基于纖維素納米球分散劑的數碼印花墨水的制備及其性能研究

沈靜　張梅飛　馬廷方　余厚詠　姚菊明

摘 要：采用混酸法制備纖維素納米球，并以其為分散劑，通過與其他助劑混合制得性能優良、分散穩定的數碼印花墨水。掃描電鏡顯示，混酸法制備的纖維素納米球的粒徑在50 nm左右，Zeta電位儀測定其具有較高的電負性。將其與活性墨水及其他助劑混合，正交試驗結果表明，纖維素納米球對墨水的黏度及電導率起到重要的影響作用。將其與商用墨水進行對比，可以發現自主配制的數碼印花墨水在黏度、電導率及Zeta點位等性能指標上均優于普通商用墨水。

關鍵詞：纖維素;分散劑;數碼印花;墨水

中圖分類號：TS194.434

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）03-0069-04

Preparation and Properties of Digital Printing Inks Basedon the Cellulose Nanoparticles as Dispersant

SHEN Jing1，2， ZHANG Meifei1， MA Tingfang1， YU Houyong2， YAO Juming2

（1.Hangzhou Wensli Silk Science & Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310021， China;2.College of Materials and Textiles， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：The cellulose nanoparticles were prepared by mixed acid method， and they were used as the dispersant to prepare the digital printing ink with good properties and dispersion stability by mixing with other additives. Scanning electron microscope result showed that the particle size of the cellulose nanoparticles prepared by the mixed acid method was about 50 nm， and the cellulose nanoparticles had high electronegativity according to Zeta potentiometer test. After the cellulose nanoparticles were mixed with other additives， the orthogonal testing results showed that the cellulose nanoparticles played an important role for the viscosity and conductivity of the inks. Compared with the commercial inks， the inks prepared in this study have the good properties such as the viscosity， conductivity and Zeta potential.

Key words：cellulose; dispersant; digital ink-jet printing; ink

紡織品噴墨印花技術是一種新型的印花方式，它摒棄了傳統印花中制版這一復雜環節，而是將經過數字化處理的圖片輸入計算機，經計算機印花分色系統編輯處理后，通過噴墨印花系統，將專用墨水直接噴印到各種織物上，從而在織物上得到滿足設計要求的印花織物[1]。其工藝流程簡單，具有小批量、高精度、多品種、快速反應等優點，是21世紀紡織品印花的全新發展方向。

印花墨水的配制是數碼印花技術的一個關鍵工序，用于數碼印花的墨水必須滿足一定的物理及化學標準[2-3]。性能優良的墨水不僅決定了織物表面印花圖案的效果，也決定了噴嘴噴出液滴的形狀及印花系統的穩定性[3]。目前，數碼印花的墨水主要依賴國外公司進口，其價格普遍較高，且墨水的各項性能對織物表面的數碼印花仍然具有一定的限制。

本文采用混酸法制備了一種纖維素納米球，以其為分散劑配制了一種紡織品數碼印花墨水，研究了墨水的各組分對墨水性能的影響，并將其與商用墨水進行了比較，發現本研究所配制的墨水具有更為優良的性能，研究結果對噴墨印花墨水的研發具有很好的指導作用。

1 實 驗

1.1 實驗材料與儀器

材料：纖維素纖維（粘膠短纖維，山東銀鷹化纖有限公司）;鹽酸（分析純，上海化學試劑公司）;檸檬酸（分析純，上海化學試劑公司）;紅色活性染料（K-2BP，泰興錦雞染料有限公司）;保濕劑（乙二醇，化學純，國藥化學試劑有限公司）;殺菌劑（CIT/MIT-14，上海三博生化有限公司）;表面活性劑（十二烷基磺酸鈉，化學純，國藥化學試劑有限公司）。

儀器：Zeta電位儀（90Plus，美國布魯克海文儀器公司）;場發射掃描電鏡（ALTRA55，德國ZEISS公司）;雷磁電導率儀（DDS-307，深圳市泰康達科技有限公司）;旋轉流變儀（MCR52，奧地利安東帕有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 纖維素納米球的制備

將纖維素纖維置于50%的NaOH溶液中，在300 r/min的攪拌速度下堿煮30 min，得到堿處理纖維素，然后將堿處理纖維素置于反應釜中在混酸條件下于120 ℃反應30 min，即可得到在水溶液中良好分散的纖維素納米球。

1.2.2 基于纖維素納米球分散劑的數碼印花墨水配制

以紅色活性染料為主體，纖維素納米球為分散劑，將其與保濕劑、殺菌劑、表面活性劑等助劑按一定的比例進行混合，然后充分攪拌均勻，配制得到數碼印花墨水。

1.3 測試表征

采用場發射掃描電鏡測定纖維素納米球的表面形貌;采用Zeta電位儀測定纖維素納米球及墨水的Zeta電位;采用旋轉流變儀測定所配制墨水的黏度;采用雷磁電導率儀測定墨水的電導率。

2 結果與討論

2.1 纖維素納米球分散劑的性能分析

穩定分散的纖維素納米球能夠作為染料分子的分散劑及穩定劑，進而實現染料分子的高度分散，并調控配制染料的黏度、電導率等物理性能。因此，尺寸均一且表面帶電的纖維素納米球分散劑的制備是配制數碼印花墨水的關鍵[4]。圖1為鹽酸法與混酸法所制備的纖維素納米球的Zeta電位，可以發現不同條件下所制備的纖維素納米球均呈現較高的負電性。

