【集萃網(wǎng)觀察】【摘要】噴墨印花是最有應(yīng)用前景的最新織物印花技術(shù)。本文從織物噴墨印花試驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)著手，論述了噴墨印花的基本原理和方法，試驗(yàn)研究了聚合型油墨系統(tǒng)、微膠乳型兩相油墨系統(tǒng)和改性染料型油墨系統(tǒng)的主要技術(shù)要求和基本組成，并測(cè)試了油墨系統(tǒng)對(duì)織物的印制性能。
【敘詞】噴射印花 原理 方法 系統(tǒng) 織物 油墨 印花槳料
【中圖法分類號(hào)】TS 194. 434
引言
過去一直認(rèn)為，織物印花就是按預(yù)先設(shè)定的意圖，將染料或顏料在織物上形成花紋圖案的加工過程。這種過程首先要將設(shè)定的意圖轉(zhuǎn)移到篩網(wǎng)或滾筒上，形成負(fù)紋圖案;然后使染料或顏料透(通)過篩網(wǎng)或滾筒傳遞到織物上，再經(jīng)后處理使色素固著，并具有一定的牢度性能。這種加工必須對(duì)設(shè)計(jì)的每個(gè)色別，經(jīng)過分色分套→描稿制版→調(diào)色打樣→印制后處理等步驟，既費(fèi)時(shí)又昂貴。自本世紀(jì)60年代荷蘭STORK公司發(fā)明圓網(wǎng)印花以來，至今在印花技術(shù)(工藝和過程)方面并無多大進(jìn)展，且生產(chǎn)周期仍需4-16周。而目前世界織物印花市場(chǎng)份額逐漸增加，年產(chǎn)約230億平方米，其中90%以篩網(wǎng)加工而成。傳統(tǒng)的織物印花方法已成為生產(chǎn)與貿(mào)易間的主要瓶頸。近年來，數(shù)字式噴墨技術(shù)已引起印刷行業(yè)的深刻變革并成功實(shí)施，這啟示人們能否將類似紙張噴墨打印的技術(shù)應(yīng)用到織物印花加工中來。這便大大省去傳統(tǒng)織物印花工藝過程，而容易地以計(jì)算機(jī)文檔來存貯和傳遞花紋；用一種相當(dāng)于涂料印漿的油墨/調(diào)色劑，以適時(shí)應(yīng)答的速度來實(shí)現(xiàn)報(bào)樣、小批量生產(chǎn)直至批量生產(chǎn)。這種噴墨印花技術(shù)將對(duì)傳統(tǒng)織物印花工藝技術(shù)產(chǎn)生重大變革，具有巨大的潛在發(fā)展勢(shì)頭。
所謂數(shù)字式噴墨印花，系將油墨(或稱調(diào)色劑)在壓縮空氣驅(qū)動(dòng)下，通過噴嘴連續(xù)噴射到被印織物上，由計(jì)算機(jī)控制形成花紋圖案。
CANON印花機(jī)有8只打印頭，每只打印頭有170只噴嘴，共1360只噴嘴，打印幅寬為1600mm，印制清晰度為360 dpi （14. 2點(diǎn)/mm），打印速度為0.86 m/min。該系統(tǒng)使用活性/酸性/分散染料的水相油墨，分別適用于棉、蠶絲/錦綸和滌綸織物。該系統(tǒng)采用的8套色為；3套原色——青、品紅、黃，1套黑色，4套特別色。
SEIREN是日本目前最大的織物印花公司，已形成自己的噴墨生產(chǎn)系統(tǒng)。有報(bào)道說，其使用活性和分散染料在棉、絲、聚酯和聚酰胺織物上印花已獲成功，并已開始供應(yīng)帶有數(shù)字式印花標(biāo)記的織物產(chǎn)品。
