CN112457717B - 一种喷墨打印用水基陶瓷墨水及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种喷墨打印用水基陶瓷墨水及其制备方法和应用，其制备方法为：将陶瓷色料颗粒、分散剂和溶剂混合，搅拌，得固含量为32‑35wt.%的浆料，将浆料置于研磨腔内；对浆料进行超细研磨，得d50=320‑394nm、d90=854‑954nm的悬浮液；在悬浮液中加入润湿剂、树脂、防沉剂和溶剂，乳化超声，高速分散，即得水基陶瓷墨水；分散剂是以甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸和甘油单甲基丙烯酸酯为单体，以去离子水为溶剂，以巯基乙酸为链转移剂，以过硫酸钾为引发剂制得。该水基陶瓷墨水完全满足喷墨打印要求，能对陶瓷板表面进行装饰，且装饰后的呈色效果好，其应用前景好。

Description

一种喷墨打印用水基陶瓷墨水及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于陶瓷墨水和喷墨打印技术领域，特别是涉及一种喷墨打印用水基陶瓷墨水及其制备方法和应用。
背景技术
在建筑陶瓷（如陶瓷板）的表面装饰行业中，陶瓷的表面装饰技术主要包括喷墨打印、丝网印刷、滚筒印刷和热转印贴膜等。目前，陶瓷喷墨打印技术已部分替代了传统的丝网印刷和辊筒印刷等装饰手段，这种陶瓷表面装饰技术是一种非接触式的数字印刷技术。相比传统的陶瓷表面装饰技术（如丝网印刷和滚筒印刷等），陶瓷喷墨打印技术具有自动化程度高、工艺过程简单、能耗低等特点，能有效地提高陶瓷表面装饰行业的工作效率和装饰效果。
现代陶瓷表面装饰行业所使用的陶瓷墨水主要是以有机溶剂型陶瓷墨水为主。例如在发明CN109852142A中公开了一种小粒径陶瓷喷墨打印用包裹墨水的制备方法，该方法使用的有机溶剂存在一定的挥发性。另外，在发明CN107868515A中公开了一种高稳定性黄色陶瓷墨水，该方法也是使用了一种可挥发性的有机溶剂。上述公开的陶瓷墨水均是使用有机溶剂为陶瓷墨水的溶剂，这对生态环境和人类健康存在一定的风险，这严重制约了陶瓷表面装饰行业的可持续发展。因此，开发水基陶瓷墨水、以及研制与该水基陶瓷墨水相匹配的对陶瓷色料颗粒具有助磨和分散功能的水性高分子分散剂就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的之一在于克服现有技术的不足，提供一种喷墨打印用水基陶瓷墨水的制备方法，以制备出能满足喷墨打印要求的水基陶瓷墨水，且该水基陶瓷墨水的发色性能好。
本发明的目的之二在于克服现有技术的不足，提供一种具有不影响生态环境和人类健康的特点的喷墨打印用水基陶瓷墨水。
本发明的目的之三在于克服现有技术的不足，提供一种喷墨打印用水基陶瓷墨水在陶瓷板表面装饰中的应用。
基于此，本发明公开了一种喷墨打印用水基陶瓷墨水的制备方法，包含如下步骤：
步骤一，将陶瓷色料颗粒、分散剂和溶剂按比例混合，搅拌均匀，得到固含量为32-35wt.%的浆料，将所述浆料置于研磨腔内；
步骤二，对所述浆料进行超细研磨，得到d50=320-394nm、d90=854-954nm的悬浮液；
步骤三，将所述悬浮液置于超声波乳化分散器中超声处理；
步骤四，在所述悬浮液中加入润湿剂、树脂、防沉剂和溶剂，分散，即得所述水基陶瓷墨水；
其中，所述分散剂是以甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和甘油单甲基丙烯酸酯为单体，以去离子水为溶剂，以巯基乙酸为链转移剂，以过硫酸钾为引发剂制得的聚丙烯酸类分散剂。
