棉織物組織結構對墨滴鋪展及顏色性能的影響

楊海貞， 房寬峻,2， 劉秀明， 蔡玉青， 安芳芳， 韓 雙

(1. 天津工業大學 紡織科學與工程學院， 天津 300387； 2. 山東生態紡織協同創新中心， 山東 青島 266071；3. 青島大學 紡織服裝學院， 山東 青島 266071)

目前，現有的噴墨打印的理論研究主要是基于紙張打印，與紙張材料相比，數碼噴墨印花織物的組織結構具有多樣性，表現為較粗糙的表面和較大的孔隙，因此，探究織物組織結構和墨水之間的成像機制尤為重要。從織物組織結構的角度，粗糙度、厚度、孔隙率是影響噴墨印花成像的主要因素，具體包括織物表面的經向粗糙度，緯向粗糙度，織物厚度，織物、紗線以及纖維之間的孔隙；對于墨滴而言，織物組織結構中毛細管的排列與分布將會直接影響墨水在織物表面上的鋪展。由于噴墨印花織物的表觀顏色的形成不是預先混合得到，而是根據需要由織物以及各種顏色墨滴對照射在織物上的光線進行選擇性地吸收和反射等作用，然后通過混色在織物上呈現出噴墨印花圖案，因此，噴墨印花圖案主要取決于墨滴在織物上的精確分布；織物組織結構中紗線或纖維的橫截面形狀，都會導致噴墨印花過程中墨滴的變形和墨滴在織物上的鋪展、擴散和滲透，影響光與織物之間的相互作用，從而影響噴墨印花效果[1-3]。

Farooq等[4]研究發現，在經緯密度相同的情況下，斜紋織物比緞紋織物具有更少的孔隙，斜紋織物的表觀顏色深度高于緞紋織物，表明孔隙率與織物表觀顏色深度具有直接關系。Bae等[5]研究了噴墨印花過程中織物紋理對顏色深度的影響，表明織物紋理對噴墨印花效果產生了可測量的影響。Lee等[6-8]研究發現，織物表觀顏色深度隨織物表面經紗和緯紗的變化而變化，視覺紋理可通過反射光的特性來預測。李敏等[9]研究表明，墨水液滴在織物上的鋪展面積與織物的有效孔隙呈現反比例關系。房寬峻等[10-11]研究發現，織物中的紗線越細，織物緊度越大，噴墨印花后織物得色越深，防滲化效果越好。安亞潔等[12-13]研究表明，蠶絲織物的緊度與墨水在織物上的鋪展和擴散以及織物顏色深度之間存在密切關系。以上研究表明織物的紗線粗細、織造工藝、前處理工藝不同，都會影響噴墨印花的顏色性能，但關于織物組織結構與噴墨印花顏色性能關系的理論研究較少。

本文采用同一種紗線、相同的織造工藝和前處理工藝，只改變織物組織結構，織造了經緯密度都相同的平紋、斜紋和蜂巢組織織物，然后采用海藻酸鈉對織物進行改性，通過在不同組織織物上滴加活性染料墨水分析織物粗糙度、厚度和孔隙率對鋪展面積和表觀顏色深度(K/S值)的影響，以揭示織物組織結構與噴墨印花顏色性能的關系。

1 實驗部分

1.1 織物規格

棉織物試樣，經緯紗線密度均為28 tex×2，經密為180 根/(10 cm)，緯密為150 根/(10 cm)。試樣織造張力設定一致，織物組織分別為平紋組織、三上一下右斜紋組織和蜂巢組織。

1.2 材料與儀器

材料：海藻酸鈉(青島明月海藻有限公司)，尿素、小蘇打、燒堿和雙氧水(天津科密歐化學試劑有限公司)，防染鹽S(愉悅家紡有限公司)，螯合分散劑、氧漂助劑和冷堆精練劑(山東黃河三角洲紡織科技研究院)，活性染料墨水(杭州宏華數碼科技有限公司)。

儀器：ASL2300型全自動劍桿織機(天津隆達機電科技有限公司)；TLE204E/02型電子天平(梅特勒-托利多有限公司)；YG 141 LA型厚度儀(萊州電子儀器有限公司)；KES型風格儀(上海羅中科技發展有限公司)；PO-B型軋車(萊州元茂儀器有限公司)；DGG 101-2BS型干燥箱(天津市天宇儀器有限公司)；OP-03型汽蒸箱(天津華譜科技有限公司)；OCA型接觸角測量儀(北京東方德菲有限公司)；VEGA-5000型噴墨印花機(杭州宏華數碼科技有限公司)；Datacolor SF-600型測色儀(美國Datacolor公司)。

