張 鑫，李羽佳，楊 柳，馬 磊，張瑞云,1c，徐馨怡

(1.東華大學(xué) a.紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室,b.紡織科技創(chuàng)新中心，c.上海紡織智能制造與一帶一路國際聯(lián)合實驗室，上海 201620；2.中國紡織信息中心，北京 100006)

與傳統(tǒng)印花方法相比，數(shù)碼印花憑借工藝簡單、精度高、能耗低，能適應(yīng)高品質(zhì)、小批量、個性化的市場需求，發(fā)展前景廣闊[1]。墨水自身特性及其在織物上的表現(xiàn)是影響數(shù)碼印花產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，根據(jù)墨水使用的色素可分為染料墨水和顏料墨水，其中顏料墨水的印花流程短、污染小、耐曬和耐氣候性良好，且適用于各種面料，是未來數(shù)碼印花發(fā)展的主要趨勢[2]。然而顏料墨水?dāng)?shù)碼印花在實際生產(chǎn)中存在顏色鮮艷度低、耐摩擦牢度不佳的問題。

Park等[3]發(fā)現(xiàn)墨水種類、印花方向、織物組織結(jié)構(gòu)、預(yù)處理劑都會對織物印花質(zhì)量造成影響。Kaimouz等[4]研究表明墨水滲透對顏色深度的影響與織物原料有關(guān)。Mhetre等[5]指出印花質(zhì)量取決于油墨的擴散行為，油墨擴散行為受到紗線中毛細管、織物的潤濕性和組織結(jié)構(gòu)的影響。文獻[6-7]研究指出織物緊度和厚度、墨滴體積、預(yù)處理劑都會對墨滴的擴散形態(tài)造成影響，從而影響印花的清晰度。房寬峻等[8]研究表明密度低的織物得色比密度高的深，但濕摩擦牢度略差。楊海貞等[9]指出，織物越薄、表面越粗糙、孔隙率越大，織物的表觀顏色越淺，墨滴鋪展面積越大。安艷珍[10]分別使用陰離子型、陽離子型和非離子型預(yù)處理劑對滌棉織物進行預(yù)處理，均可提高印花清晰度和顏色深度。李敏等[11]分別探討了海藻酸鈉、聚乙烯醇以及陽離子改性劑對墨滴擴散的影響。

目前，關(guān)于顏料墨水與織物相互作用的研究較少,特別是顏料墨水在滌棉混紡織物上的擴散及呈色相關(guān)研究也較少，對顏料墨水在混紡織物上擴散和呈色的影響因素缺少理論分析。因此，本文以顏料墨水在織物上的擴散情況為切入點，探討紗線的滌/棉混紡比以及織物結(jié)構(gòu)對顏料墨水?dāng)?shù)碼印花清晰度和顯色情況的影響，并分析預(yù)處理工藝對顏料墨水?dāng)?shù)碼印花質(zhì)量的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗材料和設(shè)備

試驗材料：青色(C)、品紅(M)、黃色(Y)、黑色(K)顏料墨水，上海端彩數(shù)碼科技有限公司；數(shù)碼印花的印前處理劑，上海端彩數(shù)碼科技有限公司；純滌綸、純棉及滌棉混紡平紋機織物，具體參數(shù)見表1。

表1 試樣基本參數(shù)Table 1 Basic fabric parameters

試驗設(shè)備：微量進樣器，SMZ745 T型立體顯微鏡，數(shù)碼顯微鏡，P-AO型臥式軋車，R-3型自動定型烘干機，YG(B)871型毛細效應(yīng)測定儀，TM3000型臺式掃描電子顯微鏡，A3數(shù)碼印花機，Datacolor 850型測色配色儀，Y571 N型染色摩擦牢度機。

1.2 試驗方法

滴墨試驗：使用微量進樣器，在試樣上滴加體積分別為0.1～0.5 μL的青色顏料墨水，并在數(shù)碼顯微鏡下記錄滴加0.5 μL墨水時的動態(tài)擴散過程。

試樣預(yù)處理：使用數(shù)碼印花印前處理劑對試樣進行浸軋預(yù)處理，處理次數(shù)為二浸二軋，控制帶液率為65%～75%，然后進行烘干定型，溫度為100 ℃，時間為8 min。

