紡織噴墨用白色漿的制備

■ 文/東莞長聯(lián)新材料科技股份有限公司 陳鏡宏，李壯輝，黃德偉

0 前 言

噴墨印刷技術(shù)是數(shù)字印刷技術(shù)的重要組成部分，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，噴墨印刷技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)印刷技術(shù)的顛覆性改革，實(shí)現(xiàn)了小批量、個(gè)性化定制。噴墨印刷技術(shù)在二十一世紀(jì)以來被引入紡織印刷行業(yè)，并得到廣泛了關(guān)注，成為紡織印刷新技術(shù)改革的焦點(diǎn)，而高質(zhì)量的噴墨墨水成為了制約噴墨印刷技術(shù)發(fā)展的重要因素之一[1-2]。

近些年來，我國在彩色涂料噴墨墨水方面取得了一定成就，但在白色涂料噴墨墨水（簡稱白墨）上卻舉步維艱，國外幾大知名企業(yè)對(duì)白墨的技術(shù)進(jìn)行了壟斷，導(dǎo)致我國的白墨發(fā)展緩慢。本文從白墨的重要組成——色漿入手，通過單因素法對(duì)白墨色漿的配方進(jìn)行分析，研發(fā)出一款粒徑小、粒徑分布窄、黏度低、易過濾、遮蓋力強(qiáng)、綜合穩(wěn)定性好的噴墨印刷用白色漿，逐步突破國外對(duì)我國白墨技術(shù)的壟斷封鎖[3-4]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

金紅石型鈦白粉6300、乙二醇、丙二醇、丙三醇、分散劑760W（含高顏料親和基團(tuán)的共聚物水溶液）、非離子型分散劑740W、陰離子型分散劑752、BYK-028消泡劑和去離子水。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

HC-C 20002電子天平、RW-20攪拌機(jī)、NT-0.6L實(shí)驗(yàn)型砂磨機(jī)（棒銷式）、立式DHG-9030型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、CA-03工業(yè)冷水機(jī)、SHB-lll循環(huán)水式多用真空泵、Nano-2S90激光粒徑分析儀和Brookfield DV2T旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)。

1.2 白色漿的制備

1.2.1 實(shí)驗(yàn)配方

用于愛普生系列噴頭的噴墨打印墨水對(duì)色漿有以下要求：D100粒徑小于0.5μm、黏度低、白度高、有足夠的遮蓋力、穩(wěn)定性好。根據(jù)研究驗(yàn)證，得出適宜配方（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，下同）為：6300金紅石型鈦白粉50%，丙二醇20%，760W分散劑3%，028消泡劑0.1%，其余為去離子水。

1.2.2 制備工藝

稱取去離子水、丙二醇、760W分散劑于2 000 mL實(shí)驗(yàn)杯中，攪拌均勻，按配方比例加入對(duì)應(yīng)量6300金紅石型鈦白粉于攪拌機(jī)中，按1 500 r/min攪拌5 min后轉(zhuǎn)移至裝有1.7 kg、0.3 mm純氧化鋯珠的棒銷式砂磨機(jī)中，在2 200 r/min、循環(huán)流量200 L/H下研磨60 min，使鈦白粉充分分散，經(jīng)孔徑為0.5μm的膜真空抽濾得白色漿。

1.3 性能表征

1.3.1 粒 徑

取少量白色漿，用去離子水按照1：2 500的比例稀釋后，置于激光粒徑分析儀中，校正后在25℃下測(cè)得色漿平均粒徑及分布曲線。

1.3.2 黏 度

取部分白色漿，使用Brookfield DV2T旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，選擇ULA(0)套件，可測(cè)得色漿黏度。

1.3.3 過濾性能

選用直徑47 mm，0.5μm孔徑的過濾膜，采用真空抽濾的方法進(jìn)行過濾，記錄一片玻璃纖維過濾膜所能過濾的色漿量，以g/片計(jì)。

1.3.4 熱穩(wěn)定性

取100 g色漿樣品，密封瓶裝，于60℃電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱儲(chǔ)存1 d、7 d、30 d后，觀察色漿分層及沉淀情況。

