1. Die Stabilität von Keramiktinte

Keramische Tinte ist ein Dispersionssystem, das durch Dispergieren von Farbpigmenten in einem Dispersionsmedium entsteht und relativ stabil ist. Die Stabilität der Dispersion hängt davon ab, dass sie nach einer gewissen Zeit weder aggregiert noch ausfällt. Aggregation bezeichnet die gegenseitige Ansammlung anorganischer Pigmente und hängt mit der Dispersionswirkung zwischen den Pigmentpartikeln zusammen. Ausfällung beschreibt die kontinuierliche Aggregation anorganischer Pigmentpartikel, bis diese sich am Boden des Dispersionssystems absetzen. Einflussfaktoren sind die Dichte, die Partikelgrößenverteilung und die Zusammensetzung des Dispersionssystems der anorganischen Pigmente. Gleichzeitig erfordert das Dispersionssystem die Auswahl geeigneter Dispersionsmedien, Dispergiermittel, Bindemittel und anderer organischer Verbindungen, damit die Tinte auch nach längerer Lagerung eine gute chemische Stabilität aufweist und keine chemischen Reaktionen zeigt. Anorganische Keramikpigmente besitzen eine hohe Dichte. Nach einer gewissen Zeit setzen sich die Pigmente in der keramischen Tinte ab. Durch regelmäßiges Rühren lässt sich die Tinte jedoch wieder in ein homogenes Dispersionssystem umwandeln – ein reversibler Prozess. Keramische Tinte zirkuliert in Tintenstrahldruckern und Düsen, daher ist ihre Wiederverwendbarkeit von besonderer Bedeutung.

Zu den Faktoren, die die Stabilität von Tinte beeinflussen, gehören die Brownsche Molekularbewegung, die gravitative Sedimentation und die Agglomeration farbiger Partikel. Die Brownsche Molekularbewegung hängt hauptsächlich von der Tintentemperatur, der Viskosität und der Partikelgröße ab. Je höher die Temperatur, desto stärker die Brownsche Molekularbewegung; je höher die Viskosität und die Partikelgröße, desto schwächer die Brownsche Molekularbewegung und desto geringer die Wahrscheinlichkeit der Partikelaggregation. Da die Pigmentpartikel relativ groß sind und eine hohe Dichte aufweisen, hängt die Sedimentationsgeschwindigkeit der Tinte hauptsächlich vom Dichteunterschied zwischen Pigment und Lösungsmittel ab. Je größer der Dichteunterschied, desto schneller die Sedimentation. Die Sedimentationsgeschwindigkeit ist direkt proportional zum Quadrat der Partikelgröße. Je größer die Partikel, desto schneller die Sedimentation; je höher die Viskosität der Tinte, desto langsamer die Sedimentation. Es gibt zwei Stabilisierungsmechanismen für die Tintenpartikeldispersion: sterische Hinderung und elektrostatische Stabilisierung. Räumliche Hinderung bezieht sich auf die Einkapselung von Polymer-Mikrokapseln auf der Oberfläche der Tintenpartikel, um die Adhäsion zwischen den Partikeln im Raum zu verhindern. Dieses Verfahren findet derzeit breite Anwendung in der Keramikfarbenindustrie, hat jedoch den Nachteil, die Viskosität der Tinte zu beeinflussen, was zu einer mit der Zeit abnehmenden Viskosität und damit zu einer verminderten Stabilität führt. Elektrostatische Stabilität wird durch den Einsatz niedermolekularer Dispergiermittel erreicht, die sich für Wasser und polare Verdünnungsmittel eignen. Aktuell werden jedoch in den meisten Keramikfarben unpolare Verdünnungsmittel verwendet.

