活性染料色團(tuán)與二甘醇的相互作用對(duì)噴墨打印性能的影響

2021-10-13 09:40 睿度光電RUIDU
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青島大學(xué)房寬峻教授課題組通過(guò)使用MicroFab的高精度墨打印系統(tǒng)Jetlab Ⅱ研究了活性染料色團(tuán)與二甘醇（DEG）的相互作用對(duì)噴墨打印性能的影響。結(jié)果表明，活性染料發(fā)色團(tuán)在水溶液中的聚集行為具有一定的特征。在染料溶液中加入DEG不僅能有效抑制溶液中染料分子聚集的形成，還能降低表面張力，從而改善液滴的形成。




數(shù)字噴墨印刷在紡織工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。染料溶液和噴墨液滴的質(zhì)量限制了噴墨打印的性能，這對(duì)在織物上獲得高質(zhì)量的噴墨打印圖像至關(guān)重要。青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院房寬峻教授課題組在“Interaction of Reactive-Dye Chromophores and DEG on Ink-Jet Printing Performance”的研究中，將二甘醇（DEG）分別添加到活性藍(lán)49和活性橙13的染料溶液中，研究了染料發(fā)色團(tuán)與DEG分子的相互作用。結(jié)果表明，染料的發(fā)色團(tuán)存在于聚合體中。在染料溶液中加入DEG可以有效地分解活性染料團(tuán)簇，消除衛(wèi)星墨滴，從而提高織物上噴墨打印圖像的分辨率。在相同DEG濃度下，活性橙13的解聚效果比活性藍(lán)49更明顯。活性橙13溶液中需要較高的DEG濃度才能形成完整穩(wěn)定的墨滴。測(cè)定了染料溶液的表面張力和粘度，并對(duì)其在棉織物上的印花性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。研究了染料發(fā)色團(tuán)與二甘醇分子的相互作用機(jī)理。研究結(jié)果對(duì)高質(zhì)量的織物噴墨打印圖像有一定的參考價(jià)值。

數(shù)字噴墨打印技術(shù)以其成本低、方便快捷、環(huán)保等無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，在許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用?；钚匀玖弦蚱漕伾r艷、性能優(yōu)良、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在噴墨印花棉織物染色中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，打印圖像的相對(duì)粗糙分辨率仍然是該技術(shù)的一個(gè)局限性。首先，活性染料分子在水溶液中容易通過(guò)氫鍵和范德華力等分子間力聚集。在深顏色染色時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較多的聚集現(xiàn)象，而染料濃度需要較高的濃度。過(guò)多的聚集會(huì)導(dǎo)致染料結(jié)晶沉淀，導(dǎo)致噴墨打印過(guò)程中噴頭堵塞。這一現(xiàn)象是噴墨打印圖像不均勻的主要障礙。通過(guò)了解活性染料的物理和化學(xué)性質(zhì)，以及染料和添加劑之間的相互作用，抑制聚集的形成受到了廣泛關(guān)注。其次，噴墨液滴形成不良，如衛(wèi)星液滴，也是降低打印圖像分辨率的嚴(yán)重問(wèn)題。在噴墨打印過(guò)程中，溶質(zhì)/油墨傾向于沿液滴周邊沉積，在織物上形成低分辨率圖像，形態(tài)不均勻，邊界不清。

該研究以二甘醇（DEG）為有機(jī)溶劑制備反應(yīng)性染料溶液/油墨，以蒽醌類(lèi)結(jié)構(gòu)的活性藍(lán)49和偶氮類(lèi)結(jié)構(gòu)的活性橙13為反應(yīng)染料模型，研究了活性染料發(fā)色團(tuán)對(duì)噴射性能和打印圖像的影響。結(jié)果表明，活性染料發(fā)色團(tuán)在水溶液中具有聚集行為。在染料溶液中加入DEG不僅能有效抑制溶液中染料分子聚集的形成，還能降低表面張力，從而改善液滴的形成。在**條件下，活性橙13和活性藍(lán)49溶液中使用的DEG濃度不同?；钚猿?3染料溶液中需要更高的DEG濃度來(lái)消除衛(wèi)星液滴并產(chǎn)生理想的液滴。在相同DEG濃度下，活性橙13的解聚效果比活性藍(lán)49更明顯。采用紫外-可見(jiàn)吸收光譜法研究了染料分子在水溶液中的聚集行為。測(cè)量了染料溶液的表面張力和粘度。評(píng)估了棉織物上的液滴形成和噴墨印花性能。
▲ 不同DEG濃度染料溶液的紫外-可見(jiàn)吸收光譜。（a）活性藍(lán)49，（b）活性橙13

