冷转移印花生产工艺的优化与技术进展

钟博文，武宗文，刘新刚

(1.长胜纺织科技发展(上海)有限公司，上海 201613;2.中原工学院纺织学院，河南 郑州 450007)

印染是织物加工产业链的重大技术环节，它决定了纺织品的最终品质与市场价值。目前印染技术生产过程中未能实现精细化控制，染料利用率低，污水排放处理量大。圆平网印花生产，每吨织物耗水达200 t左右［1］，且其用水只是作为一种反应介质，所以由于其粗放式生产工艺，最终载带大量废液染料成为污染废水。印染生产经济效益和环境保护矛盾日益突出，迫切需求一种新型的印花模式。冷转移印花是可减排和提升附加值新型成熟工艺，其不仅具有圆网印花的高产量和低成本优势［1］，同时具有媲美数码直喷印花产品的高品质，具有极大的发展潜力。

冷转移印花是湿法转移印花工艺的创新和发展。湿法转移印花最早形成于20世纪70年代［2］，Ciba在转移印花技术的基础上，开发了含氮染料色浆印在疏水薄膜上，在100～130℃条件下与湿态含氮织物面料(即锦纶或蛋白质纤维面料)密合转移印花的工艺，但是其存在诸多限制，且应用范围太窄。80年代后期，Dansk公司开发了非有机溶剂的湿态处理，且在常温条件下对棉等天然纤维素纤维可进行湿法转移印花［3－4］。通过结合德国 Küster公司的印花设备，形成了新的湿法转移印花工艺［5－6］并推向市场。但是对转印载体要求高，例如要求转印纸空气渗透性(孔度)，根据DIN 53120-1—1998《纸和纸板·透气性测定.第1部分:B氏平均透气率》测定为大于500 mL/min，与Cobb数相应的吸水度，根据北欧标准SCAN-P12:64《胶版印刷纸施胶度》测定(Cobb60)至少为50［3］。其次适用织物面料单一，仅用于棉等纤维素纤维面料。随着欧洲数码喷墨印花的兴起，湿法转移印花技术停滞不前，至今未推出商业化的涤纶、锦纶等面料的湿法常温转移的印花产品。湿法转移印花进入国内后，一些单位则在此技术基础上，进一步开发并应用了湿法转移印花技术，形成具有一定特色的工艺产品，例如应用溶剂型墨水将图案印制在塑料薄膜上的纯棉织物活性染料和锦纶酸性染料的薄膜湿法转移印花技术［7－8］。

本文所述冷转移印花工艺脱胎于湿法转移印花，是通过转印纸，湿态前处理，印花色浆，转印设备等的整体研发，形成了一套完备的转移印花工艺体系。冷转移印花的基本流程是先将水溶性或水分散性的染料色浆印刷制成转移印花花纸，然后，织物经预处理与转移印花纸相密合，并施加以一定的压力。织物所带前处理液使转移印花纸上的色浆溶解。在一定的压力下，由于染料对织物的亲和力比对转移纸的亲和力大，染料转移到织物上，并进入到织物间隙中。经固色后对织物进行水洗，洗去微量的浆料和水解染料等，并将织物洗至中性，烘干定型即为成品。

在整体工艺的开发过程中，对各工艺参数进行了深入细化研究，以筛选优化工艺条件，从而实现稳定、高速地生产高品质的印花产品。同时根据锦纶和涤纶的上染特点，开发了相应面料的冷转移印花工艺，拓展了冷转移印花的原料适应性。

1 冷转移印花纸生产技术的优化

在冷转移印花工艺中首先要通过水溶性或水分散性染料色浆将图案、花纹印刷在冷转移印花纸上，形成一层具有艳丽色彩、花纹的图案薄膜;然后再由转印纸转印到织物表面，因此，转移印花纸表面涂层的转移性能对于印花图案的再现性起着关键作用。

1.1 冷转移印花纸的选择

在冷转移印花的过程中，印花图案要保持花形逼真、花纹细致、层次清晰、立体感强等特性，这对转移印花纸性能的要求是比较高的，主要包括如下几方面［9－10］:

1)要求纸张具有足够的强度，纸张表面光洁、平整。冷转移印花在转印纸的印刷过程中采用的是水溶性的活性染料墨水，在转印过程中，存在纸张与经前处理的潮湿织物的密合和剥离的过程，因此纸张必须承受剥离张力，此外由于织物经前处理后是带液与冷转印纸压力接触的，因此纸张本身需要具有一定的湿强度;

