【陶瓷色料和浆料——溶胶–凝胶法制备陶瓷喷墨打印用镨锆黄色料】

徐晓虹，管晓敏，吴建锋，张  晨，桑  榆，刘  星 
(武汉理工大学，硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430000)

摘  要：陶瓷喷墨打印技术以其独特的优点已成为各国研究的热点。目前国内喷墨打印用色料的研究存在黄色等色料发色不纯正的问题。采用溶胶–凝胶法，通过正交试验，制备了颜色纯正的镨掺杂硅酸锆黄色料粉体。通过 CIE L*a*b*系统研究样品的色度，确定优化的制备条件为：镨掺量 3%、pH 值 3、水浴温度 70℃，较优样品亮度值 L*为90.37，绿度值 a*为–0.33， 黄度值 b*为 40.50。红绿度值趋近于0(–0.33)，即红绿色对黄色呈色影响最低，黄色纯正。样品的主晶相为硅酸锆，含有少 量的 β-石英和单斜氧化锆。色料晶粒尺寸为 62 nm，形貌呈四方体，晶格条纹清晰，晶体生长发育良好，镨离子取代了硅酸锆晶格中的锆离子。墨水装饰效果评价表明控制镨掺量、pH 值及反应温度可获得发色纯正的镨锆黄色料以及发色纯正釉面的效果。

关键词：陶瓷喷墨打印；镨锆黄色料；溶胶–凝胶法

中图分类号：TQ628.5   文献标志码：A   

文章编号：0454–5648(2017)06–0855–08

网络出版时间：2017–05–02  14:41:19       

网络出版地址：

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2310.TQ.20170502.1441.016.html

收稿日期：2016–10–21。

修订日期：2017–01–02。

基金项目：国家“863”计划(2012AA06A109-2)资助。

第一作者：徐晓虹(1963—)，女，博士，教授。

前言

       喷墨打印是继丝网印刷和滚筒印刷后的“第 3 次陶瓷装饰技术改革”，其对使用的陶瓷色料有更 高的要求^[1]。为确保陶瓷墨水的稳定性及喷墨时的连续性，要求用于配制墨水的色料平均粒径小于 1 μm^[2]，小于 200 nm 更佳；而目前国内市售陶瓷色料均粒径普遍为微米级、且发色也不够纯正(如黄色、大红、黑色、纯白色等色料)。因此，制备超细的发色纯正陶瓷色料对喷墨打印装饰技术的国产化应用具有重要意义。

1961 年，国外学者申请了镨锆黄色料专利。Kar 等^[3]以 ZrO₂为锆源、SiO₂为硅源、Pr₆O₁₁为成 色基、NaF 为矿化剂，通过固相法制备镨锆黄色料。结果表明：NaF 的最佳添加量为 5%。林蔚等^[4]以 V2O5为成色基、ZrO2为载色母体制备钒锆黄色料，研究发现：在氧化气氛下V2O5与ZrO2质量比为5:95 时，黄色色料最纯正，最佳样品 b*值为 28.83，a*值为–1.3。刘闰源等^[5]以 ZrOCl₂·8H₂O、Na₂SiO₃·5H₂O、PrCl₃为原料，LiF+CaF₂为矿化剂，通过煅烧沉淀法制备镨锆黄色，研究发现：Zr(OH)₄⁺ Si(OH)₄:PrCl₃:LiF:CaF₂=112.25:7.27:0.26:1.95时，镨锆黄色料呈色最佳，最佳样品的中位粒径 D₅₀为 0.41 μm，b*值为 40.04，a*值为–4.88。近年来，国外在制备墨水的技术上日趋成熟，国内在墨水的研究上虽然已取得较大进展，但某些色料的发色仍不理想，如合成的纳米级黄色色料的黄度值不高。

Pr-ZrSiO₄黄色料(镨锆黄)因呈色鲜明亮丽、高温稳定性优异，已成为陶瓷工业中最为广泛应用的色料之一^[6]。以 Zr(NO₃)₂·5H₂O、Si(OC₂H₅)₄和Pr₆O₁₁为原料，采用溶胶–凝胶法制备镨锆黄色料，通过正交试验确定样品的优化的制备条件。对镨锆黄色料的结构与性能进行了表征。

