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數碼彩釉玻璃及噴墨打印技術現狀

作者:未知時間：2022-05-20

引言

彩釉玻璃又稱彩色釉面玻璃，是一種在600℃燒結后得到的藝術玻璃產品。彩釉玻璃作為建筑與裝飾材料在國內外已經有數十年的歷史，具有美觀、遮光等功能，被廣泛應用于建筑裝飾、屋內裝修等行業。傳統彩釉玻璃工藝是通過絲網印刷（或輥筒機等）將無機釉料（又稱油墨、低溫釉料），印刷到平板玻璃表面，然后經過烘干（通常不超過200℃)、燒結（600~700℃)與鋼化處理同時進行，使玻璃油墨中的無機釉料永久性燒結到玻璃表面，從而得到一種具有耐磨、耐酸堿、抗紫外線和紅外線等功能的玻璃產品。該產品可以根據客戶的需求設計圖案，得到具有藝術效果和特殊結構功能的裝飾材料。通常絲網印刷的圖案較為簡單，如圖1所示。近年來，隨著數碼打印技術的成熟，數碼彩釉玻璃以其圖案美觀大方、色彩鮮艷的優勢迅速在室內外裝飾上得到應用，如在建筑行業將數碼彩釉玻璃與 LED 技術相結合，產生了美輪美奐的藝術效果。如圖2所示是裝飾用數碼彩釉玻璃，其圖案美觀大方、色彩鮮艷。如圖3所示是桂林萬達中心，其外墻裝飾采用佛山南亮生產的數碼彩釉玻璃，外觀富麗堂皇，充滿了藝術氣息。

圖1 傳統彩釉玻璃圖2 室內裝飾用數碼彩釉玻璃圖3 藝術彩釉玻璃裝飾的桂林萬達中心

數碼彩釉玻璃的特點
隨著生活水平的不斷提升，人們對玻璃藝術效果的追求越來越強烈。紫外光固化（Ultraviolet,簡稱UV)彩色油墨與UV打印機相結合，可以在玻璃等多種基材表面打印出豐富多彩的圖案。紫外光固化技術是將UV油墨噴涂到玻璃表面并在紫外光照射下快速固化。與傳統的油漆裝飾相比，UV油墨可以在玻璃上進行全色系打印且結合力較好，但作為高分子樹脂材料，UV 油墨在硬度、抗刮擦、耐候性等方面性能不佳。借鑒于陶瓷噴墨打印技術，將傳統的絲網印刷技術與數碼打印技術有機結合，開發出耐磨損、耐腐蝕、色彩豐富艷麗、耐候性極好的數碼彩釉玻璃技術。隨著納米技術和數碼打印技術的發展，數碼彩釉玻璃打印實現了全色系打印，不僅保留了UV打印技術的優點，而且其壽命更長，抗刮擦、抗老化能力更強。
如表1所示，將數碼彩釉玻璃與UV彩印玻璃的性能進行了對比。

表1 數碼高溫彩釉玻璃與數碼低溫UV彩印玻璃對比

性能	數碼高溫彩釉玻璃	數碼低溫UV彩印玻璃
固化原理	高溫油墨與玻璃基材燒結結合	紫外光快速固化技術
透明度控制	可以按需調整透明度	不能實現多種圖形、不同透明度的效果
是否可以在室外使用	可以作為建筑材料等在室外使用	由于UV打印不具有耐高溫、附著力差等原因，在室外使用易老化
是否可以在任意環境下暴露	彩釉可以在任意環境下裸露	打印面不可暴露在高溫、易刮擦環境中
牢固性	表面硬度達到6H	不抗刮擦
褪色、脫落問題	油墨與玻璃燒結為一體，不會脫落、褪色	在室外數月便開始出現褪色、脫落等問題
壽命	在室內外與玻璃壽命相同	在室外無法長時間使用看，室內可使用多年
耐酒精、水	無機釉料防水、酒精等	不耐酒精，潮濕環境易出現脫落等問題
適用材料	玻璃	玻璃、金屬、陶瓷、瓦楞紙、亞克力、PE、PVC等多種材料

