轉(zhuǎn)移印花增稠劑的流變性與微觀形貌

李 青，苗賽男，邢鐵玲，陳國強(qiáng)

(1.武漢紡織大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢 430200;2.蘇州大學(xué)現(xiàn)代絲綢國家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215123)

利用糊料對紙張的涂層改性可制備轉(zhuǎn)移印花紙，再經(jīng)由噴墨形成花型圖案。先在一定的溫度和壓力下將轉(zhuǎn)印紙貼合至織物表面，再在汽蒸中完成染料的溶解、轉(zhuǎn)移及固色，最后將織物與轉(zhuǎn)印紙剝離并水洗，即轉(zhuǎn)移印花的整個工藝［1］。糊料由增稠劑和印花助劑制成，其中的增稠劑用高取代羥丙基纖維素(H－HPC)和羧甲基纖維素鈉(CMC)共混而成。H－HPC是具有熱熔黏合性的纖維素醚［2］，可提供轉(zhuǎn)印紙與織物間的貼合力;CMC是印花常用的陰離子型增稠劑。顯然，增稠劑的流變性與其涂層的效果息息相關(guān)，同時紙張的涂層改性對染料的轉(zhuǎn)移有著重要影響。因此，有必要對H－HPC、CMC的流變性及其共混溶液的相容性進(jìn)行研究。

本文采用穩(wěn)態(tài)剪切和頻率掃描相結(jié)合的方法來研究H－HPC和CMC溶液的流變性，并用冪律模型對它們的剪切曲線進(jìn)行擬合。通過對比H－HPC/CMC共混溶液在不同環(huán)境(共混比、酸堿度、尿素量)中流變性能的變化來探討二者的相容性。從微觀角度看，糊料在紙張上的涂層改性可認(rèn)為在紙張的表面形成了一層糊料薄膜。轉(zhuǎn)移紙上的噴墨印花可視為，墨水在糊料膜表面浸潤、滲透稠化、干燥成花型的過程。共混均勻且表面平整的糊料膜可被較快地潤濕溶脹［3］，還可賦予轉(zhuǎn)印紙與織物間良好的貼合，進(jìn)而有利于染料轉(zhuǎn)移性能的提升。在本文研究中，運(yùn)用光學(xué)和原子力顯微鏡對不同溫度下制備的H－HPC、CMC和糊料膜的微觀形貌進(jìn)行觀測，以期通過增稠劑及糊料膜的微觀形貌來了解H－HPC和CMC共混的均勻性及膜的平整度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

高取代羥丙基纖維素(H－HPC，取代度2.5)、羧甲基纖維素鈉(CMC，取代度1.05)，均為市售工業(yè)級產(chǎn)品;98%硫酸(優(yōu)級純)、氫氧化鈉、碳酸鈉、硼酸、磷酸、醋酸、甘油、尿素、30%雙氧水、乙醇(分析純)、三氯乙酸(化學(xué)純)、納米二氧化硅(工業(yè)級)。

AR2000型流變儀，美國 AT儀器公司;VHX－1000型超景深三維顯微鏡，日本Keyence儀器公司;Nano Scope?V型原子力顯微鏡，美國Veeco儀器公司;JB90－SH型強(qiáng)力恒速電動攪拌器，上海標(biāo)本模型廠;DHG－9146A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;XW－ZDR－25X1型震蕩染樣機(jī)，靖江市新旺染整設(shè)備廠;TGL－16G型臺式離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 增稠劑溶液的制備

將一定量的H－HPC或/和CMC于室溫下加入去離子水中，并置于染樣機(jī)內(nèi)在25℃下振蕩48 h，即得到充分溶脹且均勻透明的增稠劑溶液。

1.2.2 基于H-HPC/CMC糊料的制備

先按照1.2.1制備H－HPC/CMC的混合溶液，再加入印花助劑，攪拌均勻后即得到改性用糊料。糊料中各組分比例參考轉(zhuǎn)移印花工藝配制:H－HPC 3%、CMC 1%、碳酸鈉1%、三氯乙酸1%、尿素1%、甘油3%、納米二氧化硅0.5%、去離子水89.5%，均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.2.3 H-HPC、CMC和糊料膜的制備

