羥乙基甲基纖維素改性對棉和錦綸織物表面性質的差異性影響

喬曦冉， 房寬峻，2,3,4， 劉秀明， 鞏繼賢， 張 帥， 張 敏

(1.天津工業大學 紡織科學與工程學院， 天津 300387； 2.青島大學 紡織服裝學院， 山東 青島 266071； 3.生態紡織省部共建協同創新中心， 山東 青島 266071； 4. 生物多糖纖維成形與生態紡織國家重點實驗室， 山東 青島 266071)

噴墨印花是一種高精度、低污染[1]的印花方式。噴墨印花過程中，大量微小墨滴離開噴嘴后接觸織物表面，在織物表面積累并發生鋪展和滲化，最終形成預設的圖案。圖案的清晰度與墨滴在織物表面的滲化和鋪展有關，而這一過程受纖維表面性質的影響明顯。

對于棉/錦交織織物來說，棉纖維和錦綸的表面性質存在著明顯差異。棉纖維上大量的羥基使棉纖維具有優良的親水性；而錦綸大分子中大量的亞甲基使得錦綸表面疏水作用明顯。這一問題使得活性染料墨水在棉/錦交織織物上噴墨印花時圖案邊緣滲化嚴重，最終印花圖案清晰度低、同色性差，因此，對織物表面進行改性可有效控制活性染料墨滴在織物表面的鋪展[2]，并促進活性染料與纖維結合[3-4]。

其中，最常見的方法是使用改性劑在噴墨印花前對織物進行適當的預處理。預處理可以改變織物表面基團[5]，有利于提升噴墨印花圖案質量[6-8]。Cao等[9]使用黃原膠對滌綸織物進行表面改性，研究表明黃原膠和鹽進行預處理會顯著影響滌綸表面的擴散和吸附性能。Li等[10]使用α-烯烴磺酸鹽和海藻酸鈉對棉/錦交織織物進行預處理，提升了錦綸表面的親水性，α-烯烴磺酸鹽和海藻酸鈉的協同作用使棉/錦交織織物獲得了較好的噴墨印花性能。馬養鵬[11]比較了多種糊料對棉/錦彈力織物噴墨印花后K/S值、易洗性等性能的影響，研究了糊料對噴墨印花最終效果的影響。

目前對單一織物噴墨印花預處理的研究較多，對混紡或交織織物噴墨印花預處理過程中不同纖維表面性能變化的研究較少。本文選取天然水溶性聚合物、改性纖維素和人工合成聚合物3種類別的多種水溶性聚合物對棉/錦交織織物進行預處理，對比了預處理前后棉/錦交織織物表面的親疏水性能變化，分析了線寬和親疏水性的關系，以期為纖維表面親疏水性質與噴墨打印清晰度之間的關系提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

織物：經過前處理的棉/錦綸6平紋交織織物(28 tex×15 tex)、純棉平紋織物(28 tex×2)、錦綸平紋織物(15 tex×2)均購自吳江偉佳紡織有限公司。

材料：尿素、碳酸氫鈉，購自天津市科密歐化學試劑有限公司；海藻酸鈉，購自青島明月海藻集團有限公司；羧甲基纖維素鈉、羥丙基淀粉醚和瓜爾膠，購自鄭州普爾化工產品有限公司；羥乙基甲基纖維素(型號分別為LH20 MR和LH40 MR)，購自武漢潤興源科技有限公司；羧甲基羥丙基纖維素、黃原膠，購自湖北擺渡化學有限公司；陰離子聚丙烯酰胺、非離子聚丙烯酰胺，購自河南聚丙烯酰胺有限公司；青色、品紅、黃色、黑色活性染料墨水，購自杭州宏華數碼科技股份有限公司；標準皂片，購自上海紡織工業技術監督所。其中，尿素和碳酸氫鈉為分析純試劑，其余均為工業級試劑。

