微量墨滴在蠶絲機織物上的擴散行為

安亞潔， 李 敏， 杜長森， 田安麗， 張 奕， 付少海

(1. 江蘇省紡織品數字噴墨印花工程技術研究中心， 江蘇 無錫 214122； 2. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122； 3. 蘇州世名科技股份有限責任公司， 江蘇 昆山 215337；4. 無錫鳳凰畫材股份有限責任公司， 江蘇 無錫 214000)

與傳統印花相比，數碼噴墨印花可大幅縮短生產周期，具有生態環保、節能減排、印花色彩更加豐富、顏色過渡更為自然等特點[1]。此外，噴墨印花還可實現傳統印花難以達到的個性化定制和多品種小批量生產[2]。然而，當對蠶絲織物進行噴墨印花時，如不經過預處理：一方面黏度過低的墨水極易在織物表面擴散，造成印花圖案滲化嚴重，邊緣模糊；另一方面缺少提供活性墨水適宜反應條件的必要工序。

墨滴在織物上的鋪展和滲透行為是影響噴墨印花清晰度及顏色性能的重要因素，研究墨滴在織物上的擴散滲透行為可為提高印花清晰度提供理論基礎[3]。劉曉娜[4]建立了液滴在織物上鋪展和滲透的動態模型。Deepak[5]對液滴在機織氈和單向纖維氈上的擴散進行了研究，探究了墨滴體積與擴散半徑、時間的關系。朱利等[6]研究了絲綢噴墨印花預處理條件與防滲化性能、表觀得色深度的關系，并用液滴滲化法評價預處理織物的防滲化能力，最終確定采用羧甲基纖維素鈉、聚乙二醇和氧化鋁等組成預處理劑對蠶絲織物進行預處理，使織物獲得了高清晰度的印花效果。

目前，關于墨滴在蠶絲織物上的擴散與滲透行為研究甚少，針對預處理之所以能夠改善噴墨印花清晰度的原因缺少理論分析。為此，本文以微量活性染料墨滴在蠶絲織物上的擴散作為切入點，研究了墨滴在蠶絲機織物上的擴散形態，探討了織物組織結構和墨滴體積對墨滴擴散形態的影響，分析了蠶絲織物預處理劑對墨滴擴散形態及擴散面積的影響規律。

1 實驗部分

1.1 材料與設備

材料：活性蘭墨水(RT-E5，永光化學工業股份有限公司)；尿素、海藻酸鈉(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)；陽離子改性劑YS(化學純，上海邢州化工有限公司)；蠶絲織物的結構參數如表1所示。

表1 織物規格參數表Tab.1 Fabric specification parameters

設備：微量進樣器(上海高鴿工貿有限公司)；XY-MRT型金相顯微鏡(寧波舜宇儀器有限公司)；RC-CSD型汽蒸機(江蘇華夏科技有限公司)；MU505T型臺式軋車(北京紡織機械器材研究所)。

1.2 實驗方法

配制質量分數分別為4%、8%、12%、16%和20%的尿素預處理液；配制質量分數分別為1%、2%、3%、4%、5%和6%的海藻酸鈉預處理液；配制質量分數分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%和8%的陽離子改性劑YS預處理液。采用上述預處理液根據如下工藝分別對1#蠶絲織物改性：一浸二軋(軋余率為80%)→烘干(溫度為60 ℃)→噴墨印花→汽蒸(溫度為102 ℃，時間為30 min，相對濕度為80%)→冷水洗→熱水洗→冷水洗→烘干。

采用微量進樣器在蠶絲機織物上滴加青色活性染料墨水，除研究墨滴體積對擴散形態的影響實驗中采用不同體積(0.02～5 μL)的墨滴，其他實驗均在1 μL墨滴體積條件下進行。

