滌、棉及其混紡機(jī)織物顏料墨水?dāng)U散特性與數(shù)碼印花質(zhì)量研究

張 鑫，李羽佳，楊 柳，馬 磊，張瑞云,1c，徐馨怡

(1.東華大學(xué) a.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,b.紡織科技創(chuàng)新中心，c.上海紡織智能制造與一帶一路國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2.中國(guó)紡織信息中心，北京 100006)

與傳統(tǒng)印花方法相比，數(shù)碼印花憑借工藝簡(jiǎn)單、精度高、能耗低，能適應(yīng)高品質(zhì)、小批量、個(gè)性化的市場(chǎng)需求，發(fā)展前景廣闊[1]。墨水自身特性及其在織物上的表現(xiàn)是影響數(shù)碼印花產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，根據(jù)墨水使用的色素可分為染料墨水和顏料墨水，其中顏料墨水的印花流程短、污染小、耐曬和耐氣候性良好，且適用于各種面料，是未來(lái)數(shù)碼印花發(fā)展的主要趨勢(shì)[2]。然而顏料墨水?dāng)?shù)碼印花在實(shí)際生產(chǎn)中存在顏色鮮艷度低、耐摩擦牢度不佳的問(wèn)題。

Park等[3]發(fā)現(xiàn)墨水種類、印花方向、織物組織結(jié)構(gòu)、預(yù)處理劑都會(huì)對(duì)織物印花質(zhì)量造成影響。Kaimouz等[4]研究表明墨水滲透對(duì)顏色深度的影響與織物原料有關(guān)。Mhetre等[5]指出印花質(zhì)量取決于油墨的擴(kuò)散行為，油墨擴(kuò)散行為受到紗線中毛細(xì)管、織物的潤(rùn)濕性和組織結(jié)構(gòu)的影響。文獻(xiàn)[6-7]研究指出織物緊度和厚度、墨滴體積、預(yù)處理劑都會(huì)對(duì)墨滴的擴(kuò)散形態(tài)造成影響，從而影響印花的清晰度。房寬峻等[8]研究表明密度低的織物得色比密度高的深，但濕摩擦牢度略差。楊海貞等[9]指出，織物越薄、表面越粗糙、孔隙率越大，織物的表觀顏色越淺，墨滴鋪展面積越大。安艷珍[10]分別使用陰離子型、陽(yáng)離子型和非離子型預(yù)處理劑對(duì)滌棉織物進(jìn)行預(yù)處理，均可提高印花清晰度和顏色深度。李敏等[11]分別探討了海藻酸鈉、聚乙烯醇以及陽(yáng)離子改性劑對(duì)墨滴擴(kuò)散的影響。

目前，關(guān)于顏料墨水與織物相互作用的研究較少,特別是顏料墨水在滌棉混紡織物上的擴(kuò)散及呈色相關(guān)研究也較少，對(duì)顏料墨水在混紡織物上擴(kuò)散和呈色的影響因素缺少理論分析。因此，本文以顏料墨水在織物上的擴(kuò)散情況為切入點(diǎn)，探討紗線的滌/棉混紡比以及織物結(jié)構(gòu)對(duì)顏料墨水?dāng)?shù)碼印花清晰度和顯色情況的影響，并分析預(yù)處理工藝對(duì)顏料墨水?dāng)?shù)碼印花質(zhì)量的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

試驗(yàn)材料：青色(C)、品紅(M)、黃色(Y)、黑色(K)顏料墨水，上海端彩數(shù)碼科技有限公司；數(shù)碼印花的印前處理劑，上海端彩數(shù)碼科技有限公司；純滌綸、純棉及滌棉混紡平紋機(jī)織物，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試樣基本參數(shù)Table 1 Basic fabric parameters

試驗(yàn)設(shè)備：微量進(jìn)樣器，SMZ745 T型立體顯微鏡，數(shù)碼顯微鏡，P-AO型臥式軋車，R-3型自動(dòng)定型烘干機(jī)，YG(B)871型毛細(xì)效應(yīng)測(cè)定儀，TM3000型臺(tái)式掃描電子顯微鏡，A3數(shù)碼印花機(jī)，Datacolor 850型測(cè)色配色儀，Y571 N型染色摩擦牢度機(jī)。

