納米包覆顏料多相流體的噴墨行為

王大同, 張麗平, 田安麗, 付少海

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無(wú)錫 214122)

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納米包覆顏料多相流體的噴墨行為

王大同, 張麗平, 田安麗, 付少海

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無(wú)錫 214122)

以納米包覆顏料為著色劑，探討了共聚單體、表面活性劑、保濕劑、噴射電壓和波形對(duì)墨滴形態(tài)、墨滴拉伸長(zhǎng)度、斷裂時(shí)間、墨滴飛行速度、斜噴角度和衛(wèi)星點(diǎn)等噴墨行為的影響。結(jié)果表明：表面張力越小，墨滴越易離開(kāi)噴嘴，形成柱狀細(xì)線，產(chǎn)生衛(wèi)星點(diǎn)；保濕劑和共聚單體用量越多，黏度越大，主墨滴速度越小，可有效減少衛(wèi)星點(diǎn)；噴射電壓在一定范圍內(nèi)，衛(wèi)星點(diǎn)能追上主墨滴；相同物理性質(zhì)的墨滴在不同波形下的噴射性能也不一樣，可選擇不同的波形來(lái)提高打印流暢性。另外，低表面張力和高黏度可減小斜噴角度，增加衛(wèi)星點(diǎn)追上主墨滴的概率。

墨滴形態(tài)； 噴射性能； 黏度； 電壓； 波形

紡織品噴墨印花是業(yè)內(nèi)公認(rèn)最具發(fā)展?jié)摿Φ募徔椘非鍧嵣a(chǎn)技術(shù)之一，墨水作為噴墨印花的重要耗材，其噴射行為與印花效果密切相關(guān)。目前，噴墨印花墨水主要有染料和顏料墨水，顏料墨水噴墨印花對(duì)不同種類(lèi)的纖維具有通用性，印花工藝簡(jiǎn)單，能耗低，且印花織物無(wú)需水洗，全面體現(xiàn)了噴墨印花技術(shù)的特色，得到了人們的廣泛關(guān)注[1]。然而，雖然顏料墨水有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于墨水開(kāi)發(fā)中仍然存在很多技術(shù)難點(diǎn)，導(dǎo)致該墨水仍然沒(méi)有在噴墨印花中大量推廣和應(yīng)用。納米顏料色漿是制備高品質(zhì)顏料墨水的前提。商業(yè)化噴墨印花機(jī)采用的噴頭主要以壓電式為主，噴孔直徑不足30 μm，因此，制備粒徑小的納米顏料色漿至關(guān)重要。此外，納米顏料色漿的穩(wěn)定性是決定顏料墨水品質(zhì)的另一個(gè)關(guān)鍵因素，只有穩(wěn)定性良好的納米顏料色漿才能制備出具有良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性的顏料墨水，從而保證噴墨印花圖案的一致性。與普通打印墨水要求不同，噴墨印花顏料墨水除對(duì)顏色性能有要求外，還要求墨水具備良好的印花牢度。顏料對(duì)纖維沒(méi)有親和力，為解決這一難題，部分研究者在墨水中添加黏合劑，期望通過(guò)黏合劑的成膜作用將顏料顆粒固著在纖維上。然而，由于黏合劑乳液會(huì)影響墨水的噴墨行為，故無(wú)法從根本上解決顏料墨水存在的技術(shù)瓶頸。

除納米顏料色漿外，表面活性劑、保濕劑和消泡劑也是墨水配方的主要組成成分，其性能均會(huì)對(duì)墨水的噴射性能產(chǎn)生影響。墨滴是衡量墨水品質(zhì)的基礎(chǔ)指標(biāo)，是研究墨水噴射性能最好的著手點(diǎn)。目前，國(guó)外對(duì)墨水噴射性能研究主要借助于高速攝像機(jī)記錄墨滴運(yùn)行軌跡。例如Yan等[2]采用高速攝像機(jī)，記錄稀釋的聚合物溶液DOD噴射形態(tài)，研究了墨滴的潤(rùn)濕、拉伸、斷裂等噴射過(guò)程；Wang等[3]研究了墨滴在織物表面的潤(rùn)濕、擴(kuò)散、沉積等過(guò)程。國(guó)內(nèi)在這方面的研究較少，主要集中在墨水添加劑對(duì)墨水理化性能的影響，如沈旭峰等[4]研究了低黏度流體如何控制噴墨墨滴的形態(tài)；張桂芳等[5]研究了墨水添加劑對(duì)超細(xì)包覆分散染料墨滴形成的影響；Liu等[6]研究了在不同噴射波形下，墨滴噴射狀態(tài)的變化；Tsai等[7]研究了壓電噴墨中，脈沖電壓對(duì)乙醇、乙二醇墨滴成形的影響。

