天絲織物表面改性對墨滴鋪展形狀及顏色性能影響

韓 雙，房寬峻，2，劉秀明，蔡玉青，安芳芳，楊海貞

（1. 天津工業大學紡織學院，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）

天絲纖維具有棉的舒適性、滌綸的高強、黏膠的懸垂飄逸和真絲的手感，100%可進行自然生物降解，是一種性能優異的紡織材料；但纖維皮層結構很薄，接近于全芯結構[1]，水分子能夠快速被納米原纖間的孔洞吸收，應用在噴墨印花中，墨水噴射到織物表面會形成嚴重滲化[2-4]，影響印花的輪廓清晰度。因此，在噴墨印花前需要對天絲織物進行表面改性，重新構造纖維表面結構[5-6]，進而控制墨滴在織物表面的分布。

綜合國內外的研究進展及研究成果，常用的織物表面改性方法主要有化學改性、物理改性及物理改性與化學改性相結合三大類。其中，化學改性法應用較多。Neboj?a Risti 等[7-8]研究了 0.5、1.0、2.0 g/L 的商業試劑Sintegal V7conc 對棉織物進行陽離子改性的效果，結果顯示，改性織物具有更好的Zeta電位，有利于活性染料在棉織物上的吸附及固色，從而顏色強度增大。郝龍云等[9]采用不同用量的陽離子改性劑HCA改性羊毛織物，當H-CA用量控制在5%～7%，可以提高羊毛織物得色深度，同時，汽蒸時間也可縮短至5～10 min，印花色牢度提高。G Bu 等[10]采用殼聚糖與環氧丙基三甲基氯化銨制備陽離子改性劑水溶性N-（2-羥基）丙基-3-三甲基氯化銨（HTCC）對棉織物改性，結果表明，與未改性織物相比，經HTCC改性處理織物的K/S值增加了1.67。但是，針對天絲織物陽離子改性改性的研究較少。

本研究選擇陽離子型表面活性劑十二烷基三甲基氯化銨（DTAC）作為預處理劑，對天絲織物進行表面改性；研究了墨滴在表面處理前后織物上的鋪展形狀、鋪展面積以及顏色變化，利用接觸角測量儀和掃描電子顯微鏡（SEM）對墨點形狀及顏色性能進行表征。通過了解預處理劑對墨水在天絲織物上鋪展行為的影響，為進一步配制合理的預處理液提供理論參考。

1 實驗

1.1 材料與設備

材料：退煮漂絲光后的天絲織物（30 s×21 s，132 根/10 cm×62 根/10 cm，山東黃河三角洲紡織科技研究院有限公司）；十二烷基三甲基氯化銨（DTAC，天津市科密歐化學試劑有限公司），橙色活性染料墨水（杭州宏華數碼科技股份有限公司）。

儀器：TLE204E/02電子天平（梅特勒托利多天平有限公司），PO-B 軋車（萊州元茂儀器有限公司），DGG101-2BS電熱鼓風干燥箱（天津市天宇實驗儀器有限公司），OP-03實驗用汽蒸箱（天津華譜科技有限公司），Datacolor SF-600 測色儀（美國Datacolor 公司），OCA15pro 視頻光學接觸角測量儀（德國Dataphysics公司），500 μL微量進樣器（上海高鴿工貿有限公司），S-4800冷場發射掃描電子顯微鏡（日本日立公司）。

1.2 實驗方法

配制DTAC 質量濃度分別為 20、40、60、80 和100 g/L的預處理液。采用臥式軋車將預處理液施加到織物上，軋余率為70%；將織物平放于80 ℃的烘箱中烘干。

使用微量進樣器在天絲織物上點滴5 μL橙色活性染料墨水，然后在飽和蒸汽溫度為102 ℃的蒸化機上汽蒸10 min；蒸化后的織物依次進行冷水洗、溫水洗、熱水皂洗、溫水洗和冷水沖洗，然后烘干。

