染料疏水性對織物噴墨印花清潔度和分辨率的影響

2021-02-18 12:49 睿度光電RUIDU
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近日，青島大學(xué)房寬峻教授課題組通過使用MicroFab集成Ink-jet噴墨打印系統(tǒng)研究了活性染料的疏水性對有機(jī)溶劑用量和噴墨圖像分辨率的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有機(jī)溶劑較少的染料疏水性較強(qiáng)，獲得的噴墨打印圖像質(zhì)量更高。這一發(fā)現(xiàn)為減少墨水中有機(jī)溶劑的消耗，提高染料溶液的利用率提供了一個(gè)新的方向。




織物噴墨印花是紡織工業(yè)清潔生產(chǎn)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。活性染料和有機(jī)溶劑是噴墨油墨的重要組成部分?；钚匀玖系慕Y(jié)構(gòu)、疏水性和聚集度影響有機(jī)溶劑和墨水滴在織物上的數(shù)量，這對減少有機(jī)溶劑的用量，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)研發(fā)團(tuán)隊(duì)在“Insights into Influences of Dye Hydrophobicity on Cleanliness and Resolution of Fabric Ink-Jet Printing”（發(fā)表于《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》）的研究中采用兩種不同結(jié)構(gòu)的紅色活性染料（活性紅218染料和活性紅24:1染料）制備活性染料溶液，并通過對其表面張力、流變性能、可見吸收光譜、液滴形成及在棉織物上的擴(kuò)散行為進(jìn)行研究。**研究了染料的疏水性對有機(jī)溶劑用量和噴墨圖像分辨率的影響。結(jié)果表明，活性紅218染料具有較強(qiáng)的疏水性和較致密的聚集性?；钚约t218簇更容易通過DEG與染料分子之間的疏水作用分解成染料單體，而活性紅24:1簇更容易分解成小簇?；钚约t218溶液液滴較穩(wěn)定?；谏鲜鲈?，疏水性較強(qiáng)的染料溶液需要的有機(jī)溶劑較少，且在織物上的液滴擴(kuò)散面積較小(代表較高的印刷分辨率)。這些發(fā)現(xiàn)為減少有機(jī)溶劑的消耗，提高染料溶液的利用率提供了一個(gè)新的方向。

紡織生產(chǎn)加工是保障人民生活的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，印染工藝是紡織工業(yè)中極其重要的組成部分。然而，傳統(tǒng)的印染工藝在環(huán)保方面存在*多缺點(diǎn)，如能耗高、耗水量大、污水產(chǎn)量大等。近年來，紡織品數(shù)字噴墨印花以其低消耗、低污染、高質(zhì)量、可實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的特點(diǎn)受到人們的廣泛關(guān)注。作為一種新技術(shù)，噴墨印刷在實(shí)際生產(chǎn)過程中有*多技術(shù)難點(diǎn)需要克服。例如，在噴墨打印過程中，由于噴嘴濕潤不夠，導(dǎo)致墨滴無法噴出。在設(shè)計(jì)油墨配方的過程中，有機(jī)溶劑的比重比較大。在高噴射頻率下容易形成衛(wèi)星墨水滴，導(dǎo)致對織物的圖像分辨率較低和空氣污染。一些研究者進(jìn)行了各種研究來提高噴墨打印圖像的分辨率，這與墨滴形狀密切相關(guān)。在活性染料油墨中加入10種不同類型和數(shù)量的有機(jī)溶劑，獲得更穩(wěn)定的液滴和高質(zhì)量的圖像，有利于提高染料效率。對染料進(jìn)行改性，以提高分辨率并調(diào)整油墨配方。在油墨中加入萘磺酸等表面活性劑，調(diào)節(jié)表面張力等重要參數(shù)，使液滴行為穩(wěn)定。為了獲得穩(wěn)定的液滴，需要調(diào)整參數(shù)，避免微小液滴污染空氣。墨水是噴墨印刷技術(shù)的主要耗材，而活性染料是墨水最重要的成分。活性染料的不同結(jié)構(gòu)往往導(dǎo)致其疏水性不同，從而影響油墨的物理性能。因此，探索和了解染料的疏水性對油墨物理性能的影響，對于減少有機(jī)溶劑的加入，獲得更高質(zhì)量的噴墨打印圖像是*有必要的。

在本研究中，采用兩種不同疏水性的染料（218年活性染料和活性染料24:1）制備活性染料墨水。**深入研究了染料的疏水性對油墨性能、液滴形狀及在織物上涂布的影響。該研究為減少有機(jī)溶劑消耗，提高紡織品清潔噴墨打印質(zhì)量提供了一個(gè)新的方向。

