CN107686685A - 一种具有光催化性的陶瓷墨水及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有光催化性的陶瓷墨水及其制备方法，属于陶瓷墨水制备技术领域。所述陶瓷墨水是由以下重量百分比的原料制成的：5％‑10％的Bi₄Ti₃O₁₂纳米粉、6％‑12％的Co₂O₃纳米粉、8％‑16％的CuO纳米粉、0.5％‑2％的分散剂、0.4％‑3％的表面活性剂、62％‑72％的D70溶剂油、2.5％‑4％的丙三醇、2％‑3％的无水乙醇。本发明通过选择合适的原料对Bi₄Ti₃O₁₂、Co₂O₃和CuO进行分散，所得陶瓷墨水颗粒度、分散性好、稳定性好，且能在不堵塞机头而顺畅打印的前提下赋予陶瓷的优良光催化性能。

Description

一种具有光催化性的陶瓷墨水及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及陶瓷墨水制备技术领域，具体涉及一种具有光催化性的陶瓷墨水及其制备方法。

【背景技术】

喷墨式印刷是目前最主要的无版数字化印刷技术之一，其基本的原理是根据计算机的指令将墨水从微细的喷嘴直接喷射到承印物上的指定位置，从而形成预先设计好的图案。与传统陶瓷制作工艺相比，喷墨打印技术具有很多独特的优势：喷墨打印通过计算机的操作，使得陶瓷产品可以达到个性化要求，并可以通过计算机及时的修改设计；喷墨打印技术将会提高陶瓷制品的精细度，以满足精密仪器的使用要求，扩大应用范围；数字化的喷墨打印技术能够做到快速灵敏，易于批量化生产；喷墨打印为非接触式，无须与承印物发生接触就能够完成打印，显著减少了对基底的可弯曲度、粗糙度、强度方面的限制，同时也避免了喷头与基底之间可能存在的交叉污染或者损坏。喷墨打印技术的核心包括设备、产品设计和墨水。喷墨打印的设备以及产品设计在我国已经有了突破性的进展，但作为关键技术的功能陶瓷墨水发展的还不够成熟，尤其喷墨打印用压电陶瓷墨水的制备，在国内外公开文献中都鲜有提及。目前已公开发表的喷墨打印陶瓷墨水主要用于装饰性陶瓷的制作，而关于功能性陶瓷墨水如具有光催化性的陶瓷墨水的公开文献相对非常少。

钛酸铋系列化合物、纳米氧化铜、纳米氧化钴等在紫外光或者可见光的照射下对多种难降解的污染物具有良好的催化效果,已经引起了科研工作者们的浓厚兴趣，将其应用于功能性陶瓷墨水也具有一定的可能性。但这些纳米颗粒形貌基本为球形或椭球形，即使在充分超声分散之后，颗粒之间仍存在严重的团聚现象，在有机溶剂中也不易分散。而喷墨打印设备与旋涂、印刷等发光层制备工艺不同，其对墨水的要求较高，例如合适的沸点、粘度、表面张力以及均匀稳定的分散，因此，要将钛酸铋系列化合物其应用于喷墨打印墨水，仍然存在一些困难。

【发明内容】

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种具有光催化性的陶瓷墨水及其制备方法，本发明通过选择合适的原料对Bi₄Ti₃O₁₂进行分散，所得陶瓷墨水颗粒度、分散性好、稳定性好，且能在不堵塞机头而顺畅打印的前提下赋予陶瓷的优良光催化性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有光催化性的陶瓷墨水，由以下重量百分比的原料制成：5％-10％的Bi₄Ti₃O₁₂纳米粉、6％-12％的Co₂O₃纳米粉、8％-16％的CuO纳米粉、0.5％-2％的分散剂、0.4％-3％的表面活性剂、62％-72％的D70溶剂油、2.5％-4％的丙三醇、2％-3％的无水乙醇。

优选地，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮。

优选地，所述表面活性剂为Span80。

优选地，所述Bi₄Ti₃O₁₂、Co₂O₃、CuO粉体的粒度为40-100nm，该细度的纳米粉细腻且悬浮性好。

上述陶瓷墨水可以采用分散法制备，具体包括以下步骤：

(1)将分散剂、表面活性剂、无水乙醇加入盛有D70溶剂油的容器中，在室温环境中均匀搅拌，形成均一的溶液；

(2)向步骤(1)得到的溶液中加入Bi₄Ti₃O₁₂、Co₂O₃、CuO纳米粉和丙三醇，采用分散机分散10-30分钟，得到Bi4Ti₃O₁₂、Co₂O₃、CuO浆料；

