微量墨滴在蚕丝机织物上的扩散行为

安亚洁， 李 敏， 杜长森， 田安丽， 张 奕， 付少海

(1. 江苏省纺织品数字喷墨印花工程技术研究中心， 江苏 无锡 214122； 2. 生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122； 3. 苏州世名科技股份有限责任公司， 江苏 昆山 215337；4. 无锡凤凰画材股份有限责任公司， 江苏 无锡 214000)

与传统印花相比，数码喷墨印花可大幅缩短生产周期，具有生态环保、节能减排、印花色彩更加丰富、颜色过渡更为自然等特点[1]。此外，喷墨印花还可实现传统印花难以达到的个性化定制和多品种小批量生产[2]。然而，当对蚕丝织物进行喷墨印花时，如不经过预处理：一方面黏度过低的墨水极易在织物表面扩散，造成印花图案渗化严重，边缘模糊；另一方面缺少提供活性墨水适宜反应条件的必要工序。

墨滴在织物上的铺展和渗透行为是影响喷墨印花清晰度及颜色性能的重要因素，研究墨滴在织物上的扩散渗透行为可为提高印花清晰度提供理论基础[3]。刘晓娜[4]建立了液滴在织物上铺展和渗透的动态模型。Deepak[5]对液滴在机织毡和单向纤维毡上的扩散进行了研究，探究了墨滴体积与扩散半径、时间的关系。朱利等[6]研究了丝绸喷墨印花预处理条件与防渗化性能、表观得色深度的关系，并用液滴渗化法评价预处理织物的防渗化能力，最终确定采用羧甲基纤维素钠、聚乙二醇和氧化铝等组成预处理剂对蚕丝织物进行预处理，使织物获得了高清晰度的印花效果。

目前，关于墨滴在蚕丝织物上的扩散与渗透行为研究甚少，针对预处理之所以能够改善喷墨印花清晰度的原因缺少理论分析。为此，本文以微量活性染料墨滴在蚕丝织物上的扩散作为切入点，研究了墨滴在蚕丝机织物上的扩散形态，探讨了织物组织结构和墨滴体积对墨滴扩散形态的影响，分析了蚕丝织物预处理剂对墨滴扩散形态及扩散面积的影响规律。

1 实验部分

1.1 材料与设备

材料：活性兰墨水(RT-E5，永光化学工业股份有限公司)；尿素、海藻酸钠(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；阳离子改性剂YS(化学纯，上海邢州化工有限公司)；蚕丝织物的结构参数如表1所示。

表1 织物规格参数表Tab.1 Fabric specification parameters

设备：微量进样器(上海高鸽工贸有限公司)；XY-MRT型金相显微镜(宁波舜宇仪器有限公司)；RC-CSD型汽蒸机(江苏华夏科技有限公司)；MU505T型台式轧车(北京纺织机械器材研究所)。

1.2 实验方法

配制质量分数分别为4%、8%、12%、16%和20%的尿素预处理液；配制质量分数分别为1%、2%、3%、4%、5%和6%的海藻酸钠预处理液；配制质量分数分别为1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%和8%的阳离子改性剂YS预处理液。采用上述预处理液根据如下工艺分别对1#蚕丝织物改性：一浸二轧(轧余率为80%)→烘干(温度为60 ℃)→喷墨印花→汽蒸(温度为102 ℃，时间为30 min，相对湿度为80%)→冷水洗→热水洗→冷水洗→烘干。

采用微量进样器在蚕丝机织物上滴加青色活性染料墨水，除研究墨滴体积对扩散形态的影响实验中采用不同体积(0.02～5 μL)的墨滴，其他实验均在1 μL墨滴体积条件下进行。

