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

與傳統(tǒng)印花相比，數(shù)碼噴墨印花可大幅縮短生產(chǎn)周期，具有生態(tài)環(huán)保、節(jié)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(xiàn)傳統(tǒng)印花難以達到的個性化定制和多品種小批量生產(chǎn)[2]。然而，當(dāng)對蠶絲織物進行噴墨印花時，如不經(jīng)過預(yù)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(yán)重，邊緣模糊；另一方面缺少提供活性墨水適宜反應(yīng)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(chǔ)[3]。劉曉娜[4]建立了液滴在織物上鋪展和滲透的動態(tài)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(guān)系。朱利等[6]研究了絲綢噴墨印花預(yù)處理條件與防滲化性能、表觀得色深度的關(guān)系，并用液滴滲化法評價預(yù)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(yù)處理劑對蠶絲織物進行預(yù)處理，使織物獲得了高清晰度的印花效果。

目前，關(guān)于墨滴在蠶絲織物上的擴散與滲透行為研究甚少，針對預(yù)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(tài)，探討了織物組織結(jié)構(gòu)和墨滴體積對墨滴擴散形態(tài)的影響，分析了蠶絲織物預(yù)處理劑對墨滴擴散形態(tài)及擴散面積的影響規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 材料與設(shè)備

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

表1 織物規(guī)格參數(shù)表Tab.1 Fabric specification parameters

設(shè)備：微量進樣器(上海高鴿工貿(mào)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(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4%、8%、12%、16%和20%的尿素預(yù)處理液；配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、3%、4%、5%和6%的海藻酸鈉預(yù)處理液；配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%和8%的陽離子改性劑YS預(yù)處理液。采用上述預(yù)處理液根據(jù)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(tài)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(tài)

采用標(biāo)尺測量微量墨滴沿經(jīng)、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(tài)。

1.3.2墨滴擴散面積

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

2 結(jié)果與討論

2.1 織物組織結(jié)構(gòu)與擴散形態(tài)關(guān)系

圖1示出墨滴擴散示意圖及其形態(tài)。可看出微量墨滴在蠶絲織物上擴散結(jié)束后的形態(tài)大都呈“十”字型。如圖1(b)所示，擴散可分為3個區(qū)域，即微量墨滴沿經(jīng)緯雙向擴散區(qū)域A、經(jīng)向擴散區(qū)域C和緯向擴散區(qū)域B。擴散區(qū)域A、B和C上的墨滴擴散狀態(tài)分別對應(yīng)圖1(c)、(e)和(d)。當(dāng)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(tài)(×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(jié)構(gòu)蠶絲織物上擴散的形態(tài)參數(shù)，圖2示出其對應(yīng)的擴散形態(tài)。可看出：除5#織物外，墨滴在1#～4#蠶絲織物上的擴散形態(tài)均呈近“十”字型，且這些“十”字型的經(jīng)向線條長度均大于緯向線條長度。這是由于1#～4#織物的經(jīng)向緊度均大于緯向緊度，較大的經(jīng)向緊度導(dǎo)致經(jīng)向相鄰紗線間的毛細(xì)管半徑較小，使墨滴沿經(jīng)向紗線長度方向的擴散更快更遠(yuǎn)。

表2 墨滴擴散的形態(tài)參數(shù)Tab.2 Shape parameters of droplet diffusion

5#織物結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)構(gòu)蠶絲織物上的擴散形態(tài)為橢圓形。

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

2.2 墨滴體積與擴散形態(tài)關(guān)系

圖3示出墨滴體積對墨水在蠶絲織物上擴散形態(tài)的影響。可看出：微量墨滴擴散中央長度(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(dāng)墨滴體積超過 3 μL后，擴散外圍長度基本保持不變。當(dāng)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(dāng)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(dāng)墨滴體積大于1 μL時，隨著墨滴體積增大，Lb和Ld繼續(xù)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?yún)^(qū)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(guān)系Fig.3 Relationship between droplets volume and diffusion central length (a) and periphery length (b)

2.3 預(yù)處理劑對墨滴擴散形態(tài)的影響

2.3.1尿素

圖4示出尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對墨滴擴散形態(tài)的影響(圖片與實際大小比值為5∶3)，各項擴散參數(shù)列于表3中。

由表3可看出當(dāng)尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于12%時，墨滴的擴散長度和面積隨尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xì)管對活性墨水的吸收和擴散[7]。隨著尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，墨滴擴散總長度基本保持不變，而中央長度持續(xù)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(xì)管方向的傳遞受阻，導(dǎo)致更多墨滴向相鄰的紗線區(qū)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(fā)生泳移，使墨滴的擴散區(qū)域增大[8]。且尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，該現(xiàn)象越明顯。

圖4 尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對擴散形態(tài)的影響Fig.4 Effect of urea amount on diffusion shape

尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%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(jīng)向Lc緯向La經(jīng)向Ld緯向Lb經(jīng)向Lf緯向Le經(jīng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)對墨滴擴散形態(tài)的影響(圖片與實際大小比值為5∶3)，各項擴散參數(shù)列于表4中。可以看出：隨著海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，墨滴擴散形態(tài)由“十”字型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形；擴散長度和擴散面積均呈減小趨勢，墨滴沿經(jīng)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(xì)管被堵塞，墨滴沿紗線方向的擴散受阻[9]。特別是當(dāng)海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xì)管效應(yīng)減弱，從而使更多墨滴留在擴散的中央?yún)^(qū)域(見圖5(f))。可見，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(zhì)量分?jǐn)?shù)對擴散形態(tài)的影響Fig.5 Influence of sodium alginate amount on diffusion shape

海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%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(jīng)向Lc緯向La經(jīng)向Ld緯向Lb經(jīng)向Lf緯向Le經(jīng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)對墨滴擴散形態(tài)的影響(圖片與實際大小比值為 1∶1)。可以看出，隨著陽離子改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)對擴散形態(tài)的影響Fig.6 Effect of cationic modifier YS amount on diffusion shape

3 結(jié) 論

1)微量墨滴在蠶絲機織物表面的最終擴散形態(tài)與織物緊度有關(guān)：在較大緊度織物上擴散形態(tài)呈“十”字型；在過小緊度織物上的擴散形態(tài)呈橢圓形。墨滴體積大小對其在織物上的擴散形態(tài)也有影響：墨滴體積增大，其沿織物經(jīng)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(dāng)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(dāng)尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于12%時，隨尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，墨滴的擴散長度和擴散面積均減小；繼續(xù)增加尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，墨滴擴散總長度基本保持不變，中央長度持續(xù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，墨滴在蠶絲織物上的擴散形態(tài)從“十”字型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闄E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(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，墨滴擴散形態(tài)保持不變，而擴散長度和擴散面積均減小。

FZXB

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