陶瓷喷墨打印是将特制的陶瓷墨水通过计算机控制，使用特殊的打印机打印 到陶瓷表面的装饰技术。其中陶瓷喷墨打印技术的推广应用的关键是制备优良的陶 瓷墨水。研磨分散法是目前最常用的方法，它是将陶瓷颜料研磨分散在溶剂中，并加 入助剂调节墨水性能参数，使之与打印机性能匹配。其中，颜料粒子的研磨分散是陶 瓷墨水制备过程中最核心的工艺，直接影响墨水的粒径分布、发色效果和发色稳定 性、批次间的稳定性以及墨水的储存稳定性。本文探讨了陶瓷墨水研磨制备工艺的 技术要点，为陶瓷墨水性能的提升提供参考。
陶瓷墨水是陶瓷喷墨打印技术的核心。它的组成 和性能以满足装饰效果和适应打印机工作原理而进 行调节，同时需要满足物理、化学性质稳定和存放稳 定等性质。因此，陶瓷墨水的主要组成包含：颜料、分 散剂、溶剂、表面活性剂、催干剂、结合剂、pH 调节剂以 及其它助剂等[3]。其中，颜料是实现显色和装饰的主体，
是陶瓷墨水的关键成分。颜料的鲜艳度、着色度等受 颜料粒子的粒径大小和分散度影响，一般来说，颜料 的粒度大、粒度分布窄，其鲜艳度和发色强度越高,但喷墨打印机的喷嘴都是高精度微孔结构，内径约几 十微米，为了让墨水顺利通过喷嘴的微孔，一般要求 陶瓷墨水中颜料粒子的平均粒径小于1 μm。陶瓷墨 水为了颜色鲜艳和匹配打印机，需要严格控制墨水中 颜料的粒度，获得亚微米级的稳定分散液。而商品化 的陶瓷颜料一般颗粒较大且粒度分布不均，需要超细 化分散处理后才能制备合格的陶瓷墨水。因此，陶瓷 墨水超细化分散工艺受到人们的广泛重视。其中研磨 分散作为一种成本低、工艺简单、便于商业化生产的 方法，得到了广泛的推广应用。
陶瓷墨水的制备方法
陶瓷墨水的制备方法目前主要有四种: 溶胶- 凝 胶法、反相微乳液法、金属盐溶解法和分散法。
溶胶- 凝胶法[6,7]：选择特定的有机或无机金属盐 前驱体，在溶剂中搅拌混合并发生水解或聚合反应，通过严格控制反应条件得到稳定的溶胶，再加入调节 理化性能的助剂，即可得到陶瓷墨水。该方法制备的 陶瓷墨水颗粒小，分散性好；但是工艺复杂，成本较 高，且长期放置会产生沉降而无法使用，因此难以实 现产业化。
反相微乳液法[8,9]：微乳液主要是由乳化剂、助乳 化剂、油和水组成的透明或者半透明的热力学稳定体 系，分为O/W（水包油，正相）和W/O（油包水，反相）两 种类型。反相微乳液法是将含有颜料的水溶液均匀分 散在油相中，形成油包水的微乳液而获得陶瓷墨水。
颜料分散相一般为球形液滴，粒径为10 ~ 100 nm，分 散性和稳定性很好。但是它的固含量较低，影响发色， 复杂的制备工艺和较高的成本都限制了其应用。
金属盐溶解法[10]：将显色金属无机盐或有机盐溶 于水或有机溶剂中形成稳定的均一溶液，而制得陶瓷 墨水，其中金属元素以离子或者配合物形态存在。该 方法制得的墨水分散性好，稳定性高，不阻塞喷墨打 印机喷头。但制备合适的可溶性金属盐的成本较高，技术尚未完全成熟。 
分散法[11]：将陶瓷颜料、分散剂、溶剂等混合后，球磨混匀至合适的粒度，然后加入表面活性剂、催干剂、 结合剂、pH 调节剂等助剂，分散均匀得到稳定的陶瓷墨水悬浮液。分散法与传统的浆料制备方法接近，具 有工艺简单、发色稳定、成本较低等优点，是目前制备陶瓷墨水使用最广泛的方法。分散法的关键技术是制 备陶瓷颜料超细粉体和墨水理化性能的调配，即需要 选择合适的研磨工艺和分散剂，获得D99 小于1 μm 的颜料粒子，并均匀地分散在溶剂中。