STORK公司現(xiàn)正與歐共體多家公司共同研究程序功能方面的工作，其目標(biāo)是使打印速度自目前的近1 m/min、提高20倍；參照ISO標(biāo)準(zhǔn)，耐曬牢度達(dá)3-4級(jí)，耐洗滌牢度4級(jí);減少色別的用量至現(xiàn)有的一半，即僅采用3套原色與1套黑色。
此外，“服裝噴射印花”機(jī)已在意大利米蘭’95ITMA首次作了設(shè)備的演示展出，其采用4套色(青、品紅、黃、黑)多噴嘴橫向打印頭，每只打印頭有10只噴嘴，相距0. 99 mm，打印速度為6. 4 m/h。
本文將論述利用1MAJE S4噴墨印花試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行織物噴墨印花的工藝條件、油墨(或調(diào)色劑)的種類和配方，以及油墨系統(tǒng)對(duì)織物印制效果的影響。
2 試驗(yàn)設(shè)備和方法
本研究利用的設(shè)備為法國TOXOT公司制造用于油墨配方試驗(yàn)的IMAJE S4噴墨印花機(jī)。圖1為IMAJE S4噴墨印花試驗(yàn)機(jī)的打印頭示意及工作原理。
圖I IMAJE S4噴墨印花機(jī)打印頭示意及工作原理
1一油墨；2-噴嘴；3一壓電晶體(諧振器)；4一充電電極；5-檢測(cè)電極；6-偏轉(zhuǎn)電極；7一回收槽；8一印制的織物
借壓縮空氣(壓力在300 kPa左右)推進(jìn)的油墨(1)自直徑10-100μm的噴嘴(2)下出現(xiàn)時(shí)，被壓電晶體(諧振器)(3)機(jī)械地激勵(lì)，隨著高頻振蕩形成每秒62500滴、速度達(dá)18-20 m/s的油墨液滴流，并斷成規(guī)則有控制的微滴。為了能形成所設(shè)計(jì)的花紋，充電電極(4)根據(jù)花紋的位置和色澤的濃淡，由計(jì)算機(jī)控制對(duì)微滴施加或不施加電荷，其帶電量受檢測(cè)電極(5)測(cè)定，帶電量不足可反饋給電荷施加系統(tǒng)。帶電或不帶電的微滴射流通過偏轉(zhuǎn)電極(6)時(shí)，帶電的微滴依帶電量多少產(chǎn)生不同距離的偏轉(zhuǎn)，噴落到織物(8)上形成花紋，未帶電的微滴則仍然直線運(yùn)行，落入保持負(fù)壓的回收槽(7)中，這些微滴仍可回收再用(本研究未回收再用)。每個(gè)噴嘴可以控制30個(gè)不同位置的微滴.此稱為連續(xù)式噴墨印花(CIJ)技術(shù)。
連續(xù)式噴墨印花，也有將不帶電的微滴用于印花，而帶電的微滴被收集回收。但這樣需要增加很多噴嘴才能獲得需印的寬度，而且也不能理想地解決成本和可靠性問題。
另一種噴墨印花技術(shù)稱為點(diǎn)滴落入(DOD) 法，當(dāng)需要印花時(shí)，僅供給一滴油墨。油墨滴的產(chǎn)生借助于熱的脈動(dòng)(產(chǎn)生沸騰噴射)，即由計(jì)算機(jī)信號(hào)加熱一根電阻器至一定高溫，使油墨產(chǎn)生霧狀氣泡，霧狀氣泡的冷卻和破滅形成油墨滴自噴嘴中噴出，周期時(shí)間界定為10000滴/S，墨滴體積約150-220μμL，因此，單只熱油墨噴嘴耗墨量約為0.1 mL/min。由于微滴快速噴出所需的高溫(>350℃)會(huì)引起電阻器上油墨的分解，以致導(dǎo)致熱量轉(zhuǎn)移或噴嘴堵塞。其優(yōu)點(diǎn)是噴嘴的裝配成本低，但可靠性較差，打印速度更慢些。
3. 噴墨印花油墨系統(tǒng)的技術(shù)要求