1.3.5 冷藏穩(wěn)定性

取100 g色漿樣品，密封瓶裝，于5℃電冰箱中儲(chǔ)存1 d、7 d、30 d后，觀察色漿分層及沉淀情況。

1.3.6 常溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性

取100 g色漿樣品，密封瓶裝，于室內(nèi)常溫儲(chǔ)存1 d、7 d、30 d后，觀察色漿分層及沉淀情況。

1.4 結(jié)果分析與討論

1.4.1 分散劑的篩選

分散劑是把各種粉體合理地分散在溶劑中，通過電荷排斥原理或高分子位阻效應(yīng)，使各種固體穩(wěn)定地懸浮在溶劑（或分散液）中的一類添加劑。分散劑通常是一類高分子物質(zhì)，通常使用較多的有陰離子型和非離子型。陰離子型分散劑在水中電離形成陰離子，并具有一定的表面活性，被粉體表面吸附，粉狀粒子表面吸附分散劑后形成雙電層，陰離子被粒子表面緊密吸附，被稱為表面離子。在介質(zhì)中帶相反電荷的離子稱為反離子。它們通過靜電被表面離子吸附，反離子中的一部分與粒子及表面離子結(jié)合得比較緊密，被稱作束縛反離子。它們?cè)诮橘|(zhì)中成為運(yùn)動(dòng)整體，帶有負(fù)電荷；另一部分反離子則包圍在周圍，被稱為自由反離子，形成擴(kuò)散層。這樣在表面離子和反離子之間形成雙電層。

利用靜電排斥，即吸附于粒子表面的負(fù)電荷互相排斥，以阻止粒子與粒子之間的吸附/聚集而最后形成大顆粒并分層/沉降，除此之外，還要利用空間位阻效應(yīng)的理論，即在已吸附負(fù)電荷的粒子互相接近時(shí)，使它們互相滑動(dòng)錯(cuò)開。這類起空間位阻作用的分散劑一般是非離子型分散劑[5]。

分散劑分子中包含對(duì)顏料的親和基團(tuán)和帶電的長鏈段，在制備很多粉體材料（如顏料、填料、拋光粉、鈦白粉、礦石粉、樹脂粉體等）的水分散體系時(shí)，分散劑發(fā)揮了很關(guān)鍵的作用。

按照1.2.1實(shí)驗(yàn)配方制備白色漿，以分散劑760W為對(duì)照，研究同等用量下不同種類分散劑對(duì)色漿粒徑、過濾性、黏度及儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見表1。

表1 不同種類分散劑對(duì)鈦白色漿各性能的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各分散劑在鈦白色漿黏度、粒徑、過濾性能上基本符合鈦白色漿產(chǎn)品要求，但在儲(chǔ)存穩(wěn)定性上存在明顯差異。從上表可以看出，單純使用760W分散劑或者760W與752分散劑復(fù)配使用所制得的鈦白色漿常溫穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性都比較好，在冷藏穩(wěn)定性上，單純使用760W作為分散劑較佳。因此，綜合鈦白色漿各項(xiàng)性能，本文選用760W作為制備鈦白色漿分散劑。

1.4.2 助溶劑的篩選

按照1.2.1實(shí)驗(yàn)配方制備白色漿，以助溶劑丙二醇為對(duì)照，研究不同助溶劑對(duì)色漿粒徑、過濾性、黏度及儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見表2。

表2 不同助溶劑制得色漿性的能參數(shù)

含有極性和非極性基團(tuán)的有機(jī)化合物均可作為助溶劑，例如醇、醚、酯等類有機(jī)化合物。但從性能和價(jià)格上看，一般選取同系醇類化合物，如乙二醇、丙二醇、丙三醇等。對(duì)于醇類助溶劑，隨著碳原子數(shù)的增加，助溶劑性能也隨之增強(qiáng)。在乙二醇、丙二醇及丙三醇的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，乙二醇與丙二醇的儲(chǔ)存穩(wěn)定性明顯好于丙三醇，主要是因?yàn)楸紭O性較強(qiáng)，易使部分TiO2小粒子發(fā)生絮凝而沉降。在紡織行業(yè)中，乙二醇為限制使用化學(xué)品，應(yīng)減少使用。因此，本文使用丙二醇作為助溶劑。

1.4.3 分散劑用量的確定

按照1.2.1實(shí)驗(yàn)配方制備白色漿，以3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）含量的分散劑760W為對(duì)照，研究不同比例分散劑對(duì)色漿粒徑、過濾性、黏度、遮蓋力及儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如表3、圖1所示。

