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數碼噴墨印花墨水的研究現狀與發展趨勢

2019-12-10中國紡織科學研究院 許增慧 李翠萍 常州依麗雅斯紡織品有限公

?? 摘要:簡述了數碼噴墨印花的原理和優勢以及墨水存在的問題,介紹了墨水的類型和數碼噴墨印花對墨水的性能要求,重點分析了墨水的研究現狀,并指出噴墨印花墨水發展的必然趨勢。

?? 關鍵詞:數碼噴墨印花? 性能要求? 染料墨水? 涂料墨水? 油墨

?? 數碼噴墨印花是將圖案通過掃描儀,把布樣(設計圖案)轉化成數字形式輸入到計算機,通過計算機印花分色描稿系統編輯處理,再由計算機控制微壓電式噴墨嘴把專用染液(統稱墨水)直接噴射到紡織品,顏色混合后還原成原來的掃描圖。較傳統的印花方法具有設計靈活、速度快、低能耗、污染、節省材料、產品質量高等優點,既減少了企業負擔,又實現了環保要求,彌補了傳統印花在技術面的缺陷和空白。根據噴墨方式的不同,數字噴墨印花機主要有2種類型,即連續噴墨( Continuous Ink Jet,CIJ)和按需噴墨(Drop On Demand,DOD)印花機。

??? 噴墨印花墨水是影響印花產品質量的關鍵因素之一??椢镉脟娔』藢ι丶兌?、不溶性固體顆粒粒徑、墨水的粘度、表面張力、穩定性、pH和起泡性等有具體要求之外,還要求墨水噴射到織物上形成圖案后,具有良好的耐水洗、耐摩擦等色牢度。目前,還未有普遍適用織物的噴墨印花墨水,大都是根據具體的要求制定配方,且存在價格昂貴、質量不穩定、各墨水生產廠家的墨水通用性差、易出現色差等問題。因此,隨著數碼噴墨印花技術的發展,研究高性能的墨水勢在必行。

?? ?1 數碼噴墨印花墨水類型及性能要求

??? 1.1 類型

??? 噴墨印花墨水一般由色素、水、有機溶劑和添加劑(如抗菌劑、分散劑、pH調節劑、保濕劑、消泡劑等)組成。紡織品噴墨印花墨水從大類可分為水性墨水和溶劑墨水,前者簡稱墨水,后者稱為油墨或非水性墨水。水性墨水是目前噴墨印花用的主要品種,按色素的使用,又可分為染料墨水和顏料墨水。

??? 理論上,所有紡織品傳統印花用的染料都可以配制成噴墨印花墨水,但目前常用的染料墨水還是以活性染料、酸性染料、金屬絡合染料和分散染料墨水為主。根據染料在水溶液中的狀態,又可分為真溶液墨水和水分散型墨水。

??? 顏料是非水溶性的,故噴墨印花用顏料墨水的配制比較特殊。首先,需要將顏料研磨成微小顆粒并穩定分散在相應的水性體系中;其次,要對顏料進行改性或在墨水中添加涂料固色劑使之能夠在噴墨印花以后固著在纖維上,使印花圖案獲得足夠的色牢度。

??? 1.2 性能要求

??? 噴墨印花墨水根據數碼噴墨印花技術的特點及產品要求決定墨水類型。無論哪種類型的墨水,都需要具備以下性能要求:

安全性:無毒性、無臭、無致癌性及著火性等。

??? 粘度用于噴墨印花墨水的粘度比傳統印花低。若粘度高,會使噴射的液滴呈拉絲狀而影響噴射速度。一般CIJ技術要求粘度為210 mPa.s,DOD技術要求粘度為1030 mPa.s。

??? 表面張力:墨水的表面張力較高,不同的打印方式對墨水的表面張力要求不同,CIJ型印花機推薦的墨水表面張力為40-60 mN/m,DOD型印花機通常在4050 mN/m。

??? 導電性:CIJ型印花機要求大于750 S/m,DOD型印花機則無要求。

??? 粒徑:一般要求控制在1ym以下,不能堵塞噴嘴。

??? pH:要求控制在48。

??? 其他要求墨水純度高,穩定性好,適應性寬;在基質上能產生高質量的圖案,上色率高,具有良好的光牢度,且干摩擦牢度能達到4級以上,濕摩擦牢度達到3.5級以上等。

