納米銀/海藻酸鈉墨滴在棉織物上的鋪展性能研究

楊振魯 郭秀田 姚甲樂(lè) 朱樂(lè) 郝龍?jiān)? 王蕊

摘要：為分析墨滴粘度、表面張力等因素對(duì)噴墨印制品質(zhì)的影響，配制了納米銀/海藻酸鈉墨水體系，系統(tǒng)探究了納米銀、海藻酸鈉及表面活性劑對(duì)墨滴在棉織物表面鋪展性能的影響。研究結(jié)果表明，納米銀的用量對(duì)墨水體系的粘度、表面張力都不會(huì)產(chǎn)生顯著影響，隨著納米銀含量的增加，墨滴鋪展面積逐漸減小，鋪展圓度增加；海藻酸鈉的加入使體系的粘度顯著增加，導(dǎo)致墨滴鋪展面積逐漸減小，鋪展圓度增大；非離子表面活性劑AEO-9的加入使體系的表面張力下降明顯，導(dǎo)致墨滴鋪展面積減小，鋪展圓度增大。

關(guān)鍵詞：納米銀；海藻酸鈉；棉織物；墨滴鋪展

中圖分類號(hào)：TS190

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-1037（2023）02-0024-06

doi：10.3969/j.issn.1006-1037.2023.02.05

基金項(xiàng)目：

國(guó)家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：51971114）資助；山東省部共建生物多糖纖維成形與生態(tài)紡織國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主開放課題（批準(zhǔn)號(hào)：ZKT44）資助。

通信作者：

王蕊，女，博士，教授，主要研究方向?yàn)椴牧吓c應(yīng)用化學(xué)。

近年來(lái)，隨著科技進(jìn)步，人們對(duì)紡織品的功能性和智能化要求大大提高，電子智能紡織品開發(fā)逐漸成為研究的焦點(diǎn)，應(yīng)用范圍已從民用拓展至軍用、醫(yī)用、航天、航海等各領(lǐng)域。為實(shí)現(xiàn)電子智能紡織品的制造，首先構(gòu)建導(dǎo)電紡織基礎(chǔ)材料，把傳感器、執(zhí)行器、微控制器、電源等各部分連接起來(lái)形成回路，從而達(dá)到傳感和執(zhí)行、控制和通訊等功能［1］。通過(guò)紡紗織造、印染后處理等生產(chǎn)工藝將導(dǎo)電聚合物、石墨烯、碳納米管、納米銀等以紡絲、涂覆、印花等方式施加在紡織品上，能夠有效提高其導(dǎo)電能力［2］。數(shù)字噴墨印花是一種集機(jī)械、電子、材料和印染等技術(shù)于一體的印花技術(shù)，可將導(dǎo)電物質(zhì)與增稠劑、表面活性劑、粘結(jié)劑等直接印制在織物上形成導(dǎo)電織物。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，數(shù)字噴墨印花技術(shù)具有快速、環(huán)保、精度高、生產(chǎn)靈活等諸多優(yōu)勢(shì)［3］。但是，噴墨印花是一種非接觸式的印花技術(shù)，墨滴在承印物上的潤(rùn)濕鋪展受墨滴性質(zhì)如粘度、表面張力等的影響非常顯著，與印花成像的準(zhǔn)確性和清晰度緊密相關(guān)［4］。迄今，染料型墨滴在紡織品上的鋪展性能已經(jīng)得到一定關(guān)注和研究。研究發(fā)現(xiàn)，體積為4.0 μL的青、品紅、黃和黑色顏料墨滴在棉織物上的鋪展面積依次為89.2 mm2、114.3 mm2、109.1 mm2和127.6 mm2；織物經(jīng)陽(yáng)離子聚合物改性后，對(duì)應(yīng)顏色墨滴的鋪展面積依次下降47.2%、50.0%、58.0%和57.4%，且沉積形狀由橢圓形逐漸變成圓形［5］。表面活性劑SDS的引入可使活性染料墨滴（Cyan、Black）在亞麻織物上的鋪展面積減小14%，墨滴滲化程度也明顯減?。?］。活性染料墨滴在不同組織結(jié)構(gòu)棉織物上的鋪展性能不同，織物表面越粗糙、孔隙率越大，墨滴在織物上的鋪展面積就越大［7］。分散染料墨滴在滌綸針織物上的鋪展及印制清晰度受織物性質(zhì)影響顯著，織物的有效孔隙度越大，墨滴在織物上的擴(kuò)散面積就越小，墨滴在織物上的擴(kuò)散距離、印花實(shí)際線寬和織物有效孔隙度三者間存在一定的線性相關(guān)性［8］?；钚猿饶卧诳椢锉砻驿佌?jié)B透后形成“線段簇”而不是圓點(diǎn)，需將墨滴間距調(diào)至合適數(shù)值（20 μm）時(shí)，才能通過(guò)墨滴的鋪展與聚結(jié)得到清晰、連續(xù)、美觀的印制圖案［9］。相較于其他導(dǎo)電材料，金屬銀的價(jià)格適中、穩(wěn)定性較高且導(dǎo)電性優(yōu)良，是制備噴墨印花導(dǎo)電墨水的理想材料。但是，對(duì)含銀墨滴在紡織品上的鋪展性能缺乏較為系統(tǒng)的研究。本研究利用海藻酸鈉為增稠劑，配制出具有不同粘度、表面張力等性質(zhì)的含銀墨滴，測(cè)定其在純棉織物上的潤(rùn)濕角、鋪展面積、鋪展圓度等相關(guān)特征值，分析墨滴在織物上的鋪展規(guī)律，為提高噴墨印制導(dǎo)電紡織品的品質(zhì)提供支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料和儀器

