基于纤维素纳米球分散剂的数码印花墨水的制备及其性能研究

沈静　张梅飞　马廷方　余厚咏　姚菊明

摘 要：采用混酸法制备纤维素纳米球，并以其为分散剂，通过与其他助剂混合制得性能优良、分散稳定的数码印花墨水。扫描电镜显示，混酸法制备的纤维素纳米球的粒径在50 nm左右，Zeta电位仪测定其具有较高的电负性。将其与活性墨水及其他助剂混合，正交试验结果表明，纤维素纳米球对墨水的黏度及电导率起到重要的影响作用。将其与商用墨水进行对比，可以发现自主配制的数码印花墨水在黏度、电导率及Zeta点位等性能指标上均优于普通商用墨水。

关键词：纤维素;分散剂;数码印花;墨水

中图分类号：TS194.434

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2019）03-0069-04

Preparation and Properties of Digital Printing Inks Basedon the Cellulose Nanoparticles as Dispersant

SHEN Jing1，2， ZHANG Meifei1， MA Tingfang1， YU Houyong2， YAO Juming2

（1.Hangzhou Wensli Silk Science & Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310021， China;2.College of Materials and Textiles， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：The cellulose nanoparticles were prepared by mixed acid method， and they were used as the dispersant to prepare the digital printing ink with good properties and dispersion stability by mixing with other additives. Scanning electron microscope result showed that the particle size of the cellulose nanoparticles prepared by the mixed acid method was about 50 nm， and the cellulose nanoparticles had high electronegativity according to Zeta potentiometer test. After the cellulose nanoparticles were mixed with other additives， the orthogonal testing results showed that the cellulose nanoparticles played an important role for the viscosity and conductivity of the inks. Compared with the commercial inks， the inks prepared in this study have the good properties such as the viscosity， conductivity and Zeta potential.

Key words：cellulose; dispersant; digital ink-jet printing; ink

紡织品喷墨印花技术是一种新型的印花方式，它摒弃了传统印花中制版这一复杂环节，而是将经过数字化处理的图片输入计算机，经计算机印花分色系统编辑处理后，通过喷墨印花系统，将专用墨水直接喷印到各种织物上，从而在织物上得到满足设计要求的印花织物[1]。其工艺流程简单，具有小批量、高精度、多品种、快速反应等优点，是21世纪纺织品印花的全新发展方向。

印花墨水的配制是数码印花技术的一个关键工序，用于数码印花的墨水必须满足一定的物理及化学标准[2-3]。性能优良的墨水不仅决定了织物表面印花图案的效果，也决定了喷嘴喷出液滴的形状及印花系统的稳定性[3]。目前，数码印花的墨水主要依赖国外公司进口，其价格普遍较高，且墨水的各项性能对织物表面的数码印花仍然具有一定的限制。

本文采用混酸法制备了一种纤维素纳米球，以其为分散剂配制了一种纺织品数码印花墨水，研究了墨水的各组分对墨水性能的影响，并将其与商用墨水进行了比较，发现本研究所配制的墨水具有更为优良的性能，研究结果对喷墨印花墨水的研发具有很好的指导作用。

1 实 验

1.1 实验材料与仪器

材料：纤维素纤维（粘胶短纤维，山东银鹰化纤有限公司）;盐酸（分析纯，上海化学试剂公司）;柠檬酸（分析纯，上海化学试剂公司）;红色活性染料（K-2BP，泰兴锦鸡染料有限公司）;保湿剂（乙二醇，化学纯，国药化学试剂有限公司）;杀菌剂（CIT/MIT-14，上海三博生化有限公司）;表面活性剂（十二烷基磺酸钠，化学纯，国药化学试剂有限公司）。

仪器：Zeta电位仪（90Plus，美国布鲁克海文仪器公司）;场发射扫描电镜（ALTRA55，德国ZEISS公司）;雷磁电导率仪（DDS-307，深圳市泰康达科技有限公司）;旋转流变仪（MCR52，奥地利安东帕有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 纤维素纳米球的制备

将纤维素纤维置于50%的NaOH溶液中，在300 r/min的搅拌速度下碱煮30 min，得到碱处理纤维素，然后将碱处理纤维素置于反应釜中在混酸条件下于120 ℃反应30 min，即可得到在水溶液中良好分散的纤维素纳米球。

1.2.2 基于纤维素纳米球分散剂的数码印花墨水配制

以红色活性染料为主体，纤维素纳米球为分散剂，将其与保湿剂、杀菌剂、表面活性剂等助剂按一定的比例进行混合，然后充分搅拌均匀，配制得到数码印花墨水。

1.3 测试表征

采用场发射扫描电镜测定纤维素纳米球的表面形貌;采用Zeta电位仪测定纤维素纳米球及墨水的Zeta电位;采用旋转流变仪测定所配制墨水的黏度;采用雷磁电导率仪测定墨水的电导率。

2 结果与讨论

2.1 纤维素纳米球分散剂的性能分析

稳定分散的纤维素纳米球能够作为染料分子的分散剂及稳定剂，进而实现染料分子的高度分散，并调控配制染料的黏度、电导率等物理性能。因此，尺寸均一且表面帶电的纤维素纳米球分散剂的制备是配制数码印花墨水的关键[4]。图1为盐酸法与混酸法所制备的纤维素纳米球的Zeta电位，可以发现不同条件下所制备的纤维素纳米球均呈现较高的负电性。