1.2 試驗(yàn)方法

滴墨試驗(yàn)：使用微量進(jìn)樣器，在試樣上滴加體積分別為0.1～0.5 μL的青色顏料墨水，并在數(shù)碼顯微鏡下記錄滴加0.5 μL墨水時(shí)的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程。

試樣預(yù)處理：使用數(shù)碼印花印前處理劑對(duì)試樣進(jìn)行浸軋預(yù)處理，處理次數(shù)為二浸二軋，控制帶液率為65%～75%，然后進(jìn)行烘干定型，溫度為100 ℃，時(shí)間為8 min。

數(shù)碼印花：分別沿試樣經(jīng)向和緯向印制長(zhǎng)度為3 cm、寬度為0.1～1.0 mm的線條。分別設(shè)計(jì)面積為2 cm×2 cm的C、M、Y、K 4色純色色塊，后噴印于試樣上。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 墨滴擴(kuò)散面積

使用立體顯微鏡，在放大2倍的條件下拍攝試樣滴墨最終形態(tài)圖，再使用imageJ軟件分別計(jì)算墨滴的經(jīng)向擴(kuò)散長(zhǎng)度(dt)、緯向擴(kuò)散長(zhǎng)度(dw)和擴(kuò)散面積(A)。

1.3.2 印花顏色

使用Datacolor 850型測(cè)色儀，選擇D65光源，測(cè)試視角為10°，在試樣上選取4個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)色，并取平均值，得到試樣的顏色數(shù)據(jù)。本文用測(cè)試結(jié)果的K/S值表示色塊的顏色深度。

1.3.3 打印清晰度

使用立體顯微鏡，在放大倍數(shù)5倍的條件下拍攝印制線條的圖像。由于墨水在織物上會(huì)發(fā)生滲化，線條邊緣整齊度差，因此使用imageJ軟件分別測(cè)量線條的最大擴(kuò)散寬度(lmax)及最小擴(kuò)散寬度(lmin)，如圖1所示，利用式(1)計(jì)算印花實(shí)際線寬l，然后根據(jù)式(2)計(jì)算得到印花清晰度D[12]。

(1)

(2)

式中：l0為印花設(shè)計(jì)線寬。

1.3.4 耐摩擦色牢度

根據(jù)GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐摩擦色牢度》，使用摩擦色牢度儀對(duì)試樣分別進(jìn)行干、濕摩擦色牢度的測(cè)試。在標(biāo)準(zhǔn)光源箱下設(shè)置D65光源，對(duì)照《評(píng)定沾色用灰色樣卡》對(duì)標(biāo)準(zhǔn)摩擦布進(jìn)行沾色評(píng)級(jí)，得到試樣的耐摩擦色牢度等級(jí)。

圖1 數(shù)碼印花線條清晰度示意圖Fig.1 Line definition of digital printing

2 結(jié)果與討論

2.1 墨滴動(dòng)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程

墨滴在織物上擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)過(guò)程主要受到織物組織類型的影響，本文選用的試樣均為平紋機(jī)織物，因此以試樣4#為代表進(jìn)行墨滴動(dòng)態(tài)擴(kuò)散研究。圖2為使用微量進(jìn)樣器滴加0.5 μL墨滴于試樣4#上的動(dòng)態(tài)擴(kuò)散圖。由圖2可知，墨滴在織物上的擴(kuò)散主要有3種方式：一是墨滴沿著紗線長(zhǎng)度方向進(jìn)行擴(kuò)散;二是墨滴通過(guò)紗線在組織點(diǎn)處的接觸進(jìn)行擴(kuò)散;三是墨滴在相鄰紗線間的擴(kuò)散。隨著時(shí)間變化，一直存在的擴(kuò)散方式是墨滴沿紗線長(zhǎng)度方向的擴(kuò)散，這也是引起墨滴在織物表面滲化、邊緣參差不齊的主要原因，而其他兩種擴(kuò)散方式隨時(shí)間變化逐漸弱化。

