纳米包覆颜料多相流体的喷墨行为

王大同, 张丽平, 田安丽, 付少海

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122)



纳米包覆颜料多相流体的喷墨行为

王大同, 张丽平, 田安丽, 付少海

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122)

以纳米包覆颜料为着色剂，探讨了共聚单体、表面活性剂、保湿剂、喷射电压和波形对墨滴形态、墨滴拉伸长度、断裂时间、墨滴飞行速度、斜喷角度和卫星点等喷墨行为的影响。结果表明：表面张力越小，墨滴越易离开喷嘴，形成柱状细线，产生卫星点；保湿剂和共聚单体用量越多，黏度越大，主墨滴速度越小，可有效减少卫星点；喷射电压在一定范围内，卫星点能追上主墨滴；相同物理性质的墨滴在不同波形下的喷射性能也不一样，可选择不同的波形来提高打印流畅性。另外，低表面张力和高黏度可减小斜喷角度，增加卫星点追上主墨滴的概率。

墨滴形态； 喷射性能； 黏度； 电压； 波形

纺织品喷墨印花是业内公认最具发展潜力的纺织品清洁生产技术之一，墨水作为喷墨印花的重要耗材，其喷射行为与印花效果密切相关。目前，喷墨印花墨水主要有染料和颜料墨水，颜料墨水喷墨印花对不同种类的纤维具有通用性，印花工艺简单，能耗低，且印花织物无需水洗，全面体现了喷墨印花技术的特色，得到了人们的广泛关注[1]。然而，虽然颜料墨水有很多优点，但由于墨水开发中仍然存在很多技术难点，导致该墨水仍然没有在喷墨印花中大量推广和应用。纳米颜料色浆是制备高品质颜料墨水的前提。商业化喷墨印花机采用的喷头主要以压电式为主，喷孔直径不足30 μm，因此，制备粒径小的纳米颜料色浆至关重要。此外，纳米颜料色浆的稳定性是决定颜料墨水品质的另一个关键因素，只有稳定性良好的纳米颜料色浆才能制备出具有良好的储存稳定性的颜料墨水，从而保证喷墨印花图案的一致性。与普通打印墨水要求不同，喷墨印花颜料墨水除对颜色性能有要求外，还要求墨水具备良好的印花牢度。颜料对纤维没有亲和力，为解决这一难题，部分研究者在墨水中添加黏合剂，期望通过黏合剂的成膜作用将颜料颗粒固着在纤维上。然而，由于黏合剂乳液会影响墨水的喷墨行为，故无法从根本上解决颜料墨水存在的技术瓶颈。

除纳米颜料色浆外，表面活性剂、保湿剂和消泡剂也是墨水配方的主要组成成分，其性能均会对墨水的喷射性能产生影响。墨滴是衡量墨水品质的基础指标，是研究墨水喷射性能最好的着手点。目前，国外对墨水喷射性能研究主要借助于高速摄像机记录墨滴运行轨迹。例如Yan等[2]采用高速摄像机，记录稀释的聚合物溶液DOD喷射形态，研究了墨滴的润湿、拉伸、断裂等喷射过程；Wang等[3]研究了墨滴在织物表面的润湿、扩散、沉积等过程。国内在这方面的研究较少，主要集中在墨水添加剂对墨水理化性能的影响，如沈旭峰等[4]研究了低黏度流体如何控制喷墨墨滴的形态；张桂芳等[5]研究了墨水添加剂对超细包覆分散染料墨滴形成的影响；Liu等[6]研究了在不同喷射波形下，墨滴喷射状态的变化；Tsai等[7]研究了压电喷墨中，脉冲电压对乙醇、乙二醇墨滴成形的影响。

前期研究采用细乳液聚合法制备了纳米包覆颜料色浆，该体系具有优异的分散稳定性。更重要的是由于颜料表面包覆了聚合物，固色时，聚合物可将颜料锚固在纤维上，这样有助于提高印花后织物的色牢度和手感。基于此，本文研究以纳米包覆颜料为着色剂，研究了添加剂对墨滴拉伸距离、墨滴飞行速度、断裂时间、斜喷角度和卫星点等喷墨行为的影响，探讨了喷射电压和波形对墨滴形态的影响，为高品质颜料墨水的制备奠定基础。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：纳米包覆颜料蓝(实验室自制)，吐温 80(化学纯，国药集团化学试剂有限公司)，炔二醇乙氧基化合物S-465(美国空气化工公司)，十二烷基硫酸钠SDS(化学纯，国药集团化学试剂有限公司)，聚氧乙烯、聚氧丙烯嵌段聚合物L-64(南京古田化工有限公司)，乙二醇(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)，丙三醇(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)，乙二醇甲醚(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)，消泡剂FB-50(南京古田化工公司)。