?? ?2 數碼噴墨印花墨水研究現狀

??? 2.1 水性墨水

??? 常用的水性墨水一般都是小分子染料,其中應用較廣、技術較成熟的為活性染料、酸性染料及分散染料墨水,主要由染料、分散介質、抗菌劑、pH調節劑、保濕劑等配制而成。

??? 活性染料墨水主要由無鹽或低鹽的高純度活性染料、共溶劑和去離子水等組成,適用于纖維素纖維、蠶絲和羊毛等織物的噴墨印花。商品化的活性染料墨水中,具有代表性的品種主要有Ciba公司的Cibacron MI系列和DyStar公司的Jettex系列,其墨水的流動性及固色率良好。中國專利ZL 200510111581:7公開了一種紡織品數碼噴墨印花活性染料墨水的制備工藝,其墨水的水溶性較好。

??? 酸性染料墨水主要由無鹽的高純度染料、共溶劑和去離子水等組成,用于錦綸、蠶絲和羊毛的數字噴墨印花。目前商品化的酸性染料墨水代表性品種主要Ciba公司的Lanasets I系列和DuPont公司的Artistri系列。

??? 分散染料墨水主要由分散染料、分散劑、共溶劑和去離子水等組成,主要用于滌綸、錦綸等合成纖維織物的數字噴墨印花。商品化的分散染料墨水代表性品種主要有Ciba公司的Terasil TI系列和BASF 公司的Baifxan系列,其墨水的分散性及穩定性好。

??? 上述小分子染料水溶性一般,在織物上的附著牢度不夠,印花色彩不是很鮮艷。很多研究者嘗試用加入添加劑的方法來提高染料的各項性能,MARICOS與曹萬里等在活性染料墨水中加入二羧酸及其堿金屬鹽或三羧酸及其堿金屬鹽,使其具有緩沖作用,還可以提高染色性能。TAKAMASA U出,螯合劑EDTA及其二鈉鹽、四鈉鹽可改善噴嘴的堵塞現象,并能提高墨水對溫度及濕度的穩定。此外,為改善墨水因析出晶體而堵塞噴嘴的現象,在墨水中可加入尿素、、環胺、烷醇胺等。JASON LN-甲基嗎啉-N-氧化物與甘油配制的墨水比用其他溶劑配制的墨水得色更鮮艷。東華大學的許秋等人采用Huntsman公司的Novacron系列CMYK四色染料配制活性染料墨水應用于棉織物印花,降低了成本,且穩定性較好。中國專利ZL 200510136809.8公開了一種防泳移的噴墨印花染料墨水的配方和工藝。

??? 研究者們通過對染料進行改性,將小分子染料做成高分子染料,使得高分子染料的水溶性和對纖維的親和性大大提高。WAYNE C T對活性染料進行改性后再配制成墨水,具體是在活性染料的活性基上引入C=C雙鍵,使染料發生聚合,以此對染料改性,將改性后的染料純化,溶于去離子水,加入水溶性低聚物制成墨水,用于織物可得到滿意的摩擦牢度和耐光牢度。例如清華大學劉曉華等通過合成具有高反應活性的聚丙烯酰氯,與N-乙基-N-羥乙基苯胺反應制備含取代苯胺的先驅聚合物,再通過重氮偶合反應引入帶水溶性基團的偶氮發色團,合成水性高分子偶氮染料。HINDAGOLLA S L研究了在染料分子中加入羧基,以提高染料墨水的耐水洗性。目前,制備能用于噴墨印花的水性高分子染料在國內外都還處于研究階段。

?? ?雖然染料型數字噴墨印花墨水目前已有一定的生產和應用,但其用于紡織品數字噴墨印花的缺點顯而易。例如(1)染料墨水無通用性。不同的纖維需要使用不同的墨水;(2)生產工藝復雜,且存在一定程度的環境污染。噴墨印花之前,需對織物施加染料固色劑和印花糊料等。印花后,需要對織物進行汽蒸、水洗等后處理,不利于保護環境。

??? 2.2 油墨

?? ?噴墨印花的油墨配方包含色素(顏料或染料)、載體(粘合劑/樹脂)、添加劑(粘度調節劑、引發劑、抗菌劑、助溶劑、防堵塞劑)等,其中添加劑需根據需要合理使用,且所有油墨配方也必須滿足規定的性能要求。噴墨印花施加的油墨量少,穩定性、顯色性高,但迄今為止,尚無普遍適用于織物噴墨印花的標準油墨配方。油墨不僅價格高,而且毒性大、環境污染嚴重,不能充分體現噴墨印花的環保優勢,因此,研究重點應放在改善油墨的環境友好性上。