色漿粒徑是衡量噴墨打印墨水質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一，鈦白色漿粒徑要控制在100 nm～200 nm，且要求粒徑分布窄細(xì)。色漿粒徑越大越容易導(dǎo)致沉淀，影響色漿穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致配制的墨水易沉淀，堵塞噴頭.色漿粒徑越小，墨水著色力越弱。色漿粒徑分布影響墨水著色穩(wěn)定性及強(qiáng)度，粒徑分布越集中，墨水著色越穩(wěn)定，著色強(qiáng)度越高。為了得到著色性能好、穩(wěn)定性強(qiáng)的墨水，色漿粒徑要在允許的范圍內(nèi)盡可能地大，粒徑分布窄細(xì)[6]。色漿在布料基材上的遮蓋力主要有兩大主要因素影響：一是色漿本身的著色強(qiáng)度及著色穩(wěn)定性；二是色漿對(duì)布料基材表面的潤濕作用。色漿本身的著色強(qiáng)度越高、著色穩(wěn)定性越好，色漿在布料基材表面的潤濕能力越弱，色漿對(duì)布料基材遮蓋效果越好。分散劑可以降低介質(zhì)的表面張力和介質(zhì)與顏料間的界面張力，以加強(qiáng)潤濕效果。此外，分散劑在調(diào)節(jié)顏料粒子粒徑及分布和保持體系穩(wěn)定性方面起到重要作用，具體表現(xiàn)在金紅石型TiO2粒子表面吸附有分散劑，可以取得靜電或（和）立體的穩(wěn)定作用，但分散劑加量不當(dāng)也可能導(dǎo)致絮凝[7-8]。

表3 不同比例分散劑755W制備所得色漿各性能參數(shù)

圖1 不同比例760W分散劑制得色漿粒徑分布

黏度是抵抗流動(dòng)的一種量度，噴墨印刷墨水要求具有良好的流動(dòng)性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究表明，色漿黏度控制在5 cP以下，有利于噴墨印刷墨水的黏度調(diào)節(jié)。

綜上所述，當(dāng)分散劑760W用量在3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，制得的鈦白色漿具有粒徑分布窄細(xì)、黏度低、遮蓋力強(qiáng)、體系穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能。

1.4.4 助溶劑用量的確定

按照1.2.1實(shí)驗(yàn)配方制備白色漿，以20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）含量的丙二醇助溶劑為對(duì)照，研究不同比例丙二醇對(duì)色漿粒徑、過濾性、黏度及儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 不同比例丙二醇制備所得色漿的各鐘性能參數(shù)

金紅石TiO2不溶于水，也不溶于油和有機(jī)溶劑等，但金紅石TiO2粒子小，可分散于水溶液中。丙二醇能有效降低水與TiO2之間的界面能，使水較好地潤濕TiO2，有利于分散及體系穩(wěn)定，但丙二醇本身的黏度對(duì)體系的黏度影響是比較大的，所以要在色漿適當(dāng)?shù)酿ざ确秶鷥?nèi)盡可能地增加丙二醇助溶劑的比例。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)丙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，所制得的鈦白色漿黏度在5 cP左右，具有良好的過濾性能及儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

2 結(jié) 論

本文根據(jù)文獻(xiàn)資料，確定金紅石型鈦白粉6300作為白色漿的主體顏料，占比50%，具有較好的應(yīng)用性能。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究分散劑的種類及用量和助溶劑的種類及用量對(duì)鈦白色漿分散性能的影響：

（1）經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，分散劑760W（含高顏料親和基團(tuán)的共聚物水溶液）具有優(yōu)良的潤濕分散性能，當(dāng)用量為3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)對(duì)分散體系的穩(wěn)定具有決定性作用；

（2）從環(huán)保、經(jīng)濟(jì)及性能上考慮，本文最終確定以丙二醇作為助溶劑，用量為20%的丙二醇能使鈦白粉達(dá)到優(yōu)良的助溶性能，且在儲(chǔ)存穩(wěn)定性上有著較好的促進(jìn)作用。

本文最終確定鈦白色漿優(yōu)良配方為：6300金紅石型鈦白粉50%，丙二醇20%，760W分散劑3%，028消泡劑0.1%，去離子水27%。按此配方制得的鈦白色漿具有粒徑小、粒徑分布窄細(xì)、黏度低、容易過濾、遮蓋力強(qiáng)、體系穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。