實(shí)驗(yàn)材料：硝酸銀、檸檬酸三鈉（購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），海藻酸鈉（購(gòu)于青島海之林生物科技開發(fā)有限公司），脂肪醇聚氧乙基醚AEO-9（購(gòu)于嘉寶化工有限公司），純棉織物（漂白斜紋，150 g/m2，由青島雪達(dá)集團(tuán)提供）。

實(shí)驗(yàn)儀器：粒度分析儀（LitesizerTM500）、動(dòng)態(tài)表面張力儀（KRUSS BP-100）、全自動(dòng)接觸角測(cè)量?jī)x（OCA 25）、數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)（NDJ-8S）、工業(yè)相機(jī)（USB500）、全自動(dòng)色差儀（ADCI-60）、電熱鼓風(fēng)干燥箱（CS1012）。

1.2 納米銀/海藻酸鈉墨水的制備

分別稱取一定量的海藻酸鈉和AEO-9，用去離子水溶解。稱取一定質(zhì)量的納米銀固體加入水中，超聲1 h使之成為均勻分散體系。將海藻酸鈉溶液、納米銀分散液、表面活性劑溶液、去離子水按不同比例混合，得到納米銀/海藻酸鈉墨水。海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0 wt%～1.0 wt%，納米銀含量為0 wt%～2.0 wt%，AEO-9濃度為0～0.2 mmol/L。

1.3 墨滴在棉織物表面的鋪展

用1000 μL微量進(jìn)樣器吸取配制好的納米銀/海藻酸鈉墨水，在相同的高度上形成墨滴并使之滴落于棉織物上自發(fā)鋪展。

1.4 測(cè)試與表征

取待測(cè)液體置于粒度分析儀專用比色皿中，在25 ℃條件下測(cè)試樣品的粒徑分布及Zeta電位。取35 mL待測(cè)液體，使用數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度儀，選擇1號(hào)轉(zhuǎn)子測(cè)試樣品的粘度。取5 mL待測(cè)樣品，在25℃條件下利用動(dòng)態(tài)表面張力儀測(cè)定墨水體系表面張力的變化。

將織物用雙面膠貼在玻璃片上壓平，用1000 μL微量進(jìn)樣器在織物表面滴加墨滴，并通過(guò)接觸角測(cè)試儀測(cè)量墨滴在織物上的接觸角。墨滴鋪展后，用工業(yè)相機(jī)對(duì)鋪展圖案進(jìn)行拍照，通過(guò)Image J軟件測(cè)量計(jì)算墨滴在織物表面的鋪展面積和鋪展長(zhǎng)度，并以鋪展短徑除以長(zhǎng)徑表示墨滴鋪展的圓度。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米銀對(duì)墨滴鋪展性能的影響

對(duì)研究中所使用納米銀的膠體性質(zhì)進(jìn)行表征，結(jié)果如圖1所示。由圖1（a）可以看出，納米銀顆粒的主體平均粒徑為200 nm左右，分布較為集中，由圖1（b）可以看出，納米銀顆粒具有較高的Zeta電位，可為顆粒之間產(chǎn)生足夠的靜電排斥力而保持分散穩(wěn)定。