1.3 性能测试

1.3.1墨滴扩散形态

采用标尺测量微量墨滴沿经、纬向的扩散总长度(La、Lc)、扩散中央长度(Lb、Ld)和扩散外围长度(Le、Lf)来表征墨滴扩散形态。

1.3.2墨滴扩散面积

采用数码照相机捕获图片，并对图片饱和度进行调整后，采用图像处理软件ImageJ分析墨滴的扩散面积。

2 结果与讨论

2.1 织物组织结构与扩散形态关系

图1示出墨滴扩散示意图及其形态。可看出微量墨滴在蚕丝织物上扩散结束后的形态大都呈“十”字型。如图1(b)所示，扩散可分为3个区域，即微量墨滴沿经纬双向扩散区域A、经向扩散区域C和纬向扩散区域B。扩散区域A、B和C上的墨滴扩散状态分别对应图1(c)、(e)和(d)。当墨量较大时，墨滴在蚕丝织物上存在3种扩散形式：沿纱线、相邻平行纱线间和交织纱线间。在扩散过程中，随墨量的减小，交织纱线间的扩散最先消失；随后，相邻纱线间的扩散也逐渐消失，而沿纱线方向上的扩散可维持的时间最长。由此说明微量墨滴在织物上更易沿着纱线方向扩散，这也是造成渗化的主要原因。

图1 墨滴扩散示意图及其形态(×500)Fig.1 Scheme and morphology of diffusion of ink droplets (×500). (a) Diffusion shape (scale of 3∶4); (b) Diffusion diagram; (c) Diffusion on A area; (d) Diffusion on C area; (e) Diffusion on B area

表2示出墨滴在不同结构蚕丝织物上扩散的形态参数，图2示出其对应的扩散形态。可看出：除5#织物外，墨滴在1#～4#蚕丝织物上的扩散形态均呈近“十”字型，且这些“十”字型的经向线条长度均大于纬向线条长度。这是由于1#～4#织物的经向紧度均大于纬向紧度，较大的经向紧度导致经向相邻纱线间的毛细管半径较小，使墨滴沿经向纱线长度方向的扩散更快更远。

表2 墨滴扩散的形态参数Tab.2 Shape parameters of droplet diffusion

5#织物结构特殊，紧度过小，相邻平行纱线间距离过大，纱线间互不接触，导致墨滴在织物上的扩散缺少相邻平行纱线间的传递。墨滴在此特殊结构蚕丝织物上的扩散形态为椭圆形。

图2 不同蚕丝织物上的扩散形态Fig.2 Diffusion shape on different silk fabrics

2.2 墨滴体积与扩散形态关系

图3示出墨滴体积对墨水在蚕丝织物上扩散形态的影响。可看出：微量墨滴扩散中央长度(Lb、Ld)随墨滴体积增加近似呈线性增长；扩散外围长度(Le和Lf)随墨滴体积增大而增大，当墨滴体积超过 3 μL后，扩散外围长度基本保持不变。当墨滴体积较大时，墨滴更易克服纱线间的界面能向相邻纱线传递，因此，扩散中央长度和外围长度均随着墨滴体积的增大而增加。当墨滴体积在1 μL以下变化时，随着墨滴体积增大，Le和Lf的增长速度较Lb和Ld快，这是因为墨量较小时，墨滴主要沿着纱线扩散。当墨滴体积大于1 μL时，随着墨滴体积增大，Lb和Ld继续增加，而Le和Lf的增长速度逐渐减慢，这是由于此时大部分墨滴在中央区域扩散，而沿纱线方向的扩散作用减弱[3]。

图3 墨滴体积与扩散长度的关系Fig.3 Relationship between droplets volume and diffusion central length (a) and periphery length (b)

2.3 预处理剂对墨滴扩散形态的影响

2.3.1尿素

图4示出尿素质量分数对墨滴扩散形态的影响(图片与实际大小比值为5∶3)，各项扩散参数列于表3中。

由表3可看出当尿素质量分数小于12%时，墨滴的扩散长度和面积随尿素质量分数增加而减小。尿素整理蚕丝织物后，蚕丝织物吸湿性能提升，此时，蚕丝织物将吸收空气中的水分，反而不利于纤维毛细管对活性墨水的吸收和扩散[7]。随着尿素质量分数继续增加，墨滴扩散总长度基本保持不变，而中央长度持续增加，外围长度逐渐减小，墨滴扩散面积逐渐增大。这是因为墨滴沿毛细管方向的传递受阻，导致更多墨滴向相邻的纱线区域扩散。另外，汽蒸时大量的水蒸气加剧了尿素对纤维的吸湿膨化作用，墨滴在织物上发生泳移，使墨滴的扩散区域增大[8]。且尿素质量分数越大，该现象越明显。

