数码印花综述

数码喷墨印花是将图案通过扫描仪,把布样(设计图案)转化成数字形式输入到计算机,通过计算机印花分色描稿系统编辑处理,再由计算机控制微压电式喷墨嘴把专用染液(统称墨水)直接喷射到纺织品上,颜色混合后还原成原来的扫描图案[1].较传统的印花方法具有设计灵活、速度快、低能耗、无污染、节省材料、产品质量高等优点,既减少了企业负担,又实现了环保要求,弥补了传统印花在技术方面的缺陷和空白[2].根据喷墨方式的不同,数字喷墨印花机主要有2种类型,即连续喷墨(Continuous Ink Jet,CIJ)和按需喷墨(Drop On Demand,DOD)印花机.[3]
喷墨印花墨水是影响印花产品质量的关键因素之一.织物用喷墨印花墨水除了对色素纯度、不溶性固体颗粒粒径、墨水的粘度、表面张力、稳定性、pH和起泡性等有具体要求之外,还要求墨水喷射到织物上形成图案后,具有良好的耐水洗、耐摩擦等色牢度[4].
目前,还未有普遍适用织物的喷墨印花墨水,大都是根据具体的要求制定配方,且存在价格昂贵、质量不稳定、各墨水生产厂家的墨水通用性差、易出现色差等问题[5].因此,随着数码喷墨印花技术的发展,研究高性能的墨水势在必行. 1
数码喷墨印花墨水类型及性能要求
1.1
类型
喷墨印花墨水一般由色素、水、有机溶剂和添加剂(如抗菌剂、分散剂、pH 调节剂、保湿剂、消泡剂等)组成.[6]纺织品喷墨印花墨水从大类可分为:水性墨水和溶剂墨水,前者简称墨水,后者称为油墨或非水性墨水.水性墨水是目前喷墨印花用的主要品种,按色素的使用,又可分为染料墨水和颜料墨水.
理论上,所有纺织品传统印花用的染料都可以配制成喷墨印花墨水,但目前常用的染料墨水还是以活性染料、酸性染料、金属络合染料和分散染料墨水为主[7].根据染料在水溶液中的状态,又可分为真溶液墨水和水分散型墨水.
颜料是非水溶性的,故喷墨印花用颜料墨水的配制比较特殊.首先,需要将颜料研磨成微小颗粒,并稳定分散在相应的水性体系中;其次,要对颜料进行改性或在墨水中添加涂料固色剂使之能够在喷墨印花以后固着在纤维上,使印花图案获得足够的色牢度[8].
1.2
性能要求
喷墨印花墨水根据数码喷墨印花技术的特点及产品要求决定墨水类型.无论哪种类型的墨水,都需要具备以下性能要求[9-10]:
安全性:无毒性、无臭、无致癌性及着火性等.
粘度:用于喷墨印花墨水的粘度比传统印花低.若粘度高,会使喷射的液滴呈拉丝状而影响喷射速度.一般CIJ技术要求粘度为2~10 mPa·s,DOD技术要求粘度为10~30 mPa·s.
表面张力:墨水的表面张力较高,不同的打印方式对墨水的表面张力要求不同,CIJ型印花机推荐的墨水表面张力为40~60 mN/m,DOD型印花机通常在40~50 mN/m.
导电性:CIJ型印花机要求大于750 S/m,DOD型印花机则无要求.
粒径:一般要求控制在1 μm以下,不能堵塞喷嘴.
pH :要求控制在4~8.
其他:要求墨水纯度高,稳定性好,适应性宽;在基质上能产生高质量的图案,上色率高,具有良好的光牢度,且干摩擦牢度能达到4级以上,湿摩擦牢度达到3.5级以上等.
2
数码喷墨印花墨水研究现状
2.1
水性墨水
常用的水性墨水一般都是小分子染料,其中应用较广、技术较成熟的为活性染料、酸性染料及分散染料墨水,主要由染料、分散介质、抗菌剂、pH调节剂、保湿剂等配制而成.
活性染料墨水主要由无盐或低盐的高纯度活性染料、共溶剂和去离子水等组成,适用于纤维素纤维、蚕丝和羊毛等织物的喷墨印花.商品化的活性染料墨水中,具有代表性的品种主要有Ciba公司的CibacronMI系列和DyStar公司的Jettex 系列[11-12],其墨水的流动性及固色率良好.中国专利ZL 200510111581.7公开了一种纺织品数码喷墨印花活性染料墨水的制备工艺,其墨水的水溶性较好.
酸性染料墨水主要由无盐的高纯度染料、共溶剂和去离子水等组成,用于锦纶、蚕丝和羊毛的数字喷墨印花.目前商品化的酸性染料墨水代表性品种主要有Ciba公司的Lanasets I系列和DuPont公司的Art⁃istri系列[13-14].