研磨工艺
颜料的分散可以分为化学分散和物理分散两种。 前者指采用化学物质对颜料颗粒的表面进行改性处 理，使颜料粒子的表面性质更有利于分散和后续加 工。后者是利用高强度的撞击力或者剪切力使颜料颗 粒破碎并且均匀地分布在介质中。常用的物理分散方 法包括研磨分散、超声波分散、气流粉碎分散等，其中 研磨分散法是目前使用最广泛的方法，被广泛应用于 染料、墨水、医药、食品等领域。研磨可以采用干磨法 和湿磨法，由于干磨法在研磨过程中，随着粉体导入 能量的累积，防爆是需要重点解决的问题，故只能研 磨到粒径约8 μm。而喷墨打印机喷嘴的精细结构，要 求墨水颗粒必须小于1 μm，要获得满足喷墨打印机 性能要求的陶瓷墨水，就必须采用湿磨法。
分散法制备陶瓷喷墨打印墨水采用的是湿磨法和 化学分散相结合的方式：将陶瓷颜料超细粉体在溶剂 中研磨制备成分散色浆后添加各种助剂调节性能后 获得，其中墨水色浆的制备是整个墨水制备工艺中的 关键步骤。并且直接影响着墨水的粒径分布、发色效 果和发色稳定性、批次间的稳定性以及墨水的储存稳 定性。
陶瓷墨水中颜料平均粒径要求在200 ~ 400 nm 之 间，最大粒径小于1 μm。然而陶瓷颜料的超细化不仅 加工成本高、技术难度大，并且在一定程度上破坏了 颜料的晶体结构，降低了墨水发色效果，因此在控制 平均粒径接近的情况下，尽可能控制窄细的粒径分 布。因为，陶瓷墨水中颜料粒径越大越容易沉淀，粒径 越小发色越弱。因此为了提高墨水的发色效果和储存 稳定性，尽可能的制备粒径大和粒径分布窄细的颜料 粒径分布色浆。如图1 所示，图1a 表示窄细粒径分布 的陶瓷色浆，图1b 表示较宽粒径分布的色浆，因此图 1a 是陶瓷墨水制备过程中尽可能要达到的目标，因为 粒度越大，粒径分布越集中，陶瓷墨水发色越稳定，发 色强度越高。
陶瓷颜料的细度直接影响着后续陶瓷墨水的研磨制备工艺，粒径较大则后续需要更多的研磨时间，粒 径分布较宽同样也会影响着陶瓷墨水中粉体颗粒的 粒径分布，继而直接影响陶瓷墨水的性能。研磨占墨 水制备的主要生产成本，为了控制成本，应先尽可能 把陶瓷颜料粒度做细，并且研磨之前把粒径做小，把 粒径做到小于10μm，并且为了后续工艺在陶瓷颜料 研磨之前，尽可能也做到窄细粒径分布；然后将得到 的颜料超细粉体再混料研磨，控制平均粒径约200 ~ 400 nm。

陶瓷墨水研磨过程是依靠研磨介质之间的剪切 力和挤压力将物料颗粒粉碎至一定粒径，达到分散的 效果。砂磨机的搅拌轴通过旋转物料和研磨介质，避 免研磨死角，使物料混合得更均匀。而为了使颜料颗 粒进行有效的研磨，需要根据颜料颗粒的粒径大小选 取合适粒径大小的研磨锆珠提高研磨效率。图2 列出 了不同大小磨介研磨效率图，当研磨锆珠的粒径较小 时（图2a），前期颜料粒径较大，颜料粒径降低较慢，研 磨效率低，当达到一定细度之后，粒径降低则较快；当 研磨锆珠的粒径较大时（图2b）前期颜料粒径较大时，
颜料的平均粒径降低很快，但当颜料的粒径达到一定 细度时，研磨效率明显下降。因此研磨时非常有必要根据研磨过程中粒径的变化，分阶段选取合适粒径的 研磨介质，如图2c 所示，前期选择大粒径锆珠，可以 快速降低颜料的粒径，当达到一定细度时，选取较小 的研磨介质，可以进一步实现颜料的粒径快速降低。
