1. La stabilité de l'encre céramique

L'encre céramique est un système de dispersion obtenu par dispersion de colorants dans un milieu de dispersion. Ce système est relativement stable. La stabilité de la dispersion implique l'absence d'agrégation ou de précipitation après un certain temps. L'agrégation désigne l'agglomération mutuelle des pigments inorganiques, liée à l'effet de dispersion entre les particules de pigment. La précipitation désigne l'agrégation continue des particules de pigment inorganique jusqu'à leur dépôt au fond du système de dispersion. Les facteurs influents comprennent la densité, la granulométrie et la composition du milieu de dispersion du pigment inorganique. Par ailleurs, le système de dispersion nécessite le choix de milieux de dispersion, de dispersants, de liants et d'autres composés organiques appropriés, afin que l'encre conserve une bonne stabilité chimique et ne subisse aucune modification chimique, même après un stockage prolongé. Les pigments céramiques inorganiques ont une densité élevée. Après un certain temps, les pigments de l'encre céramique se déposent. Un simple brassage permet de rétablir une dispersion homogène ; ce processus est réversible. L'encre céramique circule dans les imprimantes à jet d'encre et les buses, et sa capacité de récupération est particulièrement importante.

Les facteurs influençant la stabilité de l'encre comprennent le mouvement brownien, la sédimentation gravitationnelle et l'agglomération des particules colorées. Le mouvement brownien dépend principalement de la température, de la viscosité et de la taille des particules de l'encre. Plus la température est élevée, plus le mouvement brownien est important ; plus la viscosité et la taille des particules sont élevées, plus le mouvement brownien est faible et moins les particules ont tendance à s'agréger. Les particules de pigment étant relativement grandes et denses, la vitesse de sédimentation de l'encre dépend principalement de la différence de densité entre le pigment et le solvant. Plus cette différence est grande, plus la vitesse de sédimentation est rapide. Cette vitesse est directement proportionnelle au carré de la taille des particules. Plus les particules sont grosses, plus la vitesse de sédimentation est élevée ; plus la viscosité de l'encre est importante, plus la vitesse de sédimentation est lente. Deux mécanismes stabilisent la dispersion des particules d'encre : l'encombrement stérique et la stabilisation électrostatique. L'encombrement stérique désigne l'encapsulation de microcapsules polymères à la surface des particules d'encre afin d'empêcher leur adhésion spatiale. Actuellement, ce mécanisme est largement utilisé dans l'industrie des encres céramiques, mais il présente l'inconvénient d'affecter la viscosité de l'encre, entraînant une diminution progressive de celle-ci et, par conséquent, sa stabilité électrostatique. L'utilisation de dispersants à petites molécules, adaptés à l'eau et aux diluants polaires, permet d'assurer cette stabilité, alors que la plupart des encres céramiques utilisent actuellement des diluants non polaires.

2. Viscosité

Une viscosité appropriée assure une circulation fluide de l'encre dans le circuit d'impression, ce qui favorise son éjection par la buse et la formation uniforme de gouttelettes. Une viscosité trop faible réduit la force de friction interne, les gouttelettes prennent une forme de croissant, provoquant des oscillations et affectant la vitesse de pulvérisation. À l'inverse, une viscosité excessive nuit à la fluidité de l'encre et rend difficile la formation de gouttelettes fines. Par ailleurs, la pulvérisation d'encre est très sensible aux variations de viscosité ; même un léger phénomène de rhéofluidification peut rendre l'impression impossible en raison d'une augmentation brutale de la viscosité. Xaar indique sur son site web officiel que la buse Xaar 1001 GS12 est adaptée aux encres céramiques d'une viscosité comprise entre 7 et 50 mPa·s (ce qui correspond à un ajustement de la viscosité entre 7 et 20 mPa·s lors de la pulvérisation en fonction de la température de l'encre ; toutefois, une viscosité trop élevée ou trop faible peut réduire la durée de vie de la buse). Le manuel des paramètres techniques du Dimatix Fujifilm StarFireTM SG-1024/MC indique que la buse peut être utilisée pour l'encre céramique avec une plage de viscosité de 8 à 20 mPa·s, et que la plage recommandée est de 10 à 14 mPa·s.