2. Viskosität

Die richtige Viskosität gewährleistet eine gleichmäßige Zirkulation der Tinte im Tintenweg. Dies ist vorteilhaft für den Tintenausstoß aus der Düse und die gleichmäßige Bildung von Tintentropfen. Ist die Viskosität zu niedrig, ist die Reibungskraft in der Tinte gering, und die Flüssigkeitströpfchen bilden eine Halbmondform. Dies führt zu gedämpften Schwingungen und beeinträchtigt die Sprühgeschwindigkeit. Eine zu hohe Viskosität hingegen führt zu schlechter Tintenfließfähigkeit und erschwert die Bildung kleiner Tröpfchen. Darüber hinaus reagiert der Tintensprühvorgang sehr empfindlich auf Viskositätsänderungen. Selbst geringfügige Scherverdickungen können aufgrund eines plötzlichen Viskositätsanstiegs den Druckvorgang unmöglich machen. Xaar gibt auf seiner Website an, dass die Xaar 1001 GS12 Düse für Keramiktinte mit einer Viskosität von 7–50 mPa·s geeignet ist (was bedeutet, dass die Tintentemperatur während des Sprühvorgangs angepasst werden muss, um die Viskosität auf 7–20 mPa·s einzustellen; eine zu hohe oder zu niedrige Tintenviskosität kann jedoch die Lebensdauer der Düse beeinträchtigen). Im technischen Datenblatt der Dimatix Fujifilm StarFireTM SG-1024/MC wird angegeben, dass die Düse für Keramiktinte mit einem Viskositätsbereich von 8-20 mPa · s verwendet werden kann, wobei der empfohlene Bereich 10-14 mPa · s beträgt.

3. Oberflächenspannung

Eine angemessene Oberflächenspannung gewährleistet die gleichmäßige Bildung von Tintentropfen und verhindert das Anhaften an der Düse, was zur langfristigen Stabilität beim Tintenstrahldruck beiträgt. Ist die Oberflächenspannung der Keramiktinte zu hoch, führt dies leicht zum Nachziehen der Tintentropfen; ist sie hingegen zu niedrig, neigen die Tintentropfen zur Diffusion und es entstehen satellitenförmige Tropfen, was die Klarheit und Schichtung des Druckbildes beeinträchtigen kann. Gleichzeitig sinkt die Oberflächenspannung der Tinte mit steigender Temperatur. Mithilfe des Temperaturregelungssystems der Düse lässt sich die Oberflächenspannung der Keramiktinte anpassen. Aktuell liegt die Oberflächenspannung handelsüblicher Keramiktinte bei Tintenstrahldrucktemperatur bei etwa 20–35 mN/m.

4. Partikelgrößenverteilung

Aufgrund der Einschränkungen der Düsenöffnung und des Tintenwegsystems müssen die Pigmentpartikel in der Tinte ausreichend klein sein, um einen gleichmäßigen Tintenstrahldruck zu gewährleisten. Dies beginnt bereits bei der Vermeidung von Partikelablagerungen während Lagerung und Anwendung und erfordert zudem eine geringe Partikelgröße der Farbpigmente. Die Partikelgrößenverteilung in Keramiktinte sollte so eng wie möglich sein, um eine ungleichmäßige Farbentwicklung durch zu grobe Farbpigmente (ungleichmäßige Packungsdichte der Farbpigmente auf Keramikprodukten) und eine Farbabschwächung durch zu feine Partikel (Verschmelzen der Farbpigmente in der Glasur) zu vermeiden. Derzeit liegt der D50-Wert handelsüblicher Keramiktinte bei etwa 200–350 nm und der D90-Wert unter 850 nm.

5. Feststoffe

Der Feststoffgehalt bezeichnet den Massenanteil anorganischer Keramikpigmente und zugehöriger Feststoffadditive in Keramiktinte, wobei anorganische Keramikpigmente den Hauptbestandteil bilden. Je höher der Feststoffgehalt, desto höher ist der Pigmentgehalt pro Masseneinheit Tinte. Dies kann die Farbintensität und den Farbumfang des Keramik-Tintenstrahldrucks verbessern, den Tintenverbrauch reduzieren und somit die Kosten für Keramikhersteller senken. Hinsichtlich der Ausdruckskraft von Designentwürfen ist ein höherer Feststoffgehalt der Tinte überlegen gegenüber dem wiederholten Drucken derselben Position durch das Stapeln von Farbpunkten. Denn wiederholtes Drucken an derselben Stelle kann leicht zu einer Abweichung der Farbpunkte von der Zielposition führen und die Klarheit beeinträchtigen. Ein höherer Feststoffgehalt kann außerdem die Viskosität der Keramiktinte erhöhen.