优选地，所述步骤一中，在所述聚丙烯酸类分散剂的制备过程中，加入的各组分的重量份如下：甲基丙烯酸甲酯10-12份、甲基丙烯酸20-25份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸35-40份、甘油单甲基丙烯酸酯15-20份、去离子水35-45份、巯基乙酸1-3份和过硫酸钾0.5-2份。
进一步优选地，所述聚丙烯酸类分散剂的制备方法如下：将甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和甘油单甲基丙烯酸酯依次加入，再加入去离子水、巯基乙酸和过硫酸钾，之后加热至85-100℃，保持6-8h，直到反应完全，即得所述聚丙烯酸类分散剂。
优选地，所述步骤一中，所述溶剂为1,2-丙二醇、二甘醇及二甘醇单丁醚中的至少一种与去离子水形成的混合物。
优选地，所述步骤一中，所述陶瓷色料颗粒为蓝色陶瓷色料（如ZnFe1.2Cr0.8O4）颗粒或红褐色陶瓷色料（如CoAl2O4）颗粒。
优选地，所述步骤二中，采用湿法介质搅拌磨对所述浆料进行超细研磨，研磨转速为1500-2000rpm，研磨时间为1.5-2.5h。
优选地，所述步骤三中，采用超声波乳化分散器超声1-2h。
优选地，所述步骤四中，采用高速分散机在转速1000-1500rpm下分散2-3h。
优选地，所述水基陶瓷墨水包括如下重量份的原料：陶瓷色料颗粒32-35份、分散剂8-10份、润湿剂0.5-0.6份、树脂1-2份、防沉剂0.5-0.6份、溶剂52-57份。
其中，润湿剂、树脂和防沉剂均为现有喷墨打印用陶瓷墨水的常用组分；例如，润湿剂可为有机改性聚硅氧烷润湿剂，树脂可为丙烯酸树脂，防沉剂可为聚酰胺蜡；故此不再赘述。
本发明公开了一种喷墨打印用水基陶瓷墨水，其采用所述的一种喷墨打印用水基陶瓷墨水的制备方法得到。
本发明还公开了一种喷墨打印用水基陶瓷墨水的应用，将所述的一种喷墨打印用水基陶瓷墨水通过喷墨打印的方式对陶瓷板进行表面装饰。
与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：
本发明在制备过程中，将陶瓷色料颗粒、分散剂和溶剂混合制得浆料后，进行超细研磨；其中，由于该分散剂是以甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和甘油单甲基丙烯酸酯为单体，以去离子水为溶剂，以巯基乙酸为链转移剂，以过硫酸钾为引发剂所制得的聚丙烯酸类分散剂，因此，在超细研磨过程中，该聚丙烯酸类分散剂对陶瓷色料颗粒能起到很好的助磨和分散作用，从而经超细研磨后能获得稳定的悬浮液，进而在加入润湿剂、树脂、防沉剂和溶剂分散后，能制备得到表面张力和粘度适中、且完全满足喷墨打印要求的水基陶瓷墨水。而且，所得水基陶瓷墨水的发色性能好，能对陶瓷板进行表面装饰，且装饰后的陶瓷板表面的呈色效果好。此外，与现在市面上的有机溶剂型陶瓷墨水不同，本发明所制得的水基陶瓷墨水具有不影响生态环境和人类健康的特点。综上，本发明所制得的水基陶瓷墨水具有良好的应用前景。
附图说明
图1为喷墨打印速率为1m/s、喷嘴尺寸范围为25-40μm时，喷墨打印机在陶瓷板上分别喷墨打印实施例1-4的水基陶瓷墨水的Oh值。
图2为实施例1-4的水基陶瓷墨水分别喷墨打印至陶瓷板上的照片。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例的一种喷墨打印用水基陶瓷墨水，包括如下重量份的原料：陶瓷色料颗粒35份、分散剂10份、润湿剂0.5份、树脂2份、防沉剂0.5份和溶剂52份。
其中，陶瓷色料颗粒为红褐色陶瓷色料颗粒，具体为ZnFe1.2Cr0.8O4颗粒。
其中，溶剂由去离子水、二乙二醇和二甘醇单丁醚按照质量比20:30:2组成。
