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行业新闻

数码彩釉玻璃及喷墨打印技术现状

作者:admin 时间:2021-06-07 12:23   
引言
       彩釉玻璃又称彩色釉面玻璃,是一种在600℃烧结后得到的艺术玻璃产品。彩釉玻璃作为建筑与装饰材料在国表里已经有数十年的历史,具有美不雅观、遮光等功能,被广泛应用于建筑装饰、屋内装修等行业。传统彩釉玻璃工艺是通过丝网印刷(或辊筒机等)将无机釉料(又称油墨、低温釉料),印刷到平板玻璃表面,然后经过烘干(通常不超过200℃)、烧结(600~700℃)与钢化处理同时进行,使玻璃油墨中的无机釉料永久性烧结到玻璃表面,从而得到一种具有耐磨、耐酸碱、抗紫外线和红外线等功能的玻璃产品。该产品可以根据客户的需求设计图案,得到具有艺术效果和特殊结构功能的装饰材料。通常丝网印刷的图案较为简单,如图1所示。近年来,随着数码打印技术的成熟,数码彩釉玻璃以其图案美不雅观大方、色彩鲜艳的优势迅速在室表里装饰上得到应用,如在建筑行业将数码彩釉玻璃与 LED 技术相结合,产生了美轮美奂的艺术效果。如图2所示是装饰用数码彩釉玻璃,其图案美不雅观大方、色彩鲜艳。如图3所示是桂林万达中心,其外墙装饰采用佛山南亮生产的数码彩釉玻璃,外不雅观富丽堂皇,充满了艺术气息。
  
            图1  传统彩釉玻璃                 图2  室内装饰用数码彩釉玻璃    图3  艺术彩釉玻璃装饰的桂林万达中心
数码彩釉玻璃的特点
        随着生活水平的不休提升,人们对玻璃艺术效果的追求越来越强烈。紫外光固化(Ultraviolet,简称UV)彩色油墨与UV打印机相结合,可以在玻璃等多种基材表面打印出丰富多彩的图案。紫外光固化技术是将UV油墨喷涂到玻璃表面并在紫外光照射下快速固化。与传统的油漆装饰比拟,UV油墨可以在玻璃上进行全色系打印且结合力较好,但作为高分子树脂材料,UV 油墨在硬度、抗刮擦、耐候性等方面性能不佳。借鉴于陶瓷喷墨打印技术,将传统的丝网印刷技术与数码打印技术有机结合,开发出耐磨损、耐腐蚀、色彩丰富艳丽、耐候性极好的数码彩釉玻璃技术。随着纳米技术和数码打印技术的发展,数码彩釉玻璃打印实现了全色系打印,不仅保留了UV打印技术的优点,并且其寿命更长,抗刮擦、抗老化能力更强。
如表1所示,将数码彩釉玻璃与UV彩印玻璃的性能进行了对比。
表1 数码高温彩釉玻璃与数码低温UV彩印玻璃对比
性能 数码高温彩釉玻璃 数码低温UV彩印玻璃
固化原理 高温油墨与玻璃基材烧结结合 紫外光快速固化技术
透明度控制 可以按需调整透明度 不能实现多种图形、不同透明度的效果
是否可以在室外使用 可以作为建筑材料等在室外使用 由于UV打印不具有耐高温、附着力差等原因,在室外使用易老化
是否可以在任意环境下表露 彩釉可以在任意环境下裸露 打印面不可表露在高温、易刮擦环境中
牢固性 表面硬度达到6H 不抗刮擦
褪色、脱落标题问题 油墨与玻璃烧结为一体,不会脱落、褪色 在室外数月便开始出现褪色、脱落等标题问题
寿命 在室表里与玻璃寿命相同 在室外无法长时间使用看,室内可使用多年
耐酒精、水 无机釉料防水、酒精等 不耐酒精,潮湿环境易出现脱落等标题问题
适用材料 玻璃 玻璃、金属、陶瓷、瓦楞纸、亚克力、PE、PVC等多种材料
 
        由表1可知,比拟于一般的彩色玻璃,数码彩釉玻璃在色彩表示力、玻璃涂层的耐磨性、耐蚀性、耐候性方面具有更多优势,尤其是彩釉涂层和玻璃基体钢化烧结为一体,使得数码彩釉玻璃具有更高的结合强度,更适合于室表里的结构装饰。数码彩釉玻璃喷墨打印是将计算机存储的图文信息,经过打印装置,在计算机的控制下由喷嘴向基材玻璃表面喷射墨滴,形成所需要的文字或图案,经过烧结一次成型得到数码彩釉玻璃。由于喷墨打印技