6. Die Farbe erscheint nach dem Brennen.

Die Hauptfaktoren, die die Farbe von Keramik-Tintenstrahldrucken beeinflussen, sind die Art des Pigments, die Kristallstruktur, die Reinheit, der Pigmentgehalt der Tinte und die Partikelgrößenverteilung; die Zusammensetzung des Scherbens und der Glasur; Temperatur, Atmosphäre usw. Im Vergleich zu herkömmlichen Pigmenten müssen Tintenpigmente im ultrafeinen Partikelzustand eine gute Farbkraft besitzen. Die ausgewählten Pigmente müssen während des Herstellungsprozesses vollständig reagieren, gut entwickelte Farbkristalle aufweisen, eine gute Hochtemperaturstabilität besitzen und beständig gegen Glasurerosion sein. Dies erfordert die Auswahl hochreiner, gleichmäßiger und hochaktiver Rohstoffe für die Farbmittel. Prozesstechnisch ist eine längere Brenndauer erforderlich, um ein vollständigeres Kristallwachstum und eine höhere strukturelle Integrität zu gewährleisten. Der Feststoffgehalt der Tinte beeinflusst ebenfalls die Farbe: Je höher der Feststoffgehalt, desto dunkler die Farbe. Da ein hoher Feststoffgehalt die Stabilität der Tinte beeinträchtigt, sollte der Feststoffgehalt verschiedenfarbiger Tinten je nach Bedarf angepasst werden. Je größer die Partikelgröße, desto näher kommt die Farbe dem Pigmentfarbton. Nach dem Feinvermahlen des Pigments werden einige Farben wie Gelb und Rot heller oder verschwinden sogar ganz. Der Farbton von brauner und orangefarbener Tinte verändert sich, sodass die Partikelgröße Farbton und Farbtiefe beeinflusst. Durch die Verringerung der Partikelgröße ist der Schmelzpunkt von Tintenfarbstoffen deutlich niedriger als der von herkömmlichen Farbmitteln. Daher können die Farbmittel nach starken Temperaturschwankungen vollständig schmelzen. Im geschmolzenen Zustand liegen sie nicht mehr als Kristalle, sondern als Schmelze vor, was zu Farbunterschieden und sogar zum Verblassen der Farbe führen kann. Beispielsweise hängt die Farbwirkung von Kobaltblau-Pigment von der Koordinationsfeld-Aufspaltungsenergie ab. Unterschiedliche Aufspaltungsenergien führen zu unterschiedlichen Absorptionswellenlängen, wodurch das Pigment eine Reihe von Farben zeigt. Co²⁺(3d²) absorbiert oranges, gelbes und etwas grünes Licht und ergibt eine purpurblaue Farbe; Co³⁺(3d³) absorbiert farbiges Licht außer Grün, reflektiert Grün stark und erscheint grün. Kobaltblaue Keramiktinte wird hauptsächlich durch Co²⁺ im CoAl₂O₄-Pigment gefärbt. Wenn CoAl2O4-Kristalle bei hohen Temperaturen schmelzen, kann Co2+(3d2) zu Co3+(3d3) oxidiert werden, was zu Farbunterschieden führt.

7. Anpassungsfähigkeit an die Körperglasur

Bei ansonsten gleichen Bedingungen kann die Zusammensetzung von Scherben und Glasur stark variieren, was sich wiederum erheblich auf das Druckergebnis auswirkt. Studien haben gezeigt, dass verschiedene Metalloxide in der Glasur, wie Lithiumoxid, Boroxid, Zinkoxid, Magnesiumoxid und Antimonoxid, die Tintenfarbe beeinflussen und daher vermieden oder reduziert werden sollten. Kaliumoxid hat einen stärkeren negativen Einfluss auf die Farbe von Keramiktinte als Natriumperoxid. Calciumoxid und Bariumoxid beeinträchtigen die Farbe von Keramiktinte nicht wesentlich und können Substanzen wie Lithiumoxid und Boroxid ersetzen. Zinnoxid kann die Rotfärbung verstärken, aber auch zu einer Rotfärbung des Produkts führen. Titanoxid kann die Rot- und Gelbfärbung verstärken, kann aber auch zu einer Gelbfärbung des Produkts und einer Abschwächung der Schwarzfärbung führen.

