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料疏水性对织物喷墨印花清洁度和分辨率的影响

发布时间:2021-01-18
发布人:RUIDU

织物喷墨印花是纺织工业清洁生产的一项关键技术。活性染料和有机溶剂是喷墨油墨的重要组成部分。活性染料的结构、疏水性和聚集度影响有机溶剂和墨水滴在织物上的数量,这对减少有机溶剂的用量,在织物上获得高质量的喷墨打印图像至关重要。本研究采用两种不同结构的红色活性染料(活性红218染料和活性红24:1染料)制备活性染料溶液,并通过对其表面张力、流变性能、可见吸收光谱、液滴形成及在棉织物上的扩散行为进行研究。首次研究了染料的疏水性对有机溶剂用量和喷墨图像分辨率的影响。结果表明,活性红218染料具有较强的疏水性和较致密的聚集性。活性红218簇更容易通过DEG与染料分子之间的疏水作用分解成染料单体,而活性红24:1簇更容易分解成小簇。活性红218溶液液滴较稳定。基于上述原因,疏水性较强的染料溶液需要的有机溶剂较少,且在织物上的液滴扩散面积较小(代表较高的印刷分辨率)。这些发现为减少有机溶剂的消耗,提高染料溶液的利用率提供了一个新的方向。

纺织生产加工是保障人民生活的基础产业,印染工艺是纺织工业中极其重要的组成部分。然而,传统的印染工艺在环保方面存在很多缺点,如能耗高、耗水量大、污水产量大等。近年来,纺织品数字喷墨印花以其低消耗、低污染、高质量、可实现清洁生产的特点受到人们的广泛关注。作为一种新技术,喷墨印刷在实际生产过程中有很多技术难点需要克服。例如,在喷墨打印过程中,由于喷嘴湿润不够,导致墨滴无法喷出。在设计油墨配方的过程中,有机溶剂的比重比较大。在高喷射频率下容易形成卫星墨水滴,导致对织物的图像分辨率较低和空气污染。一些研究者进行了各种研究来提高喷墨打印图像的分辨率,这与墨滴形状密切相关。在活性染料油墨中加入10种不同类型和数量的有机溶剂,获得更稳定的液滴和高质量的图像,有利于提高染料效率。对染料进行改性,以提高分辨率并调整油墨配方。在油墨中加入萘磺酸等表面活性剂,调节表面张力等重要参数,使液滴行为稳定。为了获得稳定的液滴,需要调整参数,避免微小液滴污染空气。墨水是喷墨印刷技术的主要耗材,而活性染料是墨水最重要的成分。活性染料的不同结构往往导致其疏水性不同,从而影响油墨的物理性能。因此,探索和了解染料的疏水性对油墨物理性能的影响,对于减少有机溶剂的加入,获得更高质量的喷墨打印图像是很有必要的。

在本研究中,采用两种不同疏水性的染料(218年活性染料和活性染料24:1)制备活性染料墨水。首次深入研究了染料的疏水性对油墨性能、液滴形状及在织物上涂布的影响。本研究为减少有机溶剂消耗,提高纺织品清洁喷墨打印质量提供了一个新的方向。

简单的实验步骤:

1、配制浓度为120 mmol/L的染料溶液:将活性染料加入含有二甘醇和水的混合物中,置于100ml烧杯中充分搅拌,配制混合溶液。然后,将溶液倒入100ml容量瓶中,用水稀释至容量瓶中,搅拌。

2、对染料的可见光谱吸收能力、表面张力、密度、电导率进行测试。

3、使用流变仪对染料进行剪切,改变其流变性能。

4、采用ink-jet喷墨打印机 (上海睿度光电技术有限公司),喷嘴直径为30μm,喷射频率为1000 Hz,在室温下观察液滴发生以及打印过程。

▲ 上图为活性红218溶液(A)和活性红24:1(B)在不同DEG浓度下(a:0.5mol/L,b:1.5mol/L, c:2.5mol/L, d:3.5mol/L)打印在印花棉布的显微镜图。可以发现随着DEG浓度的增加,两种染料溶液在织物上的扩散面积略有下降。但更突出的现象是染料的疏水性对扩散的影响,随着疏水性的增加,扩散面积明显减小。因此,疏水性染料越多,有机溶剂的比例就越低。此外,还提高了喷墨打印图像的分辨率,从而提高了染料溶液的利用率,实现了清洁生产。

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▲ 上图为不同DEG浓度的活性红24:1(左图)和活性红218(右图)溶液形成液滴的过程,喷射频率为1000hz。

液滴的稳定性和化学成分是影响喷墨打印图像质量的关键因素。为了探讨疏水性对有机溶剂用量和喷墨打印图像质量的影响,对墨滴形成过程进行了研究。目前,模拟墨滴状态的直接观察法和建模法被广泛应用于墨滴形成过程的研究。在此背景下,为了探究液滴的形成,实验中采用了更接近墨水液滴变化状态的直接观察法。在喷射过程中,随着DEG浓度的增加,液滴的丝状部分变大。卫星液滴和主液滴出现,然后凝聚成稳定的液滴。活性红24:1的液滴形态与218相似。含有活性红218的液滴相对于24:1更加稳定,这可能是由于活性红218染料分子具有更强的疏水性。当DEG浓度分别为2.5 mol/L和3.5 mol/L时,这种现象更为明显。卫星液滴的减少可以降低微小水滴造成的空气污染。虽然适当降低了有机溶剂的用量,但疏水性较强的活性红218染料液滴仍能迅速稳定下降。因此,可以适当降低有机溶剂的比例,以满足清洁生产的要求。这与墨水滴在棉布上的扩散是一致的。活性红218溶液在棉织物上的扩散更小。

综上,本研究的目的是通过研究染料疏水性的差异,提高喷墨打印图像的分辨率,减少有机溶剂的添加,从而提高喷墨打印墨水的清洁度。通过DEG与染料分子间的疏水作用,将活性红218分解为单个分子。而活性红 24:1的聚集物由于疏水性较弱而形成小的分子团。与活性红24:1相比,活性红218的疏水性更强,使其表面张力更低,粘度更高,墨滴更稳定。更稳定的液滴可以减少卫星液滴造成的空气污染。因此活性红218溶液的扩散面积较小(代表较高的印刷分辨率),这意味着疏水性染料越强,染料溶液的利用率越高。此外,在喷墨成像精度相同的情况下,适当减少染料溶液配方中有机溶剂的添加量,为喷墨印刷油墨的清洁生产提供了新的方向。


参考文献:

Qin H , Fang K , Ren Y , et al. Insights into Influences of Dye Hydrophobicity on Cleanliness and Resolution of Fabric Ink-Jet Printing[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2020, 8(46):17291-17298.

DOI: 10.1021/acssuschemeng.0c06447

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