儀器：TLE204E/02型電子天平(上海梅特勒-托利多有限公司)；RW20型攪拌器(德國IKA集團)；PO-B型軋車(廈門瑞比機械有限公司)；DGG 101-2BS型電熱鼓風干燥箱(天津市天宇實驗儀器有限公司)；OCA15pro型視頻光學接觸角測量儀(德國Dataphysics公司)；VEGA 5000型噴墨印花機(杭州宏華數碼科技股份有限公司)；OP-03型汽蒸箱(天津華譜合力科技有限公司)；Datacolor SF-600型測色儀(美國Datacolor公司)；YYS-560E型光學顯微鏡(上海儀圓光學儀器有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 預處理液的配制

預處理液配方(質量分數)為：水溶性聚合物2%，尿素4%，碳酸氫鈉1%，水93%。按配方稱取水溶性聚合物、尿素、碳酸氫鈉和水，加入燒杯中，高速攪拌至完全溶解，靜置至氣泡消失備用。

空白對照預處理液配方(質量分數)為：尿素4%，碳酸氫鈉1%，水95%。按配方稱取尿素、碳酸氫鈉和水，加入燒杯中，攪拌至完全溶解，靜置備用。

1.2.2 織物表面預處理

純棉織物、純錦綸織物和棉/錦交織織物采取相同的預處理工藝。將織物通過軋車，二浸二軋，軋輥壓力為9.8 N/cm2。浸軋完成后于100 ℃烘干備用。

1.2.3 噴墨印花

使用VEGA-5000噴墨打印機在經過預處理的純棉織物、純錦綸織物或棉/錦交織織物上打印線條、單色色塊或圖案。

噴墨打印 → 烘干(80 ℃，5 min)→ 汽蒸(102 ℃常壓飽和蒸汽，10 min)→ 冷水洗(5 min)→ 溫水洗(40 ℃，5 min)→ 皂洗(標準皂片 2 g/L，95 ℃，10 min)→ 溫水洗(40 ℃，5 min)→ 冷水洗(5 min)→ 烘干(100 ℃)。水洗浴比均為100:1。

1.3 測試方法

1.3.1 線條寬度

使用光學顯微鏡觀察織物表面打印的等寬線條，并測量墨水沿垂直于線條方向擴散的距離。每個樣品在不同位置測量100次，求平均值。

1.3.2 織物表面潤濕性能

由于噴墨打印墨水在織物表面擴散和滲透是連續的過程，將表面改性后的織物放置于視頻光學接觸角測量儀的樣品臺上，將2 μL去離子水滴在織物表面，觀察水滴在織物表面的擴散及吸收過程。截取水滴接觸織物0.3 s后的圖像，測試接觸角，以表征織物表面接觸水滴時的潤濕性能。測量10次，求平均值。

1.3.3 顏色指標

使用Datacolor SF-600型測色儀在D65光源、10°視角條件下測定噴墨打印單色色塊的K/S值。在每個色塊的不同位置測量12次，求平均值[12]。

1.3.4 耐摩擦色牢度

按照GB/T 3920—2008《紡織品色牢度試驗耐摩擦色牢度》，使用耐摩擦色牢度試驗機對噴墨打印后的織物測試耐摩擦色牢度性能，其中濕摩擦測試使用的摩擦棉布的含水率為100%。

2 結果與討論

2.1 墨水在織物表面的鋪展擴散

在不同水溶性聚合物表面改性的錦綸織物和棉/錦交織織物上噴墨打印相同寬度的線條。圖1示出光學顯微鏡觀察的墨水在織物表面的鋪展情況。

圖1 經過不同水溶性聚合物改性后的織物噴墨打印線條光學顯微鏡照片Fig.1 Optical microscope photo of inkjet printing lines on polyamide fabric (a) and cotton/polyamide fabric (b) modified by different water-soluble polymers

由圖1(a)可以看出，在未經處理的錦綸平紋織物上，墨水沿線條方向(緯向紗線)擴散的同時，也沿著交織紗線擴散。最終，在未經處理的錦綸織物表面形成了連續的“十”字形圖案。經過不同水溶性聚合物預處理的錦綸織物上，墨水沿交織紗線擴散的情況得到了不同程度的抑制。在使用羥乙基甲基纖維素預處理的錦綸織物上墨水沿著交織紗線上的擴散明顯減少，呈現出邊緣較為清晰的線條圖案。

