喷墨打印是一种数字驱动的，非接触式的，高清晰度的打印模式或图像到广泛的基材上的方法。它越来越多地成为瓷砖装饰等应用的首选方法，在图案灵活性、更高的图像清晰度、减少浪费和更高的自动化方面，它比传统工艺带来了巨大的好处。

然而，实现这些改进依赖于制定喷墨墨水在印刷过程中经历的不同条件下表现出理想的流变行为。墨水必须在存储期间应用的低剪切应力下保持稳定，同时在喷墨打印头内产生的极高剪切速率下满足严格的流量和转移性能目标。油墨中分散颜料的大小和浓度，以及基液的粘度，必须仔细考虑，以控制配方流变性和实现理想的光面。

本文讨论了陶瓷喷墨打印的趋势，并演示了旋转流变学、微流体流变学和动态光散射(DLS)如何提供成功配方所需的流变学和颗粒尺寸信息。新的研究阐述了这些技术如何结合起来，使陶瓷喷墨墨水的配方具有高性能打印工艺所需的稳定性和印刷适性。

瓷砖印刷的数字时代

喷墨打印提供的先进的灵活性，更高的图像清晰度和过程自动化程度正在推动整个装饰整理行业的技术快速商业化。喷墨过程的非接触性质(打印头在任何地方都不与承印物接触)使高质量的打印即使是非平面。此外，打印头可以配置为提供广泛的材料悬浮液，从颜料和染料到玻璃熔块和金属颗粒，赋予光学和电子特性。

这种灵活性，以及喷墨打印在最终产品质量、过程控制和整体效率方面的改进，已经使该工艺取代传统方法，成为陶瓷装饰的首选技术。

要获得这些性能优势取决于工程油墨在打印过程的所有阶段都表现最佳。陶瓷喷墨墨水必须由所选择的喷墨系统输送，并在承印物上产生所需的装饰效果。同样重要的是，它们必须是稳定的，所有组件在存储期间保持均匀悬浮。

配方满足这些标准的程度取决于这些复杂系统中各组分的相互作用。这些成分包括:基墨载体液;粘合剂和表面活性剂;悬浮颜料和/或染料着色剂。例如，胶体颜料的大小和浓度会影响最终光洁度的重要视觉方面，包括色调、光泽和不透明度。它们还定义了工艺行为的各个方面，例如打印头喷嘴中的沉积程度，以及在配方中沉淀的趋势。确保这些多组分的相互作用在相关的操作条件下提供合适的粘度是配方师面临的最大挑战之一。

在打印头配方受到非常高的剪切速率，从105一直到106年代－1．为了表现良好，墨水必须具有适当的(通常是低)粘度(一般在5至25 mPa.s左右)，以便在这些条件下有效地喷射驱动和精确的液滴沉积。不幸的是，低粘度的油墨不太适合在瓶子或供应库中储存期间保持颜料悬浮。在储存中重力剪应力可以诱导沉淀，这在低粘度配方中进行得更快，特别是相对较大，致密的颜料。因此，优化油墨需要一种系统的开发方法，重点是在一系列不同的条件下定制喷墨油墨流变性。

组装油墨配方工具箱

任何单一的流变表征系统都不容易满足在大范围剪切条件下测量油墨的要求;因此，在配方研究中使用不同类型的流变仪是有益的。

旋转流变法是在一定剪切速率范围内评估粘度最常用的技术之一。旋转流变仪的工作原理是将样品保持在确定的测量系统几何形状中，例如在两个板之间，在锥体和板之间，或在一个杯子和一个bob中。通过控制上部几何单元的旋转扭矩或速度，样品分别受到已知的剪切应力或已知的剪切速率。当其中一个控制参数发生变化时，另一个控制参数进行测量，从而确定样品粘度，从而生成材料的流动曲线。流动曲线通常表现为粘度与剪切速率的关系图。

现代旋转流变仪能够在剪切速率的极宽范围内测试材料，从小于1秒－1超过1000秒－1．对于喷墨墨水，在储存过程中所经历的低剪切应力的测量能力有助于确定对重力的响应和墨水的沉淀倾向。许多喷墨墨水表现出非牛顿行为，其中粘度取决于施加的剪切应力，旋转流变仪用于测量剪切速率范围，以开发识别此类行为所需的流动曲线。此外，这些仪器提供了精确的温度控制，使研究人员能够严格地探索温度如何影响样品流变性，这是一种非常显著的影响。

不幸的是，由于固有的样品和机械限制，旋转流变仪在超高剪切区域测试低粘度材料时受到限制，这可能会导致流动不稳定和高转速下不可预测的粘性加热效应。对于高剪切测量，微流体流变学是一种有用的补充技术，非常适合于墨水喷射性的评估。

微流控流变仪通过一个狭窄的(通常为40-200 μ m)微流控通道来测量超高剪切速率下的流体粘度。嵌入式定点微电子机械系统(MEMS)压力传感器测量样品沿通道通过时发生的压力下降。该压差与体积流速之间的相关性使样品粘度得到，然后用于构建配方的流量曲线。与旋转流变仪一样，基于微流体的流变仪具有精确的温度控制，允许研究人员在直接模拟打印头内部条件的温度下观察墨水的行为。这种在严格控制的温度下获得超高剪切速率的独特能力使基于微流体的流变学成为陶瓷油墨配方的一种有价值的技术。