前期研究采用細(xì)乳液聚合法制備了納米包覆顏料色漿，該體系具有優(yōu)異的分散穩(wěn)定性。更重要的是由于顏料表面包覆了聚合物，固色時(shí)，聚合物可將顏料錨固在纖維上，這樣有助于提高印花后織物的色牢度和手感?；诖?，本文研究以納米包覆顏料為著色劑，研究了添加劑對(duì)墨滴拉伸距離、墨滴飛行速度、斷裂時(shí)間、斜噴角度和衛(wèi)星點(diǎn)等噴墨行為的影響，探討了噴射電壓和波形對(duì)墨滴形態(tài)的影響，為高品質(zhì)顏料墨水的制備奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑：納米包覆顏料藍(lán)(實(shí)驗(yàn)室自制)，吐溫 80(化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，炔二醇乙氧基化合物S-465(美國(guó)空氣化工公司)，十二烷基硫酸鈉SDS(化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，聚氧乙烯、聚氧丙烯嵌段聚合物L(fēng)-64(南京古田化工有限公司)，乙二醇(分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，丙三醇(分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，乙二醇甲醚(分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，消泡劑FB-50(南京古田化工公司)。

儀器：Nano-ZS 90型Zeta電位及粒徑分析儀(英國(guó)Malvin公司)，DV-Ⅲ型流變儀(美國(guó)Brookfiled公司)，DMP-2800型materials printer(美國(guó)Dimatix公司)，A201全自動(dòng)表面張力儀(美國(guó)KINO公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將納米包覆顏料在1 000 r/min條件下離心處理30 min后，用1 000 nm的濾膜過(guò)濾，去除大顆粒。然后按照配方制備納米包覆顏料多相流體，其中納米包覆顏料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為x%，表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為y%，保濕劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為z%,消泡劑FB-50質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，余量用去離子水補(bǔ)至100%。將上述物質(zhì)混合在一起，攪拌0.5 h，均勻后用500 nm孔徑濾膜過(guò)濾。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 多相流體基本性能測(cè)定

采用A201全自動(dòng)表面張力儀測(cè)定多相流體的表面張力，每個(gè)樣品測(cè)試3次，取平均值。將多相流體用去離子水稀釋1 000倍，在Nano-ZS 90型納米粒度及 Zeta電位分析儀測(cè)定其在25 ℃ 條件下的粒徑。利用 DV-Ⅲ型流變儀黏度計(jì)，選用0號(hào)轉(zhuǎn)子，測(cè)試多相流體的黏度。

1.3.2 墨滴形成過(guò)程觀察

在DMP-2800上觀察樣品墨滴的形成過(guò)程，示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 DMP-2800示意圖Fig.1 Schematic of DMP-2800

由DMP-2800拍下墨滴在500 μm內(nèi)的形態(tài)，測(cè)量墨滴的拉伸長(zhǎng)度、斷裂時(shí)間和衛(wèi)星點(diǎn)個(gè)數(shù)。

1.3.3 墨滴飛行速度的測(cè)定

計(jì)算DMP-2800觀察墨滴從斷裂到飛行相同距離S所需的時(shí)間t，按照下式計(jì)算墨滴的飛行速度：

1.3.4 墨滴斜噴角度測(cè)量

由DMP-2800拍下墨滴在2個(gè)不同位置的圖片，在AIMO測(cè)圖軟件中，連接墨滴前后所在的2點(diǎn)，延長(zhǎng)線與縱軸相交于第3點(diǎn)，讀出角度，如圖2所示。

注：1—噴頭；2—墨滴；3—水平線。圖2 斜噴角度示意圖Fig.2 Schematic of injection angle

2 結(jié)果與討論

2.1 共聚單體對(duì)多相流體噴墨行為影響

表1示出共聚單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)多相流體噴墨行為的影響。由表可知，共聚單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，墨滴的拉伸長(zhǎng)度增大，斷裂時(shí)間增加，主墨滴飛行速度減小。其原因是共聚單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，顏料表面包覆乳膠粒的厚度增加，導(dǎo)致多相流體的黏度增大，形成墨滴的黏滯力增大，從而使墨滴的拉伸長(zhǎng)度增大，斷裂時(shí)間延長(zhǎng)。此外，包覆層厚度增加，顆粒的黏彈性增大，在外力作用下，包覆顏料發(fā)生形變而消耗了部分能量，導(dǎo)致墨滴的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能減小，飛行速度變慢。

