微量墨滴在蠶絲機(jī)織物上的擴(kuò)散行為

安亞潔， 李 敏， 杜長(zhǎng)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(wú)錫 214122； 2. 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； 3. 蘇州世名科技股份有限責(zé)任公司， 江蘇 昆山 215337；4. 無(wú)錫鳳凰畫(huà)材股份有限責(zé)任公司， 江蘇 無(wú)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(guò)渡更為自然等特點(diǎn)[1]。此外，噴墨印花還可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)印花難以達(dá)到的個(gè)性化定制和多品種小批量生產(chǎn)[2]。然而，當(dāng)對(duì)蠶絲織物進(jìn)行噴墨印花時(shí)，如不經(jīng)過(guò)預(yù)處理：一方面黏度過(guò)低的墨水極易在織物表面擴(kuò)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(kuò)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(dòng)態(tài)模型。Deepak[5]對(duì)液滴在機(jī)織氈和單向纖維氈上的擴(kuò)散進(jìn)行了研究，探究了墨滴體積與擴(kuò)散半徑、時(shí)間的關(guān)系。朱利等[6]研究了絲綢噴墨印花預(yù)處理?xiàng)l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(píng)價(jià)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(duì)蠶絲織物進(jìn)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(kuò)散與滲透行為研究甚少，針對(duì)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(kuò)散作為切入點(diǎn)，研究了墨滴在蠶絲機(jī)織物上的擴(kuò)散形態(tài)，探討了織物組織結(jié)構(gòu)和墨滴體積對(duì)墨滴擴(kuò)散形態(tài)的影響，分析了蠶絲織物預(yù)處理劑對(duì)墨滴擴(kuò)散形態(tài)及擴(kuò)散面積的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)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(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；陽(yáng)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(jìn)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(jī)(江蘇華夏科技有限公司)；MU505T型臺(tái)式軋車(北京紡織機(jī)械器材研究所)。

1.2 實(shí)驗(yàn)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(yáng)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(duì)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(shí)間為30 min，相對(duì)濕度為80%)→冷水洗→熱水洗→冷水洗→烘干。

采用微量進(jìn)樣器在蠶絲機(jī)織物上滴加青色活性染料墨水，除研究墨滴體積對(duì)擴(kuò)散形態(tài)的影響實(shí)驗(yàn)中采用不同體積(0.02～5 μL)的墨滴，其他實(shí)驗(yàn)均在1 μL墨滴體積條件下進(jìn)行。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1墨滴擴(kuò)散形態(tài)

采用標(biāo)尺測(cè)量微量墨滴沿經(jīng)、緯向的擴(kuò)散總長(zhǎng)度(La、Lc)、擴(kuò)散中央長(zhǎng)度(Lb、Ld)和擴(kuò)散外圍長(zhǎng)度(Le、Lf)來(lái)表征墨滴擴(kuò)散形態(tài)。

1.3.2墨滴擴(kuò)散面積

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

2 結(jié)果與討論

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

圖1示出墨滴擴(kuò)散示意圖及其形態(tài)?？煽闯鑫⒘磕卧谛Q絲織物上擴(kuò)散結(jié)束后的形態(tài)大都呈“十”字型。如圖1(b)所示，擴(kuò)散可分為3個(gè)區(qū)域，即微量墨滴沿經(jīng)緯雙向擴(kuò)散區(qū)域A、經(jīng)向擴(kuò)散區(qū)域C和緯向擴(kuò)散區(qū)域B。擴(kuò)散區(qū)域A、B和C上的墨滴擴(kuò)散狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)圖1(c)、(e)和(d)。當(dāng)墨量較大時(shí)，墨滴在蠶絲織物上存在3種擴(kuò)散形式：沿紗線、相鄰平行紗線間和交織紗線間。在擴(kuò)散過(guò)程中，隨墨量的減小，交織紗線間的擴(kuò)散最先消失；隨后，相鄰紗線間的擴(kuò)散也逐漸消失，而沿紗線方向上的擴(kuò)散可維持的時(shí)間最長(zhǎng)。由此說(shuō)明微量墨滴在織物上更易沿著紗線方向擴(kuò)散，這也是造成滲化的主要原因。

圖1 墨滴擴(kuò)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(kuò)散的形態(tài)參數(shù)，圖2示出其對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散形態(tài)?？煽闯觯撼?#織物外，墨滴在1#～4#蠶絲織物上的擴(kuò)散形態(tài)均呈近“十”字型，且這些“十”字型的經(jīng)向線條長(zhǎng)度均大于緯向線條長(zhǎng)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(zhǎng)度方向的擴(kuò)散更快更遠(yuǎn)。

表2 墨滴擴(kuò)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(guò)小，相鄰平行紗線間距離過(guò)大，紗線間互不接觸，導(dǎo)致墨滴在織物上的擴(kuò)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(kuò)散形態(tài)為橢圓形。

