تكنولوجيا تحضير حبر السيراميك استنادا إلى متطلباته الفيزيائية الكيميائية

المقدمة

وقد ظهرت الطباعة النافثة للحبر الخزفية كتقنية ثورية ومتقدمة للزخرفة الخزفية في الآونة الأخيرة. وقد غيرت المناظر الطبيعية لزخرفة السطح السيراميكي من خلال تقديم مستوى جديد من الدقة والمرونة. وعلى النقيض من التقنيات التقليدية للطباعة على الشاشة والأسطوانة، تتميز الطباعة السيراميكية النافثة للحبر بطبيعتها الخالية من الضغط والتلامس والألواح. هذه المجموعة الفريدة من الميزات تسمح بإنشاء أنماط طبيعية واضحة للغاية على الأسطح السيراميكية. وعلاوة على ذلك، يتمتع هذا النظام بقدرة ملحوظة على إجراء الطباعة بدون تلامس، متجاوزًا بفاعلية القيود التي تفرضها الأسطح المستوية في الطرق التقليدية بالإضافة إلى ذلك، فإن تشغيلها الرقمي يجعل من السهل تنفيذها، كما أن إمكانية تكرار الأنماط ممتازة، مما يضمن جودة ثابتة في الإنتاج على نطاق واسع. ومع ذلك، فإن التحقيق الكامل لهذه المزايا يعتمد بشكل حاسم على جودة الحبر الخزفي المستخدم. إن تطوير وإعداد الحبر الخزفي عالي الجودة ليس أمرًا مهمًا فحسب، بل هو حجر الزاوية لتحقيق نتائج ممتازة في الطباعة النافثة للحبر الخزفية.

الخصائص الفيزيائية الكيميائية الرئيسية للحبر الخزفي

الحبر الخزفي هو تركيبة معقدة، تتكون عادة من الأصباغ الخزفية (المساحيق غير العضوية)، المذيبات، المشتتات، المواد اللاصقة، المواد الخافضة للتآثر السطحي، وغيرها من المواد المضافة المختلفة. ويلعب كل مكون دورًا حيويًا في تحديد الأداء العام للحبر، ولضمان الحصول على أفضل نتائج للطباعة باستخدام نفث الحبر، فمن الضروري التحكم الصارم في العديد من الخصائص الفيزيائية الكيميائية الرئيسية. وتشمل هذه الخصائص حجم الجسيمات الصباغية، اللزوجة، التوتر السطحي، الرقم الهيدروجيني، وثبات التشتت.

حجم جسيم الخضاب

حجم جسيمات الأصباغ في الحبر الخزفي هو خاصية أساسية تؤثر مباشرة على جودة الطباعة. إذا كانت جزيئات الصبغة كبيرة للغاية، فإنها تشكل خطورة كبيرة من انسداد فتحات الطابعة النافثة للحبر. وقد يؤدي ذلك إلى حدوث اضطرابات في عملية الطباعة وترسب غير متساوٍ للحبر، وفي النهاية إلى سوء جودة الطباعة. ومن ناحية أخرى، إذا كانت الجسيمات دقيقة للغاية، فإن كثافة لون النمط المطبوع قد تكون ضعيفة. يجب أن يكون للحبر السيراميكي المثالي توزيع حجم الجسيمات ضيق وموحد للغاية.
المتطلبات العامة للحبر السيراميكي هو أن يكون أقل من 850 نانومتر. ويفضل أن يتراوح متوسط حجم الجسيمات بين 200 -300 نانومتر. لقياس توزيع حجم الجسيمات بدقة، يتم استخدام محلل حجم جسيمات الليزر بشكل شائع. هذا الجهاز المتطور يعمل على مبدأ تشتت الضوء. عندما يتم توجيه شعاع الليزر إلى عينة الحبر، تقوم الجسيمات في الحبر بعثرة الضوء، ويتم تحليل زاوية وشدة الضوء المتناثر لتحديد حجم وتوزيع الجسيمات.

