喷墨打印制备仿石发泡陶瓷保温装饰板

李杰，马旭新，游劲秋，董泽，张国永

（浙江省建筑科学设计研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

近些年来，发泡陶瓷作为多孔材料，其独特的内部三维网络骨架结构以及特有的高温烧结制备手段，使其具有轻质、阻燃、优异的耐腐蚀和耐老化性能，被广泛地应用于化工、冶金、食品、医疗、环境工程等领域[1-3]。通过调整配方或烧成工艺可控制成泡孔腔结构，得到发泡陶瓷内部开孔或闭孔结构。有研究表明，闭孔型发泡陶瓷，其透水率低、密度轻，导热系数可与传统的保温材料处于同一级别，具有良好的保温隔热性能，加上其无机质的组成，耐候性性优异，可用于建筑节能中的保温隔热处理[4-5]。

目前，在外墙外保温技术中普遍采用的是有机类保温材料，如聚氨酯硬泡、聚苯板等，其耐火性能差，施工和使用过程中存在火灾隐患，再则有机材料的耐老化性不稳定，致使系统耐久性堪忧。另一方面，外保温技术中使用的无机类保温材料吸水率高、收缩率大，施工后保温层容易出现开裂、渗水现象，高层建筑外墙无机保温层开裂经风化脱落后坠落易造成安全事故。此外，外墙保温技术亦存在施工工序复杂、质量隐患多、系统造价高等诸多问题，由此可见，时下采用的传统保温隔热技术在现实中存在许多弊端。

然而，发泡陶瓷由于其优异的整体性能，虽可用于建筑物保温工程中，但其主要还是采取内嵌填充形式，与泡沫混凝土类似，却不具备与泡沫混凝土等同类产品的竞争优势，因而产品市场反响一般。另一方面，在外保温应用中，将发泡陶瓷表面作装饰效果处理，得到装饰保温一体化板的研究也有开展，然而其大多是在生坯表面未烧制前，通过二次布料，添加色料；或通过淋釉、甩釉、丝网等工艺，制备得到的表面装饰层，装饰效果单一，不具备逼真、生动的图案。更有甚者，施工中在发泡陶瓷板外面做饰面层，而所用饰面层为涂料饰面，老化性能欠佳，后期问题很较多[6-7]。采用喷墨打印技术在发泡成型的陶瓷砖体上进行表面装饰效果处理的国内外研究鲜有报道。

本文介绍了在发泡陶瓷板表面进行喷墨打印的表面处理技术，能够根据扫描设备采集的源图，制备得到仿石发泡陶瓷板，其表面装饰效果好，装饰层耐污染、耐老化，发泡陶瓷砖整体保温隔热效果显著，强度高，可以作为具有保温性能的外墙建筑装饰板材，应用前景广阔。

1 轻质闭孔发泡陶瓷板的制备

1.1 原材料

试验制备轻质闭孔发泡陶瓷板的原材料采用浙江缙云当地产珍珠岩、膨润土和沸石，福建泉州产的黑泥，江西的高岭土，浙江龙泉八都的砂以及河南南阳产绿色硅碳微粉发泡剂。

1.2 制备配方

制备轻质闭孔发泡陶瓷板原材料的质量配方组成如表1所示。

表1 发泡陶瓷的配方组成 %

1.3 制备方法

原料为矿区开采矿物料，各组分经计量称取后入球磨机进行湿法球磨，在球磨共混过程中辅以一定量的发泡剂，球磨后料浆过筛进沉浆池，陈练后经喷雾塔造粒进压机压坯成型。所得坯体在温控电炉内按既定程序升温至1185℃烧制得到发泡陶瓷板。如图1所示，成型初坯和烧成制备发泡陶瓷板相比，后者明显发生了巨大的体积膨胀，经过测算，发泡体积膨胀倍率为5.2，切割后发泡陶瓷内部断面如图2所示，实测密度为324 kg/m3。

图1 发泡陶瓷制备成型初坯和烧成得到样板

图2 烧成得到发泡陶瓷样板纵向切割断面

1.4 发泡陶瓷板的基本性能

发泡陶瓷板的基本性能按JG/T 511—2017《建筑用发泡陶瓷保温板》进行测试，结果如表2所示。

表2 发泡陶瓷的基本性能

2 喷墨打印处理发泡陶瓷表面装饰层

2.1 发泡陶瓷板装饰层底釉和墨水

本文研究在发泡陶瓷板表面进行喷墨打印的前处理中所使用的底釉介质由本单位和广东贝利特共同研究开发，喷墨打印所用墨水为江苏陶粒西公司生产。

2.2 发泡陶瓷板表面底釉介质的施布

制备得到的一次生坯初烧的发泡陶瓷板表面经过釉浆介质层施布（见图3），选用白色釉浆作为装饰底层，有助于上层的打印墨水显色，提升图案效果，综合考虑产品装饰性能及成本附加因素，釉浆介质层用量控制在200 g/m2。表面施布完釉浆介质层的发泡陶瓷板进入干燥辊道窑内进行烘干（见图4），表面水分散失率大于85%。使用设备干燥窑为电热型，窑内温度控制在150℃，传动速率通过变频可调控制，进出窑时间以2 min为宜。