仪器：Nano-ZS 90型Zeta电位及粒径分析仪(英国Malvin公司)，DV-Ⅲ型流变仪(美国Brookfiled公司)，DMP-2800型materials printer(美国Dimatix公司)，A201全自动表面张力仪(美国KINO公司)。

1.2 实验方法

将纳米包覆颜料在1 000 r/min条件下离心处理30 min后，用1 000 nm的滤膜过滤，去除大颗粒。然后按照配方制备纳米包覆颜料多相流体，其中纳米包覆颜料质量分数为x%，表面活性剂质量分数为y%，保湿剂质量分数为z%,消泡剂FB-50质量分数为0.1%，余量用去离子水补至100%。将上述物质混合在一起，搅拌0.5 h，均匀后用500 nm孔径滤膜过滤。

1.3 性能测试

1.3.1 多相流体基本性能测定

采用A201全自动表面张力仪测定多相流体的表面张力，每个样品测试3次，取平均值。将多相流体用去离子水稀释1 000倍，在Nano-ZS 90型纳米粒度及 Zeta电位分析仪测定其在25 ℃ 条件下的粒径。利用 DV-Ⅲ型流变仪黏度计，选用0号转子，测试多相流体的黏度。

1.3.2 墨滴形成过程观察

在DMP-2800上观察样品墨滴的形成过程，示意图见图1。

图1 DMP-2800示意图Fig.1 Schematic of DMP-2800

由DMP-2800拍下墨滴在500 μm内的形态，测量墨滴的拉伸长度、断裂时间和卫星点个数。

1.3.3 墨滴飞行速度的测定

计算DMP-2800观察墨滴从断裂到飞行相同距离S所需的时间t，按照下式计算墨滴的飞行速度：

1.3.4 墨滴斜喷角度测量

由DMP-2800拍下墨滴在2个不同位置的图片，在AIMO测图软件中，连接墨滴前后所在的2点，延长线与纵轴相交于第3点，读出角度，如图2所示。

注：1—喷头；2—墨滴；3—水平线。图2 斜喷角度示意图Fig.2 Schematic of injection angle

2 结果与讨论

2.1 共聚单体对多相流体喷墨行为影响

表1示出共聚单体质量分数对多相流体喷墨行为的影响。由表可知，共聚单体质量分数增加，墨滴的拉伸长度增大，断裂时间增加，主墨滴飞行速度减小。其原因是共聚单体质量分数增加，颜料表面包覆乳胶粒的厚度增加，导致多相流体的黏度增大，形成墨滴的黏滞力增大，从而使墨滴的拉伸长度增大，断裂时间延长。此外，包覆层厚度增加，颗粒的黏弹性增大，在外力作用下，包覆颜料发生形变而消耗了部分能量，导致墨滴的运动动能减小，飞行速度变慢。

表1 共聚单体质量分数对墨滴喷射性能的影响

图3示出共聚单体质量分数对墨滴断裂长度的影响。从图可看出，提高共聚单体质量分数，主墨滴的拉伸长度增加，在用量为0～40%之间时，共聚单体用量越多，墨滴的断裂长度越长。而过多的单体用量也会引起墨滴的喷射性能变差，甚至无法正常喷射。

图3 共聚单体用量对墨滴形成的影响Fig.3 Effects of comonomer mass fraction on droplets formation

2.2 表面活性剂对多相流体喷墨行为影响

按纳米包覆颜料质量分数25%、消泡剂FB-50质量分数0.1%、表面活性剂1.5%的比例制备纳米包覆颜料多相流体。表2和图4示出表面活性剂结构对多相流体墨滴形态的影响。