數(shù)碼印花：分別沿試樣經(jīng)向和緯向印制長度為3 cm、寬度為0.1～1.0 mm的線條。分別設(shè)計面積為2 cm×2 cm的C、M、Y、K 4色純色色塊，后噴印于試樣上。

1.3 測試方法

1.3.1 墨滴擴散面積

使用立體顯微鏡，在放大2倍的條件下拍攝試樣滴墨最終形態(tài)圖，再使用imageJ軟件分別計算墨滴的經(jīng)向擴散長度(dt)、緯向擴散長度(dw)和擴散面積(A)。

1.3.2 印花顏色

使用Datacolor 850型測色儀，選擇D65光源，測試視角為10°，在試樣上選取4個測試點進行測色，并取平均值，得到試樣的顏色數(shù)據(jù)。本文用測試結(jié)果的K/S值表示色塊的顏色深度。

1.3.3 打印清晰度

使用立體顯微鏡，在放大倍數(shù)5倍的條件下拍攝印制線條的圖像。由于墨水在織物上會發(fā)生滲化，線條邊緣整齊度差，因此使用imageJ軟件分別測量線條的最大擴散寬度(lmax)及最小擴散寬度(lmin)，如圖1所示，利用式(1)計算印花實際線寬l，然后根據(jù)式(2)計算得到印花清晰度D[12]。

(1)

(2)

式中：l0為印花設(shè)計線寬。

1.3.4 耐摩擦色牢度

根據(jù)GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗 耐摩擦色牢度》，使用摩擦色牢度儀對試樣分別進行干、濕摩擦色牢度的測試。在標(biāo)準(zhǔn)光源箱下設(shè)置D65光源，對照《評定沾色用灰色樣卡》對標(biāo)準(zhǔn)摩擦布進行沾色評級，得到試樣的耐摩擦色牢度等級。

圖1 數(shù)碼印花線條清晰度示意圖Fig.1 Line definition of digital printing

2 結(jié)果與討論

2.1 墨滴動態(tài)擴散過程

墨滴在織物上擴散的動態(tài)過程主要受到織物組織類型的影響，本文選用的試樣均為平紋機織物，因此以試樣4#為代表進行墨滴動態(tài)擴散研究。圖2為使用微量進樣器滴加0.5 μL墨滴于試樣4#上的動態(tài)擴散圖。由圖2可知，墨滴在織物上的擴散主要有3種方式：一是墨滴沿著紗線長度方向進行擴散;二是墨滴通過紗線在組織點處的接觸進行擴散;三是墨滴在相鄰紗線間的擴散。隨著時間變化，一直存在的擴散方式是墨滴沿紗線長度方向的擴散，這也是引起墨滴在織物表面滲化、邊緣參差不齊的主要原因，而其他兩種擴散方式隨時間變化逐漸弱化。

2.2 墨滴擴散形態(tài)

墨滴擴散的最終形態(tài)與織物的原料有關(guān)，圖3分別為純棉、滌棉混紡、純滌綸織物上墨滴擴散的最終形態(tài)經(jīng)過二值化處理后的示意圖。

圖3 二值化處理后不同織物上墨滴擴散的最終形態(tài)Fig.3 Final form of droplet diffusion on different fabrics after binarization processing

由圖3可知，純棉、滌棉混紡和純滌綸織物的墨滴最終擴散形態(tài)有所差異。純棉織物的最終擴散形態(tài)接近圓形，滌棉混紡織物的最終擴散形態(tài)接近橢圓形，純滌綸織物的最終擴散形態(tài)接近“十”字形。這是由于顏料墨水是水性墨水，墨滴最終擴散形態(tài)與試樣的吸濕性有關(guān)。純棉織物的吸濕性最好，吸收墨水的速度快且多，可以減少墨滴在織物表面的流動與擴散，最終擴散面積較小，擴散形態(tài)為邊緣較光滑的圓形；滌綸含量越多，織物的疏水性和導(dǎo)濕性越好，織物中纖維縫隙間的自由水含量增多，水分更容易傳導(dǎo)，因此墨滴在織物表面的擴散現(xiàn)象明顯，滲化會更加突出，最終形成“十”字形的擴散形態(tài)。

