喷墨印花技术应用与活性墨水的配制

来源: 发布日期:2012-09-03 412

前言

经过十几年的探索和发展,纺织品喷墨印花技术已开始进入实用阶段。喷墨印花具有传统印花难以比拟的优点,但印花墨水所用色料价格昂贵,数只专用墨盒就相当于一台低端喷墨打印机的价格,是目前阻碍喷墨印花技术规模应用的瓶颈。

喷墨印花所用的染料是墨水配制中最重要的组分,其性能直接决定喷墨印花的效果。目前,喷墨印花大多采用无盐或少盐染料,因为过高的含盐量会对染料的溶解度及喷墨打印性产生影响。这种要求直接导致喷墨印花墨水成本的上升。印染企业若自行选择染料配制墨水进行印花生产,则存在如墨水的组成、性能、配制步骤以及应用方法等一些技术难点。

鉴此,本试验以降低活性染料喷墨印花墨水的成本为目的,选用常规染化助剂配制活性染料喷墨印花墨水,并进行打印试验,测试墨水的有关性能,分析染料浓度、添加剂对墨水表面张力、黏度及其它相关性能的影响。


试验

一、材料与设备

织物 半漂白纯棉机织布(114g/m)。

染料 P型活性染料(泰兴市锦鸡染料有限公司,上海染料化工八厂,Clariant公司,上海康顿精细化工有限公司和Huntsman公司)。

药品 丙三醇;一缩二乙二醇;1,2一己二醇;乙二醇;N一甲基_2吡咯烷酮;乙醇;乙二胺四乙酸二钠;碳酸氢钠;尿素;乙酸;三羟基氨基甲烷;聚乙烯吡咯烷酮K一30和海藻酸钠。

设备 DCA322表面张力及接触角仪,SNB-2型数字旋转黏度计,SentronpH计,uV一3000紫外可见光光度计,datacolor电脑测色配色仪,磁力搅拌器,0.15及0.45Ixm水性滤膜及过滤器,Rapid轧车,瑞士Mathis—DHE高温汽蒸烘箱,Lifejet200平板喷墨印花机,Ep—sonC67打印机,DDS一307雷磁电导率仪(上海兰科仪器)。

二、试验方法

1.墨水制备

称取一定质量分数的染料,加入各种助剂(保湿剂、pH值调节剂、螯合剂、杀菌剂等),再加入去离子水,充分混合搅拌0.5—1h,可稍微加热以加速染料溶解,得混合溶液。将墨水密封,于一1O℃处理24h后,立即过滤,先用0.45m滤膜过滤一遍,再用0.15um滤膜过滤两遍之后,装入喷墨印花机打印测试。

2.墨水相关性能测试

表面张力采用DCA322表面张力及接触角仪,以玻片插入法测得。

黏度采用SNB一2型数字旋转黏度计测试(25℃,O#转子,转速60r/rain,黏度范围0~10mPa·s)。

pH值 由SentronpH计测得。

电导率 由DDS一307雷磁电导率仪测得。

墨水的稳定性 以高温、低温及常温储存条件下有无沉淀及固色率等指标表征。高温试验条件为70℃下对溶液保温处理3h,低温在~l0℃和一20℃放置72h,常温则在室温下自然存放3个月以上。

3.打印性能测试

将配制好的墨水装入打印机内,在Photoshop软件中以360dpi分辨率满幅依次打印单色墨水,分连续和问歇打印测试墨水的打印流畅性。测试连续打印时,满幅打印l0张-A4纸,观察喷头堵塞情况,是否有断线。测试问歇打印时,将喷头归位放置一周后再开机,测试喷头堵塞情况。墨水流畅性测试后,将墨水喷印到织物上,用dataco]or电脑测色配色仪测其颜色

(K/S值)。

4.喷墨印花工艺

配制预处理液(海藻酸钠3%,碳酸氢钠20L,尿素3OL,其余为蒸馏水)一浸轧预处理液(二浸二轧,轧余率70%)一烘干(80℃)一压平一喷墨印花一汽蒸(100%HD,110oC×3min)一水洗、皂洗(85℃×10min一水洗一烘干

5.固色率的测定

采用尿素剥色法测定固色率],按式(1)计算染料固色率(F):

F=(1一(A2/m2)/(A1/m1))×100% (1)

式中:A1——固色前试样溶液的吸光度;