由表1可知，相比于一般的彩色玻璃，數碼彩釉玻璃在色彩表現力、玻璃涂層的耐磨性、耐蝕性、耐候性方面具有更多優勢，尤其是彩釉涂層和玻璃基體鋼化燒結為一體，使得數碼彩釉玻璃具有更高的結合強度，更適合于室內外的結構裝飾。數碼彩釉玻璃噴墨打印是將計算機存儲的圖文信息，經過打印裝置，在計算機的控制下由噴嘴向基材玻璃表面噴射墨滴，形成所需要的文字或圖案，經過燒結一次成型得到數碼彩釉玻璃。由于噴墨打印技
術是利用計算機直接輸出圖文信息，理論上可以完全取代傳統的絲網印刷和滾筒印刷工藝。相比于后兩者，數碼噴墨打印具有以下優點：（1)數碼噴墨打印無需制備模板，使用計算機控制設備快速噴印，可以滿足個性化設計，且圖像高清真實；（2)打印快捷、方便且精確；（3)經過設計特殊成分的玻璃油墨進行噴墨打印，能夠吸收、反射部分太陽光熱能，具有良好的遮光效果；（4)數碼噴墨打印使用計算機分析自動調節出多色墨水，配色精度高、分辨率高、色彩豐富、可以打印出復雜圖案的產品。
隨著工業噴墨打印技術的進步，噴墨打印精度從開始的300dpi逐漸提升到1200dpi甚至更高，其打印速度也從最初的十幾平方米每小時，提高到現在的一百多平方米每小時。噴墨打印數碼彩釉技術實現了復雜的色彩搭配，將藝術肖像和自然風光惟妙惟肖地呈現在彩釉玻璃上，其可見光透過率與反射效果也更好。低輻射玻璃（Low-E)是噴墨打印彩釉工藝帶來的新型功能產品。
2 彩釉玻璃噴墨打印的關鍵技術
數碼彩釉玻璃打印作為一種新興產業，還存在著許多技術上的難點。首先，不同于一般的陶瓷墨水，玻璃墨水較難附著于玻璃表面，故要求玻璃墨水具有較強的附著力、浸潤性和快干性。其次，彩釉玻璃是在玻璃鋼化的同時形成高分辨率的彩釉圖案，不僅要求數碼彩釉墨水打印分辨率高，而且由于玻璃的軟化點溫度（600℃)遠低于陶瓷的燒結溫度（1100℃左右），所以要求玻璃油墨在玻璃鋼化處理時的以較低溫度、較短時間內迅速形成耐磨、耐蝕的熔融釉層。因而數碼彩釉玻璃打印設備與玻璃油墨制備的技術比陶瓷噴墨難度更大。
2.1 數碼彩釉玻璃墨水
數碼噴墨打印最早使用溶劑型有機墨水，其特點是色域廣、色彩豐富，但是有機墨水較難附著于玻璃上，所以印刷之前需要在玻璃表面涂上一層與玻璃有良好附著力、透明性好、易干燥的底漆。同時溶劑型墨水在干燥的過程中會排放有害物質，影響空氣質量，危害人體健康。其后發展的紫外光固化墨水，是現在應用廣泛的彩色噴墨有機墨水，紫外光固化是利用紫外光引發原位聚合機制，UV墨水中的光敏樹脂單體和光引發劑，發生聚合、交聯反應，使得UV墨水快速固化成型。但UV墨水價格比較高，且由于玻璃和樹脂結合鍵完全不同，二者附著力一般，涂層成型后易刮花、掉落。
數碼彩釉玻璃墨水采用低熔點玻璃粉作為主體基料，再加入色料和溶劑球磨混合制成玻璃墨水。使用噴墨打印的方式，玻璃墨水在計算機的控制下噴涂于玻璃表面，待玻璃墨水干燥之后，將玻璃置于爐膛溫度為680~720℃的高溫爐內，在鋼化處理玻璃基材的同時，使玻璃墨水涂層與玻璃基材燒結為一體。形成的玻璃釉層不僅色彩豐富逼真，同時解決了普通墨水附著力差的問題。
2.1.1 常見墨水的制備方法
噴繪墨水制備的關鍵在于使色料在溶劑中分散穩定。目前，常見墨水的主要制備方法有分散法、溶膠－凝膠法以及反相微乳法。
（1)分散法。分散法是利用球磨法將陶瓷色料粉碎到納米級，再加入調節劑、分散劑使色料顆粒均勻分散于墨水溶劑中，獲得穩定的噴繪墨水。
（2)溶膠－凝膠法。溶膠－凝膠法是將無機物或金屬醇鹽作前驅體，與溶劑混合、攪拌，并進行水解、縮合化學反應，在溶液中形成穩定的透明溶膠體系，溶膠經陳化，膠粒間緩慢聚合形成三維空間網絡結構的凝膠，凝膠網絡間充滿了失去流動性的溶劑。凝膠經過干燥、燒結固化制備出分子乃至納米亞結構的材料。
（3)反相微乳液法。反相微乳液法是指由油、水、乳化劑、助乳劑等組成的均相體系，該體系具有高穩定性和分散性，以及透明、熱力學穩定、光學上各向同性等特點。