簡單的實(shí)驗(yàn)步驟：
1、配制濃度為120mmol/L的染料溶液：將活性染料加入含有二甘醇和水的混合物中，置于100ml燒杯中充分?jǐn)嚢?，配制混合溶液。然后，將溶液倒?00ml容量瓶中，用水稀釋至容量瓶中，攪拌。
2、對染料的可見光譜吸收能力、表面張力、密度、電導(dǎo)率進(jìn)行測試。
3、使用流變儀對染料進(jìn)行剪切，改變其流變性能。
4、采用MicroFab集成Ink-jet打印系統(tǒng)（上海睿度光電技術(shù)有限公司），噴嘴直徑為30μm，噴射頻率為1000Hz，在室溫下觀察液滴發(fā)生以及打印過程。

▲ 上圖為活性紅218溶液（A）和活性紅24:1（B）在不同DEG濃度下（a:0.5mol/L，b:1.5mol/L, c:2.5mol/L, d:3.5mol/L）打印在印花棉布的顯微鏡圖?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著DEG濃度的增加，兩種染料溶液在織物上的擴(kuò)散面積略有下降。但更突出的現(xiàn)象是染料的疏水性對擴(kuò)散的影響，隨著疏水性的增加，擴(kuò)散面積明顯減小。因此，疏水性染料越多，有機(jī)溶劑的比例就越低。此外，還提高了噴墨打印圖像的分辨率，從而提高了染料溶液的利用率，實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)。

▲ 活性紅24:1染料

▲ 活性紅218染料
▲ 上圖為不同DEG濃度的活性紅24:1和活性紅218溶液形成液滴的過程，噴射頻率為1000hz。液滴的穩(wěn)定性和化學(xué)成分是影響噴墨打印圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素。為了探討疏水性對有機(jī)溶劑用量和噴墨打印圖像質(zhì)量的影響，對墨滴形成過程進(jìn)行了研究。目前，模擬墨滴狀態(tài)的直接觀察法和建模法被廣泛應(yīng)用于墨滴形成過程的研究。在此背景下，為了探究液滴的形成，實(shí)驗(yàn)中采用了更接近墨水液滴變化狀態(tài)的直接觀察法。在噴射過程中，隨著DEG濃度的增加，液滴的絲狀部分變大。衛(wèi)星液滴和主液滴出現(xiàn)，然后凝聚成穩(wěn)定的液滴。活性紅24:1的液滴形態(tài)與218相似。含有活性紅218的液滴相對于24:1更加穩(wěn)定，這可能是由于活性紅218染料分子具有更強(qiáng)的疏水性。當(dāng)DEG濃度分別為2.5 mol/L和3.5 mol/L時(shí)，這種現(xiàn)象更為明顯。衛(wèi)星液滴的減少可以降低微小水滴造成的空氣污染。雖然適當(dāng)降低了有機(jī)溶劑的用量，但疏水性較強(qiáng)的活性紅218染料液滴仍能迅速穩(wěn)定下降。因此，可以適當(dāng)降低有機(jī)溶劑的比例，以滿足清潔生產(chǎn)的要求。這與墨水滴在棉布上的擴(kuò)散是一致的。活性紅218溶液在棉織物上的擴(kuò)散更小。

綜上，本研究的目的是通過研究染料疏水性的差異，提高噴墨打印圖像的分辨率，減少有機(jī)溶劑的添加，從而提高噴墨打印墨水的清潔度。通過DEG與染料分子間的疏水作用，將活性紅218分解為單個(gè)分子。而活性紅 24:1的聚集物由于疏水性較弱而形成小的分子團(tuán)。與活性紅24:1相比，活性紅218的疏水性更強(qiáng)，使其表面張力更低，粘度更高，墨滴更穩(wěn)定。更穩(wěn)定的液滴可以減少衛(wèi)星液滴造成的空氣污染。因此活性紅218溶液的擴(kuò)散面積較小(代表較高的印刷分辨率)，這意味著疏水性染料越強(qiáng)，染料溶液的利用率越高。此外，在噴墨成像精度相同的情況下，適當(dāng)減少染料溶液配方中有機(jī)溶劑的添加量，為噴墨印刷油墨的清潔生產(chǎn)提供了新的方向。

參考文獻(xiàn)：
[1] Qin H , Fang K , Ren Y , et al. Insights into Influences of Dye Hydrophobicity on Cleanliness and Resolution of Fabric Ink-Jet Printing[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2020, 8(46):17291-17298.
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.0c06447


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