2.2 墨滴擴(kuò)散形態(tài)

墨滴擴(kuò)散的最終形態(tài)與織物的原料有關(guān)，圖3分別為純棉、滌棉混紡、純滌綸織物上墨滴擴(kuò)散的最終形態(tài)經(jīng)過(guò)二值化處理后的示意圖。

圖3 二值化處理后不同織物上墨滴擴(kuò)散的最終形態(tài)Fig.3 Final form of droplet diffusion on different fabrics after binarization processing

由圖3可知，純棉、滌棉混紡和純滌綸織物的墨滴最終擴(kuò)散形態(tài)有所差異。純棉織物的最終擴(kuò)散形態(tài)接近圓形，滌棉混紡織物的最終擴(kuò)散形態(tài)接近橢圓形，純滌綸織物的最終擴(kuò)散形態(tài)接近“十”字形。這是由于顏料墨水是水性墨水，墨滴最終擴(kuò)散形態(tài)與試樣的吸濕性有關(guān)。純棉織物的吸濕性最好，吸收墨水的速度快且多，可以減少墨滴在織物表面的流動(dòng)與擴(kuò)散，最終擴(kuò)散面積較小，擴(kuò)散形態(tài)為邊緣較光滑的圓形；滌綸含量越多，織物的疏水性和導(dǎo)濕性越好，織物中纖維縫隙間的自由水含量增多，水分更容易傳導(dǎo)，因此墨滴在織物表面的擴(kuò)散現(xiàn)象明顯，滲化會(huì)更加突出，最終形成“十”字形的擴(kuò)散形態(tài)。

2.3 墨滴擴(kuò)散面積

圖4為不同試樣與墨滴擴(kuò)散面積的關(guān)系圖。由圖4(a)可知紗線混紡比為變量時(shí)墨滴的擴(kuò)散面積情況，即織物經(jīng)、緯密度相同，紗線混紡比不同時(shí)，墨滴在織物表面的擴(kuò)散面積會(huì)隨紗線中滌綸含量的增加逐漸增大。這是由于滌綸含量越多，織物導(dǎo)濕性越好。顏料墨水是一種水性墨水，更容易在導(dǎo)濕性好的織物上傳導(dǎo)流動(dòng)，導(dǎo)致墨滴的擴(kuò)散面積增大。由圖4(b)可知織物密度為變量時(shí)的墨滴擴(kuò)散面積情況，即織物的紗線混紡比相同，經(jīng)、緯密度不同時(shí)，墨滴在織物表面的擴(kuò)散面積會(huì)隨織物緊度增加逐漸增大。這可能是由于織物密度增大時(shí)，紗線之間以及纖維之間的距離減小，墨滴傳遞擴(kuò)散的毛細(xì)效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致墨滴擴(kuò)散面積增大。

將墨滴在兩垂直方向上擴(kuò)散長(zhǎng)度不同定義為墨滴在織物表面的擴(kuò)散各向異性[13]。表2為織物的經(jīng)、緯向擴(kuò)散長(zhǎng)度之比。由表2可知，dt/dw>1，即墨滴在織物表面的經(jīng)向擴(kuò)散長(zhǎng)度均大于緯向擴(kuò)散長(zhǎng)度，存在墨滴擴(kuò)散各向異性。這是因?yàn)槟卧跀U(kuò)散過(guò)程中每經(jīng)過(guò)紗線交織點(diǎn)時(shí)均會(huì)發(fā)生接觸擴(kuò)散，部分墨滴會(huì)由本紗線擴(kuò)散至相接觸紗線，經(jīng)過(guò)的組織點(diǎn)越多，越不利于墨滴沿紗線方向的擴(kuò)散，所以試樣在該方向上的擴(kuò)散長(zhǎng)度較短。試樣的經(jīng)密均大于緯密，墨滴沿緯向擴(kuò)散時(shí)經(jīng)過(guò)的組織點(diǎn)多于沿經(jīng)向擴(kuò)散時(shí)經(jīng)過(guò)的組織點(diǎn)，因此均表現(xiàn)出經(jīng)向擴(kuò)散長(zhǎng)度大于緯向擴(kuò)散長(zhǎng)度的擴(kuò)散各向異性。