最后，如前所述，油墨配方中颗粒的大小影响所获得的光洁度、印刷性能和悬浮液流变性。因此，颗粒尺寸技术完善了墨水配方的工具包，动态光散射通常是测量这些配方中越来越多使用的亚微米级颗粒的首选方法。在DLS系统中，光与悬浮液内的胶体粒子相互作用产生散射模式。这种散射光的强度与时间的相关性与布朗运动的速度直接相关，然后可以用它来确定粒子的大小和大小分布。

下面的案例研究提供了如何结合这些技术来支持墨水配方的实际说明。

案例研究:结合分析技术优化油墨

使用旋转流变仪(Kinexus, Malvern Instruments)和微流控流变仪(m-VROCi, Malvern Instruments)测量了两种商用陶瓷喷墨油墨A和B的粘度。1结合这些仪器，可以在剪切速率为0.5 s时测量粘度－1到10万－1．图1将使用两种仪器收集的数据合并为每种墨水的单个流量曲线。

对于这两个样品，粘度在整个剪切范围内保持相对恒定，然而，两条曲线都有轻微的负梯度，表明轻微的非牛顿剪切减薄行为。这表明油墨配方具有一定程度的固有结构，这一特征在油墨a中更为突出，其测量粘度约为22 mPa。1s的S－1与17 mPa相比。S在100,000 S－1:当剪切速率接近较高时，粘度会出现微小但显著的下降。

为了评估在打印头相关剪切速率条件下可变温度的潜在影响，墨水A和B也在30,000 s的高剪切速率下进行了分析－1横过一个20°C和40°C温度范围，使用微流控流变仪(图2)。正如预期的那样，粘度与温度成反比，当温度增加这个相对适度的量时，两种油墨的粘度都会下降约40%。但是，两种油墨的粘度都保持在5- 25mpa。年代range that tends to be optimal for printing, across this temperature range.

为了消除颗粒对配方流变性和基液性质的相对影响，悬浮颜料颗粒通过离心从配方中分离。使用旋转流变仪对基础流体A和B进行测试(图3)，随后表明，在这两种情况下，基础流体的粘度与剪切速率无关，表明具有牛顿性质。

基本流体粘度比原来的配方,把数据从低切高原地区,是2:1为墨墨水和1.6:1 b .这表明色素分数负责50%的整体配方粘度油墨和40%墨水b作为墨水基地完全牛顿行为,边际剪切稀化中观察到完整的油墨在高剪切率可以归因于色素的存在而不是底部。墨水A的估计体积分数为0.21(21%)，墨水b的估计体积分数为0.15(15%)。较高的体积分数可以解释为什么墨水A的剪切稀化更明显，因为悬浮液中较高的固体载荷通常与更大程度的非牛顿行为相关。

使用DLS (Zetasizer Nano ZSP, Malvern Instruments)测量了两种颜料的强度加权尺寸分布(图4)。油墨A具有双峰分布，主峰在840 nm，标准偏差为424 nm，表明尺寸分布较宽。相比之下，墨水B有一个以更细的粒径为中心的单峰，207 nm，标准偏差为87 nm，分布要窄得多。

用于油墨A和B的锆石颜料密度约为4600公斤/米3.相比于墨基的密度为870 kg/m3.:密度差为3730 kg/m3.．悬液的沉降速率可以从Stokes模型或其修正版本中计算出来。2、3这将沉降速度与悬浮颗粒与基础流体之间的密度差、基础流体或连续相的粘度、悬浮颗粒的尺寸及其存在时的体积分数联系起来。墨水A的沉降速度计算为每天3.5毫米，墨水B的沉降速度计算为每天0.35毫米。沉降速率与颗粒半径的平方成正比，这就是为什么墨水B的沉降速率比墨水A小得多。

当涉及到了解如何制定油墨以满足处理和存储性能目标时，将沉降率与颜料尺寸等可控特征相关联是至关重要的。例如，如果油墨A中的颜料尺寸为2微米而不是0.2微米，则沉淀率将超过30毫米/天。在这种颗粒尺寸下，将其降低到更容易控制的0.35 mm /天，需要将基础粘度提高到大约1000 mPa.s。这将导致配方太粘而不能从打印头喷射。在这里，非牛顿墨水将更加实用，理想情况下表现出足够高的粘度，以在低剪切速率下悬浮颗粒，但在高剪切下足够低的粘度，以确保可接受的喷射性。这种性能是通过添加粘度改进剂来实现的，这对控制悬浮液流变性非常有帮助。

配方发展的未来

喷墨打印在瓷砖装饰中的应用越来越多，因此需要先进的墨水配方，以便在产品使用的每个阶段都能发挥最佳效果。表征一种墨水的物理稳定性、打印头兼容性和喷射性需要在一定的剪切速率范围内测量粘度，直至在打印过程中应用的超高剪切区域。这种测量可以有效地结合旋转流变仪和微流控流变仪进行。另一方面，可以使用DLS来获得调整悬浮颜料的性质以满足性能目标所需的颗粒尺寸测量，特别是随着纳米级颗粒越来越多地用于喷墨墨水配方中。将这些技术结合在一起，可以实现严格而高效的墨水配方，从而利用喷墨打印技术提供的高效率、高质量的性能。

参考文献

1优化陶瓷喷墨油墨的流变性，马尔文仪器应用说明。可从www.malvern.com下载。

2巴尼斯，H.A.胶体体系流变学和加工的最新进展，1992年IChemE研究活动发表的论文。

3.使用Krieger-Doherty模型，Malvern Instruments技术说明。可于www.malvern.com．