لزوجة الحبر

تعتبر اللزجة خاصية أخرى هامة للحبر الخزفي حيث أن لها تأثير عميق على جوانب متعددة من عملية الطباعة، بما في ذلك تدفق الحبر وتشتته داخل نظام نفث الحبر وأداء الفتحات. إذا كانت لزوجة الحبر منخفضة للغاية فقد يتسبب ذلك في تسرب الحبر من الفوهة وهذا لا يؤدي فقط إلى إهدار الحبر بل يؤدي أيضًا إلى عملية طباعة غير مستقرة، مع تكوين قطرات وترسب غير متناسقة. وعلى العكس من ذلك، إذا كانت درجة اللزوجة عالية جدًا فقد تتسبب في انسداد الفتحات مما يمنع التدفق السلس للحبر ويعطل عملية الطباعة
يمكن أن تختلف متطلبات اللزوجة للحبر السيراميكي اعتمادًا على نوع الطابعة وتصميم رأس نفث الحبر. وعموماً، ينبغي أن تتراوح اللزوجة بين 1 و 20 ميللي باسكال. لقياس اللزوجة بدقة، يتم استخدام مقياس لزوجة دورانية. يعمل هذا الجهاز عادة تحت ظروف يتم التحكم في درجة الحرارة فيها لأن اللزوجة حساسة للغاية للتغيرات في درجة الحرارة. من خلال الحفاظ على درجة حرارة ثابتة، فإن قيم اللزوجة المقاسة هي أكثر موثوقية وتمثيلية للحبر#39; سلوك أثناء الطباعة الفعلية.

استقرار التشتت

يشير ثبات التشتت إلى قدرة جزيئات الصباغ في الحبر الخزفي على البقاء مشتتة بشكل موحد داخل مصفوفة الحبر دون أن تتراكم أو تتراكم أثناء التخزين والاستخدام. يمكن أن يؤدي عدم استقرار التشتت إلى تشكيل كتل أو تجمعات من جزيئات الصباغ، والتي يمكن أن تسبب انسداد الفوهة وتوزيع غير متساو للألوان في الأنماط المطبوعة.
هناك عدة طرق لاختبار ثبات تشتت الحبر الخزفي. إحدى الطرق الشائعة هي قياس جهد زيتا. جهد زيتا هو مقياس الجهد الكهربائي في مستوى الانزلاق بين جزيئات الصبغة والوسط السائل المحيط. تشير القيمة المطلقة العالية لجهد زيتا إلى تنافر كهروستاتيكي أكبر بين الجسيمات، مما يساعد في الحفاظ على تشتتها. وهناك طريقة أخرى لرصد استقرار اللزوجة مع مرور الوقت. إذا تغيرت لزوجة الحبر بشكل كبير خلال فترة، فقد يشير ذلك إلى أن جزيئات الصباغ تتجمع. بالإضافة إلى ذلك، يمكن قياس المحتوى الصلب للحبر على فترات منتظمة. انخفاض في المحتوى الصلب مع مرور الوقت قد يشير إلى ترسيب جزيئات الصباغ.

التوتر السطحي

التوتر السطحي هو خاصية تؤثر على العديد من الجوانب الهامة في عملية الطباعة، مثل تكون القطرات، ترطيب الركيزة بواسطة الحبر، وسلوك تجفيف الحبر على الركيزة. عندما يتم إخراج الحبر من الفوهة، يلعب التوتر السطحي دورا حاسما في تحديد شكل وحجم القطرات. تضمن قيمة الجهد السطحي المناسبة تشكيل القطرات بشكل منتظم وتكون بالحجم المناسب للطباعة الدقيقة.
على الركيزة، التوتر السطحي للحبر يحدد مدى انتشاره الجيد والتصاقه. إذا كان التوتر السطحي مرتفعًا جدًا، فقد لا يبلل الحبر الطبقة السفلية بشكل صحيح، مما يؤدي إلى ضعف الالتصاق والتغطية غير المتساوية. من ناحية أخرى، إذا كان التوتر السطحي منخفض للغاية، قد ينتشر الحبر بشكل كبير، مما يؤدي إلى أنماط مشوهة أو مشوهة.
لقياس التوتر السطحي للحبر الخزفي، يتم استخدام مقياس التوتر السطحي. هناك أنواع مختلفة من مقاييس الشد السطحي، مثل طريقة إسقاط القلادة وطريقة دو نوثولي حلقة. في طريقة القطرة المتدلية، تتكون قطرة حبر في نهاية الأنبوب الشعري، ويتم تحليل شكل القطرة لحساب التوتر السطحي. تتضمن طريقة حلقة دو نوخولي قياس القوة المطلوبة لسحب حلقة بلاتينية من سطح الحبر، والتي ترتبط بالتوتر السطحي.