3. Tension superficielle

Une tension superficielle appropriée garantit la formation uniforme des gouttelettes d'encre et l'absence d'adhérence aux buses, assurant ainsi une stabilité à long terme en impression jet d'encre. Une tension superficielle trop élevée de l'encre céramique favorise l'apparition de traînées entre les gouttelettes. À l'inverse, une tension superficielle trop faible entraîne la diffusion des gouttelettes et la formation de gouttelettes satellites, réduisant la netteté et la profondeur du motif. Par ailleurs, la tension superficielle de l'encre diminue avec l'augmentation de sa température. Le système de contrôle de la température des buses permet d'ajuster cette tension superficielle. Actuellement, la tension superficielle des encres céramiques commercialisées à température d'impression jet d'encre est d'environ 20 à 35 mN·m⁻¹.

4. Distribution granulométrique

En raison des limitations liées à l'ouverture de la buse et au système d'encre, les particules de pigment doivent être suffisamment petites pour garantir une impression jet d'encre fluide. Outre la prévention de la précipitation des particules lors du stockage et de l'utilisation, il est également impératif que les particules de colorant soient fines. La distribution granulométrique des encres céramiques doit être la plus étroite possible afin d'éviter les problèmes de coloration dus à des colorants trop grossiers (densité de dépôt inégale sur les produits céramiques) et les pertes de couleur dues à des particules trop fines (fusion des colorants dans l'émail). Actuellement, le D50 des encres céramiques commercialisées se situe entre 200 et 350 nm, et le D90 est inférieur à 850 nm.

5. Solides

La teneur en matières solides désigne le pourcentage massique de pigments céramiques inorganiques et d'additifs solides associés dans l'encre céramique, les pigments céramiques inorganiques en étant le composant principal. Plus la teneur en matières solides est élevée, plus la concentration de pigments par unité de masse d'encre est importante, ce qui améliore l'intensité et la gamme de couleurs de l'impression jet d'encre céramique, réduit la quantité d'encre céramique utilisée et, par conséquent, les coûts de production. En termes de rendu des motifs, l'augmentation de la teneur en matières solides de l'encre est plus efficace que la superposition de points d'encre par impression répétée au même endroit. En effet, l'impression répétée au même endroit peut facilement entraîner un décalage des points d'encre, réduisant ainsi la netteté. L'augmentation de la teneur en matières solides peut également accroître la viscosité de l'encre céramique.

6. La couleur apparaît après la cuisson

Les principaux facteurs influençant la couleur de l'encre pour impression jet d'encre céramique sont le type de pigment, sa structure cristalline, sa pureté, sa concentration dans l'encre et la granulométrie ; la composition de la pâte et de l'émail ; la température, l'atmosphère, etc. Comparés aux pigments ordinaires, les pigments pour encre doivent posséder un fort pouvoir colorant sous forme de particules ultrafines. Les pigments sélectionnés doivent réagir complètement lors de leur préparation, présenter des cristaux de couleur bien développés, une bonne stabilité à haute température et résister à l'érosion de l'émail. Ceci requiert la sélection de matières premières colorantes de haute pureté, de granulométrie uniforme et à forte réactivité. Concernant le procédé, un temps de cuisson plus long est nécessaire pour garantir une croissance cristalline optimale et une intégrité structurale accrue. La teneur en matières solides de l'encre influe également sur la couleur : plus elle est élevée, plus la couleur est foncée. Une teneur élevée en matières solides affectant la stabilité de l'encre, celle-ci doit être ajustée en fonction des besoins. Plus la taille des particules est grande, plus la couleur obtenue est proche de celle du pigment. Après broyage fin du pigment, certaines couleurs, comme le jaune et le rouge, s'éclaircissent, voire deviennent incolores. La teinte des encres brunes et oranges varie, la taille des particules influençant donc la nuance et l'intensité de la couleur. La diminution de la taille des particules entraîne une baisse significative du point de fusion des colorants pour encres par rapport aux colorants ordinaires. Par conséquent, suite à d'importantes variations de température, les colorants peuvent fondre complètement. Une fois fondus, ils ne sont plus des cristaux mais des corps en fusion, ce qui provoque des différences de couleur, voire une décoloration. Par exemple, le pouvoir colorant du pigment bleu cobalt dépend de l'énergie de séparation de son champ de coordination. Différentes énergies de séparation induisent différentes longueurs d'onde d'absorption, et le pigment présente ainsi une gamme de couleurs. Le Co²⁺(3d²) absorbe la lumière orange, jaune et une partie de la lumière verte, donnant une couleur bleu violacé ; le Co³⁺(3d³) absorbe la lumière colorée autre que le vert, réfléchissant fortement le vert et apparaissant ainsi vert. L'encre céramique bleu cobalt est principalement colorée par le Co²⁺ contenu dans le pigment CoAl₂O₄. Si les cristaux de CoAl2O4 fondent à haute température, le Co2+(3d2) peut être oxydé en Co3+(3d3), provoquant une différence de couleur.