這一現象在圖1(b)中的棉/錦交織織物上具有相似的情況。一方面，在使用不同的水溶性聚合物對棉/錦交織織物預處理后，棉和錦綸表面形成了連續的膜結構，并且填充了纖維縫隙，這更利于墨水在接觸織物表面后向臨近紗線擴散，從而減少交織紗線上的擴散。另一方面，活性染料墨水在織物表面鋪展的過程中，也受到了纖維表面預處理劑本身性質的影響。不同水溶性聚合物在織物表面形成的膜的性質不同，對墨水的擴散行為的影響就不同。

表1示出經過不同水溶性聚合物改性后的棉/錦交織織物接觸角及噴墨打印線條寬度。表中，空白對照織物上打印的線寬略高于原布。這是因為在空白對照樣品中，尿素在織物表面形成結晶，加速了墨水在織物表面的擴散，使得線寬較原布更大。海藻酸鈉、瓜爾膠等天然水溶性聚合物和人工合成的聚丙烯酰胺對墨水在織物表面的抑制作用較差。羧甲基纖維素和羥乙基甲基纖維素改性后的棉/錦交織織物表面能較好地抑制活性染料墨水在織物表面擴散。這說明水溶性聚合物在棉/錦交織織物表面形成的薄膜可以明顯改變織物表面性質。

表1 經過不同水溶性聚合物改性后的棉/錦交織織物接觸角及噴墨打印線條寬度Tab.1 Contact angle and line width of cotton/polyamide interwoven fabrics modified by different polymers

2.2 潤濕性

為研究經過不同水溶性聚合物改性后棉/錦交織織物表面發生的性質變化，測量了樣品改性前后的水滴接觸織物0.3 s時的接觸角，結果如表1所示。

較原布接觸角相比，空白對照樣接觸角減小，織物表面親水性增強。空白對照樣預處理液中的碳酸氫鈉和尿素烘干后在織物表面形成碳酸鈉和尿素結晶，一定程度上利于親水性的增加。而經過羥乙基甲基纖維素改性后的棉/錦交織織物接觸角大于90°，說明織物表面由親水轉變為疏水。這說明在羥乙基甲基纖維素改性后，棉/錦交織織物圖1(b)中表面墨水擴散被抑制與織物表面疏水性有關。

為研究羥乙基甲基纖維素改性后的棉/錦交織織物上棉纖維表面和錦綸表面發生的性質變化，對經過改性前后的純棉織物、純錦綸織物和棉/錦交織織物的潤濕性進行了測試，水滴在織物表面是接觸、鋪展、潤濕和吸收的連續過程如圖2所示。

圖2 水滴在織物表面的鋪展過程及接觸角Fig.2 Spreading process and contact angle of water droplets on fabric surface. (a) Untreated cotton fabric; (b) Cotton fabric modified by hydroxyethyl methylcellulose; (c) Untreated polyamide fabric; (d) Polyamide fabric modified by hydroxyethyl methyl cellulose; (e) Untreated cotton/polyamide interwoven fabric; (f) Cotton/polyamide interwoven fabric modified by hydroxyethyl methyl cellulose

圖2(a)中，水滴接觸未經處理的純棉織物表面后，沿平行于織物表面方向在織物上擴散，并逐漸被棉纖維吸收；圖2(b)中，水滴接觸經過羥乙基甲基纖維素改性的純棉織物表面后，水滴受重力影響在改性棉織物表面更傾向于繞過棉纖維表面，沿著垂直于織物表面方向，擴散至織物背面，經過一段時間后緩慢向織物內部滲透，而不是直接被棉纖維吸收。

織物表面親疏水性的變化，主要與改性工作液中水溶性聚合物所帶的基團有關。羥乙基甲基纖維素在棉纖維表面形成的薄膜使棉纖維表面的大量的羥基被覆蓋，棉纖維表面親水性減弱[13]。然而，羥乙基甲基纖維素對錦綸的改性作用與棉纖維是截然不同的。如圖2(c)、(d)所示，相較于未改性的錦綸，經過羥乙基甲基纖維素改性的錦綸可以使水滴在織物表面更快鋪展。這是因為羥乙基甲基纖維素在錦綸表面形成了連續的纖維素薄膜，可以幫助水分在錦綸表面更好的擴散與分布。這有利于噴墨打印過程中墨水在錦綸上分布和染料在錦綸上的固定。