??? 2.2.1 顏料油墨

??? 染料墨水的缺陷阻礙了數碼印花技術的發展,因此國內外眾多研究者對顏料墨水進行了大量的研究。與染料墨水相比,雖然顏料墨水的摩擦牢度尤其是濕摩擦牢度較染料墨水差,但其具有以下優點43,80:(1) 通用性好,顏料墨水適用于各種纖維織物:(2) 工藝簡單,排放無污染,有利于保護環境,不需要復雜的前處理和后處理工藝,可直接對織物進行噴墨印花,然后僅需簡單的焙烘:(3) 耐光牢度好。顏料墨水噴射到織物上是以微小粒子的狀態存在于纖維上,不容易被光照分解,即使顆粒外層的分子被光分解了,內層一樣會保持顏色。而染料墨水噴射到纖維上是以分子狀態上染纖維,并且大部分染料在纖維中也是以分子狀態或比較松散的聚集體存在,容易被光分解。

??? 目前商品化的數碼噴墨印花顏料墨水大多是國外產品,有Ciba公司的Irgaphor系列、BASF公司Helizarin EVOP-100系列、DuPont公司的Artistri 700系列和英國Trident公司的Fabric Fast Ultra系列。以上系列的顏料墨水性能優異,耐光牢度及耐氣候牢度好,耐摩擦牢度高,印花織物手感柔軟。

??? 國內已經初步掌握了顏料超細化加工和固色等關鍵技術,研制的6色和4色顏料墨水,在壓電式噴印花機上試用后,獲得了良好的效果。如青島海怡精細化工有限公司的Pinks系列(江南大學監制),杭州開元電腦技術有限公司開發的納米顏料墨水。此外,中國專利ZL 200410013291.4公開了一種水溶性顏料印花墨水的配方和工藝。中紡院江南分院也對顏料墨水進行了深入研究,目前處于試驗階段,尚未形成產業化。

??? 2.2.2 染料油墨

??? 目前主要研究的染料油墨如意大利J-Teck3公司開發的J-ECO、J-Subly系列分散染料油黑,是一系列對環境友好的壓電式油墨,可用于升華轉移印花和直接印花。

??? 染料油墨是通過對油墨進行改性或引入活性基來提高染料與纖維的親和力,提高色牢度。例如COS-TELA A等利用含雙鍵的甲基丙烯酸甲酯與含雙鍵的諾丹明染料共聚,得到高分子染料。姚潤琪等用IPDI和分散紅19合成聚氨酯分散紅高分子染料;胡先海等制備了水性聚氨酯分散藍14分子染料。普施安(Procion)活性藍-4和汽巴克隆(Cibacron)活性黃-3溶解于DMF中并與CH2=CH-COC1反應,是將C=C雙鍵引入染料分子結構中,然后使染料在織物上均相自聚,或者與其他組分通過引發劑引發共聚而固著在纖維上。

??? 3 數碼噴墨印花墨水的發展趨勢

??? 歐洲地區的數碼印花已經占到了印花總量的30%左右,預計未來5內將達到50%。我國是一個紡織大國,早在2009年,我國規模以上的印花產品總量為100m2,占全球的30%以上,而數碼印花產品總量只有0.4m2,與歐洲的差距較大。所以,我國的數碼噴墨印花的發展潛力十分巨大,其中最重要的一環是噴墨印花用墨水的研制。針對目前墨水存在的問題,其發展趨勢如下: (1) 高性能、高色牢度的噴墨印花墨水。減少添加劑的加入,簡化流程,提高色牢度是紡織品噴墨印花發的首要問題;(2) 開發水性環保型、價格低廉的墨水。減少環境污染,提高墨水的穩定性和通用性,低成本;(3) 開發更多具有自主知識產權、產業化的墨水,加大推廣力度。逐步減少對國外產品的,掌握具有自主知識產權的墨水生產技術,與設備廠家和用戶做好溝通,提高墨水的適應性,從真正意義上降低成本。

?? ?4 結語

??? 數碼噴墨印花市場還存在很大的增長空間,我國的噴墨印花墨水的研制與開發應用對高性能墨水的發展有著巨大的影響,開發具有通用性好,穩定性佳,印花色牢度高,鮮艷度好,清晰度高等優異性能的噴墨印花墨水是當前噴墨印花發展的必然趨勢。同時,數碼印花技術的進步也同樣推動著印花墨水的更新與發展,應用前景廣闊。

?? ?參考文獻(略)

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