A2——固色后试样溶液的吸光度;

m1——固色前试样的质量;

m2——固色后试样的质量。


结果与讨论

一、添加剂的选择

墨水中的添加剂与水组成一个稳定的体系,以满足打印各项指标要求,如表面张力、黏度和pH值等。选择具有保湿和催干作用的N一甲基-2-毗咯烷酮作为染料助溶剂,选用三羟基氨基甲烷作为pH值调节剂,乙二胺四乙酸二钠(EDTA一2Na)为螯合剂。三羟基氨基甲烷与EDTA一2Na能很好地控制活性染料的水解,有助于制备稳定的高浓度液体染料。乙二醇、一缩二乙二醇和丙三醇都具有保湿作用,可作为墨水的保湿剂。据报道,加人低挥发性溶剂和一种高挥发性溶剂,对整个墨水体系有益¨,为此,选用乙醇作为高挥发性溶剂。为提高喷墨印花墨水的稳定性,可加入一些与墨水体系相容的高分子化合物,如聚氨酯、聚乙烯醇和聚乙烯毗咯烷酮K一30等。试验测试了单只溶剂和不同溶剂混合对表面张力和黏度的影响,溶剂混合正交试验结果见表1。

图表一

图表一

从图1可见,1,2-己二醇在2%~4%低浓度内的变化,会引起墨水表面张力的极大改变。其它溶剂对墨水表面张力的影响都较小,甚至随着乙二醇与N一甲基一2一吡咯烷酮浓度的提升,墨水的表面张力增大,所以两者的加入量不宜过多。乙醇与聚乙烯吡咯烷酮K-30都会降低表面张力,但幅度较小。

图标二

图标二

由图2可见,各种助剂的加入都会使墨水黏度增大,其中丙三醇的影响最大,调节范围也最广,其次为一缩二乙二醇,两者都可作为黏度调节剂。虽然聚乙烯吡咯烷酮K一30的加入量较少,但其为固体,对墨水黏度的影响也较大,因而应控制用量,以防因黏度过大造成墨水打印流畅性下降。

根据以上试验,可基本确定喷墨印花墨水的组成及用量(表2)。试验所用保湿剂不必完全加入,可选择其中一种或两种加人。另外,还可加入适量的杀菌剂,如CIT/MIT一14(5一氯-2一甲基4异噻唑啉.3.酮与2一甲基4异噻唑啉一3一酮的混合物)。同时,还可考虑加入一定量表面活性剂调节表面张力和改善墨水的稳定性。

二、染料的选择及其浓度确定

1.染料的选择

对一氯均三嗪类P型活性染料进行筛选,所选染料为品红色(M)、黄色(Y)、青色(C)、黑色(K)四个基本色。染料筛选主要考察了染料的色光、溶解度、鲜艳度、含盐量和价格等几方面。

试验发现,泰兴市锦鸡染料有限公司与上海染料化工八厂的染料溶解度在100~200g/L。前者较鲜艳,但黑色色光与商品墨水有差距;后者红K-2BP的颜色较理想,但黄色染料配成高浓度染液后易分层,活性翠蓝染料的溶解度不够理想。Clariant公司的染料固色率较高,溶解度较好,但与所需色光有一定差距。Huntsman公司与上海康顿精细化工有限公司的染料情况相差不大,溶解度高达200g/L左右,颜色较好,但价格较高,尤其是上海康顿精细化工有限公司的染料。

染料提纯可采用二甲基甲酰胺(DMF)溶解染料,再用丙酮析出法。泰兴市锦鸡染料有限公司和上海染料化工八厂染料脱出的盐分达到30%一40%,Hunts-man公司的染料除青色提取出25%左右的盐分外,其余的染料不易用此法提取盐分。Huntsman公司的染料更符合要求,确定选用NovacronBlackP—GR150%,NovacronRedP-4BCran,NovacronYellowP-6GSCran,NovacronTurquoiseP—GR150%。

表2

2.染料浓度的确定

根据上述试验所确定的添加剂和染料,配制CMYK四色不同浓度的墨水,按照1.2.4节,通过墨水浓度与K/S值和固色率的关系确定最佳的染料浓度,并与商品墨水进行对比。

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从图3可见,随着染料浓度的增加,CMYK四色的K/S值均增大,但在墨水浓度高于13%后,增大趋势有所下降,其中黄色和品红色较为明显,而青色和黑色上升趋势仍较明显。

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图4中,随染料浓度的变化,CMYK四色固色率的变化各不相同。除了黄色墨水的固色率一直在递增外,其它墨水固色率都呈下降态势,青色最明显,红色在浓度超过13%后固色率出现大幅下降,而黑色墨水的固色率基本不变。固色率变化趋势不同,可能是各染料结构不同所致。此外,固色率只是一个相对的比率,与K/S值不同,并不能反映喷墨打印在织物上染料量的递增。测试商品墨水的固色率与K/S值,结果见表3。

