基于纖維素納米球分散劑的數(shù)碼印花墨水的制備及其性能研究

沈靜　張梅飛　馬廷方　余厚詠　姚菊明

摘 要：采用混酸法制備纖維素納米球，并以其為分散劑，通過(guò)與其他助劑混合制得性能優(yōu)良、分散穩(wěn)定的數(shù)碼印花墨水。掃描電鏡顯示，混酸法制備的纖維素納米球的粒徑在50 nm左右，Zeta電位儀測(cè)定其具有較高的電負(fù)性。將其與活性墨水及其他助劑混合，正交試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維素納米球?qū)δ酿ざ燃半妼?dǎo)率起到重要的影響作用。將其與商用墨水進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)自主配制的數(shù)碼印花墨水在黏度、電導(dǎo)率及Zeta點(diǎn)位等性能指標(biāo)上均優(yōu)于普通商用墨水。

關(guān)鍵詞：纖維素;分散劑;數(shù)碼印花;墨水

中圖分類(lèi)號(hào)：TS194.434

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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

紡織品噴墨印花技術(shù)是一種新型的印花方式，它摒棄了傳統(tǒng)印花中制版這一復(fù)雜環(huán)節(jié)，而是將經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理的圖片輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)印花分色系統(tǒng)編輯處理后，通過(guò)噴墨印花系統(tǒng)，將專(zhuān)用墨水直接噴印到各種織物上，從而在織物上得到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的印花織物[1]。其工藝流程簡(jiǎn)單，具有小批量、高精度、多品種、快速反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，是21世紀(jì)紡織品印花的全新發(fā)展方向。

印花墨水的配制是數(shù)碼印花技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵工序，用于數(shù)碼印花的墨水必須滿(mǎn)足一定的物理及化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。性能優(yōu)良的墨水不僅決定了織物表面印花圖案的效果，也決定了噴嘴噴出液滴的形狀及印花系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。目前，數(shù)碼印花的墨水主要依賴(lài)國(guó)外公司進(jìn)口，其價(jià)格普遍較高，且墨水的各項(xiàng)性能對(duì)織物表面的數(shù)碼印花仍然具有一定的限制。

本文采用混酸法制備了一種纖維素納米球，以其為分散劑配制了一種紡織品數(shù)碼印花墨水，研究了墨水的各組分對(duì)墨水性能的影響，并將其與商用墨水進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)本研究所配制的墨水具有更為優(yōu)良的性能，研究結(jié)果對(duì)噴墨印花墨水的研發(fā)具有很好的指導(dǎo)作用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

材料：纖維素纖維（粘膠短纖維，山東銀鷹化纖有限公司）;鹽酸（分析純，上海化學(xué)試劑公司）;檸檬酸（分析純，上?；瘜W(xué)試劑公司）;紅色活性染料（K-2BP，泰興錦雞染料有限公司）;保濕劑（乙二醇，化學(xué)純，國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司）;殺菌劑（CIT/MIT-14，上海三博生化有限公司）;表面活性劑（十二烷基磺酸鈉，化學(xué)純，國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司）。

儀器：Zeta電位儀（90Plus，美國(guó)布魯克海文儀器公司）;場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（ALTRA55，德國(guó)ZEISS公司）;雷磁電導(dǎo)率儀（DDS-307，深圳市泰康達(dá)科技有限公司）;旋轉(zhuǎn)流變儀（MCR52，奧地利安東帕有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 纖維素納米球的制備

將纖維素纖維置于50%的NaOH溶液中，在300 r/min的攪拌速度下堿煮30 min，得到堿處理纖維素，然后將堿處理纖維素置于反應(yīng)釜中在混酸條件下于120 ℃反應(yīng)30 min，即可得到在水溶液中良好分散的纖維素納米球。

1.2.2 基于纖維素納米球分散劑的數(shù)碼印花墨水配制

以紅色活性染料為主體，纖維素納米球?yàn)榉稚瑢⑵渑c保濕劑、殺菌劑、表面活性劑等助劑按一定的比例進(jìn)行混合，然后充分?jǐn)嚢杈鶆颍渲频玫綌?shù)碼印花墨水。

1.3 測(cè)試表征

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡測(cè)定纖維素納米球的表面形貌;采用Zeta電位儀測(cè)定纖維素納米球及墨水的Zeta電位;采用旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)定所配制墨水的黏度;采用雷磁電導(dǎo)率儀測(cè)定墨水的電導(dǎo)率。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維素納米球分散劑的性能分析

穩(wěn)定分散的纖維素納米球能夠作為染料分子的分散劑及穩(wěn)定劑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)染料分子的高度分散，并調(diào)控配制染料的黏度、電導(dǎo)率等物理性能。因此，尺寸均一且表面帶電的纖維素納米球分散劑的制備是配制數(shù)碼印花墨水的關(guān)鍵[4]。圖1為鹽酸法與混酸法所制備的纖維素納米球的Zeta電位，可以發(fā)現(xiàn)不同條件下所制備的纖維素納米球均呈現(xiàn)較高的負(fù)電性。

相比于鹽酸法，混酸法制得的纖維素納米球的Zeta電位絕對(duì)值明顯增大，當(dāng)鹽酸與檸檬酸配比為9∶1時(shí)，其Zeta電位絕對(duì)值最大達(dá)到-55.5 mV，說(shuō)明此條件下所制備的纖維素納米球表面所帶的負(fù)電荷最大，懸浮液中納米球間的靜電斥力最大，其懸浮體系最穩(wěn)定[5]。圖2為混酸法（9∶1）所制備的納米球的SEM照片，所制備的納米球具有較好的單分散性、尺寸較為均一，粒徑大小約為10～50 nm。

