喷墨印刷是数字驱动、非接触、高清晰度的方法印刷图案或图像到一个广泛的底物。越来越多的应用,如瓷砖装饰的首选方法,它提供了实质性的好处比传统流程模式的灵活性,更高的图像定义,减少浪费和更好的自动化。

然而,实现这些改进依赖于制定喷墨油墨表现出理想的流变行为在不同条件下经历了在印刷过程中。油墨必须稳定在低剪切应力,应用存储,同时会议期间严格的流动和转移性能目标极高剪切率内产生喷墨打印头。内的大小和浓度分散颜料墨水,和液体粘度的基地,必须仔细考虑控制配方流变学和实现理想的完成。

本文讨论的趋势陶瓷喷墨打印和演示了如何旋转流变仪,微流体流变仪和动态光散射(DLS)可以提供所需的流变和粒度信息成功的配方。提出了新的研究说明如何将这些技术结合在一起,使陶瓷喷墨油墨的配方所需的稳定和印刷适性的高性能印刷过程。

瓷砖的数字时代印刷

先进的灵活性,更高的图像定义和流程自动化程度提供的喷墨打印驱动的快速商业化技术在整个装饰行业完成。非接触式喷墨过程的本质(打印头不接触到衬底在任何点)使高质量的印刷甚至非表面。此外,打印头可以配置为悬浮液提供范围广泛的材料,从颜料和染料到玻璃熔块和金属粒子,它传授光学和电子性质。

这种灵活性,提高最终产品质量、过程控制和喷墨印刷提供了总体效率,过程已经取代传统的方法作为陶瓷装饰技术的选择。

访问这些性能优势依赖于工程执行最佳的油墨在印刷过程的所有阶段。陶瓷喷墨油墨必须选择喷墨系统交付,并生成所需的装饰效果在衬底上。同样重要的是他们必须稳定,剩下所有组件均匀悬浮在存储。

制定满足这些标准的程度取决于交互的组件在这些复杂的系统。这些组件包括:基地墨水携带液;粘结剂和表面活性剂;暂停颜料或染料色素。的大小和浓度的胶体色素,例如,影响最终完成的重要视觉方面,包括颜色、光泽和透明度。他们也定义方面的流程行为,如沉积的程度在打印头喷嘴,在制定和沉降趋势。确保这些多组分相互作用提供合适的粘度在相关操作条件下提出构建面临的最大挑战之一。

在打印头配方受到剪切率很高,从10⁵通过10⁶年代¹。表现良好,油墨必须具有适当的粘度(通常是低)(一般在5到25 mPa.s)有效喷气驱动和精确的微滴沉积在这些条件下。不幸的是,较低的油墨粘度不太适合保持颜料悬浮在存储在一个瓶子或供应热源。存储引力剪切应力诱导沉积,低粘度配方中更快速地进行,特别是在相对较大,茂密的颜料。优化一个墨水,因此,需要一个有条不紊的发展集中在裁剪喷墨油墨流变学在一系列不同的条件。

组装一个工具包墨水配方

要求测量油墨在广泛的剪切条件相关的不容易满足,任何单一的流变特性系统;因此有利于在配方研究中使用不同类型的流变仪。

旋转流变仪是一种最常用的技术评估粘度剪切率的范围。旋转流变仪操作,样品在测量系统的几何定义,如两个板块之间,锥和板之间,或者在一个杯子和一个鲍勃。通过控制的转动力矩和速度上几何元素,样本受到一个已知的剪切应力或剪切速率分别。样品粘度决定其中一个控制参数不同而另一种是测量,材料产生流量曲线。流量曲线通常显示为一块粘度作为应用剪切速率的函数。

现代旋转流变仪可以测试材料在一个非常广泛的剪切率,从不足1 s188金宝搏bet官网¹到1000岁以上¹。喷墨油墨,在低剪切应力测量的能力经历存储可帮助确定应对引力和墨水的沉积物倾向。许多喷墨油墨表现出非牛顿行为,粘度依赖于应用剪切应力和旋转流变仪用于测量一系列剪切率发展所需的流量曲线识别这种行为。此外,这些工具提供了精确的温度控制,允许研究人员严格探索温度如何影响样品流变学,效果可以非常明显。

不幸的是,旋转流变仪测试是有限的低粘度材料超高剪切地区,由于样本和机械固有的局限性,这可能导致流量不稳定和不可预测的粘性加热效应在高旋转速度。188金宝搏bet官网高剪切测量、微流体流变学是一个有用的、互补的技术,适合评估jetability的墨水。

微流体流变仪测量流体粘度在超高剪切率通过一个示例通过狭窄(通常为40 - 200µm)微流体通道。嵌入式定点微电子机械系统(MEMS)压力传感器测量压力的下降发生在样品通过沿着通道。这个压差之间的相关性和体积流率使样品粘度,然后制定用于构造流曲线。像旋转流变仪,microfluidic-based流变仪精确的温度控制,使研究人员范围的行为油墨的温度直接打印头内的模拟条件。这种独特的能力访问超高剪切率密切控制温度使microfluidic-based流变学有价值的技术陶瓷墨水配方。