2)要求转移印花纸有较好的平滑度。若转印纸表面平滑度差，表面凹凸不平，就会使其在转印时受力不均，使纸上的转移率不一致，因此，即使纸上的花形很清晰，转移到布上也会变得模糊;

3)要求转移印花纸能够有效阻隔水墨。转移印花纸只是图案暂载体，在转移印花工序中要求纸张上的印刷图案能迅速完整地转移到织物表面，因此必须阻隔染料墨水与纸基纤维的永久结合，从而避免因在转印纸上残留过多而对印花图案质量造成影响;

4)定量要稳定(定量差在±1 g/m2)。如果定量不稳，由于纸张传送和受压过程的张力作用，纸张易造成折子筋道等瑕疵问题，重则纸幅打绺造成断纸，影响产品连续性生产。

1.2 冷转移印花纸涂布量的选择

冷转移印花纸隔离涂层剂的涂布量要适中，涂布量高，隔离层太厚，虽然起到阻隔染料与纸张纤维的作用，但是不利于纸张的打卷存储，易造成裂纹，涂料不稳定等问题，因此，选择适当的涂布量尤为重要。本文考察了不同的隔离剂涂布面密度对于印刷效果和转印效果的影响。采用丙烯酸与苯乙烯共聚体系隔离剂，纸张涂布面密度从0～15 g/m2，印刷车速为45 m/min，转印车速为5 m/min，其结果如图1所示。

从图中可看出，涂布面密度≥6 g/m2时，印刷质量和转移率都开始随涂布面密度增加而没有明显变化。考虑到隔离剂涂布工艺的便利，将30 g/m2原纸的最优涂布丙烯酸与苯乙烯共聚体系隔离剂面密度固定为6 g/m2。隔离剂面密度涂得相对薄，纸张烘干速度快，表面涂布较均匀，可提高产能，稳定质量。不同面密度原纸的优化涂布量曲线如图2所示。

图1 不同的隔离剂涂布面密度对于印刷效果和转印效果的影响Fig.1 Release agent coated with different weight impact on printing effect and pattern transfer effect

图2 不同面密度原纸的优化涂布量曲线Fig.2 Optimized coating quantity for original paper with different weight

1.3 隔离剂固化温度的选择

固化温度对水性隔离剂涂层的固化速度起着决定性的作用。隔离剂固化过程即高分子化合物单体或寡聚体转变为高聚体和互穿交联网络形成的过程。由于冷转移印花所采用的隔离剂也是水性体系，因此如果固化温度过低，水分挥发及化学反应缓慢，隔离剂易向纸页中渗透，对纸张的柔软性和强度都有很大的影响。如果固化温度过高，隔离剂固化速度太快，隔离剂的成膜性差，其均匀性将难以控制。本文采用丙烯酸与苯乙烯共聚体系隔离剂，原纸面密度为30 g/m2，隔离剂涂层涂布面密度为6 g/m2的情况下，测试涂布后不同固化温度的转印纸质量的具体结果见图3。

图3 固化温度对转印纸印刷性能的影响Fig.3 Influence of curing temperature on performance of printing

由图3可看出，随着固化温度的升高，纸页表面的光泽度随之下降，与热转印纸的转移层有相似的趋势［11］，本文的冷转印纸的光泽度由固化温度50℃时的66.3°下降到180℃时的28.6°。由上图可看出，纸页的平滑度并不完全随着温度的升高而不断提升，其在某个温度区间，存在1个峰值，本文实验所得的曲线表面为50℃时，纸页平滑度为32.0 s，固化开始时随着温度的升高平滑度逐渐升高，在120℃时达到最高，为49.3 s，之后随着温度升高，纸张的光泽度开始缓慢下降，在温度为180℃时平滑度又降到42.1 s。综合平滑度和光泽度的数据，可选择120℃作为转移印花纸的隔离涂层的固化温度。

1.4 固化时间的影响

固化时间是影响隔离涂层剂成膜性的重要因素，在不同的温度和不同固化时间下隔离涂层剂的成膜性受到很大的影响。图4示出原纸面密度为30 g/m2，隔离剂涂层涂布面密度为6 g/m2，固化时间与固化温度的关系。

图4 隔离涂层剂固化时间与固化温度的关系Fig.4 Relationship between curing time and curing temperature of release agent