2.3 墨滴擴散面積

圖4為不同試樣與墨滴擴散面積的關(guān)系圖。由圖4(a)可知紗線混紡比為變量時墨滴的擴散面積情況，即織物經(jīng)、緯密度相同，紗線混紡比不同時，墨滴在織物表面的擴散面積會隨紗線中滌綸含量的增加逐漸增大。這是由于滌綸含量越多，織物導(dǎo)濕性越好。顏料墨水是一種水性墨水，更容易在導(dǎo)濕性好的織物上傳導(dǎo)流動，導(dǎo)致墨滴的擴散面積增大。由圖4(b)可知織物密度為變量時的墨滴擴散面積情況，即織物的紗線混紡比相同，經(jīng)、緯密度不同時，墨滴在織物表面的擴散面積會隨織物緊度增加逐漸增大。這可能是由于織物密度增大時，紗線之間以及纖維之間的距離減小，墨滴傳遞擴散的毛細效應(yīng)增強，導(dǎo)致墨滴擴散面積增大。

將墨滴在兩垂直方向上擴散長度不同定義為墨滴在織物表面的擴散各向異性[13]。表2為織物的經(jīng)、緯向擴散長度之比。由表2可知，dt/dw>1，即墨滴在織物表面的經(jīng)向擴散長度均大于緯向擴散長度，存在墨滴擴散各向異性。這是因為墨滴在擴散過程中每經(jīng)過紗線交織點時均會發(fā)生接觸擴散，部分墨滴會由本紗線擴散至相接觸紗線，經(jīng)過的組織點越多，越不利于墨滴沿紗線方向的擴散，所以試樣在該方向上的擴散長度較短。試樣的經(jīng)密均大于緯密，墨滴沿緯向擴散時經(jīng)過的組織點多于沿經(jīng)向擴散時經(jīng)過的組織點，因此均表現(xiàn)出經(jīng)向擴散長度大于緯向擴散長度的擴散各向異性。

表2 墨滴擴散各向異性Table 2 Anisotropy of ink droplet diffusion

2.4 數(shù)碼印花呈色

表3為以紗線混紡比為變量時，印制C、M、Y、K 4色色塊的顏色數(shù)據(jù)情況。由表3可知，隨著滌綸含量的增加，4種顏色的K/S值均呈增大趨勢。這可能是由于織物中棉纖維的含量越多，織物的吸濕性越好，由于顏料墨水為水性墨水，所以顏料粒子隨水分流動，部分進入紗線內(nèi)部，存在于纖維與纖維的縫隙之間卻不顯露在表面，致使織物表面的顏料粒子減少，因此織物對光的吸收系數(shù)較小，散射系數(shù)較大，使得顏色深度較小，即織物表面顏色較淺；而滌綸含量較多時則相反，織物表面顏料粒子較多，K/S值較大，織物表面顏色較深。試樣亮度L的變化趨勢則與K/S值的變化趨勢相反，即隨著滌綸含量的增加，織物的印花亮度逐漸降低，表現(xiàn)出的結(jié)果同樣為顏色加深。

表3 試樣印制4色色塊的顏色數(shù)據(jù)(紗線混紡比為變量)

以織物的密度為變量時，印制C、M、Y、K 4色色塊的測色數(shù)據(jù)如表4所示。由表4可知，隨著織物密度的增大，4種顏色的K/S值均呈減小的趨勢。由第2.3節(jié)分析可知，隨著織物的經(jīng)、緯密度增大，紗線間毛細作用增強，顏料墨水在織物表面的擴散面積增加。表4中試樣的紗線混紡比均相同，顏料墨水向紗線內(nèi)部的滲透情況相同，因此織物表面的擴散越嚴(yán)重，則顏料粒子在織物表面越分散，織物對光的吸收系數(shù)減小，散射系數(shù)增大，使得K/S值較小，織物表面顏色較淺。對于顏色的亮度L而言，隨著織物密度的增大，L呈增加的趨勢，同樣表現(xiàn)出顏色變淺的現(xiàn)象。

表4 試樣印制4色色塊的顏色數(shù)據(jù)(織物密度為變量)

