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陶瓷喷墨打印技术的困境与出路

2012-04-24  来源:中国喷墨网  浏览:8988  0人参与评论
摘要: 目前各大陶瓷生产企业纷纷推出别具特色的陶瓷喷墨打印产品,尤其是凹凸面的高清晰喷墨打印陶瓷砖,令人耳目一新。毫无疑问,喷墨打印技术的春天已经到来!

 

    陶瓷色料的发色效果主要取定于微观结构,即离子的结构、电价、半径、配位数及离子间相互极化。陶瓷色料的着色主要可分成三大类:晶体着色,离子着色和胶体着色。其中晶体着色最稳定,如刚玉型的铬铝红,金红石型的钒锡黄,锆英石型的钒锆蓝,尖晶石型的钴铁铬铝黑,石榴石型的维多利亚绿等等。在陶瓷色料结构体系中,尖晶石型陶瓷色料的晶体结构致密,发色稳定,气氛敏感度小,特别是高温稳定性和化学稳定性好,其饱和度随着细度降低反而增大,如钴蓝系列、棕黄系列和黑色系列。因此,陶瓷墨水最好选择尖晶石等结构类型的陶瓷色料。对于深红色或鲜红色的墨水,如果一味研究包裹色料可能很难找到解决方案,可以尝试研制固溶体型晶格取代的鲜红色亚微米级色料。

 

    因此,对于陶瓷墨水用纳米着色剂发色机理的研究非常重要。通过分析现有的英文资料,用于四色印刷青色、品红、黄色、黑色的陶瓷墨水中,每一种纳米着色剂都有其独特的发色机理。品红色主要是金纳米着色剂在烧成后产物的表面振动。当热处理温度不超过1100℃时,金纳米着色剂在基体中较为稳定,表现为强烈的品红色;热处理温度在1100℃以上时,金纳米色剂的尺寸会快速增长,导致发色的明度L*值下降,甚至出现颜色参数向黄色的细微转变。可以利用银纳米着色剂和金纳米色剂的相互包裹、其他着色剂替代金纳米着色剂等方法制备品红色陶瓷墨水,降低成本。青色墨水的发色可以通过Co2+的染色。有证据表明Co2+主要以六配位的形式溶解在玻璃相中,在硅酸盐和硼硅酸盐玻璃中能显着地提高可见光在14000-17000cm-1光谱范围的吸收。陶瓷墨水在热处理后通过XRD分析,既不能探测出CoAl2O4尖晶石,也不能探测出Co的晶相。墨水发色效果与六配位的Co2+离子一致,主要集中于19000cm-1的光谱宽带,可能是乙二醇和金属有机物的共同作用。一旦墨水被用于各种陶瓷质基体,所有发色光谱表现出彼此类似的光谱,不依赖于钴有机物的稳定性和基体物质的种类,这同传统微米级CoAl2O4发色效果完全不同。由于四配位Co2+的转变,传统微米级CoAl2O4展现出期望的15000cm-1-18000cm-1光谱宽带。黄色墨水的发色,则是将Cr、Cd掺杂进入纳米氧化钛中,随着氧化钛从锐钛矿晶型转变为金红石晶型、晶体尺寸的增长,Cr3+引起能带状结构的改变,从而提高了对蓝光的吸收。随着热处理的升高,黄色会褪色,这是由于氧化钛晶相的分解,以及Cr3+溶解到玻璃基质中。黑色墨水的着色,可以通过Co–O和Fe–O的电荷转移形成CoFe2O4。伴随着八面体和四面体状态Co2+的共存,结合Co2+和Fe3+多重协调作用下的d–d电子迁移,确保对可见光谱的充分吸收。随着温度的升高,CoFe2O4尖晶石的结构非常稳定,但是晶体尺寸会增大。

 

    在技术方面,除了拉线、发色的问题以外,笔者认为喷墨的多功能化、喷墨打印快速化、喷墨技术与薄板更好的结合、墨水固含量的提高、胶状化学物质的均匀分布及稳定性的提升、水性陶瓷墨水的研制、模具的设计和使用也是今后的发展方向。

 

    3、成本的问题

 

    目前陶瓷喷墨打印喷头的生产技术分别被美国的FUJIFILMDi-matix“北极星”、英国的XAAR“赛尔”、日本的Konica和精工SPT所垄断,导致喷头的成本占到了喷墨打印机的70%以上。目前国内陶瓷喷墨打印机有一百多台,每台陶瓷喷墨打印机按照均价200万元计算,每台喷墨机喷头占70%的成本,国内陶瓷喷头市场大概1.4亿人民币;中国陶瓷喷墨打印机潜在市场容量在3000台左右,每台陶瓷喷墨打印机按照均价200万元计算,每台喷墨机喷头占70%的成本,未来国内陶瓷喷墨打印机市场大概42亿元,按照平均每三年要更换一次喷头估算,每年陶瓷喷头的消耗大概14亿元。目前,国内机械制造企业尚不具备研制出陶瓷喷头的能力,但也不排除某些国外机械制造企业通过某些国内机械制造企业,可能通过加大陶瓷喷头的孔径加工精度较低,迅速占领中国的陶瓷喷头市场,引起喷头价格的降低。

 