قيمة الرقم الهيدروجيني

قيمة الأس الهيدروجيني للحبر السيراميكي هي عامل مهم لأنه يؤثر على الشحنة السطحية لجسيمات الصبغة وتشتتها. يمكن أن يكون لجسيمات الصباغ في الحبر شحنات سطح مختلفة اعتمادًا على درجة الحموضة للوسط المحيط. تساعد قيمة الأس الهيدروجيني المناسبة في الحفاظ على تشتت مستقر من خلال ضمان أن جزيئات الصباغ لديها شحنة سطح ثابتة، مما يعزز التنافر الكهروستاتيكي ويمنع التجميع.
وعلاوة على ذلك، يمكن أن يكون لقيم درجة الحموضة القصوى تأثير ضار على طابعة نفث الحبر نفسها. يمكن أن تتسبب الأحبار الحمضية أو القلوية في تآكل رؤوس نفث الحبر، مما يؤدي إلى انخفاض حجم الطابعة#عمر 39 سنة. لذلك، فمن الضروري التحكم في قيمة الأس الهيدروجيني للحبر الخزفي في نطاق مناسب لضمان استقرار الحبر وطول عمر الطابعة.

طرق تحضير الحبر الخزفي

طريقة تشتيت الطحن

طريقة تشتيت الطحن هي واحدة من التقنيات الأكثر استخداما لإعداد الحبر السيراميكي، وخاصة في الإنتاج الصناعي. وتنبع شعبيته من التكلفة المنخفضة نسبيا وتشغيله البسيط. وفي هذه الطريقة، تُمزَج بعناية الاصباغ الخزفية، المذيبات، المشتتات، والمضافات الاخرى. ثم تستخدم الطواحين الكوكبية مع خرز الزركونيا في عملية الطحن. تعتبر خرزات الزركونيا، عادة في نطاق حجم 0.3 -0.4 ملم أو 0.35 -0.45 ملم، فعالة للغاية في تقليل حجم الجسيمات من الأصباغ.
أثناء عملية الطحن، يتعرض الخليط لدوران عالي السرعة ودوران في طاحونة الكواكب. تصطدم خرزات الزركونيا بجزيئات الصباغ، مما يكسرها إلى أحجام أصغر. وتستمر هذه العملية حتى يتم تحقيق حجم الجسيمات دون ميكرون المطلوب. ويعد حجم الجسيمات دون الميكرونية أمرًا هامًا لضمان الطباعة السلسة النافثة للحبر ومنع انسداد الفتحات تسمح طريقة تشتيت الطحن بإنتاج الحبر الخزفي على نطاق كبير نسبيًا، مما يجعله مناسبًا لتلبية متطلبات صناعة السيراميك.

طريقة عكس المستحلب الجزئي

طريقة المستحلب الدقيق العكسي هي تقنية أكثر تقدما لتحضير الحبر الخزفي. تستخدم هذه الطريقة المستحلبات الدقيقة W/O (الماء في الزيت) التي يتم تشكيلها باستخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي والمواد المشتركة الخافضة للتوتر السطحي. في عكس المستحلب الدقيق، قطرات صغيرة من الماء (التي تحتوي على الصبغة) تنتشر في مرحلة الزيت المستمر. المواد الخافضة للتوتر السطحي والمواد الخافضة للتوتر السطحي المشتركة تلعب دوراً حاسماً في تثبيت هذه القطرات النانوية.
ميزة هذه الطريقة هي أنها توفر ثبات تشتت ممتاز على المدى الطويل. يتم حماية قطرات الصباغ النانوية من بعضها البعض بشكل فعال بواسطة الطبقات الخافضة للتوتر السطحي، مما يمنع الترسيب والتجمع. وهذا يؤدي إلى حبر خزفي يمكن تخزينه لفترات طويلة دون تدهور كبير في أدائه. ومع ذلك، فإن طريقة المستحلب العكسي تتطلب انتقاء دقيق والتحكم في المواد الخافضة للتوتر السطحي والمواد الخافضة للتوتر السطحي المشتركة، ويمكن أن تكون العملية الشاملة أكثر تعقيداً مقارنة بطريقة تشتت الطحن.