表2 墨滴擴(kuò)散各向異性Table 2 Anisotropy of ink droplet diffusion

2.4 數(shù)碼印花呈色

表3為以紗線混紡比為變量時(shí)，印制C、M、Y、K 4色色塊的顏色數(shù)據(jù)情況。由表3可知，隨著滌綸含量的增加，4種顏色的K/S值均呈增大趨勢(shì)。這可能是由于織物中棉纖維的含量越多，織物的吸濕性越好，由于顏料墨水為水性墨水，所以顏料粒子隨水分流動(dòng)，部分進(jìn)入紗線內(nèi)部，存在于纖維與纖維的縫隙之間卻不顯露在表面，致使織物表面的顏料粒子減少，因此織物對(duì)光的吸收系數(shù)較小，散射系數(shù)較大，使得顏色深度較小，即織物表面顏色較淺；而滌綸含量較多時(shí)則相反，織物表面顏料粒子較多，K/S值較大，織物表面顏色較深。試樣亮度L的變化趨勢(shì)則與K/S值的變化趨勢(shì)相反，即隨著滌綸含量的增加，織物的印花亮度逐漸降低，表現(xiàn)出的結(jié)果同樣為顏色加深。

表3 試樣印制4色色塊的顏色數(shù)據(jù)(紗線混紡比為變量)

以織物的密度為變量時(shí)，印制C、M、Y、K 4色色塊的測(cè)色數(shù)據(jù)如表4所示。由表4可知，隨著織物密度的增大，4種顏色的K/S值均呈減小的趨勢(shì)。由第2.3節(jié)分析可知，隨著織物的經(jīng)、緯密度增大，紗線間毛細(xì)作用增強(qiáng)，顏料墨水在織物表面的擴(kuò)散面積增加。表4中試樣的紗線混紡比均相同，顏料墨水向紗線內(nèi)部的滲透情況相同，因此織物表面的擴(kuò)散越嚴(yán)重，則顏料粒子在織物表面越分散，織物對(duì)光的吸收系數(shù)減小，散射系數(shù)增大，使得K/S值較小，織物表面顏色較淺。對(duì)于顏色的亮度L而言，隨著織物密度的增大，L呈增加的趨勢(shì)，同樣表現(xiàn)出顏色變淺的現(xiàn)象。

表4 試樣印制4色色塊的顏色數(shù)據(jù)(織物密度為變量)

綜合表3、表4數(shù)據(jù)可知,數(shù)碼印花的呈色與紗線混紡比以及織物的密度緊密相關(guān)。紗線混紡比是決定織物的吸濕和導(dǎo)濕性的主要影響因素，這會(huì)影響顏料粒子在織物表面的數(shù)量，從而影響呈色的K/S值；顏料墨水在織物表面的擴(kuò)散情況會(huì)影響顏料粒子在織物表面的積聚情況，從而影響顏色深度。

2.5 數(shù)碼印花清晰度

利用數(shù)碼印花機(jī)在試樣上噴印寬度為0.1～1.0 mm的線條，各試樣噴印線條的清晰度數(shù)據(jù)圖如圖5所示。由圖5可知：當(dāng)織物的密度相同時(shí)，隨織物中滌綸含量增多，印制線條的清晰度逐漸變差；而當(dāng)織物的紗線混紡比相同時(shí)，隨織物密度增加，噴印線條的清晰度逐漸變差。噴印清晰度變差的主要原因是顏料墨水由印花機(jī)噴射到織物上的，會(huì)在織物表面擴(kuò)散。墨滴擴(kuò)散現(xiàn)象越嚴(yán)重，則織物的印花清晰度越差。因此，印制線條清晰度的變化規(guī)律與墨滴在織物表面擴(kuò)散面積的變化規(guī)律一致，即墨滴在織物表面的擴(kuò)散面積在一定程度上可以反映印花的清晰度。噴印線條的經(jīng)向清晰度均差于緯向清晰度，這是由墨滴在織物表面的經(jīng)向擴(kuò)散程度大于緯向擴(kuò)散程度所導(dǎo)致的。此外，由圖5中變化趨勢(shì)可知，隨著噴印線條寬度增加，織物圖案的清晰度逐漸提高。這說(shuō)明數(shù)碼印花的設(shè)計(jì)圖案越精細(xì)復(fù)雜，線條越細(xì)膩，則得到的印制圖像清晰度越差。