噴墨印花是織物印花的一種嶄新技術(shù)，已在染整界形成共識(shí)，特別是要求短流程、小批量、多品種、快交貨生產(chǎn)時(shí)更顯優(yōu)勢(shì)。只要基本解決印制速度和可靠性問題，將印刷行業(yè)的硬件和軟件作些改進(jìn)即可適用于織物印花。然而，由于纖維類別、織物品種的多樣性，特別是印花織物的色牢度和手感要求明顯差別于紙張印刷品，用于紙張印刷的油墨配方并不適用于紡織品，從而要求開發(fā)多種不同性能的油墨系統(tǒng)。目前為止，雖然沒有也不可能有一個(gè)普遍適用的織物噴墨印花的標(biāo)準(zhǔn)油墨配方，但已有的研究對(duì)油墨液體的粘度、表面張力、均勻性、粒子大小及液滴形狀和穩(wěn)定性等要求均有嚴(yán)格的限制。此外，不同的印花工序，對(duì)油墨的耐高溫性、導(dǎo)電性等也有要求。
基礎(chǔ)工作表明，表1所列的油墨系統(tǒng)的基本要求和功能應(yīng)予以滿足。
表1 織物噴墨印花的油墨體系
對(duì)于織物噴墨印花油墨系統(tǒng)而言，下列技術(shù)范圍具有一般指導(dǎo)意義。
粘度，cP < 10
表面張力，mN·m-’ >40
粒子大小 越小越好，微米級(jí)乳液尤佳
后處理工藝 僅用熱焙烘或紫外光聚合
色素類型 染料、改性染料及顏(涂)料
干摩牢度，級(jí) >4(AATCC試驗(yàn)法)
濕摩牢度，級(jí) >3.5(AATCC試驗(yàn)法)
印制品手感變化 最小
纖維類別適應(yīng)性 寬
上色率 高
成本 低
4. 噴墨印花油墨系統(tǒng)應(yīng)用試驗(yàn)
4. 1 聚合型油墨系統(tǒng)試驗(yàn)
將配制油墨系統(tǒng)的單體或低聚體的混合物噴射到織物上，然后使其在織物花紋處發(fā)生聚合，便可大大降低油墨噴射體系的粘度，以滿足噴印要求。必須考慮的兩個(gè)問題是，首先，通常單官能度和多官能度單體的反應(yīng)，往往易產(chǎn)生“蜂巢”狀高交聯(lián)的體系，使生成物固化性能高而影響手感；其次，通常單體或低聚體的l00%反應(yīng)體系的粘度會(huì)很高，仍會(huì)超出噴墨印花的基本要求。為此，可往聚合體系中加入過量反應(yīng)稀釋劑—例如醋酸乙烯醋，它可使聚合物的交聯(lián)之間生成較長(zhǎng)的柔性鏈段，也使粘度降低。
為了改善聚合物的手感性能，聚合物膜的彈性模數(shù)應(yīng)盡量降低，最后選擇了低聚合度的聚氨基甲酸酯作為進(jìn)一步研究的配方.其最終配方的重量百分比為:
脂肪族氨基甲酸酯二丙烯酸鹽 24
四羥基乙基二丙烯酸酯 8
導(dǎo)電性調(diào)節(jié)劑 2
稀釋劑 48
光敏引發(fā)劑 3
丙酮 15
將不溶于水但能溶于上述低聚物中的溶劑型或分散型染料用作油墨系統(tǒng)的色素，用量小于10% (W/W)。使用IMAJE S4連續(xù)噴墨印花機(jī)將油墨噴印于織物的纖維表面形成薄層，經(jīng)Argus7000 Series UV焙烘機(jī)中(美國Hopewill NewJersey 08525制造)焙供8s，不經(jīng)其他后處理即得印花成品。其增重率可達(dá)4.9%(o.w.f)。
測(cè)試配方下的噴印純棉平布印制后的某些性能，并與相同配方圓網(wǎng)印花織物比較(見表2)。雖然印制后增重率比圓網(wǎng)印花織物的低17%左右，但抗彎曲性能增加率要小得多，且耐摩擦色牢度提高1級(jí)左右。表明聚合型油墨系統(tǒng)的噴墨印花不僅流程短，不需制版工序，而且產(chǎn)品的手感明顯好于常規(guī)圓網(wǎng)印花產(chǎn)品。