綜上，經過羥乙基甲基纖維素改性后的棉/錦交織織物中，棉纖維表面親水性減弱；錦綸表面潤濕性能增強。這一過程使得原本性質差異巨大的棉、錦綸2種纖維表面性質得以改善，有利于抑制噴墨印花過程中墨水在棉/錦交織織物表面的過度擴散，提高圖案清晰度。

2.3 顏色效果分析

為分析選取的水溶性聚合物對棉/錦交織織物噴墨印花性能的影響，測定了經過表面改性后棉/錦交織織物噴墨打印單色色塊的K/S值，結果如表2所示。

表2 經過不同水溶性聚合物改性后的棉/錦交織織物噴墨打印單色色塊K/S值Tab.2 Inkjet printing K/S values of color block on cotton/ polyamide interwoven fabrics modified by different polymers

從表2可以看出，經過羧甲基羥丙基纖維素、羧甲基纖維素鈉、羥乙基甲基纖維素等改性纖維素類的水溶性聚合物改性后的棉/錦交織織物噴墨打印單色色塊的色深較空白對照和海藻酸鈉改性有一定提升。改性纖維素類的水溶性聚合物用于棉/錦交織織物表面改性時明顯優于黃原膠、瓜爾膠等天然類水溶性聚合物和聚丙烯酰胺等人工合成的水溶性聚合物。

其中，經過羥乙基甲基纖維素(LH20 MR 和LH40 MR)改性的棉/錦交織織物噴墨打印單色色塊色深提升明顯。使用羥乙基甲基纖維素(LH40 MR)改性的棉/錦交織織物噴墨打印青色、品紅、黃色和黑色色塊K/S值較使用海藻酸鈉改性的棉/錦交織織物分別提升34.6%、45.0%、40.0%和31.5%。

圖3示出經過不同水溶性聚合物改性后的棉/錦交織織物噴墨打印圖案照片。可以看出，使用羥乙基甲基纖維素改性的棉/錦交織織物噴墨打印圖案顏色更深，圖案更加清晰。羥乙基甲基纖維素使棉/錦交織織物表面由親水轉變為疏水，抑制了活性染料墨水在織物表面沿水平方向的擴散，促進活性染料墨水向纖維滲化，使更多染料分子與纖維結合，噴墨打印色深和清晰度提高。

圖3 不同水溶性聚合物改性后的棉/錦交織織物噴墨打印圖案照片Fig.3 Photographs of inkjet printing patterns on cotton/polyamide interwoven fabrics modified by different water-soluble polymers. (a) Untreated; (b) Sodium alginate; (c) Hydroxyethyl methyl cellulose

2.4 色牢度

表3示出不同預處理棉/錦交織織物耐摩擦色牢度。可以看出，使用羥乙基甲基纖維素作為水溶性聚合物預處理棉/錦交織織物時，耐干、濕摩擦色牢度均與海藻酸鈉相當。更高的色深意味著在纖維表面和內部存在更多的活性染料。在濕摩擦過程中，可能會有更多的活性染料沾染在測試襯布上，使耐濕摩擦色牢度低于未經處理的原布。

表3 不同預處理棉/錦交織織物耐摩擦色牢度Tab.3 Colour fastness to rubbing of cotton/polyamide interwoven fabrics with different pretreatments 級

3 結 論

1)在選取的多種水溶性聚合物中，羥乙基甲基纖維素可提升棉/錦交織織物噴墨打印表觀顏色深度。相較于海藻酸鈉，經過羥乙基甲基纖維素改性后的棉/錦交織織物噴墨打印青色、品紅、黃色和黑色色塊的K/S值分別提升了34.6%、45.0%、40.0%和31.5%。

2)羥乙基甲基纖維素對棉/錦交織織物中棉和錦綸2種纖維的表面改性具有差異性。經過羥乙基甲基纖維素改性后，棉/錦交織織物中的棉纖維表面親水性減弱；錦綸表面潤濕性能增強。

3)相較于海藻酸鈉改性，羥乙基甲基纖維素改性的棉/錦交織織物噴墨打印墨滴在織物表面的鋪展行為被抑制，噴墨打印圖案清晰度有一定提升。