سول -طريقة

طريقة الهلام السولي هي تقنية متطورة للغاية لتحضير الحبر السيراميكي. تنطوي هذه الطريقة على التحلل المائي وتكثف السلائف، التي عادة ما تكون ألكسيدات أو أملاح معدنية. عندما يتم خلط هذه السلائف مع المذيبات وتخضع لظروف محددة، فإنها تخضع للتحلل المائي، حيث تتفاعل جزيئات الماء مع الألكسيدات المعدنية لتشكيل أنواع هيدروكسيد المعادن. ثم تخضع هذه الأنواع لتفاعلات تكثيف، مما يؤدي إلى تشكيل شبكة هلامية ثلاثية الأبعاد.
خلال هذه العملية، يتم تشكيل قولونيات نانوية مستقرة، والتي هي اللبنات الأساسية للحبر السيراميكي. طريقة الهلام السولي لها ميزة إنتاج أحبار مستقرة للغاية. تساعد شبكة الهلام ثلاثية الأبعاد في حبس جزيئات الصباغ وتوفير مصفوفة مستقرة لتشتيتها. ومع ذلك، فإن لهذه الطريقة العديد من التحديات. ويتطلب ذلك تحكمًا صارمًا في مختلف العوامل مثل درجة الحرارة ودرجة الحموضة ونسبة المواد المتفاعلة. والعملية أيضا معقدة نسبيا، وتنطوي على خطوات متعددة وتتطلب رصدا دقيقا. بالإضافة إلى ذلك، فإن المواد المستخدمة، وخاصة الأكسيدات المعدنية، يمكن أن تكون مكلفة، مما يجعل طريقة الهلام -سول أقل تكلفة -فعالة للإنتاج على نطاق واسع مقارنة بطريقة تشتيت الطحن.

خاتمة

إن جودة الحبر الخزفي، الذي يتم تعريفه من خلال مجموعة من الخصائص مثل حجم الجسيمات واللزوجة والتوتر السطحي واستقرار التشتت ودرجة الحموضة، له تأثير مباشر وعميق على أداء الطباعة في الطباعة النافثة للحبر الخزفية. على الرغم من أن طرق المستحلب الدقيق وهلام سول المعكوسة توفر ثباتًا فائقًا من حيث تشتت الصبغة، إلا أن طريقة تشتت الطحن تظل الخيار الأكثر عملية للإنتاج على نطاق واسع في صناعة السيراميك. إن بساطته، وتكلفته المنخفضة، وتشغيله البسيط نسبيًا يجعلها المحرك الرئيسي لتلبية الطلبات الكبيرة في السوق.
ومع ذلك، لا تزال هناك حاجة إلى جهود البحث والتطوير المستمرة لتحسين تكنولوجيا تحضير الحبر الخزفي. وهذا يتضمن المزيد من التحسين لكفاءة طريقة تشتتة الطحن، والضبط الدقيق لمعلمات طرق المستحلب الدقيق وهلام سول العكسي لجعلها أكثر فعالية من حيث التكلفة، واستكشاف مواد جديدة وإضافات لتحسين الأداء العام للحبر السيراميكي. ومن خلال تحسين تقنية التحضير، يمكن تقديم أحبار عالية الأداء يمكنها تلبية المتطلبات المتزايدة للطباعة السيراميكية النافثة للحبر الحديثة. وهذا بدوره سيدفع النمو والابتكار في صناعة الزخرفة الخزفية، مما يتيح إنشاء منتجات خزفية أكثر تعقيدًا وعالية الجودة.