结论

1) 以氧化镨、硝酸锆、正硅酸四乙酯为原料，采用溶胶–凝胶法及热处理可制备陶瓷喷墨打印用镨锆黄色料粉体。溶胶–凝胶法中 pH 值为关键影响因素，镨掺量为重要影响因素，温度为一般影响因素。最佳实验方案是镨掺量为 3%、pH 值 为 3 及反应温度为 70 ℃。较优样品 B1 黄度最佳，b*值 40.50，发色纯正。晶粒 61.6 nm，结晶度达 92.6%。主晶相为硅酸锆，含有少量的 β-石英和单斜氧化锆。

2) 呈色性分析表明：并非镨掺量越高越黄，应控制适当的湿化学反应条件尤其是 pH 值，以及色料合成热处理温度，为降低色料合成热处理温度， 添加矿化剂促进生成硅酸锆是必要的。

3) 镨锆黄色料为单晶硅酸锆晶粒呈四方形，晶格条纹清晰，晶体生长发育良好，样品中不同方向或有畸变的晶格条纹，表明 Pr⁴⁺取代 Zr⁴⁺进入硅酸锆晶格，制备了陶瓷喷墨打印用黄色纯正的镨锆黄色料粉体。

4) 墨水的装饰效果分析表明：随着镨锆黄色料添加量的增加，釉面黄度增加。因色料的加入，釉中出现分相，加之釉中未熔的微米级石英颗粒，釉面颜色更黄更柔和。色料的加入量不同，引起釉中分相及乳浊的效果也不同，这为陶瓷喷墨打印装饰釉面颜色的调配提供了新的途径。

文中部分图表

扩展阅读

1. 氧化铝浆料性能对喷雾干燥微珠形貌的影响

 孟轩宇¹，苏振国 ²，刘文婷¹，李世纪 ¹，杨金龙²，黄  勇 ² 
(1. 中北大学材料科学与工程学院，太原 030051；2.清华大学材料学院，新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京 100084)

摘  要：以氧化铝粉体为原料，通过改变固含量、分散剂加入量调节浆料流变性能，采用离心式喷雾干燥工艺制备出氧化铝微珠坯体，研究了固含量、分散剂加入量对氧化铝浆料流变性以及微珠坯体形貌的影响，分析了“苹果型”缺陷坯体的形成过程。结果表明：随着浆料固含量的增加，规则球形坯体数量呈现迅速增多然后缓慢减少的趋势，随着分散剂加入量的增加，规则球形坯体的数量先增多然后逐渐减少，当浆料固含量为 40%(体积分数)、分散剂加入量为 0.5(质量分数)%时，球形坯体数量的比例最高为 92.9%；“苹果型”缺陷坯体的形成受浆料固含量的影响显著，固含量为 20%时，颗粒间距为 0.549 μm，坯体中规则球形坯体仅有 14.6%，大部分是“苹果球”坯体，固含量为 40%时，颗粒间距为 0.157 μm，球形坯体比例为92.9%，仅形成少量的“苹果球”坯体，因此，固含量越低，颗粒间距越大，坯体形成过程中空洞出现的越多，导致最后形成大量的“苹果球”坯体。采用二次烧结的方法对Al₂O₃坯体进行烧成，经过 1 700 ℃烧成的Al₂O₃微珠抗压强度达到了 105.6 MPa。

关键词：喷雾干燥；球形氧化铝；浆料；黏度；形貌

中图分类号：TB32   文献标志码：A   

文章编号：0454–5648(2017)06–0863–09

收稿日期：2016–11–28。

修订日期：2017–02–23。

基金项目：国家自然科学基金(51572140)。

第一作者：孟轩宇(1991—)，男，硕士研究生。

通信作者：杨金龙(1965—)，男，博士，教授。

2. 氧化铪水基浆料的制备及流变性能

曹艳鹏 ^{1, 2, 3}，倪德伟 ^{2, 3}，周海军^{2, 3}，阚艳梅 ^{2, 3}，董绍明^{2, 3} 
(1. 上海大学材料科学与工程学院，上海 200444；2.中国科学院上海硅酸盐研究所结构陶瓷与复合材料工程研究中心，上海 200050；3. 高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室，上海 200050)

摘  要：研究了 pH 值和分散剂聚乙烯亚胺(PEI)质量分数对 HfO₂水基浆料稳定性及流变性能的影响。研究表明：PEI 作为阳离子型分散剂，在溶剂中与 H⁺结合生成[—CH₂—CH₂—NH₂⁺—]带电基团，并吸附在 HfO₂颗粒表面，使其带正电；添加 PEI 后，浆料等电点由 pH=6.2 升高至 pH=11.2；HfO₂水基浆料的黏度随 PEI 质量分数的增加而减小，但超过 0.1%时反而增大；随着浆料中 HfO₂体积分数的增加，浆料黏度呈现逐渐增大的趋势，HfO₂体积分数超过 30%时，浆料黏度增大尤为显著。通过优化工艺参数，在 pH=3、PEI 质量分数为 0.1%时，可获得HfO₂体积分数为 30%的低黏度、高稳定性的 HfO₂水基浆料。采用所制备的 HfO₂水基浆料浸渍纤维预制体，可获得 HfO₂体积分数为 15%的复合材料。