表1 共聚單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)墨滴噴射性能的影響

圖3示出共聚單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)墨滴斷裂長(zhǎng)度的影響。從圖可看出，提高共聚單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，主墨滴的拉伸長(zhǎng)度增加，在用量為0～40%之間時(shí)，共聚單體用量越多，墨滴的斷裂長(zhǎng)度越長(zhǎng)。而過(guò)多的單體用量也會(huì)引起墨滴的噴射性能變差，甚至無(wú)法正常噴射。

圖3 共聚單體用量對(duì)墨滴形成的影響Fig.3 Effects of comonomer mass fraction on droplets formation

2.2 表面活性劑對(duì)多相流體噴墨行為影響

按納米包覆顏料質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%、消泡劑FB-50質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%、表面活性劑1.5%的比例制備納米包覆顏料多相流體。表2和圖4示出表面活性劑結(jié)構(gòu)對(duì)多相流體墨滴形態(tài)的影響。

表2 表面活性劑對(duì)噴墨行為的影響

圖4 表面活性劑結(jié)構(gòu)對(duì)墨滴形成的影響Fig.4 Effects of surfactant structure on droplets formation

表面活性劑結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)多相流體的噴墨行為產(chǎn)生影響。圖4表明Tween-80和SDS組成的多相流體，墨滴在飛行過(guò)程中出現(xiàn)了“霧化”現(xiàn)象，說(shuō)明墨滴不能很好地聚集在一起，噴射過(guò)程中無(wú)法形成穩(wěn)定的墨滴，噴射到基材上后，易在織物表面形成霧狀點(diǎn)，從而影響打印圖案的品質(zhì)。L-64組成的多相流體能夠形成穩(wěn)定的墨滴，且在飛行中，生成的小墨滴能追上主墨滴，但在噴嘴處出現(xiàn)了“衛(wèi)星點(diǎn)”[8]，故也會(huì)對(duì)噴墨印花品質(zhì)產(chǎn)生不良的影響，相比之下，S-465組成多相流體的墨點(diǎn)較好。由表2可知，與未添加表面活性劑的多相流體相比，加入表面活性劑會(huì)使墨滴的拉伸長(zhǎng)度和斷裂時(shí)間增加，斜噴的角度下降。這是因?yàn)榧尤氡砻婊钚詣?，多相流體的表面張力小，墨滴易離開(kāi)噴嘴，形成細(xì)徑，導(dǎo)致墨滴的斷裂時(shí)間和拉伸長(zhǎng)度增加[9]。斜噴角度減小是因?yàn)檩^低表面張力的多相流體更能避免墨滴在噴嘴周?chē)奂?，從而避免了掛墨現(xiàn)象，斜噴角度減小。避免墨水的斜噴現(xiàn)象有助于提高打印的精確度，從而改善噴墨印花的品質(zhì)，故后面研究中采用了S-465為多相流體的表面活性劑。

表3示出表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)多相流體噴墨行為的影響?？梢?jiàn)隨著表面活性劑用量增加，墨滴拉伸長(zhǎng)度、斷裂時(shí)間均先增加后趨于不變，而斜噴角度則恰好相反。這是因?yàn)镾-465質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，多相流體的表面張力先減小，當(dāng)S-465質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1.5%后，表面張力趨于不變。此外，斜噴角度和衛(wèi)星點(diǎn)個(gè)數(shù)之間也存在一定聯(lián)系，斜噴角度越大，衛(wèi)星點(diǎn)個(gè)數(shù)越多，這可能是因?yàn)樾眹娊嵌忍螅究珊椭髂沃睾系男l(wèi)星點(diǎn)無(wú)法重合。

表3 S-465的用量對(duì)顏料墨水噴墨行為的影響

2.3 保濕劑對(duì)多相流體噴墨行為影響

按納米包覆顏料質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%、消泡劑FB-50質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%、保濕劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的比例制備納米包覆顏料多相流體。表4和圖5示出多元醇對(duì)噴墨行為的影響。