相比于鹽酸法，混酸法制得的纖維素納米球的Zeta電位絕對值明顯增大，當鹽酸與檸檬酸配比為9∶1時，其Zeta電位絕對值最大達到-55.5 mV，說明此條件下所制備的纖維素納米球表面所帶的負電荷最大，懸浮液中納米球間的靜電斥力最大，其懸浮體系最穩定[5]。圖2為混酸法（9∶1）所制備的納米球的SEM照片，所制備的納米球具有較好的單分散性、尺寸較為均一，粒徑大小約為10～50 nm。

因此，混酸法克服了鹽酸法制備的纖維素納米球容易團聚的缺點，實現了纖維素納米球的表面功能化（含有帶電基團），使纖維素納米球具有穩定的分散性（高Zeta電位值），室溫下靜置2個月仍然保持良好的分散性。

2.2 基于纖維素納米球分散劑的數碼印花墨水的配制及其性能優化

以上述混酸法（9∶1）制備的纖維素納米球作為數碼印花墨水的穩定劑及分散劑，通過選配適當的助劑制備數碼印花墨水。通過5因素4水平的正交試驗對所配制墨水的基本物理性能進行工藝優化，其正交參數設置如表1所示，所得正交試驗結果如表2所示。

選擇黏度、電導率和Zeta電位作為正交試驗的3個指標以評價墨水基本物理性能的基本指標，分別求出極差和K1，K2，K3，K4值，得出影響3個指標的因素主次順序（表3-表5）。

根據正交試驗中的結果，分析墨水組分對黏度的影響因素可以發現，影響所配制墨水黏度的主要因素為染料本身，其次為所制備的纖維素納米球分散劑;分析墨水組分對電導率的影響可以發現，影響所配制墨水電導率的主要因素為表面活性劑，纖維素納米分散劑也起了重要作用;分析墨水組分對Zeta電位的影響可以發現，活性染料對其具有較大影響。正交試驗的極差結果分析表明，除了適當試劑的綜合影響外，纖維素納米球分散劑在黏度和電導率兩項墨水指標中都占有重要的影響。

2.3 基于纖維素納米球分散劑的數碼印花墨水的物理性能表征

選擇正交試驗中性能相對較為優良的樣品（編號8、9、10）為對比樣，研究其與商用墨水的物理性能差異。

圖3為商用墨水與自主配制墨水的黏度對比。與商用墨水相比，本研究所配制的墨水的黏度大大降低，這是由于墨水中的纖維素納米球分散劑表面具有強負電荷基團，使粒子間具有較強的靜電斥力作用，因此墨水中纖維素納米球可以呈現較好的分散狀態，導致墨水的黏度降低。

噴墨印花墨水的電導率，反映了墨水中鹽含量的高低程度。電導率高，含鹽量高，墨水容易結晶、沉析，穩定性差，易堵塞噴頭。圖4為商用墨水與自主配制墨水的電導率對比，相對于商用墨水，自主配制的墨水電導率明顯降低，這可以有效避免墨水在噴頭處形成結晶，堵塞噴口。

圖5為商用墨水與自主配制墨水的Zeta電位對比。相比于商用墨水，本研究所配制的墨水具有更高的Zeta電位，墨水的穩定性大大提升，有利于墨水的儲存及打印要求。

2.4 基于纖維素納米球分散劑的數碼印花墨水的印花效果

圖6為纖維素納米球為分散劑的數碼印花用納米墨水（CNCI）最優樣品與商用墨水理化性能及印花效果對比圖。

從圖6可以看出，本文研制的基于纖維素納米球為分散劑的數碼印花用納米墨水（CNCI）具有黏度小、電導率低不易結晶、上色率高等優點。其原因除了適當助劑的綜合影響之外，主要是添加進自主研制表面帶電的纖維素納米球（CNC）作為分散劑。在正交實驗數據分析中，分散劑在黏度和電導率兩項極差分析中都作為主要影響因素，說明表面帶電的纖維素納米球對墨水的成功研制起到了重要的作用，結合Zeta電位數據分析，自主研制的數碼印花用墨水中表面帶電的纖維素納米球在水溶液中呈現出了高度的分散性，穩定性好，可以調控墨水的基本物理性能，上色率提高，印花效果得到提升。

3 結 論

采用混酸法制備了單分散性優良、尺寸均一、粒徑大小約為10～50 nm的高電負性纖維素納米球。以其為分散劑，通過選配適當的助劑制備數碼印花墨水，通過正交實驗探究墨水各組分對墨水的黏度、電導率及Zeta電位的影響，可以發現除了其他助劑的綜合影響外，纖維素納米球對墨水的黏度及電導率起到重要的影響作用。對比商用墨水及自主配制墨水，可以發現相對于商用墨水，自主配制的數碼印花墨水在黏度、電導率和Zeta電位等性能指標及上色率印花效果上都要優于普通商用墨水。

參考文獻：

[1] 方泓釗，侯有軍，梁天祥，等.數碼噴墨印花技術的研究現狀及發展趨勢[J].印染助劑，2011，28（9）：5-9.

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[3] 付少海，王大同，杜長森，等.提高噴墨印花顏料墨水印花牢度的方法[J].紡織學報，2015，36（2）：141-147.

[4] 劉玉霞，孟春麗，董雪茹，等.分散黃噴墨印花墨水的研制及性能初測[J].應用化工，2017，46（1）：123-126.

[5] ECKMAN A L. Developments in textile inkjet printing working towards wider acceptance [J]. AATCC Review， 2004，4（8）：8-11.