因此，混酸法克服了鹽酸法制備的纖維素納米球容易團(tuán)聚的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了纖維素納米球的表面功能化（含有帶電基團(tuán)），使纖維素納米球具有穩(wěn)定的分散性（高Zeta電位值），室溫下靜置2個(gè)月仍然保持良好的分散性。

2.2 基于纖維素納米球分散劑的數(shù)碼印花墨水的配制及其性能優(yōu)化

以上述混酸法（9∶1）制備的纖維素納米球作為數(shù)碼印花墨水的穩(wěn)定劑及分散劑，通過(guò)選配適當(dāng)?shù)闹鷦┲苽鋽?shù)碼印花墨水。通過(guò)5因素4水平的正交試驗(yàn)對(duì)所配制墨水的基本物理性能進(jìn)行工藝優(yōu)化，其正交參數(shù)設(shè)置如表1所示，所得正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

選擇黏度、電導(dǎo)率和Zeta電位作為正交試驗(yàn)的3個(gè)指標(biāo)以評(píng)價(jià)墨水基本物理性能的基本指標(biāo)，分別求出極差和K1，K2，K3，K4值，得出影響3個(gè)指標(biāo)的因素主次順序（表3-表5）。

根據(jù)正交試驗(yàn)中的結(jié)果，分析墨水組分對(duì)黏度的影響因素可以發(fā)現(xiàn)，影響所配制墨水黏度的主要因素為染料本身，其次為所制備的纖維素納米球分散劑;分析墨水組分對(duì)電導(dǎo)率的影響可以發(fā)現(xiàn)，影響所配制墨水電導(dǎo)率的主要因素為表面活性劑，纖維素納米分散劑也起了重要作用;分析墨水組分對(duì)Zeta電位的影響可以發(fā)現(xiàn)，活性染料對(duì)其具有較大影響。正交試驗(yàn)的極差結(jié)果分析表明，除了適當(dāng)試劑的綜合影響外，纖維素納米球分散劑在黏度和電導(dǎo)率兩項(xiàng)墨水指標(biāo)中都占有重要的影響。

2.3 基于纖維素納米球分散劑的數(shù)碼印花墨水的物理性能表征

選擇正交試驗(yàn)中性能相對(duì)較為優(yōu)良的樣品（編號(hào)8、9、10）為對(duì)比樣，研究其與商用墨水的物理性能差異。

圖3為商用墨水與自主配制墨水的黏度對(duì)比。與商用墨水相比，本研究所配制的墨水的黏度大大降低，這是由于墨水中的纖維素納米球分散劑表面具有強(qiáng)負(fù)電荷基團(tuán)，使粒子間具有較強(qiáng)的靜電斥力作用，因此墨水中纖維素納米球可以呈現(xiàn)較好的分散狀態(tài)，導(dǎo)致墨水的黏度降低。

噴墨印花墨水的電導(dǎo)率，反映了墨水中鹽含量的高低程度。電導(dǎo)率高，含鹽量高，墨水容易結(jié)晶、沉析，穩(wěn)定性差，易堵塞噴頭。圖4為商用墨水與自主配制墨水的電導(dǎo)率對(duì)比，相對(duì)于商用墨水，自主配制的墨水電導(dǎo)率明顯降低，這可以有效避免墨水在噴頭處形成結(jié)晶，堵塞噴口。

圖5為商用墨水與自主配制墨水的Zeta電位對(duì)比。相比于商用墨水，本研究所配制的墨水具有更高的Zeta電位，墨水的穩(wěn)定性大大提升，有利于墨水的儲(chǔ)存及打印要求。

2.4 基于纖維素納米球分散劑的數(shù)碼印花墨水的印花效果

圖6為纖維素納米球?yàn)榉稚┑臄?shù)碼印花用納米墨水（CNCI）最優(yōu)樣品與商用墨水理化性能及印花效果對(duì)比圖。

從圖6可以看出，本文研制的基于纖維素納米球?yàn)榉稚┑臄?shù)碼印花用納米墨水（CNCI）具有黏度小、電導(dǎo)率低不易結(jié)晶、上色率高等優(yōu)點(diǎn)。其原因除了適當(dāng)助劑的綜合影響之外，主要是添加進(jìn)自主研制表面帶電的纖維素納米球（CNC）作為分散劑。在正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中，分散劑在黏度和電導(dǎo)率兩項(xiàng)極差分析中都作為主要影響因素，說(shuō)明表面帶電的纖維素納米球?qū)δ某晒ρ兄破鸬搅酥匾淖饔茫Y(jié)合Zeta電位數(shù)據(jù)分析，自主研制的數(shù)碼印花用墨水中表面帶電的纖維素納米球在水溶液中呈現(xiàn)出了高度的分散性，穩(wěn)定性好，可以調(diào)控墨水的基本物理性能，上色率提高，印花效果得到提升。

3 結(jié) 論

采用混酸法制備了單分散性?xún)?yōu)良、尺寸均一、粒徑大小約為10～50 nm的高電負(fù)性纖維素納米球。以其為分散劑，通過(guò)選配適當(dāng)?shù)闹鷦┲苽鋽?shù)碼印花墨水，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)探究墨水各組分對(duì)墨水的黏度、電導(dǎo)率及Zeta電位的影響，可以發(fā)現(xiàn)除了其他助劑的綜合影響外，纖維素納米球?qū)δ酿ざ燃半妼?dǎo)率起到重要的影響作用。對(duì)比商用墨水及自主配制墨水，可以發(fā)現(xiàn)相對(duì)于商用墨水，自主配制的數(shù)碼印花墨水在黏度、電導(dǎo)率和Zeta電位等性能指標(biāo)及上色率印花效果上都要優(yōu)于普通商用墨水。

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