关键词：氧化铪；水基浆料；聚乙烯亚胺；流变性能

中图分类号：TQ174   文献标志码：A   

文章编号：0454–5648(2017)07–0935–06

网络出版时间：2017–05–19  06:46:59       

网络出版地址：

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2310.TQ.20170519.0646.007.html

收稿日期：2016–12–26。

修订日期：2017–01–22。

基金项目：中国科学院率先行动“百人计划”项目。

第一作者：曹艳鹏(1989―)，男，硕士研究生。

通信作者：倪德伟(1983―)，男，博士，副研究员。

3. 共聚物分散剂对氧化铁红颜料的分散作用

张勇涛 ¹，王 芳 ¹，王  幸 ¹，李孙峰¹，刘长明 ²，刘雪霆¹
(1. 合肥工业大学化学与化工学院，合肥 230009；2. 安徽好思家涂料股份有限公司，安徽蚌埠 233030)

摘  要：以顺丁烯二酸酐(MA)、丙烯酸(AA)和丙烯酸丁酯(BA)为单体，经自由基聚合反应得到 MA–AA–BA 共聚物分散剂。添加不同量分散剂于氧化铁红颜料悬浮液中，发现粉体分散性得到明显改善。考察了单体摩尔比、引发剂用量、链转移剂用量、反应时间和反应温度等因素对其分散性能的影响，优化合成工艺条件。结果表明：当 n(MA):n(AA):n(BA)摩尔比为 2:1:0.25， 反应温度为 85 ℃，引发剂过硫酸铵用量为 8%，链转移剂异丙醇用量为 20%时，合成的共聚物对氧化铁红颜料的分散性能最佳。并将聚合物分散剂应用于人造彩砂中，发现彩砂耐磨性有一定的提高。

关键词：丙烯酸；共聚物；分散剂；氧化铁红颜料

中图分类号：TQ174   文献标志码：A   

文章编号：0454–5648(2017)10–1459–08

网络出版时间：2017–07–14  11:39:01        

网络出版地址：

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2310.TQ.20170714.1139.013.html

收稿日期：2017–01–03。

修订日期：2017–04–27。

基金项目：安徽省自然科学基金(1508085MB28)资助项目。

第一作者：张勇涛(1993—)，男，硕士研究生。

通信作者：刘雪霆(1969—)，男，博士，副教授。

4. 陶瓷3D打印技术的研究与进展

李亚运，司云晖，熊信柏，邹继兆，曾燮榕
(深圳大学材料学院，深圳市特种功能材料重点实验室，深圳陶瓷先进技术工程实验室，广东 深圳 518060)

摘  要：3D 打印技术是一种新型的陶瓷成型制造工艺，它无需模具，可快速制备出形状复杂的陶瓷零部件。系统综述了 6 种现有 3D 打印技术在陶瓷制造领域的研究进展，包括三维印刷成型技术、喷射打印成型技术、激光选区烧结成型技术、光固化快速成型技术、熔化沉积成型技术以及叠层实体制造技术。重点介绍了一种新型 3D 打印方法——浆料直写成型技术， 与现有 3D 打印技术相比，直写成型技术能够在常温下、无需任何紫外光或者激光的辐射，通过简单的陶瓷原料制备出三维多孔立体精细结构，在先进陶瓷制备领域具有极大的潜力。从浆料体系、直写成型设备以及多功能应用 3 个方面详细阐述了浆料直写成型技术的研究进展。最后论述了陶瓷 3D 打印技术所具有的独特优势和面临的机遇与挑战。

关键词：陶瓷；3D 打印；浆料直写成型

中图分类号：TB321   文献标志码：A   

文章编号：0454–5648(2017)06–0793–13

网络出版时间：2017–05–02  14:40:52        

网络出版地址：

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2310.TQ.20170502.1440.007.html

收稿日期：2016–12–26。

修订日期：2017–02–13。

基金项目：

    广东省自然科学基金(2016A030310054)；

    清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室开放课题(KF201601)；

    深圳大学新引进教师科研启动项目(201604)资助。

第一作者：李亚运(1990—)，女，博士，讲师。