先用乙醇將硅片表面清洗干凈，再將其浸于含有30%體積分?jǐn)?shù)雙氧水和70%體積分?jǐn)?shù)硫酸的溶液中30s，最后用去離子水沖洗并吹干，即得到具有高度親水性表面的硅片。

移取 50μL 的增稠劑溶液(2%H－HPC 或1%CMC)或糊料滴于上述制備的硅片表面，使溶液或糊料在上面自然鋪展開來，并置于不同溫度下干燥10min，即制備成增稠劑或糊料薄膜。

1.3 測試方法

1.3.1 流變性測試

測試前，試樣需離心去除其中的細(xì)小氣泡。采用配以錐板測試系統(tǒng)(40mm，2°)的流變儀進(jìn)行測試。溫度為25℃，每個點(diǎn)掃描10 s，平衡時間為1 min。在流動測試界面進(jìn)行穩(wěn)態(tài)剪切測試;在振蕩測試界面選擇頻率掃描進(jìn)行動態(tài)黏彈性測試。

1.3.2 微觀形貌測試

將硅片置于超景深三維顯微鏡或原子力顯微鏡下觀察薄膜的微觀形貌。原子力顯微觀測采用輕敲模式，掃描速率為1.5 Hz。

2 結(jié)果與討論

2.1 H-HPC和CMC溶液的流變性

2.1.1 穩(wěn)態(tài)剪切性

對含量分別為1%、2%、3%、4%、5%的H－HPC溶液和含量分別為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%的CMC溶液在0.1～5000 s－1的范圍內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)剪切實(shí)驗(yàn)，得到表觀黏度與剪切速率間的關(guān)系曲線，如圖1所示。

由圖1可知，2種溶液的黏度在低剪切速率區(qū)(0.1～10 s－1)內(nèi)的變化很小，呈現(xiàn)出牛頓型流體的特征。隨著剪切速率的增加，2種溶液的黏度均不斷下降，具有典型的假塑型流體特征。用冪律模型對10～5000 s－1區(qū)域內(nèi)的流變曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果如表1所示。

式中，K和n分別為溶液的稠度系數(shù)(Pa·sn)和流變特性指數(shù)［4－5］。K值越大，表明在較低的剪切速率下溶液有較高的黏度，即增稠劑的結(jié)構(gòu)黏度較高。n值越小，說明溶液的假塑性即剪切變稀行為越明顯［6－7］。

圖1 不同含量的H－HPC和CMC溶液的穩(wěn)態(tài)剪切性Fig.1 Steady shear properties of H－HPC and CMC solutions with different solid contents

表1 不同含量的H-HPC和CMC溶液冪律模型參數(shù)擬合值Tab.1 Power-law model parameters for H-HPC and CMC solutions with different solid contents

從表1可知，2種溶液的K值均隨著含量的增加而增大，且CMC溶液的K值增加得更快。說明CMC具有較高的結(jié)構(gòu)黏度，這源于CMC較大的分子質(zhì)量和較易展開的分子鏈結(jié)構(gòu)。2種溶液的n值均隨著含量的增加而減小，且CMC溶液的n值更小。說明CMC在剪切時更容易變稀，因?yàn)樵诩羟凶饔孟掳l(fā)生解纏繞的CMC大分子不容易恢復(fù)原狀。

鑒于上述分析可知，糊料經(jīng)由刮刀涂層時會發(fā)生稀化，該特征可使糊料均勻地鋪展開來，有利于獲得一個成功的紙張涂層。另外，CMC較高的結(jié)構(gòu)黏度使其具有顯著的增稠能力，即少量的CMC會引起糊料黏度的迅速改變，因此需謹(jǐn)慎控制其用量。