1.3 實驗方法

1.3.1 織物表面改性

3種織物采用相同的冷軋堆工藝，工藝流程：坯布→浸軋漂白液(二浸二軋，帶液率為(85±2)%)→堆置→熱水洗→冷水洗→烘干[14]。處方：雙氧水50 g/L，燒堿40 g/L，螯合分散劑2 g/L，氧漂助劑3 g/L，精練劑6 g/L。于室溫堆置20 h。

3種織物也采用相同的預處理工藝，工藝流程：前處理后的織物→浸軋處理(一浸一軋，帶液率為(70±2)%)→烘干(75 ℃，5 min)。處方(質量分數)：海藻酸鈉0.2%～2.5%，防染鹽S 1.5%，NaHCO32%，尿素8%，水88.3%～86.0%。

1.3.2 墨滴在織物上的鋪展

通過接觸角測量儀在海藻酸鈉(質量分數為0.2%～2.5%)改性的平紋織物上滴加品紅色墨水，墨滴體積均為5 μL，織物晾干后在102 ℃飽和蒸汽中汽蒸固色10 min，水洗、皂洗去除浮色后在75 ℃烘箱中烘干。

1.3.3 噴墨印花

噴墨印花：在海藻酸鈉(質量分數為2.5%)處理的平紋、斜紋和蜂巢織物上以720 dpi×720 dpi的分辨率用噴墨印花機打印6種顏色的色塊(100%填充)，用于測試顏色數據。

后處理：將織物晾干后在102 ℃飽和蒸汽中汽蒸固色10 min，水洗、皂洗去除浮色后在75 ℃烘箱內烘干。

1.4 測試方法

1.4.1 織物粗糙度

采用KES型風格儀及其標準測試方法表征織物的粗糙度。首先將織物在恒溫恒濕室中平衡24 h，然后釆用風格儀進行測試。

1.4.2 織物厚度

依據GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》，使用YG 141 LA型織物厚度儀測試織物的厚度，選擇壓腳面積為2 000 mm2，施加壓強為200 cN/cm2，測試10次求平均值。

1.4.3 織物孔隙率

機織物孔隙率Φ是指織物體積中纖維表面以外的空穴體積所占的百分比[8-9]。由下式計算織物孔隙率：

式中：δF為織物密度，g/cm3；ρf為纖維密度，g/cm3；G為織物面密度，g/cm2；T為織物厚度，cm。

1.4.4 墨滴鋪展面積

使用接觸角儀的微量進樣器在織物上20個不同位置滴加體積為5 μL的品紅色墨滴；將織物晾干，掃描織物，通過圖像處理軟件Image J對鋪展面積進行計算求平均值。

1.4.5 顏色數據

將噴墨印花織物折疊4層，使用Datacolor SF-600測色儀測定平紋、斜紋和蜂巢織物的表觀顏色深度(K/S值)及相應的顏色數據(亮度值L*、紅綠色光a*、黃藍色光b*、飽和度C*、色相角h°)，選擇3 mm測量孔徑、10°視角及D65光源，在織物不同位置測定8次，取平均值。由下式計算織物的K/S值：

(K/S)λ=(1-Rλ)2/2Rλ

式中：K為吸收系數；S為散射系數；Rλ為波長λ處的反射率，%。

2 結果與討論

2.1 織物組織結構對顏色效果影響

圖1示出不同組織結構織物的噴墨印花色塊的K/S值曲線和反射率曲線。其中，噴墨打印色塊的填充率為100%，海藻酸鈉的質量分數為2.5%。可看出，對于品紅、青色、黃色、黑色、寶藍和橙色色塊，斜紋織物的K/S值高于平紋織物，而蜂巢織物由于其組織結構的特殊性，使其K/S值比平紋和斜紋織物的都大，表明蜂巢織物的表觀顏色最深，平紋織物的表觀顏色最淺，由于3種織物經緯紗采用同一種紗線且經緯密度相同，因此這種差別主要與織物組織結構有關[15]。

以品紅色為例進行分析，由圖1(a)可知，對于品紅色塊，在最大吸收波長(λ=550 nm)下，斜紋織物的K/S值比平紋織物的大2.83，蜂巢織物的K/S值比斜紋織物的大0.92。這主要是由于3種織物不同的粗糙度、孔隙率和厚度所引起的活性染料墨水在織物表面鋪展、擴散和滲透不同[15]；與平紋織物相比，斜紋織物的經緯交織點較少，織物厚度和孔隙率比平紋織物的大，即紗線、纖維以及原纖間存在的孔隙比平紋織物的多，對墨水在紗線和纖維間的阻力較小；因此，墨滴在毛細管壓力和氫鍵的作用下通過紗線、纖維的孔隙向織物內部滲化，并進入到纖維的無定形區域，使得較多的染料固著在織物上[12,16]，導致織物對光的吸收率提升，對光的反射程度下降，這與圖1中品紅色的反射率曲線相符合。根據K/S值的計算公式，反射率減小會導致織物的表觀顏色變深[9,16]。同理，這也是造成蜂巢織物K/S值高于斜紋織物K/S值的原因。