其中，分散剂为聚丙烯酸类分散剂，该聚丙烯酸类分散剂的制备方法如下：将10份甲基丙烯酸甲酯、20份甲基丙烯酸、35份2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和15份甘油单甲基丙烯酸酯依次加入圆底烧瓶中，再加入35份去离子水、1份巯基乙酸和0.5份过硫酸钾，之后加热至90℃，保持6h，直到反应完全，即得聚丙烯酸类分散剂。
本实施例的一种喷墨打印用水基陶瓷墨水的制备方法，包括如下步骤：
步骤A.将陶瓷色料颗粒、聚丙烯酸类分散剂和溶剂混合，搅拌均匀，得到固含量为35wt.%的浆料，将得到的均匀浆料置于研磨腔内；
步骤B.采用湿法介质搅拌磨对浆料进行超细研磨，研磨转速为1500rpm，研磨时间为2h，研磨后得到颗粒中位径值d50=376nm、d90=925nm的悬浮液；
步骤C.将制备好的上述悬浮液置于超声波乳化分散器中进行超声1h；
步骤D.将上述超声好的悬浮液置于超速分散机中，加入润湿剂、树脂、防沉剂和溶剂，并在1000rpm的转速下分散3h，得到喷墨打印用水基陶瓷墨水。
实施例2
本实施例的一种喷墨打印用水基陶瓷墨水，包括如下重量份的原料：陶瓷色料颗粒32份、分散剂8份、润湿剂0.6份、树脂1份、防沉剂0.6份和溶剂57份。
其中，陶瓷色料颗粒为红褐色陶瓷色料颗粒，具体为ZnFe1.2Cr0.8O4颗粒。
其中，溶剂由由去离子水和1,2-丙二醇按照质量比25:32组成。
其中，分散剂为聚丙烯酸类分散剂，该聚丙烯酸类分散剂的制备方法如下：将11份甲基丙烯酸甲酯、22份甲基丙烯酸、37份2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和16份甘油单甲基丙烯酸酯依次加入圆底烧瓶中，再加入38份去离子水、2份巯基乙酸和1份过硫酸钾，之后加热至85℃，保持7h，直到反应完全，即得聚丙烯酸类分散剂。
本实施例的一种喷墨打印用水基陶瓷墨水的制备方法，包括如下步骤：
步骤A.将陶瓷色料颗粒、聚丙烯酸类分散剂和溶剂混合，搅拌均匀，得到固含量为32wt.%的浆料，将得到的均匀浆料置于研磨腔内；
步骤B.采用湿法介质搅拌磨对浆料进行超细研磨，研磨转速为1600rpm，研磨时间为2.5h，研磨后得到颗粒中位径值d50=394nm、d90=954nm的悬浮液；
步骤C.将制备好的上述悬浮液置于超声波乳化分散器中进行超声1h；
步骤D.将上述超声好的悬浮液置于超速分散机中，加入润湿剂、树脂、防沉剂和溶剂，并在1200rpm的转速下分散2.5h，得到喷墨打印用水基陶瓷墨水。
实施例3
本实施例的一种喷墨打印用水基陶瓷墨水，包括如下重量份的原料：陶瓷色料颗粒35份、分散剂10份、润湿剂0.5份、树脂2份、防沉剂0.5份和溶剂52份。
其中，陶瓷色料颗粒为蓝色陶瓷色料颗粒，具体为CoAl2O4颗粒。
其中，溶剂由去离子水、二乙二醇和二甘醇单丁醚按照质量比20:30:2组成。
其中，分散剂为聚丙烯酸类分散剂，该聚丙烯酸类分散剂的制备方法如下：将12份甲基丙烯酸甲酯、25份甲基丙烯酸、38份2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和16份甘油单甲基丙烯酸酯依次加入圆底烧瓶中，再加入42份去离子水、1.5份巯基乙酸和1.5份过硫酸钾，之后加热至100℃，保持6.5h，直到反应完全，即得聚丙烯酸类分散剂。
本实施例的一种喷墨打印用水基陶瓷墨水的制备方法，包括如下步骤：
步骤A.将陶瓷色料颗粒、聚丙烯酸类分散剂和溶剂混合，搅拌均匀，得到固含量为35wt.%的浆料，将得到的均匀浆料置于研磨腔内；
步骤B.采用湿法介质搅拌磨对浆料进行超细研磨，研磨转速为1800rpm，研磨时间为2h，研磨后得到颗粒中位径值d50=320nm、d90=854nm的悬浮液；