其次，研究了加入納米銀的用量對(duì)墨水體系粘度和表面張力的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2（a）可知，體系中加入納米銀的數(shù)量對(duì)體系的粘度并不會(huì)產(chǎn)生顯著影響。粘度是流體的特性，表示流體對(duì)剪切變形或流動(dòng)的阻力。對(duì)于納米銀/海藻酸鈉墨水體系來(lái)說(shuō)，粘度的獲得主要靠海藻酸鈉來(lái)實(shí)現(xiàn)。海藻酸鈉在水中離解成為陰離子，使分子鏈上帶有大量負(fù)電荷并發(fā)生水化作用而結(jié)合大量的水分子，卷縮的分子鏈在水中伸展，增大了流體層與層之間的滑動(dòng)摩擦阻力，體系的粘度隨之增高。在濃度不變的情況下，納米銀顆粒的加入并不會(huì)影響流動(dòng)的阻力，從而對(duì)粘度無(wú)顯著影響。由圖2（b）可知，加入納米銀顆粒對(duì)墨水體系的表面張力也不會(huì)產(chǎn)生影響。流體表面分子受到的垂直于表面且指向液體內(nèi)部的合力使表面分子有沿此力向內(nèi)收縮的自然趨勢(shì)，由此產(chǎn)生的與液面相切的力就是液體的表面張力。在水溶液中加入某些溶解性物質(zhì)如醇、表面活性劑等，往往可以使表面張力發(fā)生改變。納米銀是一種非水溶性固體顆粒，在體系中呈分散狀態(tài)，因此并不會(huì)改變體系的表面分子排布狀態(tài)，對(duì)表面張力也就無(wú)顯著影響。

墨滴以一定初速度沉積到織物表面后，向四周延展流動(dòng)鋪展。墨滴鋪展是在慣性力、表面張力和織物表面能的共同作用下形成一層液體薄膜的過(guò)程，是固、氣界面代替為固、液界面的過(guò)程，通常可分為接觸、擴(kuò)散和收縮三個(gè)階段［10］。接觸階段，球型墨滴受到織物的擠壓而發(fā)生形變，墨滴沿表面橫向擴(kuò)張；擴(kuò)散階段，墨滴與織物的接觸面積逐漸增大，內(nèi)部液體沿織物表面向四周擴(kuò)散并達(dá)到極限；收縮階段，墨滴擴(kuò)散達(dá)到最大值后開始向內(nèi)回縮并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

接觸角是評(píng)價(jià)墨滴鋪展行為的重要參數(shù)。根據(jù)楊氏方程，潤(rùn)濕角的大小由固—?dú)?、固—液和液—?dú)饨缑孀杂赡軟Q定。通常來(lái)說(shuō)，接觸角越小，墨滴的潤(rùn)濕鋪展性越好。納米銀含量對(duì)墨滴與織物接觸角的影響如圖3（a）所示。可以看出，隨著納米銀含量的增加，接觸角逐漸增大，表明墨滴對(duì)織物的潤(rùn)濕鋪展性能下降。由前所述，納米銀顆粒的加入并不會(huì)影響墨滴的表面張力，因此潤(rùn)濕角的變化可能是由于納米銀的加入使墨滴與織物表面的作用力發(fā)生改變而導(dǎo)致。

鋪展面積是評(píng)價(jià)墨滴鋪展行為的另一重要參數(shù)。納米銀含量對(duì)墨滴在織物上鋪展面積的影響如圖3（b）所示。可以看出，納米銀的加入導(dǎo)致鋪展面積的減小。納米銀加入后，墨滴鋪展變得困難，鋪展面積相應(yīng)減少，這與上面潤(rùn)濕角測(cè)試所反映的規(guī)律是相符的。墨滴鋪展圓度則有所改善，鋪展變慢導(dǎo)致擴(kuò)散的各向異性下降，更多的墨滴往織物內(nèi)部發(fā)生了滲透，這在一定程度上將導(dǎo)致印制精度的提升。

