喷墨渗花瓷质砖渗透材料检验方法研究*

刘 峰 马 荣 郦生永 赵 明 夏昌奎 彭小花 何周祎

(1 九江诺贝尔陶瓷有限公司 江西 九江 332200)(2 杭州诺贝尔陶瓷有限公司 杭州 311100)

2013年,杭州诺贝尔陶瓷有限公司在全国首推喷墨渗花瓷质砖产品,利用喷墨渗透墨水直接在坯体表面的瓷质面料层上印刷图案,高温烧成,抛光后制得,产品既有瓷质抛光砖的耐磨度,又有抛釉砖的表面图案效果[1]。该类产品喷墨装饰工艺分为两种:湿法喷墨和干法喷墨,其主要差异在于施加面料层的工艺不同。湿法喷墨工艺采用的是一次布料后再淋含有助色剂的面浆,而干法喷墨工艺采用的是二次布料,即在一次布料后再在砖坯上施布一层1～3 mm 的含有助色剂的干料薄层。

实际生产过程中,由于面料层要求硬度高,更耐磨,面料组成最好接近瓷质坯用配方体系,但此体系不利于墨水发色,可将面料层的配方做特殊处理,加入二氧化钛、纳米氧化硅、硅酸锆等[2]。

对于陶瓷墙地砖生产企业来说,上述产品的配方设计,试验及生产工艺控制均需完善、定型,而传统墨水及助色剂检验方法存在试样单一、损耗大、耗时长、依赖生产设备等缺陷,一定程度上限制了企业对配方、工艺改进及生产控制的快速试验研究。

为解决上述问题,笔者提出了一种新型检验方法——滴墨法,使其具有制样简单、快速,耗材耗时少等优点,可灵活运用于配方调整、工艺优化和各类渗透材料检验等过程,适用范围广。

1 检验方法

1.1 传统检验方法

现有渗透墨水及助色剂检验方法分为两种,分别是丝网印刷法及喷墨机色卡法。

丝网印刷方法沿用釉抛砖用陶瓷墨水的检验方法,取经过干燥后的生坯用丝网网板印刷墨水新样与标准样,经烧制后对比发色效果,其用于现有釉抛砖用墨水较为方便,但无法应用于面料层原料及助色剂类原料检验,适用范围有限;喷墨机色卡法主要适用于上线批试基础试验结果的验证,检测条件受限严重,不利于企业推广应用。

丝网印刷法虽然制样简单、损耗小、速度快,但人、机、环因素均会严重影响印刷及渗透过程,如布施墨水量较少,墨水的渗透过程不稳定,造成试验结果准确率较低,严重影响对试验结果的判断,达不到试验效果。喷墨机色卡法完全采用生产设备、生产环境,试验过程易与常规生产过程发生冲突,且样品损耗大,试验周期较长,样品数量及种类受限,不利于大幅度、多次更改配方、原料和修正生产工艺。

1.2 滴墨法检验方法

滴墨法的检验流程为:按一定重量份分别称取原辅材料,快速研磨机制浆,半干法压制成直径为40～55 cm 小圆饼,经100～200℃烘干,同时依据试验设计要求,配制4～6种甚至更多种墨水与助渗剂组合,在一定的试验条件下,用滴管滴1～5滴于小饼表面,再经100～200℃烘干、试烧。

通过试验分析得知,丝网印刷法中陶瓷墨水渗透深度为0.3～0.7 mm,喷墨色卡法中陶瓷墨水渗透深度不大于1 mm,由于试验条件对渗透深度影响不明显,故判定试验结果仅能通过抛光发色结果来反推墨水渗透效果。

而本方案采用滴墨方式来实现,通过提高布施在面料表面的陶瓷墨水比例,渗透深度可以达到3 mm,且墨水区吸墨量大,发色饱和,渗透过程相对稳定,墨水或助渗剂的渗透情况肉眼可见。

通过大量对比试验可知,笔者提出的滴墨法可快速实现不少于5种以上不同陶瓷墨水与面料层比例的组合的平行试验。

较于现行的检验方法,它是通过扩大试验变量从而降低试验误差率,且试验条件可控,限制较小;更进一步,它是通过大幅度修改样品性能和试样条件来推理分析墨水渗透过程,有利于理解实际生产过程中原材料及添加剂类关键原料的作用机理,分析工艺流程及参数控制,提高了生产效率。如果可以快速准确地掌握添加剂类梯度、试验面料配方原料组成、塑性、墨水渗透温度、时间及墨水性能差异等对墨水渗透试烧后发色的影响。