(3)将步骤(2)得到的Bi₄Ti₃O₁₂、Co₂O₃、CuO浆料进行球磨，使固体颗粒的平均尺寸小于80纳米，经过滤后，所得滤液即为所述陶瓷墨水。

优选地，步骤(2)中的分散所用的分散速度为6000-10000转/分钟，分散时间为15-25分钟。

优选地，步骤(3)中所述的球磨采用的设备是砂磨机，转速为2500-4000转/分，球磨时间为30-120分钟。

本发明中，纳米Bi₄Ti₃O₁₂是钛酸铋系列化合物中的一种，与纳米Co₂O₃、CuO均具有较好的光催化性能，但由于其分散性差，容易团聚，所以将其应用于陶瓷墨水还需要寻找合适的分散剂体系。

本发明所应用的分散剂体系包括分散剂聚乙烯吡咯烷酮、表面活性剂Span80、丙三醇、无水乙醇及D70溶剂油。聚乙烯吡咯烷酮作为高分子表面活性剂，在不同的分散体系中，可作为分散剂、乳化剂、增稠剂、流平剂、粒度调节剂、抗再沉淀剂、凝聚剂、助溶剂和洗涤剂，用PVP包覆的油漆、涂料成膜透明而不影响本色，改善涂料和颜料的光泽和分散性，提高热稳定性并能改善油墨和墨水的分散性等。Span80主要用于化妆品、纺织、医药、油漆、石油、火炸药等行业，作乳化剂、增溶剂、稳定剂、润滑剂、柔软剂、抗静电剂、整理剂、分散剂、助溶剂、防锈剂、纺纱助剂等。丙三醇、无水乙醇在本发明中用作溶剂。D70溶剂油是以直馏馏分油，加氢裂化馏份油或低硫直馏航煤为原料，经深度加氢精制后分馏制成，是一种能脱去芳烃的溶剂油，它的性能优点为溶解力强，挥发性好。饱和烃含量大于99％，产品安定性好，低硫、低芳、无毒、无异味。采用本发明的分散剂体系，能使Bi₄Ti₃O₁₂得到很好地分散，从而使应用于制作功能性陶瓷墨水。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过选择合适的分散体系对Bi₄Ti₃O₁₂、Co₂O₃、CuO进行分散，所得陶瓷墨水颗粒度、分散性好、稳定性好，应用于陶瓷的喷墨打印，打印顺畅，不堵塞机头。本发明的陶瓷墨水还具有较好的光催化性，应用后能降解陶瓷表面的有机污染物，从而保持保持陶瓷表面的光泽、干净和美观。

2、在陶瓷墨水中加入丙三醇作为润湿剂，不仅有利于润湿喷嘴，提高墨水的打印流畅性能，同时丙三醇分子能以氢键与陶瓷粉连接，从而进一步增加了陶瓷颗粒的空间位阻，提高陶瓷墨水的稳定性。

3、本发明的制备方法简便易行，易于规模化生产。

【具体实施方式】

为了更清楚地表达本发明，以下通过具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种具有光催化性的陶瓷墨水，由以下重量百分比的原料制成：5％的Bi₄Ti₃O₁₂纳米粉、10％的Co₂O₃纳米粉、12％的CuO纳米粉、2％的聚乙烯吡咯烷酮、2％的表面活性剂Span80、62％的D70溶剂油、4％的丙三醇、3％的无水乙醇。

上述陶瓷墨水可以采用分散法制备，具体包括以下步骤：

(1)将2g聚乙烯吡咯烷酮、2g的Span80、3g无水乙醇加入盛有62g D70溶剂油的容器中，在室温环境中均匀搅拌，形成均一的溶液；

(2)向步骤(1)得到的溶液中加入5gBi₄Ti₃O₁₂、10gCo₂O₃、12gCuO纳米粉和4g丙三醇，采用分散机分散，分散速度为6000转/分钟，分散时间为30分钟，得到Bi₄Ti₃O₁₂、Co₂O₃、CuO浆料；

(3)将步骤(2)得到的Bi₄Ti₃O₁₂、Co₂O₃、CuO浆料采用砂磨机进行球磨，使固体颗粒的平均尺寸小于80纳米，转速为2500转/分，球磨时间为120分钟；经过滤后，所得滤液即为所述陶瓷墨水。