通过此方案可以提高研磨效率，降低研磨时间，节省 能耗，同时可以避免长时间研磨会造成小粒径颜料粒 子的增多，使得颜料的粒径分布变宽，从而降低墨水 的发色效果。
陶瓷色浆研磨设备
陶瓷色浆的制备效果受研磨设备内部结构和研磨 介质的材质影响。研磨设备一般由研磨系统、密封系 统、分离系统等核心部分组成，其内部结构直接影响 色浆的研磨效果。浆料的研磨效率、颜料颗粒的形貌、粒径分布等性质受研磨珠的硬度、光泽度、耐磨性、抗 碎强度、球形度等参数影响。
4.1 色浆研磨设备内部结构
正确选择研磨设备，是保证陶瓷墨水品质的关 键，同时也可以提高生产效率、降低能耗和成本。研磨 机与物料接触的主要部位为研磨轴和腔体，其材质的 选择是关键。目前，市场上的研磨设备常用的材质有：不锈钢、耐磨钢、陶瓷、碳化硅、氮化硅、聚氨酯等。材 质的选择标准主要是考察研磨机内部腔体和研磨轴 在研磨后的磨损程度，以及是否影响浆料的颜色。研 究发现不锈钢、耐磨钢磨损程度大，浆料变色；碳化 硅、氮化硅成本高昂；聚氨酯类材质容易受有机物类 溶剂的腐蚀；而以二氧化锆为主体材质的研磨机可以 制备出稳定的浆料，是较佳的选择。
砂磨机是湿法超细研磨设备，研磨效率高，应用 广泛。它的主体部分包括机座、研磨装置、主轴、冷却 系统、分离系统等。根据结构特点可以分为立式砂磨 机和卧式砂磨机两种，其中卧式砂磨机结构如图3 所 示。研磨工作原理：经溶剂、分散剂充分浸润的浆料由 进料口进入研磨筒内，主轴上的分散器在电机的带动 下高速旋转，推动浆料和研磨介质快速搅动。在强烈 的摩擦、碰撞、剪切力的作用下，浆料中的颜料粒子发 生变形和破碎，破碎后的小颗粒经过分离器与研磨介 质分离后流出出料口，未被破碎的大颗粒由于较大的 离心力作用被甩向研磨内筒壁，继续研磨。
磨机的研磨轴主要类型有：棒销式研磨转子、涡 轮盘式研磨转子、双锥式研磨转子和棒销转子结合涡轮盘式转子等结构。研磨轴的结构主要影响浆料的粒 度分布、研磨效率和浆料稳定性。经对比研究发现，棒 销式的卧式砂磨机研磨陶瓷墨水的效果较好。它的分 离系统的作用是研磨过程中，将研磨好的浆料溢出，
而研磨介质则被限制停留在研磨机筒体内，以达到分 离浆料和研磨介质的作用。分离器的间隙要根据所选 用的研磨珠的大小进行调节，一般间隙为0.15 ~ 0.30 mm，以便控制色浆研磨的细度，同时缩短研磨时间和 提高研磨效率。

色浆研磨介质


市面上常见的研磨介质有玻璃珠、硅酸锆珠、钢 珠、氧化锆珠等，它们的密度、莫氏硬度、化学稳定性 和研磨效率见表1。可以看到氧化锆珠的硬度、化学稳 定性、研磨效率都有较好的优势，是较为合适的研磨 介质。锆珠主要有钇稳定氧化锆珠和铈稳定氧化锆珠随着陶瓷喷墨打印技术的发展，陶瓷墨水的陶瓷应用市场前景广阔。分散法是目前陶瓷墨水的主要制 备方法，其中的关键技术是超细化颜料粉体的制备和 陶瓷色浆的研磨分散。为了提高研磨效率，实现陶瓷 墨水中窄细的粒径分布，需从研磨前颜料的粒径分布 和窄细度进行控制，同时研磨过程中需要结合粒径的 变化选取合适的研磨锆珠的粒径大小进行研磨。为了 进一步提高色浆的研磨效率、研磨浆料的性能以及稳 定的研磨浆料生产，设备的选型和研磨介质的选择也 是非常必要的。