将丝网印刷法、喷墨机色卡法和滴墨法优缺点进行比较,如表1所示,滴墨法优势明显。

表1 三种检验方法对比

2 实际应用

通过实验验证得知,影响喷墨渗透墨水渗透深度及扩散的因素主要有面料层配方、助色剂引入量、面料工艺、施墨环境、渗透墨水性能等[3],而滴墨法囊括了除渗透墨水性能以外其他影响因数,对于墨水检测的改进做到精准控制。

2.1 添加剂及喷墨渗透墨水的进厂检验

实际操作过程中,添加剂类原料进行检验时,按一定重量份称取不同原料,组成检验载体,分别配制检验样与标准样,经球磨、制饼、滴墨、试烧,对比发色效果,其中检验助红剂类原料对比红棕墨水发色,二氧化钛类原料对比黄墨水发色,如表2为某批次助红剂原料对比结果。渗透墨水检验时,其在同一检验载体表面分别滴检验样与标准样喷墨渗透墨水,经烧制后对比墨水中心位置发色,表3为某批次黄墨水发色对比的数据。

表2 某批次助红剂原料检验数据

表3 某批次渗透墨水检验数据

由表4试验得出,由于施加纯红棕墨水的试样表面色域中心,与边缘位置色差大,造成试验结果误差大,而墨水与助渗剂比例控制在1∶5与1∶10两种误差较小,符合试验与检验需求。从试样断面来看,墨水与助渗剂为1∶10时,断面颜色过浅,影响试验及检测判定结果。

综上所述,对无特殊要求的陶瓷墨水渗透深度试验或原材料检验时,滴墨法选用陶瓷墨水:助渗剂=1∶5即可满足试验结果及精度要求。

2.2 初步研究渗透过程的影响因素

表5、表6主要是针对试样生坯体密度及放置时间对墨水渗透的影响进行试验研究。结合表5和表6来看,生坯体密度越低,对墨水的渗透效果越有利,实际过程中可通过控制面料塑性、含水率及成形压力来调整生坯体密度;而渗透时间对不同颜色的陶瓷墨水影响不同,如随时间延长,蓝、红棕色墨水的渗透深度增加,但对黑色墨水影响不大。

表5 试样生坯体密度对墨水渗透的影响(单位g/cm3)

表6 放置时间对墨水渗透的影响

表7是不同陶瓷墨水施墨先后顺序对渗透效果的影响。从表面发色色度值Lab及断面效果来看,由于陶瓷墨水渗透速度较快,按一定顺序比例施加陶瓷墨水,后施加的陶瓷墨水进入试样后会推动先印刷在试验表面的墨水往更深的位置渗透,并不会完全融合。所以,实际生产时喷头顺序会影响墨水的发色,且制品表面磨削量对成品的图案颜色也有一定影响。

表7 施墨顺序对墨水渗透的影响

2.3 面料配方添加剂引入比例研究

从表8可以得出,钛白粉A 对黄墨水发色效果的提升远大于钛白粉B,但其阻碍了红棕墨水的红色发色效果。

表8 不同钛白粉比例对墨水发色影响的试验

结合成本、生产控制、发色效果综合考虑,最终选用0.2%A+0.5%B组合比例进行试制。

笔者提出的滴墨法一方面可实现多种组成的面料与渗透墨水的组合发色;另一方面,可同时进行原辅材料的平行对比分析试验,从而快速精准地获得最优比例组合,为进一步试验或生产提供试验基础,有利于技术人员理解原辅材料对渗透墨水发色的影响机制。

3 结论

笔者提出的滴墨法具有如下优势:

(1)通过扩大试验变量法,降低了试验条件对渗透过程的影响,提高了试验精度,且渗透过程肉眼可见,便于对渗透工艺的研究,操作简单,设备投入极低。

(2)可实现多种试验面料层原料及助色剂类原料的比例组合,试验条件可控,结果可比性高,完全适用于面料层配方修正和原辅材料进料检验。

(3)解决了现有检测方法周期长、损耗大、设备投入大等各方面问题。喷墨渗花瓷质砖生产企业研发同类产品时,滴墨法更好地诠释了喷墨渗花工艺及助色剂作用机理,对快速修正坯体配方,制品装饰效果和稳定生产方面均有明显优势。

目前滴墨法试验设备尚未开发,后期可通过改良试验设备进一步完善试验方法,如研发一种恒温恒湿滴墨设备,精确控制滴墨量及墨水区大小,摒除试验环境影响,从而获得更精准的检测结果,为研发创新提供基础,为稳定生产提供技术保障。