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比较图3和图4与表3可知,自配品红墨水与商品墨水的K/S值有一定差距。自配品红墨水浓度达l6%时,与商品墨水K/S值的差距在5左右,此时墨水溶解度和打印流畅性都没有问题,因此品红色的墨水可选择此浓度。对于其它墨水,青色墨水浓度在7%一10%时已经与商品墨水K/S值相当,且固色率较高;黄色墨水在13%的浓度已经比商品墨水的K/S值大,固色率也比较高;黑色墨水浓度在17%时,较商品墨水K/S值小,但相差不大。

三、墨水的配方及性能

1.墨水配方的确定

最终确定活性喷墨印花墨水的配方方案为:染料7%~17%;乙二醇、一缩二乙二醇、丙三醇、N一甲基一2-吡咯烷酮、乙醇和1,2.己二醇等有机溶剂的用量为20%一30%;三羟基氨基甲烷、聚乙烯吡咯烷酮K.30、杀菌剂和EDTA一2Na的用量为0.5%一2%;剩余部分为去离子水。所配制墨水的各项性能指标如表4所示。

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一般而言,活性喷墨印花墨水黏度为3.5—4.5mPa·s,表面张力为34~39mN/m,即可在喷墨打印机上表现出良好的打印性能。本试验所配墨水性能指标基本处于此区间。

2.墨水稳定性测试

分别对自制墨水进行高温、低温和常温放置测试。将墨水低温一1O℃放置72h,70℃下对溶液保温处理3h,以及常温放置6个月,均未发现产生沉淀,而10℃放置72h后墨水黏度有所增大。另外,一2O℃放置72h的墨水部分凝结,l0℃和20℃放置后的墨水再于常温静置2h,仍会恢复原来状态。墨水于70℃高温处理3h(相当于3周左右的加速贮存期)及常温放置,其固色率与K/S值变化如表5所示。

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从表4可见,70℃保温处理3h的墨水与新配墨水相比,固色率下降5.48%,K/S值下降3.9%;而常温放置的墨水固色率下降2.6%,K/S值下降2.2%。因此,墨水至少在2~3周内可保持良好的稳定性,足以满足印染企业生产应用的要求。

3.墨水打印性能

据报道,墨水电导率应低于10000p~S/cm,以避免在喷头处形成结晶引,此指标对于热泡打印喷头尤为重要。试验发现,红色和黑色商品化墨水的电导率都超过了10000uS/cm;自配墨水的电导率虽然亦远超10000txS/cm,但对于压电式打印机及印染企业生产的模式来说,应不会轻易造成堵塞喷头。对墨水的打印性能、长期保存稳定性及墨水的兼容性进行了测试。连续满幅打印10张A4纸后测试喷头堵塞情况,发现没有断线。让喷头离开墨垫暴露在空气中24h后,直接进行喷头堵塞情况测试,发现四色均有断线,断线率达30%左右,但清洗一次后测试没有断线。此外,将喷头归位放置一周后再测试喷头没有断线。长期放置保存墨水没有发现沉淀。通过与商品墨水的兼容性测试观察,发现自配墨水的兼容性良好。可见,含盐量已不再是主要问题,关键是如何在含盐量较高的情况下使染料保持较高的溶解度,并保持喷墨打印墨水有良好的稳定性和打印性能。通过添加有效的添加剂,合理配制,以及调整打印工艺可改善此问题。

4.墨水打印色域

将配制好的四色墨水,打印具有代表性的不同颜色,并测试这些颜色点的CIE L*a*b*参数值,获得墨水打印颜色色域的大致范围。

在相同条件下,墨水所用的色料品种和组成都会改变其所能覆盖的打印色域。在前处理和汽蒸条件相同的条件下,对自配墨水与商品墨水的色域进行对比,试验结果如图5所示。

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图5中,商品墨水与自配墨水的色域相差在10%之内,前者在绿色、青色、黄色区域的打印范围相对大些,自配墨水在品红端的色域稍微突出一点。由此看来,虽然前述品红色自配墨水与商品墨水的K/S值有一定差距,但打印颜色区域并没有因此受到很大影响,自配墨水并没有因为使用常规染料而使色域明显减少。


结论

部分常规印花染料可用于配制喷墨印花墨水,经压电式喷头连续打印或间歇打印试验,只要按要求清洗喷头,不会产生喷头堵塞现象。墨水的存放稳定性完全可以满足印染企业常规生产的要求,且具有较强的价格优势,对印染企业推广喷墨印花技术具有积极的推动作用。