溶膠－凝膠法制備的墨水分散穩定性好，理化性能可調節，但其制備過程復雜、固含量較低、長期放置易出現沉降現象。反相微乳法制備的墨水水溶液溶解量比較低，通常不足以制備固含量要求高的墨水。分散法憑借較低的制備成本、相對簡單的制備工藝與較好的墨水顏色效果等優勢，成為了現代工業批量化生產玻璃墨水的主要生產方法。分散法制備墨水工藝包括制備低溫玻璃粉（軟化點500~600℃)、與色料和分散劑等混合均勻、球磨等過程，最終得到顆粒均勻細小、久放不分層的玻璃墨水。
2.1.2 數碼彩釉玻璃墨水的研究
目前國內外對于數碼彩釉玻璃墨水的研究報道較少，玻璃噴墨打印設備及玻璃墨水的關鍵技術主要掌握在以色列Dip-Tech、美國Ferro和西班牙Torrecid等公司手中。關于彩釉玻璃噴繪墨水的研究報道最早出現在1992年，Anthony C.A等公開申請了名為“陶瓷或玻璃用噴墨打印機墨水”的專利。2004年以色列的Dip-Tech公司提交了一份名為“用于陶瓷表面的墨水”的專利，該專利借鑒了陶瓷噴墨打印技術，由此奠定了噴墨打印技術在玻璃基板上的應用基礎。
玻璃油墨的優異色彩表現能力以及抗磨損、抗腐蝕的優點，引起了世界各國科學家的廣泛興趣。英國曼徹斯特大學的Dearden等合成了一種有機銀油墨，利用噴墨打印機可將此油墨噴涂于玻璃上。根據此原理，可開發出許多含金屬的油墨，用于印刷各種基材。伊朗顏色科學與技術研究所的Maryam等利用微乳液法研制出一種含有納米二氧化鈦的自潔玻璃油墨。采用愛普生Photo P50打印機將制備的二氧化鈦納米顆粒墨水打印在顯微鏡玻片上，從而獲得一種具有自清潔性能的玻璃樣品；日本岐阜縣陶瓷研究所的Obata等利用分散法制備出黃、紅、藍、黑四種顏色的陶瓷／玻璃裝飾墨水，進一步奠定了彩色玻璃油墨噴墨打印的廣譜性。
國內關于玻璃油墨打印的研究起步較晚。國立清華大學化學系的Lee等利用甲醛化學還原法制備出一種分散良好的納米銀膠體水基導電油墨，使用愛普生R-210噴墨打印機在玻璃基板上進行噴墨打印，形成連續、光滑的曲線，線寬可設定為100um或更大。圍繞高溫玻璃油墨大陸學者相繼開發了無鉛玻璃油墨、水性玻璃油墨等技術，例如：李榮輝等采用Bi₂O₃-ZnO-B₂O₃系玻璃為彩釉墨水基料，以乙二醇、異丙醇和正丁醇的混合濟為溶劑，使用分散法制備了無鉛玻璃墨水，解決了現有的含鉛玻璃墨水污染環境、危害人體健康等問題。為了避免有機溶劑的污染，也有人以SiO₂-Bi₂O₃-ZnO系無鉛玻璃粉為原料制備了水性黑色高溫玻璃油墨，經670℃燒結，形成的玻璃薄膜具有良好的光澤度、耐酸性和抗粘性等特點。揭俊楠等以純銳鈦礦型TiO₂為白色初級色料，按一定比例與低熔點玻璃、溶劑、分散劑混合，利用分散法制備了一種玻璃用噴墨打印白色無鉛玻璃墨水。牟長浩使用分散法制備出一種著色力強的噴墨打印玻璃墨水，可制備出黃色、紅色、藍色、綠色、墨色以及白色等多種顏色的玻璃墨水。姚有智等使用分散法制備了一種玻璃墨水專用的鉍玻璃粉體，解決了玻璃粉體因易團聚、難分散而導致墨水中顆粒半徑過大、堵塞噴頭等問題，并且儲存時間可以長達數月。
但迄今為止，國內玻璃油墨多數應用于純色圖案或簡單色彩搭配的彩釉玻璃，具有復雜色彩搭配和藝術效果的數碼彩釉玻璃制備用玻璃油墨還是要依靠進口產品。
2.2 數碼彩釉玻璃打印設備
噴墨打印技術是一種非接觸、無壓力、無印版式的打印技術，其原理是在墨水泵提供的壓力控制下，墨水從墨盒進入壓力腔，從噴頭噴出一束細小的液流，根據打印需要，控制墨滴，使其在被打印材料上形成文字或圖案。噴墨打印技術可以分為連續噴墨技術（Continuous Printing,CP)和按需噴墨技術（Drop-on-demand,DOD),其中連續噴墨技術又分為二值偏轉式噴墨和多值偏轉式噴墨。而按需噴墨技術根據驅動方式的不同可以分為熱氣泡噴墨、壓電噴墨、靜電噴墨等技術。如圖4所示為噴墨打印技術分支圖。其中，相比連續噴墨技術和熱氣泡噴墨技術，壓電噴墨打印技術具有精度高、噴頭壽命長、對墨水的求低、可以使用粘度較高的玻璃墨水進行噴涂、對墨滴控制力好、打印分辨率高等優點，因此是市面上應用最為廣泛的噴墨打印技術。