分散染料墨水主要由分散染料、分散剂、共溶剂和去离子水等组成,主要用于涤纶、锦纶等合成纤维织物的数字喷墨印花.商品化的分散染料墨水代表性品种主要有Ciba公司的Terasil TI系列和BASF公司的Baifxan系列[14-17],其墨水的分散性及稳定性好.
上述小分子染料水溶性一般,在织物上的附着牢度不够,印花色彩不是很鲜艳.很多研究者尝试用加入添加剂的方法来提高染料的各项性能,如MARICOS[15]与曹万里等[16]在活性染料墨水中加入二羧酸及其碱金属盐或三羧酸及其碱金属盐,使其具有缓冲作用,还可以提高染色性能.TAKAMASA U等[17]指出,螯合剂EDTA及其二钠盐、四钠盐可改善喷嘴的堵塞现象,并能提高墨水对温度及湿度的稳定性.此外,为改善墨水因析出晶体而堵塞喷嘴的现象,在墨水中可加入尿素、胺、环胺、烷醇胺等.JASON L[18]用N-甲基吗啉-N-氧化物与甘油配制的墨水比用其他溶剂配制的墨水得色更鲜艳.东华大学的许秋生等人[19]采用Huntsman 公司的Novacron系列 CMYK四色染料配制活性染料墨水应用于棉织物印花,降低了成本,且稳定性较好.中国专利ZL 200510136809.8[20]公开了一种防泳移的喷墨印花染料墨水的配方和工艺.
研究者们通过对染料进行改性,将小分子染料做成高分子染料,使得高分子染料的水溶性和对纤维的亲和性大大提高.如WAYNE C T[21]对活性染料进行改性后再配制成墨水,具体是在活性染料的活性基上引入CC双键,使染料发生聚合,以此对染料改性,将改性后的染料纯化,溶于去离子水,加入水溶性低聚物制成墨水,用于织物可得到满意的摩擦牢度和耐光牢度.例如清华大学刘晓华等[22]通过合成具有高反应活性的聚丙烯酰氯,与N-乙基-N-羟乙基苯胺反应制备含取代苯胺的先驱聚合物,再通过重氮偶合反应引入带水溶性基团的偶氮发色团,合成水性高分子偶氮染料.HINDAGOLLA S L[23]研究了在染料分子中加入羧基,以提高染料墨水的耐水洗性.目前,制备能用于喷墨印花的水性高分子染料在国内外都还处于研究阶段.
虽然染料型数字喷墨印花墨水目前已有一定的生产和应用,但其用于纺织品
数字喷墨印花的缺点显而易见[4,11].例如:(1)染料墨水无通用性.不同的纤维需要使用不同的墨水;(2)生产工艺复杂,且存在一定程度的环境污染.喷墨印花之前,需对织物施加染料固色剂和印花糊料等.印花后,需要对织物进行汽蒸、水洗等后处理,不利于保护环境.
2.2
油墨
喷墨印花的油墨配方包含色素(颜料或染料)、载体(粘合剂/树脂)、添加剂(粘度调节剂、引发剂、抗菌剂、助溶剂、防堵塞剂)等,其中添加剂需根据需要合理使用,且所有油墨配方也必须满足规定的性能要求.喷墨印花施加的油墨量少,稳定性、显色性高,但迄今为止,尚无普遍适用于织物喷墨印花的标准油墨配方.油墨不仅价格高,而且毒性大、环境污染严重,不能充分体现喷墨印花的环保优势,因此,研究重点应放在改善油墨的环境友好性上.
2.2.1
颜料油墨
染料墨水的缺陷阻碍了数码印花技术的发展,因此国内外众多研究者对颜料墨水进行了大量的研究.与染料墨水相比,虽然颜料墨水的摩擦牢度尤其是湿摩擦牢度较染料墨水差,但其具有以下优点[13]43，80:(1)
通用性好,颜料墨水适用于各种纤维织物;(2)工艺简单,排放无污染,有利于保护环境,不需要复杂的前处理和后处理工艺,可直接对织物进行喷墨印花,然后仅需简单的焙烘;(3)耐光牢度好.颜料墨水喷射到织物上是以微小粒子的状态存在于纤维上,不容易被光照分解,即使颗粒外层的分子被光分解了,内层一样会保持颜色.而染料墨水喷射到纤维上是以分子状态上染纤维,并且大部分染料在纤维中也是以分子状态或比较松散的聚集体存在,容易被光分解.
