墨水的粘度,也是涉及整個墨路系統與噴頭壽命的另一重要參數。

  陶瓷墨水的粘度指標會隨著環境溫度的改變而變化,粘度高低的不同對應的噴頭工作電壓也相應的發生變化,否則會引起噴孔噴射不穩定,容易出現斷線、斷墨的現象。在溫度高時墨水粘度降低,此時應適當降低噴頭工作電壓,否則很容易在墨水管道內部形成氣泡,造成噴孔無墨水噴出,造成畫面的白線;反之,在溫度低時,墨水粘度會升高,不調整噴頭工作電壓,則會造成墨水在管道內部的淤積,短時間可能看到的是虛噴,時間長后極容易造成噴孔不可逆的損傷,嚴重可能造成噴孔阻塞。噴頭從一開始工作,噴嘴板的溫度相對較低,但是隨著壓電陶瓷的連續工作,噴嘴板內的溫度會逐漸升高,隨著不斷有墨水噴出,會有部分熱量被帶出,最后噴頭的工作溫度會恒定在一固定范圍處,如果從噴頭一開始工作到溫度很定階段,此時需要根據噴嘴板或是墨水溫度調節噴頭電壓,以保證噴頭的正常工作,否則會出現噴頭工作不穩定的現象。

  德國SITA t15表面張力儀可以準確陶瓷墨水15ms-20s內的動態表面張力值,并有很高的重復性。利用科學的動態表面張力曲線,可以有效分析墨水在實際生產中的潤濕性能,從而清晰改進方向。同時,在助劑與墨水體系相容性好的前提下,利用動態表面張力值選擇性價比最高的助劑,量化控制添加量,達到兼容墨水的動態表面張力曲線與原裝墨水相似的目的,并將成本降到最低。此外,SITA t15表面張力儀還可實現快速簡便地來料檢測,鑒別不同批次助劑間的差異,有針對性的調整墨水體系配比,實現真正的科學化生產。

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