步骤C.将制备好的上述悬浮液置于超声波乳化分散器中进行超声2h；
步骤D.将上述超声好的悬浮液置于超速分散机中，加入润湿剂、树脂、防沉剂和溶剂，并在1000rpm的转速下分散3h，得到喷墨打印用水基陶瓷墨水。
实施例4
本实施例的一种喷墨打印用水基陶瓷墨水，包括如下重量份的原料：陶瓷色料颗粒32份、分散剂8份、润湿剂0.6份、树脂1份、防沉剂0.6份和溶剂57份。
其中，陶瓷色料颗粒为蓝色陶瓷色料颗粒，具体为CoAl2O4颗粒。
其中，溶剂由去离子水和1,2-丙二醇按照质量比25:32组成。
其中，分散剂为聚丙烯酸类分散剂，该聚丙烯酸类分散剂的制备方法如下：将12份甲基丙烯酸甲酯、25份甲基丙烯酸、40份2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和20份甘油单甲基丙烯酸酯依次加入圆底烧瓶中，再加入45份去离子水、3份巯基乙酸和2份过硫酸钾，之后加热至85℃，保持8h，直到反应完全，即得聚丙烯酸类分散剂。
本实施例的一种喷墨打印用水基陶瓷墨水的制备方法，包括如下步骤：
步骤A.将陶瓷色料颗粒、聚丙烯酸类分散剂和溶剂混合，搅拌均匀，得到固含量为32wt.%的浆料，将得到的均匀浆料置于研磨腔内；
步骤B.采用湿法介质搅拌磨对浆料进行超细研磨，研磨转速为2000rpm，研磨时间为1.5h，研磨后得到颗粒中位径值d50=383nm、d90=947nm的悬浮液；
步骤C.将制备好的上述悬浮液置于超声波乳化分散器中进行超声2h；
步骤D.将上述超声好的悬浮液置于超速分散机中，加入润湿剂、树脂、防沉剂和溶剂，并在1500rpm的转速下分散2h，得到喷墨打印用水基陶瓷墨水。
对比例1
本对比例的一种水基陶瓷墨水及其制备方法与实施例1基本相同，其区别在于：
本对比例所用的聚丙烯酸类分散剂是：将实施例1中的15份甘油单甲基丙烯酸酯替换为15份甲基丙烯酸羟乙酯而得到。
对比例2
本对比例的一种水基陶瓷墨水及其制备方法与实施例1基本相同，其区别在于：
本对比例所用的聚丙烯酸类分散剂是：将实施例1中的10份甲基丙烯酸甲酯和15份甘油单甲基丙烯酸酯省略而得到。
性能测试
1、以下对实施例1-4制得的水基陶瓷墨水分别进行喷墨打印适配性模拟分析：
采用以下三个主要参数模拟分析水基陶瓷墨水喷墨打印的适配性能，即参数雷诺 数(
Figure 809811DEST_PATH_IMAGE001
)、韦伯数(
Figure DEST_PATH_IMAGE002
)和欧姆数(
Figure 664634DEST_PATH_IMAGE003
)。它们分别表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
(1)
Figure 631322DEST_PATH_IMAGE005
(2)
Figure DEST_PATH_IMAGE006
(3)
式中，
Figure 587384DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 526390DEST_PATH_IMAGE009
分别代表水基陶瓷墨水的粘度、密度和表面张力，a和v分别代表打 印喷嘴直径和墨水打印速度。为了计算参数Oh值，我们将墨水打印速度v设置为1m/s，将打 印喷嘴直径a设置为24-40μm。以上分析结果如图1所示，从图1中可以看出，实施例1-4所制 备的水基陶瓷墨水均能满足陶瓷喷墨打印要求。
2、对实施例1-4及对比例1-2所制得的水基陶瓷墨水分别进行表面张力、粘度和发色性能测试，测试结果如表1所示：
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE010