术是利用计算机直接输出图文信息,理论上可以完全取代传统的丝网印刷和滚筒印刷工艺。比拟于后两者,数码喷墨打印具有以下优点:(1)数码喷墨打印无需制备模板,使用计算机控制设备快速喷印,可以满足个性化设计,且图像高清真实;(2)打印快捷、便当且精确;(3)经过设计特殊成分的玻璃油墨进行喷墨打印,能够吸收、反射部分太阳光热能,具有良好的遮光效果;(4)数码喷墨打印使用计算机分析自动调节出多色墨水,配色精度高、分辨率高、色彩丰富、可以打印出复杂图案的产品。
        随着工业喷墨打印技术的进步,喷墨打印精度从开始的300dpi逐渐提升到1200dpi甚至更高,其打印速度也从最初的十几平方米每小时,提高到现在的一百多平方米每小时。喷墨打印数码彩釉技术实现了复杂的色彩搭配,将艺术肖像和自然风光惟妙惟肖地呈现在彩釉玻璃上,其可见光透过率与反射效果也更好。低辐射玻璃(Low-E)是喷墨打印彩釉工艺带来的新型功能产品。
2 彩釉玻璃喷墨打印的关键技术
        数码彩釉玻璃打印作为一种新兴产业,还存在着许多技术上的难点。首先,不同于一般的陶瓷墨水,玻璃墨水较难附着于玻璃表面,故要求玻璃墨水具有较强的附着力、浸润性和快干性。其次,彩釉玻璃是在玻璃钢化的同时形成高分辨率的彩釉图案,不仅要求数码彩釉墨水打印分辨率高,并且由于玻璃的软化点温度(600℃)远低于陶瓷的烧结温度(1100℃左右),所以要求玻璃油墨在玻璃钢化处理时的以较低温度、较短时间内迅速形成耐磨、耐蚀的熔融釉层。因而数码彩釉玻璃打印设备与玻璃油墨制备的技术比陶瓷喷墨难度更大。
2.1 数码彩釉玻璃墨水
        数码喷墨打印最早使用溶剂型有机墨水,其特点是色域广、色彩丰富,但是有机墨水较难附着于玻璃上,所以印刷之前需要在玻璃表面涂上一层与玻璃有良好附着力、透明性好、易干燥的底漆。同时溶剂型墨水在干燥的过程中会排放有害物质,影响空气质量,危害人体健康。其后发展的紫外光固化墨水,是现在应用广泛的彩色喷墨有机墨水,紫外光固化是利用紫外光引发原位聚合机制,UV墨水中的光敏树脂单体和光引发剂,发生聚合、交联反应,使得UV墨水快速固化成型。但UV墨水价格比力高,且由于玻璃和树脂结合键完全不同,二者附着力一般,涂层成型后易刮花、掉落。
        数码彩釉玻璃墨水采用低熔点玻璃粉作为主体基料,再加入色料和溶剂球磨混合制成玻璃墨水。使用喷墨打印的方式,玻璃墨水在计算机的控制下喷涂于玻璃表面,待玻璃墨水干燥之后,将玻璃置于炉膛温度为680~720℃的高温炉内,在钢化处理玻璃基材的同时,使玻璃墨水涂层与玻璃基材烧结为一体。形成的玻璃釉层不仅色彩丰富逼真,同时解决了普通墨水附着力差的标题问题。
2.1.1 常见墨水的制备方法
       喷绘墨水制备的关键在于使色料在溶剂中分散稳定。目前,常见墨水的主要制备方法有分散法、溶胶-凝胶法以及反相微乳法。
(1)分散法。分散法是利用球磨法将陶瓷色料粉碎到纳米级,再加入调节剂、分散剂使色料颗粒均匀分散于墨水溶剂中,获得稳定的喷绘墨水。
(2)溶胶-凝胶法。溶胶-凝胶法是将无机物或金属醇盐作前驱体,与溶剂混合、搅拌,并进行水解、缩合化学反应,在溶液中形成稳定的透明溶胶体系,溶胶经陈化,胶粒间缓慢聚合形成三维空间网络结构的凝胶,凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。
(3)反相微乳液法。反相微乳液法是指由油、水、乳化剂、助乳剂等组成的均相体系,该体系具有高稳定性和分散性,以及透明、热力学稳定、光学上各向同性等特点。