綜合表3、表4數(shù)據(jù)可知,數(shù)碼印花的呈色與紗線混紡比以及織物的密度緊密相關(guān)。紗線混紡比是決定織物的吸濕和導(dǎo)濕性的主要影響因素，這會影響顏料粒子在織物表面的數(shù)量，從而影響呈色的K/S值；顏料墨水在織物表面的擴散情況會影響顏料粒子在織物表面的積聚情況，從而影響顏色深度。

2.5 數(shù)碼印花清晰度

利用數(shù)碼印花機在試樣上噴印寬度為0.1～1.0 mm的線條，各試樣噴印線條的清晰度數(shù)據(jù)圖如圖5所示。由圖5可知：當(dāng)織物的密度相同時，隨織物中滌綸含量增多，印制線條的清晰度逐漸變差；而當(dāng)織物的紗線混紡比相同時，隨織物密度增加，噴印線條的清晰度逐漸變差。噴印清晰度變差的主要原因是顏料墨水由印花機噴射到織物上的，會在織物表面擴散。墨滴擴散現(xiàn)象越嚴(yán)重，則織物的印花清晰度越差。因此，印制線條清晰度的變化規(guī)律與墨滴在織物表面擴散面積的變化規(guī)律一致，即墨滴在織物表面的擴散面積在一定程度上可以反映印花的清晰度。噴印線條的經(jīng)向清晰度均差于緯向清晰度，這是由墨滴在織物表面的經(jīng)向擴散程度大于緯向擴散程度所導(dǎo)致的。此外，由圖5中變化趨勢可知，隨著噴印線條寬度增加，織物圖案的清晰度逐漸提高。這說明數(shù)碼印花的設(shè)計圖案越精細復(fù)雜，線條越細膩，則得到的印制圖像清晰度越差。

圖5 數(shù)碼印花清晰度Fig.5 Definition of digital printing

2.6 數(shù)碼印花摩擦色牢度

數(shù)碼印花織物摩擦色牢度測試的評級結(jié)果如表5所示。由表5可知，顏料墨水?dāng)?shù)碼印花的摩擦色牢度總體較差，濕摩擦色牢度尤為不佳。這是由顏料墨水的呈色機理所導(dǎo)致的，與染料型墨水通過化學(xué)鍵等方式與織物結(jié)合的方式相比，顏料墨水主要通過黏合劑與織物相結(jié)合，從而附著在織物表面。由于數(shù)碼印花設(shè)備對墨水的粒徑及黏度有一定要求，顏料墨水中的黏合劑無法添加過多，因此顏料墨水與織物的結(jié)合不是很牢固，在進行摩擦色牢度測試時，織物表面的顏料粒子容易轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)摩擦布上，導(dǎo)致摩擦色牢度較差。在濕態(tài)情況下，顏料墨水中黏合劑的作用減弱，織物表面的顏料粒子更容易發(fā)生轉(zhuǎn)移，因此濕摩擦色牢度較干摩擦色牢度更差。

表5 數(shù)碼印花摩擦色牢度等級Table 5 Rubbing fastness of digital printing

2.7 預(yù)處理對墨滴擴散及印花的影響

2.7.1 預(yù)處理對墨滴擴散面積的影響

試樣經(jīng)過預(yù)處理后，滴加0.5 μL墨水進行墨滴擴散面積變化對比，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，織物在經(jīng)過預(yù)處理后墨滴擴散面積減小，并且滌綸含量越多，織物的密度越大，墨滴擴散面積減小的幅度越大。

圖6 試樣預(yù)處理前后擴散面積對比Fig.6 Comparison of diffusion area before and after pretreatment

為探究預(yù)處理對墨滴擴散面積產(chǎn)生影響的原因，以試樣4#為例，使用掃描電子顯微鏡(放大倍數(shù)為2 000倍)拍攝預(yù)處理前后試樣的表面形貌，如圖7所示，并對試樣的孔隙率進行測試，孔隙率結(jié)果見表6。

圖7 試樣4#的掃描電鏡圖像Fig.7 SEM images of sample 4#

表6 試樣預(yù)處理前后孔隙率對比Table 6 Comparison of fabric porosity before and after pretreatment %