1.3 測試

1.3.1 墨滴鋪展面積

用掃描機掃描織物，并對圖片飽和度進行調整后，使用圖像處理軟件Image J計算墨滴的鋪展面積。在每塊織物上的多個不同位置測試，然后取平均值。

1.3.2 墨滴顏色數據

將滴有墨滴的織物折疊4 層，使用測試儀，選擇D65光源、10°視角和6.6 mm測量孔徑，在8個不同位置分別測試顏色數據，取平均值。

1.3.3 接觸角

將待測織物平整的固定在接觸角測量儀的樣品臺上；使用微量進樣器滴下體積為5 μL的蒸餾水，并拍攝視頻記錄液滴在織物上鋪展的過程；截取液滴與織物接觸67 ms 時的圖像，并使用軟件ImageJ 和插件Drop Analysis測試液滴在織物上的接觸角[11]。在每塊織物上取18個點進行測試，取平均值。

1.3.4 織物表面掃描電鏡

借助導電膠將改性前后的天絲織物固定在樣品臺上，真空干燥24 h后進行噴金處理，然后使用冷場發射掃描電子顯微鏡，在10 kV的加速電壓下，觀察天絲纖維的表面結構，掃描電鏡的放大倍數為4 000倍。

2 結果與討論

2.1 墨滴的鋪展形狀及面積

為了研究表面活性劑DTAC對墨滴在織物上鋪展的影響，采用不同質量濃度的DTAC溶液處理天絲織物后，使用微量注射器在織物表面不同位置上點滴5 μL橙色活性染料墨水，觀察織物改性前后墨滴的鋪展情況，結果見圖1（圖片與實際大小比值約為1∶1）。

圖1 不同質量濃度的DTAC溶液對墨滴鋪展形狀的影響（墨滴體積為5μL）

圖1顯示，墨滴在未處理織物上的鋪展形狀近似可看為經緯方向兩個橢圓的重疊，即為十字型。當滴到織物上時，墨滴以滴落點為中心通過毛細管作用沿著織物的經緯方向擴散，經紗較緯紗細，經向方向擴散快。隨著DTAC溶液質量濃度的增加，墨滴經緯方向兩個橢圓的寬度、長度均減小，逐漸變成一個橢圓。

由表1可知，墨滴在織物上的鋪展面積由225 mm2減小至115 mm2，與未處理織物相比，墨滴的鋪展面積減小了49%。實際上，5 μL大小的墨水投影面積約為4.3 mm2，但在上述未處理與改性后的織物上墨滴面積卻達到上百，主要是由于紗線和纖維間的毛細管作用[12-13]。DTAC 的加入降低了墨滴的鋪展面積，可能是因為墨滴與織物相互作用時，DTAC的碳氫鏈疏水基朝向空氣，疏水性增強，限制了水分子在織物表面鋪展，即染料分子的運動也受到了影響。DTAC中的陽離子基團通過靜電作用吸附在帶有負電荷的纖維表面，部分阻塞了墨滴在纖維內部運動的毛細管通道，因此，DTAC 改性有助于減小染料分子在織物表面的擴散，應用到噴墨印花中有利于提高噴墨印花圖案的精細度和防滲化性能。

表1 微升級墨滴在天絲織物上的鋪展面積

2.2 墨滴的顏色性能

天絲織物采用DTAC溶液改性后，將微升級橙色活性染料墨水滴在織物表面并進行汽蒸固色水洗，測定其明度L*、紅綠色光a*、黃藍色光b*、色彩飽和度C*及色相角h°顏色數據，結果如表2所示。

表2 微升級墨滴在天絲織物上的顏色數據

從表2可以看出，DTAC 質量濃度從0 增大至60 g/L，所有顏色指標均發生明顯變化；織物的L*值從71.9降低至59.4，說明織物顏色變深；a*、b*和C*值均為正值且增大，表明織物的色光偏紅、偏黃，橙色效果更佳，色彩更加鮮艷；同時，色相角h°也隨之增加，色光更純正。這是因為DTAC 質量濃度的增加迅速提高了陽離子基團在纖維表面的吸附量，使纖維表面帶有正電荷，促進纖維與染料通過離子鍵結合。當質量濃度繼續增加至100 g/L時，織物的顏色指標變化相反，L*值略有增大，而a*、b*和C*值均下降；主要是因為此時的DTAC起洗滌作用，使染料分子更多地從纖維上洗下來。所以，DTAC的質量濃度選擇60 g/L較合適。