从表1中可以看出，实施例1-4制得的水基陶瓷墨水的表面张力和粘度适中；与对比例1-2相比，实施例1-2的水基陶瓷墨水的红褐色发色性能更好；而且，实施例3-4的水基陶瓷墨水的蓝色发色性能也表现优异。
3、对实施例1-4制得的水基陶瓷墨水分别在陶瓷板表面进行喷墨打印，喷墨后的陶瓷板的装饰效果如图2所示。结合表1及图2，可知，实施例1-4制得的水基陶瓷墨水在陶瓷板表面的呈色效果好。
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种喷墨打印用水基陶瓷墨水的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤一，将陶瓷色料颗粒、分散剂和溶剂按比例混合，搅拌均匀，得到固含量为32-35wt.%的浆料，将所述浆料置于研磨腔内；
步骤二，对所述浆料进行超细研磨，得到d50=320-394nm、d90=854-954nm的悬浮液；
步骤三，将所述悬浮液置于超声波乳化分散器中进行超声；
步骤四，在所述悬浮液中加入润湿剂、树脂、防沉剂和溶剂，分散，即得所述水基陶瓷墨水；
其中，所述分散剂是以甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和甘油单甲基丙烯酸酯为单体，以去离子水为溶剂，以巯基乙酸为链转移剂，以过硫酸钾为引发剂制得的聚丙烯酸类分散剂；
所述步骤一中，在所述聚丙烯酸类分散剂的制备过程中，加入的各组分的重量份如下：甲基丙烯酸甲酯10-12份、甲基丙烯酸20-25份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸35-40份、甘油单甲基丙烯酸酯15-20份、去离子水35-45份、巯基乙酸1-3份和过硫酸钾0.5-2份；
所述水基陶瓷墨水包括如下重量份的原料：陶瓷色料颗粒32-35份、分散剂8-10份、润湿剂0.5-0.6份、树脂1-2份、防沉剂0.5-0.6份、溶剂52-57份；
所述聚丙烯酸类分散剂的制备方法如下：将甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和甘油单甲基丙烯酸酯依次加入，再加入去离子水、巯基乙酸和过硫酸钾，然后加热至85-100℃，保持6-8h，直到反应完全，即得所述聚丙烯酸类分散剂；
所述步骤一中，所述溶剂为1,2-丙二醇、二甘醇及二甘醇单丁醚中的至少一种与去离子水形成的混合物；所述陶瓷色料颗粒为蓝色陶瓷色料颗粒或红褐色陶瓷色料。
2.根据权利要求1所述的一种喷墨打印用水基陶瓷墨水的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，采用湿法介质搅拌磨对所述浆料进行超细研磨，研磨转速为1500-2000rpm，研磨时间为1.5-2.5h。
3.根据权利要求1所述的一种喷墨打印用水基陶瓷墨水的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，采用超声波乳化分散器超声1-2h。
4.根据权利要求1所述的一种喷墨打印用水基陶瓷墨水的制备方法，其特征在于，所述步骤四中，采用超速分散机在转速1000-1500rpm下分散2-3h。
5.一种喷墨打印用水基陶瓷墨水，其特征在于，其采用权利要求1-4任一项所述的一种喷墨打印用水基陶瓷墨水的制备方法得到。
6.一种喷墨打印用水基陶瓷墨水的应用，其特征在于，将权利要求5所述的一种喷墨打印用水基陶瓷墨水通过喷墨打印的方式对陶瓷板进行表面装饰。
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