1.3 性能測試

1.3.1墨滴擴散形態

采用標尺測量微量墨滴沿經、緯向的擴散總長度(La、Lc)、擴散中央長度(Lb、Ld)和擴散外圍長度(Le、Lf)來表征墨滴擴散形態。

1.3.2墨滴擴散面積

采用數碼照相機捕獲圖片，并對圖片飽和度進行調整后，采用圖像處理軟件ImageJ分析墨滴的擴散面積。

2 結果與討論

2.1 織物組織結構與擴散形態關系

圖1示出墨滴擴散示意圖及其形態?？煽闯鑫⒘磕卧谛Q絲織物上擴散結束后的形態大都呈“十”字型。如圖1(b)所示，擴散可分為3個區域，即微量墨滴沿經緯雙向擴散區域A、經向擴散區域C和緯向擴散區域B。擴散區域A、B和C上的墨滴擴散狀態分別對應圖1(c)、(e)和(d)。當墨量較大時，墨滴在蠶絲織物上存在3種擴散形式：沿紗線、相鄰平行紗線間和交織紗線間。在擴散過程中，隨墨量的減小，交織紗線間的擴散最先消失；隨后，相鄰紗線間的擴散也逐漸消失，而沿紗線方向上的擴散可維持的時間最長。由此說明微量墨滴在織物上更易沿著紗線方向擴散，這也是造成滲化的主要原因。

圖1 墨滴擴散示意圖及其形態(×500)Fig.1 Scheme and morphology of diffusion of ink droplets (×500). (a) Diffusion shape (scale of 3∶4); (b) Diffusion diagram; (c) Diffusion on A area; (d) Diffusion on C area; (e) Diffusion on B area

表2示出墨滴在不同結構蠶絲織物上擴散的形態參數，圖2示出其對應的擴散形態?？煽闯觯撼?#織物外，墨滴在1#～4#蠶絲織物上的擴散形態均呈近“十”字型，且這些“十”字型的經向線條長度均大于緯向線條長度。這是由于1#～4#織物的經向緊度均大于緯向緊度，較大的經向緊度導致經向相鄰紗線間的毛細管半徑較小，使墨滴沿經向紗線長度方向的擴散更快更遠。

表2 墨滴擴散的形態參數Tab.2 Shape parameters of droplet diffusion

5#織物結構特殊，緊度過小，相鄰平行紗線間距離過大，紗線間互不接觸，導致墨滴在織物上的擴散缺少相鄰平行紗線間的傳遞。墨滴在此特殊結構蠶絲織物上的擴散形態為橢圓形。

圖2 不同蠶絲織物上的擴散形態Fig.2 Diffusion shape on different silk fabrics

2.2 墨滴體積與擴散形態關系

圖3示出墨滴體積對墨水在蠶絲織物上擴散形態的影響?？煽闯觯何⒘磕螖U散中央長度(Lb、Ld)隨墨滴體積增加近似呈線性增長；擴散外圍長度(Le和Lf)隨墨滴體積增大而增大，當墨滴體積超過 3 μL后，擴散外圍長度基本保持不變。當墨滴體積較大時，墨滴更易克服紗線間的界面能向相鄰紗線傳遞，因此，擴散中央長度和外圍長度均隨著墨滴體積的增大而增加。當墨滴體積在1 μL以下變化時，隨著墨滴體積增大，Le和Lf的增長速度較Lb和Ld快，這是因為墨量較小時，墨滴主要沿著紗線擴散。當墨滴體積大于1 μL時，隨著墨滴體積增大，Lb和Ld繼續增加，而Le和Lf的增長速度逐漸減慢，這是由于此時大部分墨滴在中央區域擴散，而沿紗線方向的擴散作用減弱[3]。

圖3 墨滴體積與擴散長度的關系Fig.3 Relationship between droplets volume and diffusion central length (a) and periphery length (b)

2.3 預處理劑對墨滴擴散形態的影響

2.3.1尿素

圖4示出尿素質量分數對墨滴擴散形態的影響(圖片與實際大小比值為5∶3)，各項擴散參數列于表3中。

由表3可看出當尿素質量分數小于12%時，墨滴的擴散長度和面積隨尿素質量分數增加而減小。尿素整理蠶絲織物后，蠶絲織物吸濕性能提升，此時，蠶絲織物將吸收空氣中的水分，反而不利于纖維毛細管對活性墨水的吸收和擴散[7]。隨著尿素質量分數繼續增加，墨滴擴散總長度基本保持不變，而中央長度持續增加，外圍長度逐漸減小，墨滴擴散面積逐漸增大。這是因為墨滴沿毛細管方向的傳遞受阻，導致更多墨滴向相鄰的紗線區域擴散。另外，汽蒸時大量的水蒸氣加劇了尿素對纖維的吸濕膨化作用，墨滴在織物上發生泳移，使墨滴的擴散區域增大[8]。且尿素質量分數越大，該現象越明顯。