圖4 噴墨打印技術分支圖

2.2.1 噴頭壓電噴墨技術

壓電噴墨技術是通過電脈沖信號驅動壓電陶瓷元件使其體積發生瞬間變化，進而影響腔室的體積，腔室體積瞬間增大或縮小所產生的負壓或正壓，促使油墨從噴孔回縮或噴出，壓電晶體的變形量控制噴墨量的多少。壓電噴墨技術分為壓縮性壓電噴墨技術、彎曲型壓電噴墨技術、剪切型壓電噴墨技術與推進型壓電噴墨技術不同結構的壓電噴墨噴頭如圖5所示。壓電噴墨打印技術具有定位準確、墨滴小、精度高等優勢，在現代工業噴墨打印領域得到了廣泛的應用。以色列Dip-Tech和中國越達彩印等企業生產的高溫彩釉玻璃打印機均采用壓電噴墨技術。

圖5 不同結構的壓電噴墨噴頭

2.2.2數碼彩釉玻璃設備發展現狀
IBM公司在1976研發出了世界上第一臺商業噴墨打印機并將其與計算機配合使用。隨后賽爾科技推出XAAR1001系列數碼陶瓷技術噴頭、精工愛普生推出的第五代數碼壓電噴頭，噴墨打印技術的精度和穩定性得到了飛速發展。在此基礎上發展的數碼UV打印機可在金屬、PVC、陶瓷等基材表面進行噴墨打印。以色列的Dip-Tech公司是第一家進行數碼彩釉玻璃打印的公司，至今仍是數碼彩釉玻璃技術的領導者。
在國內，藝術彩釉玻璃的出現，很快成為建筑玻璃制造領域的熱點。中國企業目前采用進口打印機和進口油墨制備的藝術彩釉玻璃已經廣泛應用于現代建筑裝飾中，并形成了較大的市場規模。以此產業發展為契機，國內一些做陶瓷噴墨打印設備的企業，也積極研發用于彩釉玻璃的數碼打印設備。但國產數碼彩釉玻璃打印機在打印速度、精度、噴繪寬幅等關鍵技術性能上與國外數碼彩釉玻璃打印機仍有一定差距。此外，數碼打印玻璃墨水在穩定性、色彩表現力、打印設備與噴印墨水的匹配等關鍵問題，也需國內相關企業與研發機構投入更多研發費用和人力資源協同解決。
結束語
數碼彩釉玻璃打印技術憑借其全數字印刷、作業時間短、靈活性強、圖案質量高等優點，成為玻璃彩印行業的熱點。越來越多的建筑裝潢采用耐蝕、耐候性更強的數碼彩釉玻璃。
值得指出的是，陶瓷噴墨打印技術與數碼彩釉玻璃打印技術看起來很相似，但其技術核心卻無法簡單移植。積累，在陶瓷噴墨打印機、陶瓷噴墨墨水方面已經形成了成熟的產業鏈條。值得指出的是,陶瓷噴墨打印技術與數碼彩釉玻璃打印技術看起來很相似,但其技術核心卻無法簡單移植。例如陶瓷噴墨墨水的使用溫度是1100 ℃左右,而數碼彩釉打印所用低溫無鉛玻璃油墨不僅要求燒結溫度與基體玻璃鋼化溫度(680 ℃)一致，而且還要具有較好的耐蝕、耐磨性能;與陶瓷素坯不同，被打印的玻璃基材不吸水，為了保證噴印圖案的精度，要求玻璃油墨不能像陶瓷噴墨打印墨水一樣稀，而高的黏度又容易導致數碼彩釉打印設備噴頭堵塞等技術難題。
數碼彩釉玻璃噴墨技術高度集成了數字控制、圖像處理、新材料等多學科技術，我國在玻璃油墨的系統化生產開發、噴頭的設計制造、數碼彩釉玻璃打印設備的數字控制系統等方面還有一定差距,通過產學研用多學科協同創新是解決問題的最佳途徑，需要中國玻璃制造業、裝備制造業與科研機構一起為打造出類似佛山陶瓷噴墨產品的產業集群而攜手努力。

本文轉載自《建筑玻璃與工業玻璃》微信公眾號

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作者:未知 時間：2022-05-20

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