2.1.2 觸變性

適合涂層的糊料應(yīng)該是當(dāng)其受到外力作用時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生解纏繞，即能夠變稀，具有良好的流動性;當(dāng)外力撤離時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)又能較快地恢復(fù)原狀，即能夠較快地變稠，從而有效抑制其在紙張表面的過度流動或內(nèi)滲。內(nèi)部結(jié)構(gòu)解纏繞和重建的過程就是糊料觸變性能的體現(xiàn)。

分別對4%H－HPC和2%CMC溶液進(jìn)行穩(wěn)態(tài)剪切測試，先從 0.1 s－1增加至 100 s－1，再降至0.1 s－1，得到4條上、下行剪切曲線，如圖2所示。上、下行曲線間圍成的面積，即穩(wěn)態(tài)剪切滯后圈的面積越大，表明溶液的觸變性越大［8］。由圖可知，CMC可形成明顯的剪切滯后圈。相比之下，H－HPC的2條剪切曲線幾乎重合。說明H－HPC的觸變性較CMC小，當(dāng)外力撤去后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較易恢復(fù)，能較快地稠化，所以H－HPC比CMC更適合紙張的涂層改性。

圖2 H－HPC和CMC溶液的穩(wěn)態(tài)剪切滯后觸變性Fig.2 Hysteresis loops of H－HPC and CMC solutions obtained from steady shear tests

2.1.3 動態(tài)黏彈性

增稠劑溶液具有介于彈性固體和黏性液體之間的力學(xué)行為，具有非常明顯的黏彈性，可運(yùn)用動態(tài)頻率掃描來測試該性能。對2%和4%的H－HPC溶液及1%和2%的CMC溶液進(jìn)行頻率掃描實(shí)驗(yàn)，得到溶液的損耗模量(G″)、儲能模量(G')和損耗角正切(tanδ=G″/G')與角頻率(ω)之間的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同含量H－HPC和CMC溶液的動態(tài)黏彈性Fig.3 Dynamic viscoelastic properties of H－HPC and CMC solutions with different solid contents

從圖3(a)、(b)中可看出，在實(shí)驗(yàn)掃描頻率范圍內(nèi)，2種溶液的損耗模量和儲能模量均隨著HHPC和CMC含量的增加而增大。損耗模量值與溶液的黏性成反比，儲能模量值則正比于溶液的彈性［9］。說明，隨著H－HPC和CMC含量的增加，溶液的黏性減弱而彈性增強(qiáng)。這可能是因?yàn)楹吭礁撸芤褐写蠓肿娱g的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)越緊密，越容易將外界的能量轉(zhuǎn)化成彈性能儲存起來，而非通過黏性流動散失掉。

損耗角正切用以表征溶液黏性與彈性的相對比例。tanδ＞1的溶液體現(xiàn)出較為顯著的黏性行為及類液態(tài)特征，反之tanδ＜1的溶液則表現(xiàn)出較為顯著的彈性行為及類固態(tài)特征［10］。

從圖3(c)可看出，2種溶液的tanδ值均隨著H－HPC和CMC含量的增加而減小，意味著它們彈性的增強(qiáng)，這和圖3(a)、(b)中的現(xiàn)象是一致的。從圖4(c)還注意到，2%H－HPC溶液的tanδ值呈現(xiàn)出高低起伏的變化，相比含量僅為1% 的CMC溶液，其tanδ值都未出現(xiàn)明顯的波動，說明CMC的黏彈性較H－HPC的穩(wěn)定。

2.2 H-HPC/CMC共混溶液的相容性

2.2.1 共混質(zhì)量比的影響

上述研究發(fā)現(xiàn)，CMC其結(jié)構(gòu)黏度高于 H－HPC并體現(xiàn)出更明顯的假塑性和觸變性，同時CMC的黏彈性要更為穩(wěn)定。將這2種流變性差異較大的增稠劑共混后，其相容性如何也是值得探討的。制備H－HPC/CMC質(zhì)量比分別為 3/0、2.5/0.5、2/1、1.5/1.5、1/2、0.5/2.5、3/0 的共混溶液后進(jìn)行穩(wěn)態(tài)剪切實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 H－HPC/CMC質(zhì)量比對混合增稠劑溶液穩(wěn)態(tài)剪切性能的影響Fig.4 Effects of solid content ratios of H－HPC/CMC on steady shear properties of solutions based on mixed thickeners