圖4 尿素質量分數對擴散形態的影響Fig.4 Effect of urea amount on diffusion shape

尿素質量分數/%擴散總長度/mm中央長度/mm外圍長度/mm外圍長度/中央長度擴散面積/mm2經向Lc緯向La經向Ld緯向Lb經向Lf緯向Le經向緯向汽蒸前汽蒸后0141405059090180180858189424111104047070175175608163698101054047075175188546459911210100454556012215054565690161010045555501221006430810120101056064045067075654618064

2.3.2海藻酸鈉

圖5示出海藻酸鈉質量分數對墨滴擴散形態的影響(圖片與實際大小比值為5∶3)，各項擴散參數列于表4中?？梢钥闯觯弘S著海藻酸鈉質量分數增加，墨滴擴散形態由“十”字型逐漸轉變為橢圓形；擴散長度和擴散面積均呈減小趨勢，墨滴沿經緯向的擴散中央長度基本保持不變，外圍長度逐漸縮短。這是因為海藻酸鈉在織物表面成膜，纖維中部分毛細管被堵塞，墨滴沿紗線方向的擴散受阻[9]。特別是當海藻酸鈉質量分數增大到一定程度后，其在織物表面形成的聚合物膜更加完整，毛細管效應減弱，從而使更多墨滴留在擴散的中央區域(見圖5(f))?？梢?，海藻酸鈉對降低墨水滲化、提升印花清晰度有顯著作用[10]。

圖5 海藻酸鈉質量分數對擴散形態的影響Fig.5 Influence of sodium alginate amount on diffusion shape

海藻酸鈉質量分數/%擴散總長度/mm中央長度/mm外圍長度/mm外圍長度/中央長度擴散面積/mm2經向Lc緯向La經向Ld緯向Lb經向Lf緯向Le經向 緯向汽蒸前汽蒸后014014050509090180180858189421909045454545100100576656562901104045506512514455916047385904040455011312549765253480905050304006008049615165555654050151503803037163574655604555100502200937073467

2.3.3陽離子改性劑

表5和圖6示出陽離子改性劑YS質量分數對墨滴擴散形態的影響(圖片與實際大小比值為 1∶1)?？梢钥闯?，隨著陽離子改性劑質量分數的增加，蠶絲織物表面的擴散長度和擴散面積減小。這是因為陽離子改性劑質量分數增加，使蠶絲織物表面正電性增強，此時陰離子活性染料與蠶絲織物更容易通過靜電吸引作用固著在纖維上[11-12]。汽蒸加強了活性染料在蠶絲織物上的固著，墨滴的擴散面積近一步縮小。

表5 陽離子改性劑YS用量對墨滴擴散的影響Tab.5 Effect of cationic modifier YS amount on droplet diffusion

圖6 陽離子改性劑YS質量分數對擴散形態的影響Fig.6 Effect of cationic modifier YS amount on diffusion shape

3 結 論

1)微量墨滴在蠶絲機織物表面的最終擴散形態與織物緊度有關：在較大緊度織物上擴散形態呈“十”字型；在過小緊度織物上的擴散形態呈橢圓形。墨滴體積大小對其在織物上的擴散形態也有影響：墨滴體積增大，其沿織物經緯向擴散的中央長度呈近似線性增長；墨滴體積小于1 μL時，隨墨滴體積的增大，擴散外圍長度增長速度較快；而當墨滴體積大于1 μL時，隨墨滴體積的增大，擴散外圍長度增長速度逐漸變慢。

2)當尿素質量分數小于12%時，隨尿素質量分數的增加，墨滴的擴散長度和擴散面積均減??；繼續增加尿素質量分數，墨滴擴散總長度基本保持不變，中央長度持續增加、外圍長度逐漸減小，墨滴擴散面積逐漸增大。海藻酸鈉質量分數增加，墨滴在蠶絲織物上的擴散形態從“十”字型逐漸轉變為橢圓形，擴散長度和擴散面積均呈減小趨勢。陽離子改性劑YS質量分數增加，墨滴擴散形態保持不變，而擴散長度和擴散面積均減小。

FZXB

參考文獻：

[1] 許增慧, 沈麗萍, 李翠萍, 等. 數碼噴墨印花墨水的研究現狀與發展趨勢[J]. 印染助劑, 2013, 30(1)：1-4.