表2 表面活性剂对喷墨行为的影响

图4 表面活性剂结构对墨滴形成的影响Fig.4 Effects of surfactant structure on droplets formation

表面活性剂结构会对多相流体的喷墨行为产生影响。图4表明Tween-80和SDS组成的多相流体，墨滴在飞行过程中出现了“雾化”现象，说明墨滴不能很好地聚集在一起，喷射过程中无法形成稳定的墨滴，喷射到基材上后，易在织物表面形成雾状点，从而影响打印图案的品质。L-64组成的多相流体能够形成稳定的墨滴，且在飞行中，生成的小墨滴能追上主墨滴，但在喷嘴处出现了“卫星点”[8]，故也会对喷墨印花品质产生不良的影响，相比之下，S-465组成多相流体的墨点较好。由表2可知，与未添加表面活性剂的多相流体相比，加入表面活性剂会使墨滴的拉伸长度和断裂时间增加，斜喷的角度下降。这是因为加入表面活性剂，多相流体的表面张力小，墨滴易离开喷嘴，形成细径，导致墨滴的断裂时间和拉伸长度增加[9]。斜喷角度减小是因为较低表面张力的多相流体更能避免墨滴在喷嘴周围聚集，从而避免了挂墨现象，斜喷角度减小。避免墨水的斜喷现象有助于提高打印的精确度，从而改善喷墨印花的品质，故后面研究中采用了S-465为多相流体的表面活性剂。

表3示出表面活性剂质量分数对多相流体喷墨行为的影响。可见随着表面活性剂用量增加，墨滴拉伸长度、断裂时间均先增加后趋于不变，而斜喷角度则恰好相反。这是因为S-465质量分数增加，多相流体的表面张力先减小，当S-465质量分数超过1.5%后，表面张力趋于不变。此外，斜喷角度和卫星点个数之间也存在一定联系，斜喷角度越大，卫星点个数越多，这可能是因为斜喷角度太大，原本可和主墨滴重合的卫星点无法重合。

表3 S-465的用量对颜料墨水喷墨行为的影响

2.3 保湿剂对多相流体喷墨行为影响

按纳米包覆颜料质量分数25%、消泡剂FB-50质量分数0.1%、保湿剂质量分数30%的比例制备纳米包覆颜料多相流体。表4和图5示出多元醇对喷墨行为的影响。

表4说明保湿剂对多相流体喷墨行为的影响主要由多相流体的黏度决定，黏度越高，墨滴的拉伸长度越大，断裂时间越长，而飞行速度和斜喷角度下降。这是因为黏度高，形成墨滴的黏滞阻力变大，导致墨滴拉伸长度增加，断裂时间延长。墨滴在离开喷嘴时需要消耗更多的能量去克服黏滞阻力[10]，故主墨滴动能减少，飞行速度降低。增加黏度是抑制卫星点生成的有效方式[11]。结合图5可知，保湿剂的加入有效地控制了卫星点的个数，并且卫星点在下降过程中能和主墨滴重合，混合醇的作用尤其明显，因此，后面实验采用混合醇。

表4 保湿剂对墨滴喷射性能的影响

图5 保湿剂结构对墨滴形成的影响Fig.5 Effects of humectants structure on droplets formation.(a) Glycol;(b) Glycerol;(c) Ethylene glycol monomethyl ether;(d) Mixed alcohol

表5示出多元醇用量对多相流体喷墨行为的影响。可看出，随着混合醇用量增加，墨滴拉伸长度和断裂时间随之增加，飞行速度和斜喷角度则相应减小。如前所述，多相流体黏度增加是引起多相流体喷墨行为发生变化的主要因素，其中主墨滴速度减小可根据下式[12]计算：

式中：P为喷嘴输出压力；μ为墨滴黏度；L为喷嘴长度；D为喷嘴直径；v为墨滴速度。由公式可知，L、D为喷嘴尺寸，P与电压和频率有关，因此，黏度μ和速度v成反比，即多相流体的黏度越大，主墨滴速度越小，这和表中的数据吻合，但混合醇用量太多时会明显影响喷墨的连续性。这是因为当黏度过高时，主墨滴运动速度减小，墨滴易在喷嘴处挂墨，引起斜喷，最终可能堵孔，因此混合醇较佳的质量分数为30%。

表5 保湿剂质量分数对墨滴喷射性能的影响

2.4 喷射电压对多相流体喷墨行为影响

除多相流体的物化性能对喷墨行为有影响外，喷墨打印参数也会对多相流体的喷墨行为产生影响。 研究中按纳米包覆颜料质量分数25%、消泡剂FB-50质量分数0.1%、S-465质量分数1.5%、混合醇质量分数30%的比例制备多相流体。图6、7示出电压对多相流体喷墨行为的影响。从图6可看出，喷射电压越高，墨滴拉伸长度和断裂时间越长。这是因为较高的电压条件下，对墨滴的压缩强度增大，颗粒形变增大，松弛时间延长，故引起拉伸长度增大，断裂时间延长。此外，图7表明主墨滴和卫星点的飞行速度和电压也密切相关，电压越大，飞行速度越快。18 V以下时，主墨滴飞行速度小于卫星点，因此在到达印制基材之前，卫星点可和主墨滴结合，有效控制疵点的产生。当高于18 V时，主墨滴飞行速度大于卫星点，二者无法结合，易产生疵点[13]。