由圖4可知，隨著混合溶液中CMC比例的增加，表觀黏度逐步升高，剪切變稀行為越明顯。說明隨著CMC比例的增加，混合溶液的流變行為與CMC越相似，可認(rèn)為H－HPC與CMC具有較好的相容性。

2.2.2 酸堿度的影響

在實(shí)際印花中，糊料需提供適宜的酸堿度來實(shí)現(xiàn)較高的染料轉(zhuǎn)移率或固色率。也就是說，H－HPC/CMC是處于一定的酸堿環(huán)境中的。為探究不同酸堿度下 H－HPC/CMC的相容性，用 pH值分別為2.87、5.33、9.62和11.92的緩沖液制備混合溶液，并控制H－HPC和CMC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1%。對溶液進(jìn)行穩(wěn)態(tài)剪切和頻率掃描測試，結(jié)果如圖5所示。

圖5 酸堿度對H－HPC/CMC共混溶液穩(wěn)態(tài)剪切性和動態(tài)黏彈性的影響Fig.5 Effects of pH values on steady shear and dynamic viscoelastic properties of solutions based on H－HPC/CMC

由圖5(a)可知，與空白樣相比，混合溶液的表觀黏度在酸性和弱堿性中保持得較為穩(wěn)定。當(dāng)pH值為11.92時，溶液黏度顯著降低?？赡苁且?yàn)殡S著堿濃度的增加，溶液中離子電荷的強(qiáng)度隨之增大，電荷的屏蔽作用增強(qiáng)，降低了大分子鏈間的相互纏繞［11］。

由圖5(b)還可知，與空白樣相比，溶液的tanδ值在酸性和堿性中均有所增大。說明H－HPC/CMC在酸堿性的環(huán)境中，黏性增強(qiáng)，彈性減弱，類液態(tài)特征趨于明顯。整體而言，pH值對H－HPC/CMC黏彈性的影響不大。

2.2.3 尿素含量的影響

吸濕劑尿素是糊料中必不可少的組分，它能促進(jìn)汽蒸時增稠劑的吸濕溶脹，對染料轉(zhuǎn)移率的提升具有重要作用。為了探討尿素與H－HPC/CMC的相容性，分別用3%、6%和10%的尿素溶液制備混合溶液，并控制H－HPC和CMC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1%。對溶液進(jìn)行穩(wěn)態(tài)剪切和頻率掃描測試，結(jié)果如圖6所示。

圖6 尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對H－HPC/CMC共混溶液穩(wěn)態(tài)剪切性和動態(tài)黏彈性的影響Fig.6 Effects of urea contents on steady shear and dynamic viscoelastic properties of solutions based on H－HPC/CMC

由圖6(a)可知，隨著尿素的加入，溶液的表觀黏度略有降低。這可能是因?yàn)槟蛩厣系臉O性基團(tuán)(—NH2和C =O)能與水分子發(fā)生氫鍵結(jié)合，從而減少了增稠劑可吸附的自由水。整體而言，尿素含量對H－HPC/CMC表觀黏度的影響很小。由圖6(b)還可知，尿素的加入增加了溶液的tanδ值，但對H－HPC/CMC黏彈性的影響較小。

2.3 H-HPC和CMC膜的微觀形貌

為了更好地觀察增稠劑膜的微觀形貌，以高度親水的硅片代替紙張作為薄膜載體。首先，利用光學(xué)顯微鏡觀察H－HPC和CMC溶液在不同溫度下自然成膜的表面形貌，結(jié)果如圖7所示。