溶胶-凝胶法制备的墨水分散稳定性好,理化性能可调节,但其制备过程复杂、固含量较低、长期放置易出现沉降现象。反相微乳法制备的墨水水溶液溶解量比力低,通常不足以制备固含量要求高的墨水。分散法凭借较低的制备成本、相对简单的制备工艺与较好的墨水颜色效果等优势,成为了现代工业批量化生产玻璃墨水的主要生产方法。分散法制备墨水工艺包括制备低温玻璃粉(软化点500~600℃)、与色料和分散剂等混合均匀、球磨等过程,最终得到颗粒均匀细小、久放不分层的玻璃墨水。
2.1.2 数码彩釉玻璃墨水的研究
        目前国表里对于数码彩釉玻璃墨水的研究报道较少,玻璃喷墨打印设备及玻璃墨水的关键技术主要掌握在以色列Dip-Tech、美国Ferro和西班牙Torrecid等公司手中。关于彩釉玻璃喷绘墨水的研究报道最早出现在1992年,Anthony C.A等公开申请了名为“陶瓷或玻璃用喷墨打印机墨水”的专利。2004年以色列的Dip-Tech公司提交了一份名为“用于陶瓷表面的墨水”的专利,该专利借鉴了陶瓷喷墨打印技术,由此奠定了喷墨打印技术在玻璃基板上的应用基础。
玻璃油墨的优异色彩表示能力以及抗磨损、抗腐蚀的优点,引起了世界各国科学家的广泛兴趣。英国曼彻斯特大学的Dearden等合成了一种有机银油墨,利用喷墨打印机可将此油墨喷涂于玻璃上。根据此原理,可开发出许多含金属的油墨,用于印刷各种基材。伊朗颜色科学与技术研究所的Maryam等利用微乳液法研制出一种含有纳米二氧化钛的自洁玻璃油墨。采用爱普生Photo P50打印机将制备的二氧化钛纳米颗粒墨水打印在显微镜玻片上,从而获得一种具有自清洁性能的玻璃样品;日本岐阜县陶瓷研究所的Obata等利用分散法制备出黄、红、蓝、黑四种颜色的陶瓷/玻璃装饰墨水,进一步奠定了彩色玻璃油墨喷墨打印的广谱性。
        国内关于玻璃油墨打印的研究起步较晚。国立清华大学化学系的Lee等利用甲醛化学还原法制备出一种分散良好的纳米银胶体水基导电油墨,使用爱普生R-210喷墨打印机在玻璃基板上进行喷墨打印,形成连续、光滑的曲线,线宽可设定为100um或更大。围绕高温玻璃油墨大陆学者相继开发了无铅玻璃油墨、水性玻璃油墨等技术,例如:李荣辉等采用Bi2O3-ZnO-B2O3系玻璃为彩釉墨水基料,以乙二醇、异丙醇和正丁醇的混合济为溶剂,使用分散法制备了无铅玻璃墨水,解决了现有的含铅玻璃墨水污染环境、危害人体健康等标题问题。为了避免有机溶剂的污染,也有人以SiO2-Bi2O3-ZnO系无铅玻璃粉为原料制备了水性黑色高温玻璃油墨,经670℃烧结,形成的玻璃薄膜具有良好的光泽度、耐酸性和抗粘性等特点。揭俊楠等以纯锐钛矿型TiO2为白色初级色料,按必然比例与低熔点玻璃、溶剂、分散剂混合,利用分散法制备了一种玻璃用喷墨打印白色无铅玻璃墨水。牟长浩使用分散法制备出一种着色力强的喷墨打印玻璃墨水,可制备出黄色、红色、蓝色、绿色、墨色以及白色等多种颜色的玻璃墨水。姚有智等使用分散法制备了一种玻璃墨水专用的铋玻璃粉体,解决了玻璃粉体因易团聚、难分散而导致墨水中颗粒半径过大、堵塞喷头等标题问题,并且储存时间可以长达数月。
但迄今为止,国内玻璃油墨多数应用于纯色图案或简单色彩搭配的彩釉玻璃,具有复杂色彩搭配和艺术效果的数码彩釉玻璃制备用玻璃油墨还是要依靠进口产品。
2.2 数码彩釉玻璃打印设备