表4說(shuō)明保濕劑對(duì)多相流體噴墨行為的影響主要由多相流體的黏度決定，黏度越高，墨滴的拉伸長(zhǎng)度越大，斷裂時(shí)間越長(zhǎng)，而飛行速度和斜噴角度下降。這是因?yàn)轲ざ雀?，形成墨滴的黏滯阻力變大，?dǎo)致墨滴拉伸長(zhǎng)度增加，斷裂時(shí)間延長(zhǎng)。墨滴在離開(kāi)噴嘴時(shí)需要消耗更多的能量去克服黏滯阻力[10]，故主墨滴動(dòng)能減少，飛行速度降低。增加黏度是抑制衛(wèi)星點(diǎn)生成的有效方式[11]。結(jié)合圖5可知，保濕劑的加入有效地控制了衛(wèi)星點(diǎn)的個(gè)數(shù)，并且衛(wèi)星點(diǎn)在下降過(guò)程中能和主墨滴重合，混合醇的作用尤其明顯，因此，后面實(shí)驗(yàn)采用混合醇。

表4 保濕劑對(duì)墨滴噴射性能的影響

圖5 保濕劑結(jié)構(gòu)對(duì)墨滴形成的影響Fig.5 Effects of humectants structure on droplets formation.(a) Glycol;(b) Glycerol;(c) Ethylene glycol monomethyl ether;(d) Mixed alcohol

表5示出多元醇用量對(duì)多相流體噴墨行為的影響?？煽闯?，隨著混合醇用量增加，墨滴拉伸長(zhǎng)度和斷裂時(shí)間隨之增加，飛行速度和斜噴角度則相應(yīng)減小。如前所述，多相流體黏度增加是引起多相流體噴墨行為發(fā)生變化的主要因素，其中主墨滴速度減小可根據(jù)下式[12]計(jì)算：

式中：P為噴嘴輸出壓力；μ為墨滴黏度；L為噴嘴長(zhǎng)度；D為噴嘴直徑；v為墨滴速度。由公式可知，L、D為噴嘴尺寸，P與電壓和頻率有關(guān)，因此，黏度μ和速度v成反比，即多相流體的黏度越大，主墨滴速度越小，這和表中的數(shù)據(jù)吻合，但混合醇用量太多時(shí)會(huì)明顯影響噴墨的連續(xù)性。這是因?yàn)楫?dāng)黏度過(guò)高時(shí)，主墨滴運(yùn)動(dòng)速度減小，墨滴易在噴嘴處掛墨，引起斜噴，最終可能堵孔，因此混合醇較佳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%。

表5 保濕劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)墨滴噴射性能的影響

2.4 噴射電壓對(duì)多相流體噴墨行為影響

除多相流體的物化性能對(duì)噴墨行為有影響外，噴墨打印參數(shù)也會(huì)對(duì)多相流體的噴墨行為產(chǎn)生影響。 研究中按納米包覆顏料質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%、消泡劑FB-50質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%、S-465質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、混合醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的比例制備多相流體。圖6、7示出電壓對(duì)多相流體噴墨行為的影響。從圖6可看出，噴射電壓越高，墨滴拉伸長(zhǎng)度和斷裂時(shí)間越長(zhǎng)。這是因?yàn)檩^高的電壓條件下，對(duì)墨滴的壓縮強(qiáng)度增大，顆粒形變?cè)龃螅沙跁r(shí)間延長(zhǎng)，故引起拉伸長(zhǎng)度增大，斷裂時(shí)間延長(zhǎng)。此外，圖7表明主墨滴和衛(wèi)星點(diǎn)的飛行速度和電壓也密切相關(guān)，電壓越大，飛行速度越快。18 V以下時(shí)，主墨滴飛行速度小于衛(wèi)星點(diǎn)，因此在到達(dá)印制基材之前，衛(wèi)星點(diǎn)可和主墨滴結(jié)合，有效控制疵點(diǎn)的產(chǎn)生。當(dāng)高于18 V時(shí)，主墨滴飛行速度大于衛(wèi)星點(diǎn)，二者無(wú)法結(jié)合，易產(chǎn)生疵點(diǎn)[13]。

圖6 噴射電壓對(duì)墨滴形成的影響Fig.6 Effects of jetting-voltage on droplets formation

圖7 噴射電壓對(duì)墨滴速度的影響Fig.7 Effects of jetting-voltage on droplets speed

2.5 波形對(duì)多相流體噴墨行為影響

多相流體的噴墨性能還和噴射波形有關(guān)，研究中按納米包覆顏料質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%、消泡劑FB-50質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%、S-465質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%、混合醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的比例制備多相流體，設(shè)定噴射電壓為18 V，研究圖8所示波形對(duì)多相流體噴墨行為的影響。結(jié)果如表6和圖9所示。