图3 发泡陶瓷板表面装饰底层所用白色釉浆介质层

图4 施布釉浆介质层的发泡陶瓷板进行辊道窑干燥

2.3 发泡陶瓷板表面喷墨打印

干燥后，发泡陶瓷板表面釉浆介质层处于半固化状态，与发泡陶瓷板表面粘合较牢，有利于下步上机喷墨打印装饰层图案。如图5所示，所用喷墨打印机采用6色系，7排，28个赛尔喷头，墨水点喷精度控制能力强，发泡陶瓷待喷墨打印样板每组3块进入打印工作程序，进行水平打印。

图5 发泡陶瓷板表面介质层喷墨打印

打印完成后，喷墨样板在低温下烘干，避免墨水表层水分散失过快而造成粉化，影响最终烧成图案效果。将干燥好的喷墨样板放置于温控电炉内缓慢升温至700℃，使表面装饰层烧结固化，经一定时期恒温处理后，缓慢冷却至120℃，即得到带石材装饰效果的烧成发泡陶瓷板（见图6）。

图6 喷墨打印发泡陶瓷板烧成后表面仿石材装饰效果

由图6可见，在发泡陶瓷砖体表面进行喷墨打印处理，可以得到与普通喷墨打印陶瓷砖类似的图案效果，图形、色彩稳定，对扫描仪中源图的表达准确，肉眼观察本研究制备的发泡陶瓷表面喷墨打印仿石材装饰效果逼真。

3 结果与讨论

本研究制备的发泡陶瓷质量轻、密度低至330 kg/m3，内部孔型根据进一步观察，为非贯通闭合结构，显微照片孔隙率大（见图7）。实测抗压强度和抗拉强度分别达到4.5 MPa和1.4 MPa，强度依旧保持较高。这可能因为，烧制过程中的玻璃相熔体填充了坯体孔隙，使整体结构密实，另外溶解石英和黏土等分解产物，促使莫来石晶体成长，加强了烧成后的骨架组织结构。

JG/T 511—2017规定，发泡陶瓷板的抗拉强度最小值为0.15 MPa，同时在JGJ 110—2008《建筑工程饰面砖粘结强度检验标准》中明确规定了瓷砖与墙体的粘结强度不小于0.4 MPa，因此本研究制备的发泡陶瓷板完全符合行业标准要求。经与目前市售的3种同类产品对比测试，其它发泡陶瓷板产品的抗拉强度最高只能达到0.26 MPa左右，故本产品在工程应用上具有更大的优势。

图7 发泡陶瓷板烧成后切割断面显微放大照片

上述制备的发泡陶瓷由于其良好的内部多孔封闭结构，可以看成超多组独立分割的静态近似真空层，对热流的交换传递起到了很好的阻隔作用，因此保温隔热效果显著，导热系数实测值为0.09 W/（m·K）左右。

此外，测试结果表明，上述制备的发泡陶瓷板喷墨打印后烧成的仿石材装饰表面具备良好的耐污染性，抗热震、抗釉裂性能优，在建筑外墙上中应用具有良好的耐老化性。

4 结语

（1）采用高质量的石材扫描源图，在发泡陶瓷表面的釉浆介质层上通过控制色系各喷头点墨量、打印平移速率、墨水供给量等技术参数，对发泡陶瓷表面进行装饰效果处理，烧制得到仿石发泡陶瓷板。该发泡陶瓷板整体性好、密度低至约330 kg/m3、孔隙率高、闭孔非贯通结构、透水率低、导热系数为0.09 W/（m·K），自身力学性能优，抗压强度为4.5 MPa，抗拉强度为1.4 MPa。

（2）制备的发泡陶瓷板表面喷墨打印处理装饰效果特征突出，色彩丰富、图案逼真，在建筑物围护结构外立面工程应用中可采取直接上墙、粘锚结合的作业方式，操作简便、施工安全，大块成品板既可起到外墙保温隔热作用，也可作为个性化的装饰方式，推广应用前景广阔。