       喷墨打印技术是一种非接触、无压力、无印版式的打印技术,其原理是在墨水泵提供的压力控制下,墨水从墨盒进入压力腔,从喷头喷出一束细小的液流,根据打印需要,控制墨滴,使其在被打印材料上形成文字或图案。喷墨打印技术可以分为连续喷墨技术(Continuous Printing,CP)和按需喷墨技术(Drop-on-demand,DOD),其中连续喷墨技术又分为二值偏转式喷墨和多值偏转式喷墨。而按需喷墨技术根据驱动方式的不同可以分为热气泡喷墨、压电喷墨、静电喷墨等技术。如图4所示为喷墨打印技术分支图。其中,比拟连续喷墨技术和热气泡喷墨技术,压电喷墨打印技术具有精度高、喷头寿命长、对墨水的求低、可以使用粘度较高的玻璃墨水进行喷涂、对墨滴控制力好、打印分辨率高等优点,因此是市面上应用最为广泛的喷墨打印技术。
 
图4 喷墨打印技术分支图
2.2.1 喷头压电喷墨技术
        压电喷墨技术是通过电脉冲信号驱动压电陶瓷元件使其体积发生瞬间变化,进而影响腔室的体积,腔室体积瞬间增大或缩小所产生的负压或正压,促使油墨从喷孔回缩或喷出,压电晶体的变形量控制喷墨量的多少。压电喷墨技术分为压缩性压电喷墨技术、弯曲型压电喷墨技术、剪切型压电喷墨技术与推进型压电喷墨技术不同结构的压电喷墨喷头如图5所示。压电喷墨打印技术具有定位准确、墨滴小、精度高等优势,在现代工业喷墨打印领域得到了广泛的应用。以色列Dip-Tech和中国越达彩印等企业生产的高温彩釉玻璃打印机均采用压电喷墨技术。
  
图5    不同结构的压电喷墨喷头
2.2.2数码彩釉玻璃设备发展现状
        IBM公司在1976研发出了世界上第一台商业喷墨打印机并将其与计算机配合使用。随后赛尔科技推出XAAR1001系列数码陶瓷技术喷头、精工爱普生推出的第五代数码压电喷头,喷墨打印技术的精度和稳定性得到了飞速发展。在此基础上发展的数码UV打印机可在金属、PVC、陶瓷等基材表面进行喷墨打印。以色列的Dip-Tech公司是第一家进行数码彩釉玻璃打印的公司,至今仍是数码彩釉玻璃技术的领导者。
在国内,艺术彩釉玻璃的出现,很快成为建筑玻璃制造领域的热点。中国企业目前采用进口打印机和进口油墨制备的艺术彩釉玻璃已经广泛应用于现代建筑装饰中,并形成了较大的市场规模。以此产业发展为契机,国内一些做陶瓷喷墨打印设备的企业,也积极研发用于彩釉玻璃的数码打印设备。但国产数码彩釉玻璃打印机在打印速度、精度、喷绘宽幅等关键技术性能上与国外数码彩釉玻璃打印机仍有必然差距。此外,数码打印玻璃墨水在稳定性、色彩表示力、打印设备与喷印墨水的匹配等关键标题问题,也需国内相关企业与研发机构投入更多研发费用和人力资源协同解决。
结束语
        数码彩釉玻璃打印技术凭借其全数字印刷、作业时间短、灵活性强、图案质量高等优点,成为玻璃彩印行业的热点。越来越多的建筑装潢采用耐蚀、耐候性更强的数码彩釉玻璃。
        值得指出的是,陶瓷喷墨打印技术与数码彩釉玻璃打印技术看起来很相似,但其技术核心却无法简单移植。积累,在陶瓷喷墨打印机、陶瓷喷墨墨水方面已经形成了成熟的产业链条。值得指出的是,陶瓷喷墨打印技术与数码彩釉玻璃打印技术看起来很相似,但其技术核心却无法简单移植。例如陶瓷喷墨墨水的使用温度是1100 ℃左右,而数码彩釉打印所用低温无铅玻璃油墨不仅要求烧结温度与基体玻璃钢化温度(680 ℃)一致,并且还要具有较好的耐蚀、耐磨性能;与陶瓷素坯不同,被打印的玻璃基材不吸水,为了保证喷印图案的精度,要求玻璃油墨不能像陶瓷喷墨打印墨水一样稀,而高的黏度又容易导致数码彩釉打印设备喷头堵塞等技术难题。
        数码彩釉玻璃喷墨技术高度集成了数字控制、图像处理、新材料等多学科技术,我国在玻璃油墨的系统化生产开发、喷头的设计制造、数码彩釉玻璃打印设备的数字控制系统等方面还有必然差距,通过产学研用多学科协同创新是解决标题问题的最佳途径,需要中国玻璃制造业、装备制造业与科研机构一起为打造出类似佛山陶瓷喷墨产品的产业集群而携手努力。
本文转载自《建筑玻璃与工业玻璃》微信公众号