实施例2

一种具有光催化性的陶瓷墨水，由以下重量百分比的原料制成：10％的Bi₄Ti₃O₁₂纳米粉、6％的Co₂O₃纳米粉、16％的CuO纳米粉、1.5％的聚乙烯吡咯烷酮、2.5％的表面活性剂Span80、58.5％的D70溶剂油、3％的丙三醇、2.5％的无水乙醇。

上述陶瓷墨水可以采用分散法制备，具体包括以下步骤：

(1)将1.5g聚乙烯吡咯烷酮、2.5g的Span80、2.5g无水乙醇加入盛有58.5g D70溶剂油的容器中，在室温环境中均匀搅拌，形成均一的溶液；

(2)向步骤(1)得到的溶液中加入10gBi₄Ti₃O₁₂、6gCo₂O₃、16gCuO纳米粉和3g丙三醇，采用分散机分散，分散速度为8000转/分钟，分散时间为20分钟，得到Bi₄Ti₃O₁₂、Co₂O₃、CuO浆料；

(3)将步骤(2)得到的Bi₄Ti₃O₁₂、Co₂O₃、CuO浆料采用砂磨机进行球磨，使固体颗粒的平均尺寸小于80纳米，转速为3000转/分，球磨时间为100分钟；经过滤后，所得滤液即为所述陶瓷墨水。

实施例3

一种具有光催化性的陶瓷墨水，由以下重量百分比的原料制成：8％的Bi₄Ti₃O₁₂纳米粉、12％的Co₂O₃纳米粉、8％的CuO纳米粉、1.8％的聚乙烯吡咯烷酮、2.2％的表面活性剂Span80、63.5％的D70溶剂油、2.5％的丙三醇、2％的无水乙醇。

上述陶瓷墨水可以采用分散法制备，具体包括以下步骤：

(1)将1.8g聚乙烯吡咯烷酮、2.2g的Span80、2g无水乙醇加入盛有63.5g D70溶剂油的容器中，在室温环境中均匀搅拌，形成均一的溶液；

(2)向步骤(1)得到的溶液中加入8gBi₄Ti₃O₁₂、12gCo₂O₃、8gCuO纳米粉和2.5g丙三醇，采用分散机分散，分散速度为9000转/分钟，分散时间为15分钟，得到Bi₄Ti₃O₁₂、Co₂O₃、CuO浆料；

(3)将步骤(2)得到的Bi₄Ti₃O₁₂、Co₂O₃、CuO浆料采用砂磨机进行球磨，使固体颗粒的平均尺寸小于80纳米，转速为3200转/分，球磨时间为60分钟；经过滤后，所得滤液即为所述陶瓷墨水。

实施例4

一种具有光催化性的陶瓷墨水，由以下重量百分比的原料制成：6％的Bi₄Ti₃O₁₂纳米粉、6％的Co₂O₃纳米粉、10％的CuO纳米粉、0.5％的聚乙烯吡咯烷酮、0.4％的表面活性剂Span80、72％的D70溶剂油、3％的丙三醇、2.1％的无水乙醇。

上述陶瓷墨水可以采用分散法制备，具体包括以下步骤：

(1)将0.5g聚乙烯吡咯烷酮、0.4g的Span80、2.1g无水乙醇加入盛有72gD70溶剂油的容器中，在室温环境中均匀搅拌，形成均一的溶液；

(2)向步骤(1)得到的溶液中加入6gBi₄Ti₃O₁₂、6gCo₂O₃、10gCuO纳米粉和3g丙三醇，采用分散机分散，分散速度为8000转/分钟，分散时间为18分钟，得到Bi₄Ti₃O₁₂、Co₂O₃、CuO浆料；

(3)将步骤(2)得到的Bi₄Ti₃O₁₂、Co₂O₃、CuO浆料采用砂磨机进行球磨，使固体颗粒的平均尺寸小于80纳米，转速为3600转/分，球磨时间为45分钟；经过滤后，所得滤液即为所述陶瓷墨水。

实施例5

一种具有光催化性的陶瓷墨水，由以下重量百分比的原料制成：7％的Bi₄Ti₃O₁₂纳米粉、6％的Co₂O₃纳米粉、15％的CuO纳米粉、1％的聚乙烯吡咯烷酮、1％的表面活性剂Span80、65％的D70溶剂油、3％的丙三醇、3％的无水乙醇。