表1示出不同組織結構織物的噴墨印花色塊的L*值、a*值、b*值、C*值、h°值等顏色參數和K/S值?？梢钥闯觯簩τ谄芳t、青色、黃色、黑色、寶藍和橙色色塊，斜紋織物的L*值小于平紋織物，蜂巢織物的L*值小于斜紋織物；而3種織物的K/S值呈現相反的規律。平紋織物的表面最亮，表觀顏色最淺；蜂巢織物的表面最暗，表觀顏色最深；斜紋織物表面的亮度和表觀顏色深度介于平紋織物和蜂巢織物之間[9,16]。對于6種顏色色塊，平紋織物的色彩飽和度C*值最小，蜂巢織物的C*值最大，表明蜂巢織物的色彩最鮮艷。黑色為非彩色，C*值越接近于0，表明顏色越純正。由于斜紋和蜂巢織物的C*值最接近于0，說明3種織物中，斜紋和蜂巢織物的黑色更加純正。其他顏色參數以品紅色為例：3種織物的a*值均為正值、b*值均為負值；且平紋織物的a*值的絕對值最小，b*值的絕對值最大；蜂巢織物的a*值的絕對值最大，b*值的絕對值最小。表明3種織物表面均偏紅光和藍光，其中平紋織物表面的紅光最弱，藍光最強；蜂巢織物表面的紅光最強，藍光最弱。此外，蜂巢織物的色相角更接近于360°，顏色更加純正[15-16]。

圖1 不同組織結構織物的噴墨印花色塊的K/S值曲線和反射率曲線

Fig.1K/Scurves and reflectances curves of inkjet printed fabrics with different structures. (a) Magenta; (b) Cyan; (c) Yellow; (d) Black; (e) Blue; (f) Orange

2.2 織物組織對粗糙度、厚度和孔隙率影響

表2示出不同組織結構織物的粗糙度、厚度和孔隙率?？梢钥闯觯郊y織物的經緯向粗糙度、厚度和孔隙率最?。环涑部椢锏淖畲?，斜紋織物介于平紋織物和蜂巢織物之間。主要由于平紋織物的經緯紗在同一個平面上，交織點最多，紗線間距小，不易移位，導致其孔隙率較低和厚度較薄[17-18]；當組織類型由平紋改變為斜紋和蜂巢時，單個組織循環內交織點逐漸減小，紗線間距增大，浮長線增多且變長，織物孔隙率變大，使得紗線橫截面由扁平狀向圓形靠攏，而圓形紗線會使織物厚度增加，從而使儀器探針在織物表面測試粗糙度時，其高峰和低峰之間的差異最大化[19-21]，織物的粗糙度增大。

2.3 織物結構性能與鋪展面積和K/S值關系

2.3.1 織物粗糙度與鋪展面積和K/S值的關系

圖2示出織物的經緯向粗糙度與墨滴在織物上的鋪展面積和K/S值的關系?？梢钥闯觯卧诳椢锷系匿佌姑娣e隨著織物經向粗糙度和緯向粗糙度的增加而增大，而墨滴在織物上的K/S值隨著織物經向粗糙度和緯向粗糙度的增加而降低。這主要是由于滴加在織物上的墨滴體積是一定的，織物的粗糙度越大，其對墨滴在紗線和纖維間的鋪展和擴散阻力越??；因此，墨滴與織物接觸后，在毛細管壓力和氫鍵的作用下，墨滴很容易在織物的表面鋪展和擴散，同時通過紗線、纖維和原纖的孔隙向織物內部滲透，使得墨滴在織物上的鋪展面積增大，同時導致較少墨水固著在織物表面[10,16]，從而織物對光的吸收程度降低，對光的反射率增加。根據K/S值計算公式可知，織物對光的反射率增加會導致織物的K/S值降低，織物的表觀顏色變淺[22-23]。

表1 不同組織結構織物的噴墨印花色塊的顏色數據及表觀顏色深度值

Tab. 1 Colorimetric values and color strength of inkjetprinted cotton fabrics with different structures

墨水顏色織物組織L*a*b*C*h°K/S值平紋42.354.8-3.254.8356.710.7品紅斜紋40.656.5-1.756.5358.313.6蜂巢40.257.2-0.857.2359.214.5平紋50.0-32.8-31.545.5223.823.4青色斜紋49.7-34.3-32.747.4223.626.8蜂巢49.4-35.0-32.847.9223.229.9平紋84.6-5.189.289.493.313.4黃色斜紋84.4-5.993.093.293.616.2蜂巢84.2-4.895.395.592.918.8平紋20.3-1.7-5.25.5251.519.8黑色斜紋18.3-1.1-4.44.6255.722.8蜂巢17.7-1.1-4.54.6256.824.3平紋38.96.1-44.444.9277.89.6寶藍斜紋38.07.2-46.647.1278.810.9蜂巢37.87.6-46.547.2279.211.0平紋56.156.857.981.145.519.2橙色斜紋55.457.860.083.346.122.4蜂巢55.158.561.384.746.323.5