1.5 冷转移印花墨水干燥速度的参数优化

由于本文采用的是环保的水性冷转移印花墨水，因此干燥温度和时间对于印刷品质和生产效率具有至关紧要的影响。实验优化了冷转移印花墨水干燥的温度和时间参数，如图5所示。发现在120～130℃的干燥温度下，干燥时间最短，而超过130℃后，纸张易起皱，导致印刷图案出现瑕疵。因此根据上述实验所得结果，生产实践中优化了冷转移印花工艺中转移印花纸张载体的生产工艺参数，将转印花纸涂布和印刷设备进行优化改进。

图5 水性冷转移印花墨水干燥温度与时间的优化图Fig.5 Relationship between drying temperature and time of cool transfer printing water-based ink

综上所述，本文通过对隔离剂涂布纸张的各项参数的优化，为实现高效能、高转移率、高品质的转移印花生产奠定了基础。

2 冷转移印花湿态处理技术的优化

冷转移印花工艺同属于湿法转移印花，因此，湿态前处理中前处理剂的指标以及湿态的程度即带液率，对印花品质有着直接的影响。

2.1 前处理剂的使用与转印效果的关系

通过一系列的优化实验确定了适用于纤维素纤维面料冷转移印花的前处理剂优化配方和实施条件，如图6所示。pH值通过添加氢氧化钠的量来调节，冷堆固色20 h。

印刷反差值可以通过分光密度仪测试，在样品上取不同的点，重复操作3次，取平均值，所测纸张为满底版单色印刷的转移印花纸。固色率根据GB/T 2391—2003《反应染料吸色率和固色率的测定》测定。

从图6可看到:前处理液pH值为12.8左右，其固色率达到极值之后，固色率随着pH增加下降，认为这是由于活性染料在强碱条件下发生了水解造成的;转移率在pH值≥12.8以后，没有显著变化。

图6 不同前处理剂pH值前处理液对于转移率和固色率的影响Fig.6 Influence of pretreatment agents pH value on dye transfer rate and degree of fixing

2.2 前处理不同带液量的应用

在印花订单的生产中，往往会面临客户的不同需求，对于染料渗透程度的差异化需求，导致前处理中带液量的差异化控制［12］。以90 g/m2全棉面料为例，如果需要高转移率，且织物反面需要有一定的透色，经优化实验，通过浸轧，前处理液带液率控制在60% ～70%，5 m/min车速其染料转移率能保持98%以上，20 m/min车速其染料转移率能保持94%以上。而随着织物带液量继续增加，印花产品会出现横向渗化现象，导致图案变得模糊。

如果要得到高的表观得色量，需避免染料转移到织物的深层内部，可对织物待印面定量给液，施加较纤维结合水稍多的带液率。这是因为传统印染中纤维经过浸轧后所含水分实际上包括:自由水、化学水、纤维结合水。以带液率60%为例，其中25%为自由水，5% ～10%为化学水，纤维结合水即纤维网络里的水分，为20% ～25%，不会产生渗化漫延现象。通过定量给液，前处理液带液率控制在30% ～40%，其获得的表观得色量K/S值较带液率为60%的印花产品提升30%左右。

此外，经典的冷转移印花的前处理方法是将被印织物经转移印花机前处理装置的前处理液进行浸轧处理，处理后的被印织物和转移印花纸相互密合通过转印装置完成转印。被印织物需要用含碱剂的处理液进行前处理，因此，被印织物是在湿态状况下和冷转移印花纸密合进行转印，织物易产生伸长、纬斜和缩绉等疵点，造成印花图案失真，严重影响产品质量。为克服这些缺点，最新的冷转移印花技术还开发了一种新型的前处理方法，避免被印织物呈现湿态。将转移印花载体通过转移印花机的前处理装置进行湿态处理，应用前处理液对转移印花载体上印有染料图案面进行低定量涂布处理，处理后的转移印花载体印有染料图案的一面和被印织物相互密合通过转印装置完成转印。这种技术彻底改变了常用的转移印花生产中对被印织物进行前处理的方法，相反是对转移印花载体进行湿态处理的方法。这一创新使被印织物处于干态的情况下进入转印装置，而在转印过程中，载体上染料处于湿态，因此能够在压力作用下完成转印任务。