7. Adaptabilité au vernis corporel

À facteurs égaux, la composition du corps et de l'émail peut varier considérablement, et le rendu de l'impression jet d'encre peut s'en trouver fortement influencé. Des études ont montré que divers oxydes métalliques présents dans l'émail, tels que l'oxyde de lithium, l'oxyde de bore, l'oxyde de zinc, l'oxyde de magnésium et l'oxyde d'antimoine, peuvent altérer la couleur de l'encre et doivent être évités ou utilisés avec parcimonie. L'oxyde de potassium a un impact plus négatif sur la couleur de l'encre céramique que le peroxyde de sodium. L'oxyde de calcium et l'oxyde de baryum n'affectent pas significativement la couleur de l'encre céramique et peuvent remplacer des substances comme l'oxyde de lithium et l'oxyde de bore. L'oxyde d'étain favorise l'obtention d'une teinte rousse, mais peut rendre le produit final rouge. L'oxyde de titane favorise l'obtention d'une teinte rousse et jaune, mais peut rendre le produit final jaune et atténuer la couleur noire.

8. Sécheresse

Si le temps de séchage est trop long, une diffusion excessive de l'encre céramique entraînera des changements de couleur et des motifs flous. À l'inverse, un temps de séchage trop court provoquera une diffusion insuffisante, créant des zones vides, et l'expansion des gouttelettes d'encre ainsi que la capillarité pourront engendrer des bavures. Le séchage de l'encre céramique sur la surface du support se fait principalement par diffusion des gouttelettes, et secondairement par évaporation dans l'air. La vitesse de diffusion dépend de l'humidité et de la porosité de la surface du support, ainsi que de la composition de l'encre et du tensioactif. Le temps de séchage, quant à lui, dépend du coefficient de diffusion de l'encre et est directement proportionnel à sa densité de couverture. Le séchage est plus rapide pour les impressions jet d'encre haute résolution.
L'ajout d'une certaine quantité de solvants alcooliques à l'encre céramique permet d'en accroître la volatilité. Une faible quantité de dispersant (tel qu'un éther alkylique de polyol ou un autre composé organique) peut également être incorporée pour répondre aux exigences de l'impression jet d'encre. Afin d'éviter une évaporation trop rapide de l'encre céramique à température ambiante, susceptible d'interrompre la pulvérisation et de boucher les buses, il est nécessaire d'ajouter, lors de sa préparation, des agents hydratants non volatils à point d'ébullition élevé. Colorobia indique sur le site web de son Centre de recherche sur la céramique avoir ajouté du diéthylène glycol (DEG, point d'ébullition de 245 °C) à son encre céramique pour en limiter l'évaporation. Son brevet européen EP 1840178 A1 précise par ailleurs que le point d'ébullition du milieu de dispersion doit être supérieur à 200 °C. Afin d'éviter les différences de couleur dues à la variation de la vitesse de diffusion des gouttelettes d'encre à base d'eau entre le centre et la périphérie du support, et de limiter la production de vapeur d'eau, les encres céramiques utilisent principalement un système de dispersion à base d'huile (organique). Les imprimantes équipées de buses Xaar 1001 GS12 et Dimatix Fujifilm StarFire™ SG-1024/MC, par exemple, requièrent l'utilisation d'encres céramiques à base d'huile, comme indiqué dans leur manuel d'utilisation.

9. Autres indicateurs de performance

Outre les aspects mentionnés ci-dessus, la compatibilité entre l'encre céramique et la buse (usure excessive, risque d'obstruction, impact sur l'injection par d'autres buses en raison d'une expansion excessive, bon fonctionnement sous une forme d'onde d'impulsion de tension appropriée, vitesse d'injection et capacité des gouttelettes d'encre adéquates, précision du point de dépôt, etc.), la compatibilité avec les imprimantes à jet d'encre céramique (pH, risque de corrosion ou de dissolution du système d'encre, etc.) et d'autres indicateurs de performance (conductivité, etc.) doivent également répondre aux exigences de l'impression à jet d'encre céramique.

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