注：噴墨印花色塊為100%填充，102 ℃汽蒸10 min。

表2 不同組織結構織物的粗糙度、厚度和孔隙率

Tab.2 Roughness, thickness and porosity of fabricswith different structures

織物組織經向粗糙度/μm緯向粗糙度/μm厚度/mm孔隙率/%平紋2.95.30.784.4斜紋3.66.30.985.4蜂巢5.88.51.886.5

圖2 織物粗糙度與墨滴鋪展面積和K/S值的關系

Fig.2 Relationship between fabric roughness and ink droplet spreading area andK/Svalue. (a)Warp roughness；(b)Weft roughness

綜上所述，通過降低織物的經緯向粗糙度可以提高噴墨印花織物的表觀顏色深度和防滲化效果。

2.3.2 織物厚度與鋪展面積和K/S值的關系

圖3示出織物厚度與墨滴在織物上的鋪展面積和K/S值的關系?？梢钥闯?，墨滴在織物上的鋪展面積隨著織物厚度的增加而降低，而墨滴在織物上的K/S值隨著織物厚度的增加而增大。其原因是：墨滴與織物作用時，其在織物表面沿著經緯2個方向同時發生鋪展、擴散和滲透。織物的厚度越厚，其與織物中的毛細孔隙接觸后，毛細管壓力和氫鍵的作用會導致墨滴在織物上擴散的同時，更多墨水會逐漸地滲透到纖維的無定形區，從而抑制墨滴沿著紗線的進一步鋪展和擴散，導致鋪展面積變小，使得較多的墨水更加集中在織物的表面[15-16]，同時織物厚度方向的紗線和纖維使進入到織物內部的光線沿著織物的厚度方向產生多次反射和折射[12,17]。以上因素的綜合作用使得織物對光的吸收程度增加，對光的反射率降低。根據K/S值計算公式可知，織物對光的反射程度減小，導致織物K/S值增大[22-23]。

圖3 織物厚度與墨滴鋪展面積和K/S值的關系

Fig.3 Relationship between fabric thickness and ink droplet spreading area andK/Svalue

由此可見，適當增加織物厚度可以提升噴墨印花織物的表觀顏色深度和防滲化效果。

2.3.3 織物孔隙率與鋪展面積和K/S值的關系

圖4示出織物孔隙率與墨滴在織物上的鋪展面積和K/S值的關系。由圖可知，墨滴在織物上的鋪展面積隨著織物孔隙率的增大而變大，而墨滴在織物上的K/S值隨著織物孔隙率的增大而降低。這主要是由于織物的孔隙率越小，其對墨滴在紗線、纖維和原纖間的阻力越大，使得墨滴在織物上的鋪展、擴散和滲透受阻，導致墨滴在織物上的鋪展面積變小，將較多墨水貯留在織物表面，提高了織物對光的吸收程度，從而對光的反射率降低[15-16]，使得織物K/S值變大。相反的，織物的孔隙率越大，紗線間較大的孔隙將會增加光通量，導致織物對光的吸收減少，對光的反射程度提升[4,12]，織物的表觀顏色深度降低。

圖4 織物孔隙率與墨滴鋪展面積和K/S值的關系

Fig.4 Relationship between fabric porosity and ink droplet spreading area andK/Svalue

綜上所述，適當降低棉織物的孔隙率可以提升噴墨印花織物的表觀顏色深度和防滲化效果。

3 結 論

1)通過噴墨印花機將活性染料墨水打印在不同組織結構的棉織物上，當打印填充率為100%的品紅、黃色、青色、橙色、寶藍、黑色時，斜紋織物的K/S值和色彩飽和度高于平紋織物，蜂巢織物的K/S值和色彩飽和度高于斜紋織物，表明蜂巢織物的表觀顏色最深，色彩最鮮艷。

2)隨著織物經緯向粗糙度和孔隙率的增加，墨滴的鋪展面積變大，而墨滴在織物上的K/S值降低，表觀顏色變淺。隨著織物厚度的增加，墨滴的鋪展面積變小，而墨滴在織物上的K/S值增加，表觀顏色變深。因此，適當降低織物的經緯向粗糙度和孔隙率，增加織物的厚度可以提升噴墨印花棉織物的表觀顏色深度，改善織物的防滲化效果。