3 冷转移印花转印设备的演进

转印设备中转印单元承载着面料与转印纸的密合和转印的关键环节，本文主要关注转印压力和时间对印花的影响。

将双轧辊转印装置用作实验室转印设备中发现，转印设备的压力和织物与转印纸的压力接触时间对于转移率的提升具有重要的作用。图7、8分别示出转印压力和转印次数与转移率的关系。其中图7实验转印设备采用小型轧车，车速为2 m/min，压力以空气压缩机压力表指示;图8所示实验转印设备采用小型轧车，车速为2 m/min，转印压力为0.8 MPa，由于轧车是线接触，因此是压力接触时间通过多次施压转印延长。

图7 不同转印压力下的转移率Fig.7 Relationship between transfer pressure and dye transfer rate

由图7、8可看到，在转印低压力条件下，压力提高对于转移率的提升具有显著作用。而在织物与转印纸的压力接触时间方面，转印次数在3次之前，对于转移率的提升具有明显作用，但转印次数在3次之后提升不明显，转印次数在4次之后转移率基本保持不变。根据上述实验情况，本文在冷转移印花设备的演进过程中，经历了2个辊到多辊毯带式转移印花设备的过程，如图 9［13－15］所示。

图8 不同转印压力接触时间下的转移率Fig.8 Relationship between time of holding transfer pressure and dye transfer rate

图9 冷转移印花机的演进过程Fig.9 Evolution of cool transfer printing machine.(a)Single rolling point;(b)Symbelt;(c)Blanket belt with multi rollers

4 锦纶和涤纶面料冷转移印花工艺开发

4.1 锦纶面料冷转移印花

锦纶纤维的化学结构是聚酰胺，分子中主要由3个部分组成，即构成分子中疏水部分的亚甲基键，具有亲水性的酰胺基和链端的氨基和羧基，因此可用亲水性的酸性染料来染色。冷转移印花技术应用于锦纶面料过程中，应用增溶技术，将墨水承载酸性染料的能力提升到可含40%的高浓度酸性染料，使得产品在转移印花时不会出现颜色不够深的问题。其次，由于锦纶的亲水性远远小于纤维素纤维，因此相对纤维素纤维的活性染料印花，其湿态处理的带液率小，本文通过对前处理液进行保湿处理，从而避免带液率的大幅波动，确保生产品质的稳定。

用酸性染料墨水进行锦纶面料冷转移印花的具体方法为［16］:先将转移印花载体用隔离剂经涂布机底涂，并由印刷机将冷转移印花酸性染料墨水印成冷转移印花载体，再将冷转移印花载体和锦纶织物一起送入冷转移印花机。锦纶织物经冷转移印花机前处理装置的织物前处理液处理，再和冷转移印花载体密合共同经冷转印装置转印，制成印花织物。印花织物在95℃条件下烘干后，再在100～102℃蒸汽中，汽蒸20～30 min固色，然后经水洗定型即为印花织物成品。经该工艺印花的锦纶织物其皂洗牢度和湿处理牢度到达4～5级，日晒牢度达到4级，印花后织物保持了与原设计风格的一致性。

4.2 涤纶面料冷转移印花

目前涤纶等合成纤维应用分散染料印花的主要技术手段有网印和热转移印花，热转移印花是20世纪60年代发展起来的一种印花工艺，即采用易升华的分散染料配成油墨印在纸上，然后在热压下将染料转移到玻璃化温度比较明确的涤纶等合成纤维织物上。但是热转移印花也有其固有缺陷:其一，由于绝大部分使用的是溶剂型分散染料，因此转印生产过程中，车间挥发的溶剂污染严重;其二，涤纶中分散染料有热迁移现象，而热迁移可使在良好染色条件下获得的色牢度发生明显下降。冷转移印花技术应用于涤纶面料过程中，成功地开发了水分散性分散染料墨水体系和新型前处理液。具体转移印花工艺［17］为:应用凹版印刷机、柔版印刷机或圆网印刷机将分散染料墨水印刷在转移印花暂载体上，形成图案花型;涤纶纤维织物经预处理液处理，带液量为20%～40%，与分散染料转印暂载体图案面密合后进入冷转移印花机常温转印，烘干后，应用汽蒸固色或烘焙固色;间歇汽蒸固色的蒸箱压力为0.16～0.18 MPa，温度为130～135 ℃，蒸化20～30 min;连续蒸化机固色，温度为175～185℃，连续蒸化5～10 min;烘焙固色温度为200～210℃，时间为1～2 min;最后经水洗定型即为成品。涤纶面料采用冷转移印花的优点在于:1)由于分散染料采用了水分散体系，因此避免了生产过程中溶剂挥发带来的污染;2)分散染料冷转移印花在转印环节为常温条件，而固色环节采用高温环境，一方面染料能渗透到纱线内层，上染缝线，如图10所示，另外也避免了热迁移性，提升了湿牢度和摩擦牢度;3)分散染料冷转移印花采用的分散染料不需要考虑其升华特性，因此可选用大分子分散染料，使产品的日晒牢度比热转移印花提升了一个层级，可达300 h以上。