图6 喷射电压对墨滴形成的影响Fig.6 Effects of jetting-voltage on droplets formation

图7 喷射电压对墨滴速度的影响Fig.7 Effects of jetting-voltage on droplets speed

2.5 波形对多相流体喷墨行为影响

多相流体的喷墨性能还和喷射波形有关，研究中按纳米包覆颜料质量分数25%、消泡剂FB-50质量分数0.1%、S-465质量分数1.5%、混合醇质量分数30%的比例制备多相流体，设定喷射电压为18 V，研究图8所示波形对多相流体喷墨行为的影响。结果如表6和图9所示。

表6和图9表明喷墨电压输出波形对多相流体的喷墨行为也有影响，相比较而言，波形图8(a)控制的喷墨行为最差，在喷嘴处形成挂墨，出现了斜喷，对喷射不利。图8(b)、(c)、(d)所示波形都能控制斜喷角度。图8(b)的主墨滴速度最快，打印中会出现卫星点没有追上主墨滴的现象，图8(d)没有形成卫星点，而是一根尾巴跟在主墨滴后面，如前文所述，尾巴在飞行过程中为维持平衡会分裂出若干个卫星点，这也对喷墨打印不利，图8(c)形成的墨滴比较规整，且没有卫星点，适合于多相流体的喷墨打印。

图8 波形示意图Fig.8 Schematic of waveform.(a) Dilute solution;(b)Low viscosity;(c) Medium Viscosity;(d)High viscosity

波形种类拉伸长度/μm断裂时间/μs主墨滴速度/(m·s-1)斜喷角度/(°)卫星点个数图8(a)50132534730图8(b)120208820812图8(c)125205850781图8(d)10015526055-

图9 波形对墨滴形成的影响Fig.9 Effects of waveforms on droplets formation. (a) Dilute solution;(b)Low viscosity;(c) Medium Viscosity;(d)High viscosity

3 结 论

多相流体喷墨行为与纳米包覆颜料包覆层厚度、表面活性剂和多元醇结构及用量密切相关。表面张力越小，墨滴越易离开喷嘴，形成柱状细线，而柱状细线是形成卫星点的主要因素。保湿剂和共聚单体用量越多，黏度越大，墨滴拉伸长度越长，速度越小，形成的卫星点也越少，黏度过高会导致墨水斜喷甚至断墨。喷墨打印参数对纳米包覆颜料多相流体的喷墨行为也有影响，当驱动电压小于18 V时，卫星点飞行速度高于主墨滴，飞行中能够追上主墨滴，当驱动电压大于18 V时，卫星点飞行速度小于主墨滴，无法在飞行中追上主墨滴，产生卫星点，另外电压驱动波形(图8(c))更适合于纳米包覆颜料多相流体的喷墨打印。

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Ink-jetting properties of nano coated pigment multiphase fluid

WANG Datong， ZHANG Liping， TIAN Anli， FU Shaohai

(KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China)

Taking nano coated pigment as the colorant, the influences of the surfactant, humectant, comonomer, injection voltage and waveform on injection performances of the droplet such as the morphology, tensile length, breaking time, flight speed, injection angle and satellite points were studied. Experimental results show that lower surface tension makes the droplet easier to leave the nozzle and form filaments and satellite points; along with the dosage increase of humectant and comonomer, viscosity increase, the droplet speed decease, which effectively reduces restrain satellite points; when the injection voltage is within a certain range, satellite points can catch up with main droplet; and droplets with same physical properties have different injection performances under different waveforms, and different waveforms can be selected to improve the printing smoothness. In addition, low surface tension and high viscosity can reduce the injection angle, then satellite points can catch up with main droplet easily.

droplets morphology; injection performance; viscosity; voltage; waveform

10.13475/j.fzxb.20140902906

2014-09-19

2015-05-20

江苏省产学研前瞻性联合创新基金项目 (BY2012050)；江苏省自然科学基金项目 (BK2012212)；江苏省科技支撑计划项目 (BE2012863)

王大同(1990—)，男，硕士生。主要研究方向为纳米包覆颜料喷墨印花墨水性能。付少海，通信作者，E-mail:shaohaifu@hotmail.com。

TS 194.4

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