從圖7可看出，室溫下制備的H－HPC和CMC膜的中心區(qū)均呈現(xiàn)出乳白色的圓。隨著溶劑在室溫中的緩慢揮發(fā)，被溶脹的H－HPC和CMC大分子鏈緩慢地向中心區(qū)域聚集，從而在薄膜的中心形成了一個明顯的圓［3］。與CMC膜不同的是，50℃下干燥的H－HPC膜中央出現(xiàn)了白色小顆粒的不規(guī)則聚集體。HPC是一種具有可逆熱凝膠性的纖維素醚［2，12］，當(dāng)溫度達(dá)到凝膠點(diǎn)時，其溶液發(fā)生凝膠，因而H－HPC膜中央形成了白色的顆粒［13］。然而，110℃下干燥的H－HPC膜上并沒有形成明顯的顆粒聚集。可能是溶劑在高溫中快速揮發(fā)，使凝膠分布得較為均勻。另外，在50℃和110℃下制備的CMC膜中有明顯的小氣泡，這是在制備溶液的過程中引入的。根據(jù)上述分析可知，干燥溫度對H－HPC和CMC膜表面的形貌有很大影響，尤其是對具有熱凝膠性的H－HPC。

圖7 不同干燥環(huán)境下制備的H－HPC和CMC膜Fig.7 H－HPC and CMC films dried under different conditions

2.4 基于H-HPC/CMC糊料膜的微觀形貌

為了探究轉(zhuǎn)移印花中糊料膜的微觀形貌，依據(jù)1.2.2制備紙張改性用糊料，并在不同溫度中自然成膜，利用光學(xué)顯微鏡觀察膜的表面形貌，如圖8所示?？煽闯?，50℃中干燥的糊料膜上出現(xiàn)分散的白色小顆粒，在80℃和110℃的干燥環(huán)境中，分散的顆粒消失了，取而代之的是連續(xù)分布且表面粗糙的絮狀類似物。根據(jù)該現(xiàn)象推斷:H－HPC未充分凝膠時，則像“海島”一樣分布在CMC中;在80℃以上干燥時，H－HPC充分凝膠，且溶劑揮發(fā)很快，使得H－HPC與CMC相互包容在一起，即意味著H－HPC在糊料膜中的分布更加均勻。因此，涂層改性后的轉(zhuǎn)移紙?jiān)谳^高的溫度(≥80℃)下干燥可使H－HPC和CMC共混得較為均勻，利于印花性能的提升。

圖8 不同干燥環(huán)境下制備的H－HPC/CMC糊料膜Fig.8 H－HPC/CMC paste films dried under the different conditions

運(yùn)用原子力顯微鏡觀察110℃下制備的糊料膜，結(jié)果如圖9所示。

圖9 110℃下制備的H－HPC/CMC糊料膜Fig.9 H－HPC/CMC paste film dried at 110 ℃observed by AFM

從圖9可看到，糊料膜的表面平整，這意味著涂層在轉(zhuǎn)移紙上的糊料具有較較平整的表面，適合織物間的貼合。

3 結(jié)論

1)穩(wěn)態(tài)剪切實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)剪切速率高于10 s－1時，H－HPC和CMC均體現(xiàn)出典型的假塑型流體特征，該特征有利于糊料在紙張上的涂層改性;H－HPC具有較小的觸變性，因而比CMC更適合紙張涂層。

2)經(jīng)冪律模型對剪切曲線的擬合可知，CMC的結(jié)構(gòu)黏度高于H－HPC，并體現(xiàn)出更明顯的假塑性。

3)頻率掃描實(shí)驗(yàn)表明，隨著H－HPC或CMC含量的增加，溶液的損耗模量和儲能模量增大而tanδ減小，彈性行為增強(qiáng);CMC的動態(tài)黏彈性較H－HPC的穩(wěn)定。

4)H－HPC與CMC具有較好的相容性。酸性、弱堿性以及尿素對H－HPC/CMC溶液的表觀黏度和黏彈性影響不大。

5)干燥溫度對糊料膜的微觀形貌影響很大。在80℃以上干燥時，可獲得H－HPC和CMC共混均勻且表面平整的糊料膜。

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