2.2 海藻酸鈉對(duì)墨滴鋪展性能的影響

加入海藻酸鈉的濃度對(duì)體系粘度和表面張力的影響結(jié)果如圖4所示。由圖4（a）可知，加入海藻酸鈉的濃度對(duì)體系的粘度產(chǎn)生顯著影響。海藻酸鈉由甘露糖酸和古羅糖酸?；酆辖M成，是一種重要的紡織品印花糊料，在水中電離后具有強(qiáng)的水化和增稠能力。加入濃度越高，導(dǎo)致水化結(jié)合的水分子越多，體系的粘度增加就越顯著。噴墨印花中，墨水體系粘度不能太高，較高的粘度將延遲墨水流體的伸展斷裂，導(dǎo)致噴射變得緩慢，對(duì)噴射的精度也會(huì)造成影響。由圖4（b）可知，海藻酸鈉的加入對(duì)體系的表面張力不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，海藻酸鈉雖然具有水溶性，但單個(gè)的海藻酸鈉分子具有很大的分子量，不會(huì)富集排布在水溶液的表面，因此不會(huì)造成表面張力的顯著改變。

海藻酸鈉濃度對(duì)墨滴與織物接觸角的影響如圖5（a）所示。隨著海藻酸鈉含量的增加，接觸角逐漸增大，表明墨滴對(duì)織物的潤(rùn)濕性能變差，阻礙了在織物表面的鋪展。海藻酸鈉的加入并不會(huì)影響墨滴的表面張力，因此潤(rùn)濕角的變化可能是由于海藻酸鈉的加入使墨滴與織物表面的作用力發(fā)生改變而導(dǎo)致。由圖5（b）看出，海藻酸鈉的加入導(dǎo)致鋪展面積的減小。墨滴鋪展變得困難，鋪展面積相應(yīng)減少，這與上面潤(rùn)濕角測(cè)試所反映的規(guī)律是相符的。而鋪展圓度則會(huì)略有改善，鋪展變慢導(dǎo)致擴(kuò)散的各向異性下降，更多的墨滴往織物內(nèi)部發(fā)生了滲透。

2.3 表面活性劑對(duì)墨滴鋪展性能的影響

在納米銀/海藻酸鈉墨水體系中加入非離子表面活性劑AEO-9，研究對(duì)墨滴在棉織物上鋪展性能的影響。AEO-9是脂肪醇聚氧乙烯醚類表面活性劑，在水中溶解后不帶電荷，不受強(qiáng)電解質(zhì)以及酸、堿等的影響，加入后對(duì)納米銀和海藻酸鈉也無(wú)不良影響。AEO-9加入后對(duì)體系表面張力的影響如圖6所示。隨AEO-9用量的增大，體系的表面張力迅速降低，AEO-9分子溶解后會(huì)優(yōu)先排布在水的表面，從而引起表面張力的迅速變化。

AEO-9濃度對(duì)墨滴與織物接觸角的影響如圖7（a）所示。隨著AEO-9濃度的增加，接觸角逐漸減小，表明墨滴對(duì)織物的潤(rùn)濕性能增強(qiáng)，有利于在織物表面的鋪展。由于AEO-9的加入能夠降低墨滴的表面張力，根據(jù)楊氏方程，在其他因素不變的情況下這將導(dǎo)致潤(rùn)濕角的減小。由圖7（b）看出，AEO-9的加入也導(dǎo)致鋪展面積的降低。雖然墨滴鋪展變得更加容易，根據(jù)Washburn方程，其向纖維內(nèi)部滲透的能力也變大，最終表現(xiàn)為在織物上鋪展面積的減少。鋪展面積減小以及滲透性能的增大導(dǎo)致擴(kuò)散的各向異性下降，墨滴的鋪展圓度有所改善，這將有利于提高印制精度。

3 結(jié)論

納米銀的含量對(duì)墨水體系的粘度、表面張力不會(huì)產(chǎn)生顯著影響。隨著納米銀含量的增加，墨滴接觸角增大，鋪展面積減小，鋪展圓度有所改善。海藻酸鈉對(duì)墨水體系粘度產(chǎn)生顯著影響，加入濃度越高，體系的粘度增加越顯著。隨著海藻酸鈉含量的增加，墨滴接觸角增大，鋪展面積減小，鋪展圓度有所改善。非離子表面活性劑AEO-9對(duì)墨水體系的表面張力產(chǎn)生顯著影響，加入濃度越高，體系的表面張力下降越顯著。隨著AEO-9濃度的增加，墨滴接觸角減小，鋪展面積減小，鋪展圓度有所改善。

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