表6和圖9表明噴墨電壓輸出波形對(duì)多相流體的噴墨行為也有影響，相比較而言，波形圖8(a)控制的噴墨行為最差，在噴嘴處形成掛墨，出現(xiàn)了斜噴，對(duì)噴射不利。圖8(b)、(c)、(d)所示波形都能控制斜噴角度。圖8(b)的主墨滴速度最快，打印中會(huì)出現(xiàn)衛(wèi)星點(diǎn)沒(méi)有追上主墨滴的現(xiàn)象，圖8(d)沒(méi)有形成衛(wèi)星點(diǎn)，而是一根尾巴跟在主墨滴后面，如前文所述，尾巴在飛行過(guò)程中為維持平衡會(huì)分裂出若干個(gè)衛(wèi)星點(diǎn)，這也對(duì)噴墨打印不利，圖8(c)形成的墨滴比較規(guī)整，且沒(méi)有衛(wèi)星點(diǎn)，適合于多相流體的噴墨打印。

圖8 波形示意圖Fig.8 Schematic of waveform.(a) Dilute solution;(b)Low viscosity;(c) Medium Viscosity;(d)High viscosity

波形種類(lèi)拉伸長(zhǎng)度/μm斷裂時(shí)間/μs主墨滴速度/(m·s-1)斜噴角度/(°)衛(wèi)星點(diǎn)個(gè)數(shù)圖8(a)50132534730圖8(b)120208820812圖8(c)125205850781圖8(d)10015526055-

圖9 波形對(duì)墨滴形成的影響Fig.9 Effects of waveforms on droplets formation. (a) Dilute solution;(b)Low viscosity;(c) Medium Viscosity;(d)High viscosity

3 結(jié) 論

多相流體噴墨行為與納米包覆顏料包覆層厚度、表面活性劑和多元醇結(jié)構(gòu)及用量密切相關(guān)。表面張力越小，墨滴越易離開(kāi)噴嘴，形成柱狀細(xì)線，而柱狀細(xì)線是形成衛(wèi)星點(diǎn)的主要因素。保濕劑和共聚單體用量越多，黏度越大，墨滴拉伸長(zhǎng)度越長(zhǎng)，速度越小，形成的衛(wèi)星點(diǎn)也越少，黏度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致墨水斜噴甚至斷墨。噴墨打印參數(shù)對(duì)納米包覆顏料多相流體的噴墨行為也有影響，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓小于18 V時(shí)，衛(wèi)星點(diǎn)飛行速度高于主墨滴，飛行中能夠追上主墨滴，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓大于18 V時(shí)，衛(wèi)星點(diǎn)飛行速度小于主墨滴，無(wú)法在飛行中追上主墨滴，產(chǎn)生衛(wèi)星點(diǎn)，另外電壓驅(qū)動(dòng)波形(圖8(c))更適合于納米包覆顏料多相流體的噴墨打印。

FZXB

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Ink-jetting properties of nano coated pigment multiphase fluid

WANG Datong， ZHANG Liping， TIAN Anli， FU Shaohai

(KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China)

Taking nano coated pigment as the colorant, the influences of the surfactant, humectant, comonomer, injection voltage and waveform on injection performances of the droplet such as the morphology, tensile length, breaking time, flight speed, injection angle and satellite points were studied. Experimental results show that lower surface tension makes the droplet easier to leave the nozzle and form filaments and satellite points; along with the dosage increase of humectant and comonomer, viscosity increase, the droplet speed decease, which effectively reduces restrain satellite points; when the injection voltage is within a certain range, satellite points can catch up with main droplet; and droplets with same physical properties have different injection performances under different waveforms, and different waveforms can be selected to improve the printing smoothness. In addition, low surface tension and high viscosity can reduce the injection angle, then satellite points can catch up with main droplet easily.

droplets morphology; injection performance; viscosity; voltage; waveform

10.13475/j.fzxb.20140902906

2014-09-19

2015-05-20

江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合創(chuàng)新基金項(xiàng)目 (BY2012050)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (BK2012212)；江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 (BE2012863)

王大同(1990—)，男，碩士生。主要研究方向?yàn)榧{米包覆顏料噴墨印花墨水性能。付少海，通信作者，E-mail:shaohaifu@hotmail.com。

TS 194.4

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