圖5 數(shù)碼印花清晰度Fig.5 Definition of digital printing

2.6 數(shù)碼印花摩擦色牢度

數(shù)碼印花織物摩擦色牢度測(cè)試的評(píng)級(jí)結(jié)果如表5所示。由表5可知，顏料墨水?dāng)?shù)碼印花的摩擦色牢度總體較差，濕摩擦色牢度尤為不佳。這是由顏料墨水的呈色機(jī)理所導(dǎo)致的，與染料型墨水通過(guò)化學(xué)鍵等方式與織物結(jié)合的方式相比，顏料墨水主要通過(guò)黏合劑與織物相結(jié)合，從而附著在織物表面。由于數(shù)碼印花設(shè)備對(duì)墨水的粒徑及黏度有一定要求，顏料墨水中的黏合劑無(wú)法添加過(guò)多，因此顏料墨水與織物的結(jié)合不是很牢固，在進(jìn)行摩擦色牢度測(cè)試時(shí)，織物表面的顏料粒子容易轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)摩擦布上，導(dǎo)致摩擦色牢度較差。在濕態(tài)情況下，顏料墨水中黏合劑的作用減弱，織物表面的顏料粒子更容易發(fā)生轉(zhuǎn)移，因此濕摩擦色牢度較干摩擦色牢度更差。

表5 數(shù)碼印花摩擦色牢度等級(jí)Table 5 Rubbing fastness of digital printing

2.7 預(yù)處理對(duì)墨滴擴(kuò)散及印花的影響

2.7.1 預(yù)處理對(duì)墨滴擴(kuò)散面積的影響

試樣經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，滴加0.5 μL墨水進(jìn)行墨滴擴(kuò)散面積變化對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，織物在經(jīng)過(guò)預(yù)處理后墨滴擴(kuò)散面積減小，并且滌綸含量越多，織物的密度越大，墨滴擴(kuò)散面積減小的幅度越大。

圖6 試樣預(yù)處理前后擴(kuò)散面積對(duì)比Fig.6 Comparison of diffusion area before and after pretreatment

為探究預(yù)處理對(duì)墨滴擴(kuò)散面積產(chǎn)生影響的原因，以試樣4#為例，使用掃描電子顯微鏡(放大倍數(shù)為2 000倍)拍攝預(yù)處理前后試樣的表面形貌，如圖7所示，并對(duì)試樣的孔隙率進(jìn)行測(cè)試，孔隙率結(jié)果見(jiàn)表6。

圖7 試樣4#的掃描電鏡圖像Fig.7 SEM images of sample 4#

表6 試樣預(yù)處理前后孔隙率對(duì)比Table 6 Comparison of fabric porosity before and after pretreatment %

觀察圖7發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理后的纖維表面覆蓋了一層薄膜，填補(bǔ)了纖維之間的孔隙，使得纖維間孔隙減少。由表6可知，預(yù)處理使織物的孔隙率降低，即紗線間的孔隙減少。毛細(xì)作用是墨滴在織物表面鋪展擴(kuò)散的主要原因之一，而毛細(xì)管是產(chǎn)生毛細(xì)作用的必要條件。由于預(yù)處理在織物表面形成了薄膜，導(dǎo)致纖維間及紗線間的孔隙減小，因此織物毛細(xì)管的連續(xù)性被破壞，毛細(xì)作用減弱[14]。為探究預(yù)處理前后的毛細(xì)作用大小，以顏料墨水為測(cè)試液體，分別測(cè)試預(yù)處理前、后5 min試樣經(jīng)向與緯向的芯吸高度，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，預(yù)處理后試樣的芯吸高度均比預(yù)處理前低，即織物的毛細(xì)效應(yīng)減弱，證明預(yù)處理產(chǎn)生的薄膜會(huì)降低織物的毛細(xì)作用。因此與未經(jīng)過(guò)預(yù)處理的織物相比，墨滴在經(jīng)過(guò)預(yù)處理的織物表面的鋪展擴(kuò)散程度減弱，擴(kuò)散面積顯著減小。墨滴擴(kuò)散面積越小，印花清晰度越好，同理可知，預(yù)處理可有效提高數(shù)碼印花的清晰度。