相比于盐酸法，混酸法制得的纤维素纳米球的Zeta电位绝对值明显增大，当盐酸与柠檬酸配比为9∶1时，其Zeta电位绝对值最大达到-55.5 mV，说明此条件下所制备的纤维素纳米球表面所带的负电荷最大，悬浮液中纳米球间的静电斥力最大，其悬浮体系最稳定[5]。图2为混酸法（9∶1）所制备的纳米球的SEM照片，所制备的纳米球具有较好的单分散性、尺寸较为均一，粒径大小约为10～50 nm。

因此，混酸法克服了盐酸法制备的纤维素纳米球容易团聚的缺点，实现了纤维素纳米球的表面功能化（含有带电基团），使纤维素纳米球具有稳定的分散性（高Zeta电位值），室温下静置2个月仍然保持良好的分散性。

2.2 基于纤维素纳米球分散剂的数码印花墨水的配制及其性能优化

以上述混酸法（9∶1）制备的纤维素纳米球作为数码印花墨水的稳定剂及分散剂，通过选配适当的助剂制备数码印花墨水。通过5因素4水平的正交试验对所配制墨水的基本物理性能进行工艺优化，其正交参数设置如表1所示，所得正交试验结果如表2所示。

选择黏度、电导率和Zeta电位作为正交试验的3个指标以评价墨水基本物理性能的基本指标，分别求出极差和K1，K2，K3，K4值，得出影响3个指标的因素主次顺序（表3-表5）。

根据正交试验中的结果，分析墨水组分对黏度的影响因素可以发现，影响所配制墨水黏度的主要因素为染料本身，其次为所制备的纤维素纳米球分散剂;分析墨水组分对电导率的影响可以发现，影响所配制墨水电导率的主要因素为表面活性剂，纤维素纳米分散剂也起了重要作用;分析墨水组分对Zeta电位的影响可以发现，活性染料对其具有较大影响。正交试验的极差结果分析表明，除了适当试剂的综合影响外，纤维素纳米球分散剂在黏度和电导率两项墨水指标中都占有重要的影响。

2.3 基于纤维素纳米球分散剂的数码印花墨水的物理性能表征

选择正交试验中性能相对较为优良的样品（编号8、9、10）为对比样，研究其与商用墨水的物理性能差异。

图3为商用墨水与自主配制墨水的黏度对比。与商用墨水相比，本研究所配制的墨水的黏度大大降低，这是由于墨水中的纤维素纳米球分散剂表面具有强负电荷基团，使粒子间具有较强的静电斥力作用，因此墨水中纤维素纳米球可以呈现较好的分散状态，导致墨水的黏度降低。

喷墨印花墨水的电导率，反映了墨水中盐含量的高低程度。电导率高，含盐量高，墨水容易结晶、沉析，稳定性差，易堵塞喷头。图4为商用墨水与自主配制墨水的电导率对比，相对于商用墨水，自主配制的墨水电导率明显降低，这可以有效避免墨水在喷头处形成结晶，堵塞喷口。

图5为商用墨水与自主配制墨水的Zeta电位对比。相比于商用墨水，本研究所配制的墨水具有更高的Zeta电位，墨水的稳定性大大提升，有利于墨水的储存及打印要求。

2.4 基于纤维素纳米球分散剂的数码印花墨水的印花效果

图6为纤维素纳米球为分散剂的数码印花用纳米墨水（CNCI）最优样品与商用墨水理化性能及印花效果对比图。

从图6可以看出，本文研制的基于纤维素纳米球为分散剂的数码印花用纳米墨水（CNCI）具有黏度小、电导率低不易结晶、上色率高等优点。其原因除了适当助剂的综合影响之外，主要是添加进自主研制表面带电的纤维素纳米球（CNC）作为分散剂。在正交实验数据分析中，分散剂在黏度和电导率两项极差分析中都作为主要影响因素，说明表面带电的纤维素纳米球对墨水的成功研制起到了重要的作用，结合Zeta电位数据分析，自主研制的数码印花用墨水中表面带电的纤维素纳米球在水溶液中呈现出了高度的分散性，稳定性好，可以调控墨水的基本物理性能，上色率提高，印花效果得到提升。

3 结 论

采用混酸法制备了单分散性优良、尺寸均一、粒径大小约为10～50 nm的高电负性纤维素纳米球。以其为分散剂，通过选配适当的助剂制备数码印花墨水，通过正交实验探究墨水各组分对墨水的黏度、电导率及Zeta电位的影响，可以发现除了其他助剂的综合影响外，纤维素纳米球对墨水的黏度及电导率起到重要的影响作用。对比商用墨水及自主配制墨水，可以发现相对于商用墨水，自主配制的数码印花墨水在黏度、电导率和Zeta电位等性能指标及上色率印花效果上都要优于普通商用墨水。

参考文献：

[1] 方泓钊，侯有军，梁天祥，等.数码喷墨印花技术的研究现状及发展趋势[J].印染助剂，2011，28（9）：5-9.

[2] 许增慧，沈莉萍，李翠萍，等.数码喷墨印花墨水的研究现状与发展趋势[J].印染助剂，2013，30（1）：1-4.

[3] 付少海，王大同，杜长森，等.提高喷墨印花颜料墨水印花牢度的方法[J].纺织学报，2015，36（2）：141-147.

[4] 刘玉霞，孟春丽，董雪茹，等.分散黄喷墨印花墨水的研制及性能初测[J].应用化工，2017，46（1）：123-126.

[5] ECKMAN A L. Developments in textile inkjet printing working towards wider acceptance [J]. AATCC Review， 2004，4（8）：8-11.