最后,如前所述,在油墨配方颗粒的大小影响终点,印刷性能和悬浮液流变学。颗粒分级技术因此圆滑墨水配方设计师的工具包,用动态光散射通常是首选测量亚微米尺度颗粒越来越多地用于这些配方。在DLS系统中,光与胶体粒子相互作用在悬架产生散射模式。散射光的强度的相关性直接与布朗运动的速度与时间关系,然后可以用来确定粒度和粒度分布。

一个实际的例子如何结合这些技术支持墨水配方提供了下面的案例研究。

案例研究:结合分析技术来优化油墨

两个商业陶瓷喷墨油墨的粘度,A和B,测量使用旋转流变仪(Kinexus,莫尔文仪器)和微流控电流测定(m-VROCi,莫尔文仪器)。¹组合的工具使粘度的测量在应用剪切率0.5 s¹到100000年代¹。图1使用两种乐器结合收集的数据到一个单独的每个油墨流动曲线。

为样本,粘度保持相对恒定的剪切范围调查,然而,两曲线略微负梯度,暗示轻微非牛顿剪切稀化行为。这表明油墨配方有某种程度的内在结构、功能更加突出用墨水,大约22 mPa的测量粘度。1年代¹相比之下,17 mPa。在100000年代¹:一个小但在高剪切粘度显著下降利率是接近的。

评估的潜在影响变量温度相关的剪切速率条件下打印头,A和B油墨也分析了30000年代的高剪切率¹,在20°C和40°C温度范围,使用微流控电流测定(图2)。正如所料,粘度对温度成反比,油墨经验近似粘度随着温度的增加下降40%的相对温和。然而,油墨的粘度仍然在5 - 25 mPa。年代range that tends to be optimal for printing, across this temperature range.

deconvolute相对影响配方流变学的颗粒和基液的性质,暂停了颜料粒子被离心分离制定。测试基础液A和B,用旋转流变仪(图3),随后显示,在这两种情况下基液的粘度是独立的剪切率,表明牛顿行为。

基本流体粘度比原来的配方,把数据从低切高原地区,是2:1为墨墨水和1.6:1 b .这表明色素分数负责50%的整体配方粘度油墨和40%墨水b作为墨水基地完全牛顿行为,边际剪切稀化中观察到完整的油墨在高剪切率可以归因于色素的存在而不是底部。色素的估计体积分数计算作为墨水和0.15 0.21(21%)(15%)墨水b这个高体积分数或许可以解释为什么在墨水因为更高的剪切稀化更明显在悬浮固体载荷往往伴随着更大程度的非牛顿行为。

Intensity-weighted大小分布为两个色素测定使用DLS (Zetasizer纳米ZSP,莫尔文仪器)(图4)。墨水具有双峰分布的主要峰值在840 nm和424 nm的标准差,表明广泛的粒度分布。墨水B,相比之下,只有一个峰值集中在更细粒度上,207海里,87海里,标准差,更窄的分布。

A和B油墨中使用的锆石色素密度约为4600公斤/米³油墨的密度基地相比,870公斤/米³:3730公斤/米的密度差³。沉降率暂停从斯托克斯模型可以计算,或修改版本。^2、3之间的沉积率与密度差相关,悬浮颗粒和基液基液的粘度或连续相,悬浮粒子的尺寸和体积分数的礼物。对油墨沉积率计算是3.5毫米每天每天和墨水B 0.35毫米。沉降速度尺度粒子半径的平方,这就是为什么墨水B的沉降速度远远小于对墨水。

相关沉积率可控特性,比如色素大小,是至关重要的理解时如何制定一个墨水来满足处理和存储性能目标。例如,如果油墨的颜料大小是2µm而不是0.2µm,沉降速度将超过30毫米的每一天。减少每天一个更易于管理的0.35毫米,这个粒子的大小,需要增加约1000 mPa.s粘度基础。这也会导致形成粘性从打印头被水冲。这里一个非牛顿墨水会更实用,理想情况下表现出足够的高粘度暂停颗粒在低剪切率,但足够低的粘度在高剪切,以确保可接受的jetability。这样的性能是可实现的通过增加粘度的修饰符,可以非常有助于控制悬架流变学。

制定的未来发展

喷墨打印应用程序的增加在瓷砖装饰创建一个需要先进的墨水配方,工程执行优化在产品的每个阶段使用。描述的物理稳定性,打印头的兼容性和jetability油墨粘度测定的呼声在剪切率的范围到ultra-high-shear地区应用在印刷过程本身。这样的测量可以有效地结合旋转流变仪和微流控电流测定。另一方面,调整所需的粒度测量悬浮颜料的特性来满足性能目标可以访问使用DLS,尤其是nanoscale-sized颗粒越来越多被用于喷墨墨水配方。一起使用这些技术允许一个严格的和有效的方法墨水配方,使开发的高效、高品质喷墨印刷技术提供的性能。

引用

¹优化陶瓷喷墨油墨流变学,莫尔文仪器应用注释。可以在www.malvern.com上下载。

²巴恩斯H.A.胶体的流变特性和加工系统的最新进展,论文发表于1992年IChemE研究活动。

³使用Krieger-Doherty模型、莫尔文仪器技术。可以下载的www.malvern.com。