染料與DEG的相互作用的聚集狀態(tài)是影響其噴墨打印行為的重要因素，染料的大量聚集可能導(dǎo)致噴頭堵塞，使染料分子難以滲透并擴(kuò)散到織物中。染料溶液中存在聚集體可能會(huì)影響其光物理行為。通過(guò)紫外-可見(jiàn)吸收光譜研究了染料聚集體狀態(tài)。結(jié)果如上圖所示。在染料溶液中加入DEG后，兩種染料溶液的兩個(gè)主峰均增大，這意味著DEG分子可以將大的染料聚集體分離為更多的小的聚集體和染料單體。與活性藍(lán)49相比，活性橙13的吸收峰增強(qiáng)更為明顯，這說(shuō)明相同的DEG濃度與活性橙13染料分子的相互作用更多，并促進(jìn)染料釋放出更多的小聚集物和染料單體。


DEG分子和染料分子之間可能的相互作用如上圖所示，在不添加DEG的情況下，活性藍(lán)49的疏水蒽醌環(huán)傾向于聚集，導(dǎo)致染料分子聚集。（圖a）加入DEG后，DEG分子打破活性藍(lán)49蒽醌環(huán)周?chē)乃?，蒽醌環(huán)被DEG分子的疏水部分包圍，使蒽醌環(huán)親水。結(jié)果表明，蒽醌環(huán)在水溶液中能夠穩(wěn)定，不會(huì)形成聚集。這種現(xiàn)象也發(fā)生在活性橙色13染料上。DEG的加入導(dǎo)致染料分子的解聚（圖b）?；钚猿?3染料分子萘環(huán)的疏水面積小于活性藍(lán)49蒽醌環(huán)，但萘環(huán)的DEG分子比蒽醌環(huán)的DEG分子少。因此，在使用相同量的DEG時(shí)，DEG對(duì)活性橙13的分解作用比活性藍(lán)49更明顯。


上圖是使用MicroFab的Jetlab Ⅱ噴墨打印系統(tǒng)打印配制的DEG染料溶液獲得的圖像。研究了不同DEG濃度，液滴擴(kuò)散的影響。（a）0mol/L （b）1mol/L （c）2mol/L （d）3mol/L。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著DEG濃度的增加，液滴的擴(kuò)散面積明顯減小。這是因?yàn)镈EG的引入提高了染料溶液的粘度，增加了分子的固有相互作用，從而有助于防止油墨的擴(kuò)散。在相同DEG濃度下，活性橙13液滴的擴(kuò)散面積也大于活性藍(lán)49的液滴擴(kuò)散面積。

該研究表明，活性染料發(fā)色團(tuán)在水溶液中具有聚集形態(tài)，DEG分子可以將大的染料聚集分解為小的聚集。在相同DEG濃度下，活性橙13溶液的解聚效果比活性藍(lán)49溶液更明顯。DEG的加入降低了染料溶液的表面張力，提高了染料溶液的粘度，因此，DEG可以改善墨滴的形成，防止衛(wèi)星液滴的形成。當(dāng)染料溶液中加入DEG時(shí)，會(huì)阻礙油墨的滲透，從而打印出邊緣清晰、分辨率高的色塊。與活性橙13相比，活性藍(lán)49溶液的表面張力下降更明顯，粘度提高更明顯。結(jié)果表明，在相同濃度的DEG下，藍(lán)色49溶液的衛(wèi)星滴數(shù)較少，在織物上的擴(kuò)散面積較小，印花性能優(yōu)于活性橙13染料溶液。

參考文獻(xiàn)：

[1] Zhang L , Fang K , Zhou H . Interaction of Reactive-Dye Chromophores and DEG on Ink-Jet Printing Performance[J]. Molecules, 2020, 25(11):2507.


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