觀察圖7發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理后的纖維表面覆蓋了一層薄膜，填補了纖維之間的孔隙，使得纖維間孔隙減少。由表6可知，預(yù)處理使織物的孔隙率降低，即紗線間的孔隙減少。毛細作用是墨滴在織物表面鋪展擴散的主要原因之一，而毛細管是產(chǎn)生毛細作用的必要條件。由于預(yù)處理在織物表面形成了薄膜，導(dǎo)致纖維間及紗線間的孔隙減小，因此織物毛細管的連續(xù)性被破壞，毛細作用減弱[14]。為探究預(yù)處理前后的毛細作用大小，以顏料墨水為測試液體，分別測試預(yù)處理前、后5 min試樣經(jīng)向與緯向的芯吸高度，試驗結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，預(yù)處理后試樣的芯吸高度均比預(yù)處理前低，即織物的毛細效應(yīng)減弱，證明預(yù)處理產(chǎn)生的薄膜會降低織物的毛細作用。因此與未經(jīng)過預(yù)處理的織物相比，墨滴在經(jīng)過預(yù)處理的織物表面的鋪展擴散程度減弱，擴散面積顯著減小。墨滴擴散面積越小，印花清晰度越好，同理可知，預(yù)處理可有效提高數(shù)碼印花的清晰度。

圖8 試樣芯吸高度Fig.8 Wicking height of samples

2.7.2 預(yù)處理對數(shù)碼印花呈色的影響

圖9為試樣預(yù)處理前后的數(shù)碼印花K/S值對比圖。由圖9可知，試樣在經(jīng)過預(yù)處理后，C、M、Y、K 4色色塊的K/S均有所增加。以試樣4#為例，使用顯微鏡分別拍攝預(yù)處理前后印制C色塊的試樣橫截面，如圖10所示。由圖10可知，預(yù)處理后織物表面會形成一層薄膜，薄膜的存在阻止了墨水向織物內(nèi)部滲透，因此表面的顏料粒子比未預(yù)處理的織物多，對光的吸收系數(shù)增大，散射系數(shù)減小，顏色深度有所增加。此外，預(yù)處理后織物的毛細作用減弱，墨水在織物表面的擴散減小，使得顏料粒子在織物表面的存在更集中，對光的吸收系數(shù)增大，散射系數(shù)減小，從而顏色深度增加。

圖9 試樣預(yù)處理前后4色色塊的K/S值對比Fig.9 Comparison of K/S value of 4 color blocks before and after pretreatment

圖10 預(yù)處理前后印制C色塊試樣的橫截面圖Fig.10 Cross section of C color block before and after pretreatment

2.7.3 預(yù)處理對數(shù)碼印花摩擦色牢度的影響

表7為試樣預(yù)處理后的摩擦色牢度評級。由表7可以看出，預(yù)處理并沒有對織物數(shù)碼印花的摩擦色牢度起到明顯的改善作用。這可能是因為預(yù)處理后的織物在印花時顏料墨水與預(yù)處理劑形成的薄膜相結(jié)合，這種結(jié)合力比顏料墨水和織物的結(jié)合力更弱。

表7 試樣預(yù)處理后摩擦色牢度等級Table 7 Color fastness to rubbing after pretreatment

3 結(jié) 論

(1)顏料墨水在純棉、滌棉、純滌綸織物上的擴散形態(tài)不同：純棉織物上邊緣清晰，接近圓形；滌棉織物上邊緣較不清晰，接近橢圓形；純滌綸織物上邊緣最不清晰，接近“十”字形。墨水在經(jīng)密大于緯密的機織物上的經(jīng)向擴散長度大于緯向擴散長度，存在擴散各向異性。

(2)顏料墨水在織物上的擴散面積、印花呈色情況、印花清晰度與紗線混紡比和織物密度有關(guān)。紗線中滌綸含量越大，或織物的密度越大，同體積墨滴在織物上的擴散面積越大，印花清晰度越差；紗線中滌綸含量越大，顏料墨水印花K/S值越大；織物的密度越大，顏料墨水印花K/S值越小。

(3)預(yù)處理可減輕顏料墨水在織物上的滲化現(xiàn)象，使墨滴在織物上的擴散面積減小，印花清晰度提高，K/S值增大，但對印花的摩擦色牢度無明顯改善。在后續(xù)的研究中，需要對預(yù)處理劑種類和工藝進行優(yōu)化，以得到效果更好的預(yù)處理劑配方。