表2 聚合型油里系統(tǒng)噴里印花與回網(wǎng)印花織物的性能比較
4.2 兩相油墨系統(tǒng)試驗(yàn)
將油墨組成中的粘合劑或樹脂預(yù)先制成微膠乳劑，含固量為30~50%,噴墨印花前再與涂料色素混合，通過噴印和熱培烘使之附著在織物表面。膠乳粒徑僅為1μm以下。通常微膠乳劑均為含改性的丙烯酸酯，以及丙烯睛丁二烯或睛丁二烯或改性丁二烯共聚物。在試驗(yàn)調(diào)整過的油墨配方中，以粘合劑或樹脂膠乳15~20%,涂料4-8%(均以含固量計(jì))組成為佳。若添加少量吸濕劑，如尿素、低級(jí)多元醇等，則可得到合適的粘度、表面張力和粒徑均勻的油墨系統(tǒng)。
表3列出了試驗(yàn)用的微膠乳樹脂(用量15%)與C.I.涂料黑7(用量4%)混合的水相乳劑型油墨，經(jīng)IMAJE S4 1000噴墨印花機(jī)對(duì)20 × 20棉平布、滌棉(60/40)細(xì)布、9921真絲斜紋綢的印制結(jié)果。其增重率均在5%左右。
表3 微膠乳樹脂——涂料兩相油墨系統(tǒng)對(duì)不同種類織物印制后性能的影響
由表3可見，不同纖維類別的織物，經(jīng)相同油墨配方噴印后的耐摩擦色牢度幾乎一致，達(dá)4-5級(jí).說明該油墨系統(tǒng)與纖維結(jié)合并無化學(xué)作用可言，只是靠機(jī)械、物理性附著，且牢度良好。而織物彎曲剛度增加率對(duì)手感的影響，則隨纖維類別有很大差異。真絲綢的手感改變最大，這與其原本彎曲剛度很低，織物質(zhì)地相對(duì)輕薄有關(guān)，當(dāng)噴印上油墨后，會(huì)顯著改變彎曲剛度測(cè)定值。相同情況下，棉織物的變化就很��；滌棉織物的變化也不大。不管這種印制前后彎曲剛度的變化是由于樹脂組成引起，或是織物組織引起，還是其他關(guān)系的影響，均有進(jìn)一步研究的必要。
觀察噴印質(zhì)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)油墨系統(tǒng)含固量高于一定水平(＞27%)時(shí)，液滴形狀將不穩(wěn)定，而且液滴偏轉(zhuǎn)時(shí)定位失控。故通常含固量控制在樹脂20%,涂料為6%為上限量。另外，筆者發(fā)現(xiàn)，乳液粒徑較小時(shí)可得到較好的液滴形狀，而允許含固量高些。為了得到濃艷的色澤，應(yīng)著力提高涂料的含量。但過高的涂料含量必然增加樹脂的比例，導(dǎo)致總固含量增加。所以，最好的途徑是努力降低涂料的粒徑。
兩相油墨系統(tǒng)目前尚有一些問題，即雖然粒徑小了，噴嘴堵塞將不成問題，然而在用真空吸除未用微滴進(jìn)入循環(huán)回路時(shí)，負(fù)壓容易引起水分蒸發(fā)，導(dǎo)致循環(huán)回路被堵。但使用潤(rùn)濕劑可以降低蒸發(fā)速率，從而利于緩解這類問題。
4. 3 改性染料型油墨系統(tǒng)試驗(yàn)