8. Trockenheit

Ist die Trocknungszeit zu lang, führt eine übermäßige Diffusion der Keramikfarbe zu Farbveränderungen und verschwommenen Mustern. Ist die Trocknungszeit hingegen zu kurz, kann eine unzureichende Diffusion zu ungleichmäßigen Füllbereichen führen. Zudem können die Ausdehnung der Tintentropfen und die Kapillarwirkung zu Gratbildung führen. Die Keramikfarbe trocknet hauptsächlich durch Diffusion der Tintentropfen auf der Oberfläche des Rohlings, sekundär durch Verdunstung an der Luft. Die Diffusionsrate hängt von der Oberflächenfeuchtigkeit und Porosität des Rohlings sowie von der Zusammensetzung der Tinte und des Tensids ab. Die Trocknungszeit ist vom Diffusionskoeffizienten der Tinte abhängig und verhält sich linear zur Tintenauftragsdichte. Bei hochauflösenden Tintenstrahldrucken ist die Trocknung einfacher.
Um die Flüchtigkeit von Keramiktinte zu erhöhen, kann dem Herstellungsprozess eine bestimmte Menge an Alkohollösungsmitteln zugesetzt werden. Für den Tintenstrahldruck kann zudem eine geringe Menge Dispergiermittel (wie Polyolalkylether und andere organische Verbindungen) hinzugefügt werden. Um ein zu schnelles Verdunsten der Keramiktinte bei Raumtemperatur und damit einhergehende Sprühunterbrechungen und Düsenverstopfungen zu verhindern, ist die Zugabe von hochsiedenden und nichtflüchtigen Feuchtigkeitsspendern während der Herstellung erforderlich. Colorobia gab auf der Website des Keramikforschungszentrums an, seiner Keramiktinte DEG (Diethylenglykol mit einem Siedepunkt von 245 °C) zuzusetzen, um deren Verdunstung zu vermeiden. In der europäischen Patentanmeldung EP 1840178 A1 wird zudem erwähnt, dass der Siedepunkt des Dispersionsmediums über 200 °C liegen muss. Um Farbunterschiede aufgrund unterschiedlicher Diffusionsgeschwindigkeiten von Tintentropfen vom Zentrum zum Rand wasserbasierter Tinte auf dem Gehäuse zu vermeiden und die Entstehung großer Mengen Wasserdampf zu verhindern, wird bei Keramiktinte heutzutage hauptsächlich ein ölbasiertes (organisches) Dispersionssystem verwendet. So ist beispielsweise bei den Düsen Xaar 1001 GS12 und Dimatix Fujifilm StarFire™ SG-1024/MC die Verwendung ölbasierter Keramiktinte laut deren Bedienungsanleitung vorgeschrieben.

9. Weitere Leistungsindikatoren

Zusätzlich zu den oben genannten Aspekten müssen die Kompatibilität zwischen Keramiktinte und Düse (z. B. starker Düsenverschleiß, Verstopfung, Beeinträchtigung der Injektion anderer Düsen durch übermäßige Ausdehnung der Keramiktinte, reibungsloser Betrieb unter geeigneter Spannungsimpulsform, angemessene Injektionsgeschwindigkeit und Tintentröpfchenkapazität, präziser Tropfenauftreffpunkt usw.), die Kompatibilität mit Keramik-Tintenstrahldruckern (pH-Wert, Korrosion, Auflösung des Tintenwegsystems usw.) sowie weitere Leistungsindikatoren (Leitfähigkeit usw.) den Anforderungen des Keramik-Tintenstrahldrucks in gewissem Maße entsprechen.

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