XU Zenghui, SHEN Liping, LI Cuiping, et al. Study status and development trends of digital inkjet printing ink of textile [J]. Textile Auxiliaries, 2013, 30(1)：1-4.

[2] 林虹, JIN Haiyun. 數碼印花與紡織品個性化定制C2B模式[J]. 紡織學報, 2015, 36(2)：164-168.

LIN Hong, JIN Haiyun. Digital printing and textile personalized customization C2B mode [J]. Journal of Textile Research, 2015, 36(2)：164-168.

[3] 宋亞偉, 房寬峻, 張建波, 等. 噴墨技術及其在紡織品印花中的應用進展[J]. 紡織學報, 2015, 36(8)：165-172.

SONG Yawei, FANG Kuanjun, ZHANG Jianbo, et al. Inkjet technology and its application in textile printing [J]. Journal of Textile Research, 2015, 36(8)：165-172.

[4] 劉曉娜. 噴墨印刷在織物上的應用研究：薄織物上墨滴鋪展與滲透理論模型[D]. 無錫：江南大學, 2011：26-27.

LIU Xiaona. Research on the application of ink-jet printing on fabric-the theoretical model of ink spreading and penetration on the thin textile [D]. Wuxi:Jiangnan University, 2011：26-27.

[5] DEEPAK Arora. Experimental investigation of fluid drop spreading on hetero geneous and anisotropic porous media [J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2006(293)：496-499.

[6] 朱利, 屠天民, 吳思. 真絲織物噴墨印花工藝研究[J].印染, 2004(3)：20-22.

ZHU Li, TU Tianmin, WU Si. Ink jet printing of silk fabric [J]. China Dyeing & Finishing, 2004(3)：20-22.

[7] 項偉, 楊宏林, 劉今強. 真絲織物低尿素活性染料噴墨印花工藝研究[J]. 絲綢, 2014, 51(4): 18-22.

XIANG Wei, YANG Honglin, LIU Jinqiang. Study on process of ink-jet printing of silk fabrics with low-urea reactive dyes[J]. Journal of Silk, 2014, 51(4)：18-22.

[8] 關芳蘭, 王建明, 閆彩艷. 桑蠶絲織物的數碼印花工藝[J]. 紡織學報, 2012, 33(3)：89-92.

GUAN Fanglan, WANG Jianming, YAN Caiyan. Digital printing of silk fabrics [J]. Journal of Textile Research, 2012, 33(3)：89-92.

[9] LIU Zundong, FANG Kuanjun. Effect of cotton fabric pretreatment on drop spreading and colour performance of reactive dye inks [J]. Coloration Technology, 2016, 132(5)：407-413.

[10] 郭開銀, 李民中, 唐人成. 蠶絲和棉織物的活性噴墨印花[J]. 印染, 2014, 40(6)：11-15.

GUO Kaiyin, LI Minzhong, TANG Rencheng. Inkjet printing of silk and cotton fabrics with reactive dyes [J]. China Dyeing & Finishing, 2014, 40(6)：11-15.

[11] 王華清. 蠶絲/棉交織物的陽離子改性及其染色性能[J]. 紡織學報, 2012, 33(2)：73-79.

WANG Huaqing. Cationic modification of silk /cotton union fabric and its dyeing properties [J]. Journal of Textile Research, 2012, 33(2)：73-79.

[12] 徐成書, 邢建偉, 任燕, 等. 蠶絲織物ME型活性染料無鹽染色[J]. 紡織學報, 2012, 33(10)：92-97.

XU Chengshu, XING Jianwei, REN Yan, et al. Salt-free dyeing of silk with ME reactive dyestuffs [J]. Journal of Textile Research, 2012, 33(10)：92-97.