5 冷转移印花的减排效益

与传统印花工艺相比，冷转移印花工艺具有节水减排环保特点。

图10 涤纶织物印花织物缝线效果比较图Fig.10 Comparison stitch of printing on polyester between thermal transfer printing(a)cool transfer printing(b)

5.1 单位质量染料消耗糊料量低

冷转移印花色浆中染料浓度很高，一般染料含量在20%～40%范围内，但是冷转移印花墨水黏度一般较低，糊料添加量也较低，一般情况下糊料含量1%～3%，也就是说冷转移印花色浆中染料含量高糊料含量低，而圆平网印花正好相反，色浆中染料浓度低，通常情况下染料含量在5% ～10%，且黏度高糊料加量较多，因此可看出，在冷转移印花色浆中单位质量染料所需要的糊料比圆平网印花低得多。因为糊料在色浆中是除染料以外用量最大的助剂，同时印花完成以后，这些糊料在固色后都是需要和浮色一起水洗去除，最终排放到废水里，所以糊料也是印染废水的主要污染物之一。由于冷转移印花色浆中糊料用量少，因此就这一点来讲它的减排量，与圆平网印花来比是明显的。

5.2 单位面积消耗的色浆量少

冷转移印花采用凹版印刷机将色浆或墨水印在转移印花纸上面，由于采用的色浆染料浓度较高，印版凹坑不需要太深即可满足要求，在印刷时每平方米满版图案只消耗15～20 g色浆或墨水，相比圆、平网印花每平方米花布消耗色浆量根据织物品种及类型不同约为70～180 g，其次冷转移印花色浆中糊料含量较低，与圆、平网相比在冷转移印花过程中大幅度减少了糊料用量，因此冷转移印花工艺可大幅度减少污染物排放量。

5.3 节水省时

由于冷转移印花的凹版印刷墨水消耗量仅有15～20 g/m2，干燥后在印花纸上形成了一层薄薄的由染料和糊料组成的有色墨层。转印前织物经过前处理后吸收了一定量的浆液，通过转印机使织物与印花纸在一定压力下接触，有色墨层在织物吸收的有限浆液作用下润湿并转印在织物表面，在转印和汽蒸固色过程中墨层内的染料会泳移渗透到纤维内，由于转印时间太短和水分太少，墨层中的糊料只会润湿膨胀而不会溶解，因此墨层内的大部分糊料则主要是黏附在织物表面，不会渗透到纤维内部。这一点与圆、平网印花过程中的色浆有很大区别，圆平、网印花色浆内糊料和染料都是溶解在水中的，由于印花糊料都有一定的保水性，一般情况下糊料不太容易和染料分离，除非出现严重渗化现象，因此一部分糊料大分子会和染料分子一起进入织物纤维内部，烘干后会在纤维内部发生黏附，因此，固色后不易洗涤，而冷转移印花原本糊料就很少，并且其中大部分糊料主要是附着在织物的表面，而不是像圆、平网印花时糊料在纤维内部发生黏附，这样附着在织物的表面的糊料易被洗去，消耗水量少，因此冷转移印花比圆、平网印花节水。

6 结论

圆平网印花技术成熟，产品产量大，占绝对多数市场份额，但其能耗高，染料利用率低，污水处理量大等问题严重阻碍生产发展。热转移印花受分散染料升华染色原理限制，主要用于涤纶织物印花。冷转移印花具有圆网印花的高产量和数码喷墨印花低成本的优势，印花图案精美，层次感强。根据冷转移印花的流程，该工艺跨越了印刷和印花2个领域，因此印染行业中的技术人员在冷转移印花生产优化的控制上，往往忽略了一些细节问题。本文根据冷转移印花的工艺特点，分别从转印纸制造、湿态前处理以及转印设备3个方面出发，以实验数据为依据对生产细节进行优化控制。此外，跟随市场导向的变化，研发了适应多种面料的冷转移印花工艺，不仅拓展了冷转移印花工艺的适用范围，并且弥补了以往工艺印花的不足，例如涤纶冷转移印花选用大分子分散染料，从而较传统热转移印花能大幅提升日晒牢度等。

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