图4 尿素质量分数对扩散形态的影响Fig.4 Effect of urea amount on diffusion shape

尿素质量分数/%扩散总长度/mm中央长度/mm外围长度/mm外围长度/中央长度扩散面积/mm2经向Lc纬向La经向Ld纬向Lb经向Lf纬向Le经向纬向汽蒸前汽蒸后0141405059090180180858189424111104047070175175608163698101054047075175188546459911210100454556012215054565690161010045555501221006430810120101056064045067075654618064

2.3.2海藻酸钠

图5示出海藻酸钠质量分数对墨滴扩散形态的影响(图片与实际大小比值为5∶3)，各项扩散参数列于表4中。可以看出：随着海藻酸钠质量分数增加，墨滴扩散形态由“十”字型逐渐转变为椭圆形；扩散长度和扩散面积均呈减小趋势，墨滴沿经纬向的扩散中央长度基本保持不变，外围长度逐渐缩短。这是因为海藻酸钠在织物表面成膜，纤维中部分毛细管被堵塞，墨滴沿纱线方向的扩散受阻[9]。特别是当海藻酸钠质量分数增大到一定程度后，其在织物表面形成的聚合物膜更加完整，毛细管效应减弱，从而使更多墨滴留在扩散的中央区域(见图5(f))。可见，海藻酸钠对降低墨水渗化、提升印花清晰度有显著作用[10]。

图5 海藻酸钠质量分数对扩散形态的影响Fig.5 Influence of sodium alginate amount on diffusion shape

海藻酸钠质量分数/%扩散总长度/mm中央长度/mm外围长度/mm外围长度/中央长度扩散面积/mm2经向Lc纬向La经向Ld纬向Lb经向Lf纬向Le经向 纬向汽蒸前汽蒸后014014050509090180180858189421909045454545100100576656562901104045506512514455916047385904040455011312549765253480905050304006008049615165555654050151503803037163574655604555100502200937073467

2.3.3阳离子改性剂

表5和图6示出阳离子改性剂YS质量分数对墨滴扩散形态的影响(图片与实际大小比值为 1∶1)。可以看出，随着阳离子改性剂质量分数的增加，蚕丝织物表面的扩散长度和扩散面积减小。这是因为阳离子改性剂质量分数增加，使蚕丝织物表面正电性增强，此时阴离子活性染料与蚕丝织物更容易通过静电吸引作用固着在纤维上[11-12]。汽蒸加强了活性染料在蚕丝织物上的固着，墨滴的扩散面积近一步缩小。

表5 阳离子改性剂YS用量对墨滴扩散的影响Tab.5 Effect of cationic modifier YS amount on droplet diffusion

图6 阳离子改性剂YS质量分数对扩散形态的影响Fig.6 Effect of cationic modifier YS amount on diffusion shape

3 结 论

1)微量墨滴在蚕丝机织物表面的最终扩散形态与织物紧度有关：在较大紧度织物上扩散形态呈“十”字型；在过小紧度织物上的扩散形态呈椭圆形。墨滴体积大小对其在织物上的扩散形态也有影响：墨滴体积增大，其沿织物经纬向扩散的中央长度呈近似线性增长；墨滴体积小于1 μL时，随墨滴体积的增大，扩散外围长度增长速度较快；而当墨滴体积大于1 μL时，随墨滴体积的增大，扩散外围长度增长速度逐渐变慢。

2)当尿素质量分数小于12%时，随尿素质量分数的增加，墨滴的扩散长度和扩散面积均减小；继续增加尿素质量分数，墨滴扩散总长度基本保持不变，中央长度持续增加、外围长度逐渐减小，墨滴扩散面积逐渐增大。海藻酸钠质量分数增加，墨滴在蚕丝织物上的扩散形态从“十”字型逐渐转变为椭圆形，扩散长度和扩散面积均呈减小趋势。阳离子改性剂YS质量分数增加，墨滴扩散形态保持不变，而扩散长度和扩散面积均减小。

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