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

2.2 墨滴體積與擴(kuò)散形態(tài)關(guān)系

圖3示出墨滴體積對(duì)墨水在蠶絲織物上擴(kuò)散形態(tài)的影響。可看出：微量墨滴擴(kuò)散中央長(zhǎng)度(Lb、Ld)隨墨滴體積增加近似呈線性增長(zhǎng)；擴(kuò)散外圍長(zhǎng)度(Le和Lf)隨墨滴體積增大而增大，當(dāng)墨滴體積超過(guò) 3 μL后，擴(kuò)散外圍長(zhǎng)度基本保持不變。當(dāng)墨滴體積較大時(shí)，墨滴更易克服紗線間的界面能向相鄰紗線傳遞，因此，擴(kuò)散中央長(zhǎng)度和外圍長(zhǎng)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(shí)，隨著墨滴體積增大，Le和Lf的增長(zhǎng)速度較Lb和Ld快，這是因?yàn)槟枯^小時(shí)，墨滴主要沿著紗線擴(kuò)散。當(dāng)墨滴體積大于1 μL時(shí)，隨著墨滴體積增大，Lb和Ld繼續(xù)增加，而Le和Lf的增長(zhǎng)速度逐漸減慢，這是由于此時(shí)大部分墨滴在中央?yún)^(qū)域擴(kuò)散，而沿紗線方向的擴(kuò)散作用減弱[3]。

圖3 墨滴體積與擴(kuò)散長(zhǎng)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(duì)墨滴擴(kuò)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(duì)墨滴擴(kuò)散形態(tài)的影響(圖片與實(shí)際大小比值為5∶3)，各項(xiàng)擴(kuò)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(shí)，墨滴的擴(kuò)散長(zhǎng)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(shí)，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(duì)活性墨水的吸收和擴(kuò)散[7]。隨著尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，墨滴擴(kuò)散總長(zhǎng)度基本保持不變，而中央長(zhǎng)度持續(xù)增加，外圍長(zhǎng)度逐漸減小，墨滴擴(kuò)散面積逐漸增大。這是因?yàn)槟窝孛?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(kuò)散。另外，汽蒸時(shí)大量的水蒸氣加劇了尿素對(duì)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(kuò)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(duì)擴(kuò)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(kuò)散總長(zhǎng)度/mm中央長(zhǎng)度/mm外圍長(zhǎng)度/mm外圍長(zhǎng)度/中央長(zhǎng)度擴(kuò)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(duì)墨滴擴(kuò)散形態(tài)的影響(圖片與實(shí)際大小比值為5∶3)，各項(xiàng)擴(kuò)散參數(shù)列于表4中?？梢钥闯觯弘S著海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，墨滴擴(kuò)散形態(tài)由“十”字型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形；擴(kuò)散長(zhǎng)度和擴(kuò)散面積均呈減小趨勢(shì)，墨滴沿經(jīng)緯向的擴(kuò)散中央長(zhǎng)度基本保持不變，外圍長(zhǎng)度逐漸縮短。這是因?yàn)楹Ｔ逅徕c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(kuò)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(kuò)散的中央?yún)^(qū)域(見(jiàn)圖5(f))?？梢?jiàn)，海藻酸鈉對(duì)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(duì)擴(kuò)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(kuò)散總長(zhǎng)度/mm中央長(zhǎng)度/mm外圍長(zhǎng)度/mm外圍長(zhǎng)度/中央長(zhǎng)度擴(kuò)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(yáng)離子改性劑

表5和圖6示出陽(yáng)離子改性劑YS質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)墨滴擴(kuò)散形態(tài)的影響(圖片與實(shí)際大小比值為 1∶1)。可以看出，隨著陽(yáng)離子改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，蠶絲織物表面的擴(kuò)散長(zhǎng)度和擴(kuò)散面積減小。這是因?yàn)殛?yáng)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(qiáng)，此時(shí)陰離子活性染料與蠶絲織物更容易通過(guò)靜電吸引作用固著在纖維上[11-12]。汽蒸加強(qiáng)了活性染料在蠶絲織物上的固著，墨滴的擴(kuò)散面積近一步縮小。

表5 陽(yáng)離子改性劑YS用量對(duì)墨滴擴(kuò)散的影響Tab.5 Effect of cationic modifier YS amount on droplet diffusion

圖6 陽(yáng)離子改性劑YS質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)擴(kuò)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(jī)織物表面的最終擴(kuò)散形態(tài)與織物緊度有關(guān)：在較大緊度織物上擴(kuò)散形態(tài)呈“十”字型；在過(guò)小緊度織物上的擴(kuò)散形態(tài)呈橢圓形。墨滴體積大小對(duì)其在織物上的擴(kuò)散形態(tài)也有影響：墨滴體積增大，其沿織物經(jīng)緯向擴(kuò)散的中央長(zhǎng)度呈近似線性增長(zhǎng)；墨滴體積小于1 μL時(shí)，隨墨滴體積的增大，擴(kuò)散外圍長(zhǎng)度增長(zhǎng)速度較快；而當(dāng)墨滴體積大于1 μL時(shí)，隨墨滴體積的增大，擴(kuò)散外圍長(zhǎng)度增長(zhǎng)速度逐漸變慢。

2)當(dāng)尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于12%時(shí)，隨尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，墨滴的擴(kuò)散長(zhǎng)度和擴(kuò)散面積均減?。焕^續(xù)增加尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，墨滴擴(kuò)散總長(zhǎng)度基本保持不變，中央長(zhǎng)度持續(xù)增加、外圍長(zhǎng)度逐漸減小，墨滴擴(kuò)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(kuò)散形態(tài)從“十”字型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形，擴(kuò)散長(zhǎng)度和擴(kuò)散面積均呈減小趨勢(shì)。陽(yáng)離子改性劑YS質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，墨滴擴(kuò)散形態(tài)保持不變，而擴(kuò)散長(zhǎng)度和擴(kuò)散面積均減小。

FZXB

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