由表3可知，與未汽蒸織物相比，汽蒸處理后織物的K/S值較大。因為汽蒸過程中，飽和蒸汽提供了熱量和水分，纖維吸濕溶脹，有利于染料分子進入纖維內部，與纖維發生共價結合而固著在纖維上。另外，水洗織物的(K/S)f值僅略高于(K/S)r值，可能是由于織物組織結構是三上一下的斜紋，浮長線位于織物的反面，有利于染料分子在反面運動。表3也給出了不同質量濃度DTAC 改性織物的K/S值。在任一階段，質量濃度在60 g/L 時，織物K/S值均達到最大，這與表2得出的結論一致。例如，汽蒸水洗后獲得的天絲織物比未處理織物具有較高的顏色深度。當DTAC質量濃度較低時，纖維上含有可與改性劑DTAC作用的羥基較多，隨著質量濃度的增加，纖維上結合的DTAC越多，可與活性染料靜電結合的陽離子基團增多，屏蔽了纖維上的負電荷，因此，提高纖維對染料分子的吸附能力。但纖維上可與DTAC 反應的結合位點是有限的，當二者充分結合后，繼續增加質量濃度，對纖維上正電荷的增加幾乎沒有影響，未與纖維作用的DTAC可與帶有負電荷的染料發生靜電作用，經過水洗工序一同脫離織物，同時，DTAC充當洗滌劑，進一步加強染料分子的去除，從而織物的表觀顏色先增大后降低。

表3 微升級墨滴在天絲織物上的K/S值

對比分析墨滴的鋪展與顏色性能的關系，結果表明，DTAC 改性加強了染料分子的利用率，不僅可以降低墨滴的鋪展，控制墨滴在織物上的形狀，而且能夠提高織物的顏色效果。

2.3 織物表面性能分析

表面處理能夠改變織物的表面結構和性質。通過接觸角和SEM 表征手段分析DTAC 改性前后纖維的表面潤濕性能和物理形貌，可以進一步闡釋DTAC抑制墨滴鋪展和提高織物顏色性能的原因。

2.3.1 織物的接觸角

接觸角可以直接反映織物表面的親疏水性。為了觀察DTAC改性對天絲織物表面潤濕性的影響，測試蒸餾水在未改性織物和改性織物上的接觸角，結果見表4。

表4 DTAC改性前后織物的接觸角

從表4可以看出，蒸餾水與織物接觸67 ms時，接觸角為10.2°；改性處理后織物的接觸角為29.5°。這是因為天絲織物是由親水性較強的纖維素纖維組成，蒸餾水在未處理織物上的鋪展速度非常快。而改性處理織物烘干后，DTAC 的疏水基朝向空氣一端，增加了纖維表面的疏水性，抑制了墨滴在纖維表面上的鋪展，提高染料單位濃度梯度，從而促進染料向纖維內部擴散，易與纖維表面反應性基團共價結合。

2.3.2 SEM

顯微鏡下觀察改性前后天絲纖維的表面形態如圖2所示。圖2是放大倍數為4 000 倍的掃描電鏡照片，從圖中能夠更加清晰地觀察改性前后天絲纖維表面形態的變化。圖3a 為未處理的天絲纖維縱面形態光滑且無溝槽；經過DTAC 表面改性后，天絲纖維的SEM 照片如圖3b 所示，纖維表面部分被表面活性劑覆蓋，附有大量的突出物，從而縮小纖維間的孔徑甚至堵塞較小的毛細管通道，抑制墨水的擴散。由此可見，DTAC改性處理后天絲纖維的表面結構發生明顯變化。纖維表面的表面活性劑在蒸化過程中，也會改變織物的吸濕性能，對染料分子的利用率以及形成的墨點大小及形狀產生影響。

圖2 表面處理前后織物的掃描電鏡照片（放大4000倍）

3 結論

（1）陽離子型表面活性劑DTAC處理可使墨滴在織物上的鋪展面積減小，有效地控制墨滴在織物上的形狀，顏色性能也明顯提升。與未處理織物相比，60 g/L 的DTAC 處理后，墨滴在織物上的鋪展面積減小了49.0%，表觀色深提高8.1。

（2）通過改性處理織物的表面性能分析后可知，DTAC的疏水鏈朝向空氣一端，使蒸餾水與織物的接觸角增加了19.3°，提高了織物表面的疏水性；同時，天絲纖維表面由光滑變得粗糙，附有大量的突出物，部分阻塞了墨滴在纖維內部運動的毛細管通道，控制墨滴的鋪展，從而提高染料單位濃度梯度，促進染料向纖維內部擴散，易與纖維表面反應性基團共價結合，獲得良好的顏色效果。