圖8 試樣芯吸高度Fig.8 Wicking height of samples

2.7.2 預(yù)處理對(duì)數(shù)碼印花呈色的影響

圖9為試樣預(yù)處理前后的數(shù)碼印花K/S值對(duì)比圖。由圖9可知，試樣在經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，C、M、Y、K 4色色塊的K/S均有所增加。以試樣4#為例，使用顯微鏡分別拍攝預(yù)處理前后印制C色塊的試樣橫截面，如圖10所示。由圖10可知，預(yù)處理后織物表面會(huì)形成一層薄膜，薄膜的存在阻止了墨水向織物內(nèi)部滲透，因此表面的顏料粒子比未預(yù)處理的織物多，對(duì)光的吸收系數(shù)增大，散射系數(shù)減小，顏色深度有所增加。此外，預(yù)處理后織物的毛細(xì)作用減弱，墨水在織物表面的擴(kuò)散減小，使得顏料粒子在織物表面的存在更集中，對(duì)光的吸收系數(shù)增大，散射系數(shù)減小，從而顏色深度增加。

圖9 試樣預(yù)處理前后4色色塊的K/S值對(duì)比Fig.9 Comparison of K/S value of 4 color blocks before and after pretreatment

圖10 預(yù)處理前后印制C色塊試樣的橫截面圖Fig.10 Cross section of C color block before and after pretreatment

2.7.3 預(yù)處理對(duì)數(shù)碼印花摩擦色牢度的影響

表7為試樣預(yù)處理后的摩擦色牢度評(píng)級(jí)。由表7可以看出，預(yù)處理并沒(méi)有對(duì)織物數(shù)碼印花的摩擦色牢度起到明顯的改善作用。這可能是因?yàn)轭A(yù)處理后的織物在印花時(shí)顏料墨水與預(yù)處理劑形成的薄膜相結(jié)合，這種結(jié)合力比顏料墨水和織物的結(jié)合力更弱。

表7 試樣預(yù)處理后摩擦色牢度等級(jí)Table 7 Color fastness to rubbing after pretreatment

3 結(jié) 論

(1)顏料墨水在純棉、滌棉、純滌綸織物上的擴(kuò)散形態(tài)不同：純棉織物上邊緣清晰，接近圓形；滌棉織物上邊緣較不清晰，接近橢圓形；純滌綸織物上邊緣最不清晰，接近“十”字形。墨水在經(jīng)密大于緯密的機(jī)織物上的經(jīng)向擴(kuò)散長(zhǎng)度大于緯向擴(kuò)散長(zhǎng)度，存在擴(kuò)散各向異性。

(2)顏料墨水在織物上的擴(kuò)散面積、印花呈色情況、印花清晰度與紗線混紡比和織物密度有關(guān)。紗線中滌綸含量越大，或織物的密度越大，同體積墨滴在織物上的擴(kuò)散面積越大，印花清晰度越差；紗線中滌綸含量越大，顏料墨水印花K/S值越大；織物的密度越大，顏料墨水印花K/S值越小。

(3)預(yù)處理可減輕顏料墨水在織物上的滲化現(xiàn)象，使墨滴在織物上的擴(kuò)散面積減小，印花清晰度提高，K/S值增大，但對(duì)印花的摩擦色牢度無(wú)明顯改善。在后續(xù)的研究中，需要對(duì)預(yù)處理劑種類和工藝進(jìn)行優(yōu)化，以得到效果更好的預(yù)處理劑配方。