眾所周知，基于染料系統(tǒng)的織物印花若不經(jīng)過后處理，則不可能達(dá)到足夠持久的耐洗和耐摩擦等牢度，染料必須滲透到織物的結(jié)構(gòu)中去，這常需經(jīng)高溫蒸化或加熱方得完成。而且尚有不少染料終究會(huì)殘留在纖維表面需經(jīng)水洗和烘干。有些類型的染料，如活性、還原、硫化、冰染料等，需經(jīng)一定條件的化學(xué)反應(yīng)，如堿固著、還原與氧化、重氮化等，才能使染料與纖維牢固結(jié)合。而這些反應(yīng)絕非100%完全，因而需要充分水洗以去除未固著的染料。
不可能也似無必要另外合成噴墨印花專用染料。正在研究的是將現(xiàn)有活性染料進(jìn)行改性，引進(jìn)新的活性基團(tuán)，賦予活性染料通過噴墨而持久地固著在纖維表面而無需后續(xù)水洗和烘干工序的功能。
最基本的研究，是使含-NH2基(-NH 2基可分為存在于染料母體中和活性基團(tuán)中兩種形式)的活性染料，與丙烯酰氯反應(yīng)，在染料結(jié)構(gòu)中引入碳-碳雙鍵，從而使其在織物上發(fā)生均相自聚合，或與其他組分通過引發(fā)劑引發(fā)共聚合。圖2示意了 Procion活性藍(lán)4和Cibacron活性黃3，經(jīng)丙烯酰氯改性前后的結(jié)構(gòu)變化，已由有關(guān)分光光譜分析所證實(shí)。在這兩種染料結(jié)構(gòu)中，由于-NH2基是活性藍(lán)4染料母體結(jié)構(gòu)之一部分，與丙烯酰氯反應(yīng)會(huì)引起染料色相的改變;而在活性黃3中，由于-NH2基位于活性基團(tuán)上，故改性后的結(jié)構(gòu)對(duì)色相影響很小。比較改性前后染料的DMF溶液色光發(fā)現(xiàn)，活性藍(lán)4由藍(lán)轉(zhuǎn)紅加重，而活性黃3僅輕微變紅.丙烯酰氯與=NH基估計(jì)也會(huì)發(fā)生反應(yīng)，此處只列示與-NH2基的反應(yīng)。
改性的活性染料水溶性仍然良好，不需要經(jīng)過微乳化而可直接用于噴墨印花。典型的試驗(yàn)配方(w/w，%)為:
染料 x
粘合劑 12
交聯(lián)劑 2 (對(duì)粘合劑重，%)
引發(fā)劑 3 (對(duì)粘合劑重，%)
純水 86
(注：:配方中粘合劑為丙烯酸氨基甲酸酯，交聯(lián)劑為1,6-己二醇二丙烯酸酯，引發(fā)為過氧化異丁基)
將該油墨系統(tǒng)經(jīng)TOXOT IMAJE S4噴墨印花機(jī)在純棉織物上噴墨印花，其與未改性染料噴印后織物性能比較，由表4知，改性與否對(duì)織物印制手感幾乎無影響，而改性后耐濕摩擦(色)牢度提高了1-1.5級(jí)。這種明顯提高，足以說明改性的活性染料實(shí)際上發(fā)生了化學(xué)結(jié)合，進(jìn)入到焙烘了的樹脂結(jié)構(gòu)中。
表4活性染料改性前后噴里印花織物性能
5.結(jié)語
織物噴墨印花是本世紀(jì)最末幾年來對(duì)傳統(tǒng)織物印花方法最具挑戰(zhàn)性的最新技術(shù)，適應(yīng)性廣，適用于小批量、快交貨生產(chǎn)。本文基于織物噴墨印花過程和印制品質(zhì)量，提出了噴墨印花油墨系統(tǒng)的基本技術(shù)要求，和三種油墨系統(tǒng)類型的組成和印制效果。以上所述雖尚未投入商業(yè)化應(yīng)用，然而已有的研究結(jié)果將為推動(dòng)我國對(duì)此項(xiàng)新技術(shù)的研究方法、研究目標(biāo)和基本手段提供參考。
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