上述陶瓷墨水可以采用分散法制备，具体包括以下步骤：

(1)将1g聚乙烯吡咯烷酮、1g的Span80、3g无水乙醇加入盛有65g D70溶剂油的容器中，在室温环境中均匀搅拌，形成均一的溶液；

(2)向步骤(1)得到的溶液中加入7gBi₄Ti₃O₁₂、6gCo₂O₃、15gCuO纳米粉和3g丙三醇，采用分散机分散，分散速度为10000转/分钟，分散时间为10分钟，得到Bi₄Ti₃O₁₂、Co₂O₃、CuO浆料；

(3)将步骤(2)得到的Bi₄Ti₃O₁₂、Co₂O₃、CuO浆料采用砂磨机进行球磨，使固体颗粒的平均尺寸小于80纳米，转速为4000转/分，球磨时间为30分钟；经过滤后，所得滤液即为所述陶瓷墨水。

对比例1

本例中的陶瓷墨水与实施例5的不同之处在于，所用原料中采用等量聚丙烯酸代替聚乙烯吡咯烷酮，采用等量石油醚代替D70溶剂油。

对比例2

本例中的陶瓷墨水与实施例5的不同之处在于，所用原料中没有Co₂O₃、CuO，采用等量Bi₄Ti₃O₁₂代替Co₂O₃、CuO；等量乙二醇代替D70溶剂油。

对实施例1-5以及对比例1-2所制备的陶瓷墨水进行分散性和光催化性能方面的考察。分散性的考察方法为：将制得的陶瓷墨水在室温下放置30天、60天后，观察墨水是否有沉淀物，并于第30天、60天使用放置后的陶瓷墨水1000ml进行打印试验，观察打印的流畅性和是否有堵塞机头的情况。光催化性的考察方法为在对相同材质的陶瓷薄片打印完成后，在陶瓷表面涂抹面积相同的油污，记录陶瓷薄片与油污的总重量，然后一起置于紫外灯下照射，2小时后，再次对陶瓷薄片进行称重，计算油污的去除效率。所得结果如表1所示：

表1性能测试结果

由上表可以看出，采用了本发明的分散剂体系，可以使陶瓷油墨的颗粒度、分散性好、稳定性好，应用于陶瓷的喷墨打印，打印顺畅，不堵塞机头。对比例中的陶瓷墨水由于分散性不好，出现堵塞机头的情形，且由于分散性不好，对产品的光催化性也有不良影响。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (7)

1.一种具有光催化性的陶瓷墨水，其特征在于由以下重量百分比的原料制成：5％-10％的Bi₄Ti₃O₁₂纳米粉、6％-12％的Co₂O₃纳米粉、8％-16％的CuO纳米粉、0.5％-2％的分散剂、0.4％-3％的表面活性剂、62％-72％的D70溶剂油、2.5％-4％的丙三醇、2％-3％的无水乙醇。

2.根据权利要求1所述的陶瓷墨水，其特征在于：所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮。

3.根据权利要求1所述的陶瓷墨水，其特征在于：所述表面活性剂为Span80。

4.根据权利要求1所述的陶瓷墨水，其特征在于：所述Bi₄Ti₃O₁₂、Co₂O₃、CuO粉体的粒度为40-100nm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的陶瓷墨水的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将分散剂、表面活性剂、无水乙醇加入盛有D70溶剂油的容器中，在室温环境中均匀搅拌，形成均一的溶液；

(2)向步骤(1)得到的溶液中加入Bi₄Ti₃O₁₂、Co₂O₃、CuO纳米粉和丙三醇，采用分散机分散10-30分钟，得到Bi₄Ti₃O₁₂、Co₂O₃、CuO浆料；

(3)将步骤(2)得到的Bi₄Ti₃O₁₂、Co₂O₃、CuO浆料进行球磨，使固体颗粒的平均尺寸小于80nm，经过滤后，所得滤液即为所述陶瓷墨水。

6.根据权利要求5所述的陶瓷墨水的制备方法，其特征在于：步骤(2)中的分散所用的分散速度为6000-10000转/分钟，分散时间为15-25分钟。

7.根据权利要求5所述的陶瓷墨水的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的球磨采用的设备是砂磨机，转速为2500-4000转/分，球磨时间为30-120分钟。