目前商品化的数码喷墨印花颜料墨水大多是国外产品,有 Ciba 公司的Irgaphor 系列、BASF 公司的Helizarin EVOP-100 系列、DuPont 公司的Artistri 700系列和英国Trident公司的Fabric Fast Ultra系列[13,24-26]. 以上系列的颜料墨水性能优异,耐光牢度及耐气候牢度好,耐摩擦牢度高,印花织物手感柔软.
国内已经初步掌握了颜料超细化加工和固色等关键技术,研制的6色和4色颜料墨水,在压电式喷墨印花机上试用后,获得了良好的效果.如青岛海怡精细化工有限公司的 Pinks系列[27](江南大学监制),杭州开元电脑技术有限公司开发的纳米颜料墨水.此外,中国专利ZL 200410013291.4[28]公开了一种水溶性颜料印花墨水的配方和工艺.中纺院江南分院也对颜料墨水进行了深入研究,目前处于试验阶段,尚未形成产业化.
2.2.2
染料油墨
目前主要研究的染料油墨如意大利 J-Teck3公司开发的J-ECO、J-Subly系列分散染料油墨[10]6,是一系列对环境友好的压电式油墨,可用于升华转移印花和直接印花.
染料油墨是通过对油墨进行改性或引入活性基来提高染料与纤维的亲和力,提高色牢度.例如COS⁃TELA A等[29]利用含双键的甲基丙烯酸甲酯与含双键的诺丹明染料共聚,得到高分子染料.姚润琪等[30]用IPDI和分散红19合成聚氨酯分散红高分子染料;胡先海等[31]制备了水性聚氨酯分散蓝14 高分子染料.普施安(Procion)活性蓝-4 和汽巴克隆(Cibacron)活性黄-3溶解于DMF中并与CH2CH
—COCl反应,是将CC 双键引入染料分子结构中,然后使染料在织物上均相自聚,或者与其他组分通过引发剂引发共聚而固着在纤维上.
3
数码喷墨印花墨水的发展趋势
欧洲地区的数码印花已经占到了印花总量的30%左右,预计未来5年内将达到50%.我国是一个纺织大国,早在2009年,我国规模以上的印花产品总量为100亿m2,占全球的30%以上,而数码印花产品总量只有0.4亿m2,与欧洲的差距较大[32].所以,我国的数码喷墨印花的发展潜力十分巨大,其中最重要的一环是喷墨印花用墨水的研制.针对目前墨水存在的问题,其发展趋势如下[33-34]:(1)开发高性能、高色牢度的喷墨印花墨水.减少添加剂的加入,简化流程, 提高色牢度是纺织品喷墨印花发展的首要问题;(2)开发水性环保型、价格低廉的墨水.减少环境污染,提高墨水的稳定性和通用性,降低成本;(3)开发更多具有自主知识产权、产业化的墨水,加大推广力度.逐步减少对国外产品的依赖,掌握具有自主知识产权的墨水生产技术,与设备厂家和用户做好沟通,提高墨水的适应性,从真正意义上降低成本.
4
结语
数码喷墨印花市场还存在很大的增长空间,我国的喷墨印花墨水的研制与开发应用对高性能墨水的发展有着巨大的影响,开发具有通用性好,稳定性佳,印花色牢度高,鲜艳度好,清晰度高等优异性能的喷墨印花墨水是当前喷墨印花发展的必然趋势.同时,数码印花技术的进步也同样推动着印花墨水的更新与发展,应用前景广阔
推动数码喷墨印花产业发展的着力点由于具备了技术和市场条件，数码喷墨印花目前进入一个向上发展的有利时期，但是大量推广有一个过程。

下一步推动数码喷墨印花产业化应用的着力点有以下几个方面：
印花设备及配套设备的专业化不同产品，不同市场，不同行业对数码喷墨印花设备的精度要求不同，即数码喷墨印花设备的精度需要专业化，上浆、蒸化、水洗等配套设备也要专业化。

因此，针对丝绸、棉、化纤、毛等不同产品，应设计最优化的数码喷墨印花及配套设备，并考虑到有利于以后的改造和提升。

工艺技术参数的规范化针对丝绸、棉、化纤、毛等各类产品设计相应的软件，使工艺技术参数规范化。

研发高性价比的墨水墨水在质量、价格、兼容性等方面均有很大的潜力，需要进一步研究开发或筛选性价比高的墨水。

开拓不同的市场目前，数码喷墨印花机已成功应用于丝绸面料的批量生产，以及棉、亚麻、羊绒等面料的打样和小批量生产，下一步应积极开拓在机织印染布、针织印染布、家纺印染布等产品的批量化生产。

每个行业树立一个典型企业，通过典型企业带动整个行业的发展。