    2008年刚开始引入喷墨印刷技术时,墨水售价为100万/吨,而现在价格为约30万/吨。虽然价格在两年间下降了70%,但墨水的价格与普通色釉料的价格相差高达25倍。通过对相关外国陶瓷墨水专利的分析,可以发现墨水的原材料成本、生产成本并不高,主要是由于技术的垄断,导致价格偏高。针对国内陶瓷墨水的市场需求,按照80亿平方米瓷砖年产量,其中喷墨打印占30%目前意大利、西班牙陶瓷砖中的喷墨产品占30%左右,陶瓷砖单位面积墨水用量10g/m2计算,陶瓷墨水的使用量约为2.4万吨。陶瓷墨水按均价30万元/吨估算,国内陶瓷墨水市场销售额可达72亿元人民币。目前国内陶瓷喷墨打印机有一百多台,每台陶瓷喷墨打印机一年消耗陶瓷喷墨打印墨水8吨,每吨按约价30万/吨计算,国内陶瓷墨水市场大概2.4亿人民币;中国陶瓷喷墨打印机潜在市场容量在3000台左右,每台陶瓷喷墨打印机一年消耗陶瓷喷墨打印墨水8吨,每吨售价约30万/吨,未来国内陶瓷墨水市场大概72亿元。不管是按照哪一种算法,中国陶瓷墨水潜在的经济效益都非常巨大。

 

    目前国内陶瓷喷墨打印工艺的成本主要在于喷墨打印设备的高额采购成本和维护费用,而一平方米陶瓷砖,按照单位面积墨水用量10g/m2,墨水均价30万元/吨估算,墨水的成本只有3元左右,同普通色料的成本相近。如果陶瓷墨水的价格能降低到15万/吨,其成本将达到普通色料成本的二分之一。可以预见在不远的将来,陶瓷色釉料行业很可能重新洗牌。

 

    4、管理模式的问题

 

    柯达的没落与破产,不是因为创新不够,而是由于新产品管理模式的欠缺。柯达是数码相机这一颠覆性创新的发明者和专利持有者,而且还是美国宇航局数码摄像技术的提供者,却由于胶卷部门对于数码相机部门的打压,导致其公司在数码相机行业远远落后于佳能、尼康等竞争对手,最终申请破产保护。以柯达为前车之鉴,不难发现一些陶瓷生产企业内部也存在着研发部门和生产部门之间、研发部门内部的博弈,因为一些利益关系,影响新产品的开发、生产、市场推广以及销售。笔者认为相关企业可以借鉴宝洁的产品经理模式,让某一新产品脱离原有体系,赋予其足够的财力、物品、人才等战略资源,让项目经理对整个项目有控制权,并负全责。

 

    5、颠覆性商业模式的问题

 

    年产值千亿元规模的建筑卫生陶瓷行业2011年建筑卫生陶瓷工业总产值3861亿元,其发展依托于年产值万亿规模的房地产行业2011年全国房地产行业开发投资61740亿元。在住宅地产低迷的情况下,建筑卫生陶瓷企业需要通过颠覆性商业模式来拓展新市场,方向有两个:一个是针对商业地产的个性化解决方案,一个是建筑陶瓷功能化。

 

    陶瓷喷墨打印技术与现有的装饰手段相比具有诸多不可比拟的优势,实际生产中更倾向于其图案的高分辨率、能够凹凸打印的功能,却忽视了其个性化设计与制造的特点,即多种图案小批量的陶瓷制品生产。可以针对商业地产开发商、住宅房地产开发商、设计机构、着名设计师推出陶瓷砖的个性化整体解决方案。比如建筑需要什么样的独特效果,就可以根据其设计稿提供个性化的产品、针对开发商提供带有其Logo、宣传标志及提醒标志的陶瓷砖产品、针对地铁车站等公共场合推出喷墨打印的薄板壁画等产品。

 

    为了防止幕墙玻璃自爆坠落等事故的发生,上海市政府常务会议审议通过了《上海市建筑玻璃幕墙管理办法》,此管理办法已于2012年2月1日开始施行。今后在上海市,T形路口正对直线路段的建筑物将禁止采用玻璃幕墙;住宅、医院门诊急诊楼和病房楼、中小学校教学楼、托儿所、幼儿园、养老院的二层以上建筑物禁止采用玻璃幕墙。而其他省市也在纷纷酝酿防止幕墙玻璃自爆坠落事故发生的管理办法。笔者认为《上海市建筑玻璃幕墙管理办法》的出台,将诞生一个巨大的建筑陶瓷薄板幕墙市场,陶瓷喷墨与陶瓷薄板的结合很可能是陶瓷喷墨打印技术一个较好的出路。

 

    笔者多次撰文阐述建筑陶瓷功能化的现状与趋势,并且认为在陶瓷行业装饰效果竞争惨烈的背景下,建筑陶瓷功能化是建筑陶瓷行业未来的发展方向之一。可能很多人知道意大利的Col-orobbia公司生产陶瓷喷墨打印墨水,却不知道Colorobbia已经推出了具有高效杀菌、去污、自洁功能的商品化纳米TiO2,甚至有能力推出功能化的陶瓷墨水。陶瓷装饰墨水中着色剂的粒度已经接近纳米尺寸,具有一些常规尺寸材料所不具备的新特性。可以针对家庭、实验室、公共洗手间、医院等特定市场,开发出红外辐射陶瓷砖、抗静电陶瓷砖、自洁陶瓷砖、抗菌陶瓷砖等产品。


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