摘要:超细颜料墨水的喷射性能与墨水的组成密切相关。采用超细颜料、模拟多元醇和表面活性剂等组成超细颜料 水性分散体系,观察了不同配方配制的超细颜料分散体系的喷射性能。通过测试分散体系粘度、表面张力等理化指 标在分散机高速剪切和超声波处理后的变化情况,分析了超细颜料水性分散体系喷射性能与体系粘度和表面张力的关系。结果表明,超细颜料水性分散体系的粘度、表面张力以及超声波处理后粘度的变化决定着体系的喷射性能。

    数字喷墨印花技术越来越受到业界关注,目前 使用较多的仍为染料型墨水。染料型墨水的数字喷 墨印花对纤维不具有通用性,耗水耗能多,生产过程中会产生较多的废水[1],这些弊端促进了对数字喷 墨印花用颜料墨水的研究。超细颜料墨水的数字喷墨印花具有以下优点:占地面积小;批量灵活;通用性强、工艺简单;可以实现个性化电子商务消费;无染料和助剂的废弃和浪费,无污水排放,是一种真正 的环保型印染技术[1-5]。

    然而,颜料墨水在喷印过程中,容易出现堵塞喷嘴等问题[6]。墨滴的形成是喷墨技术的关键,也是研究墨水喷墨性能的入手点。国外通过DOD供墨系统和高速摄像设备观察研究了液滴形成的过程,其 中包括对纯液体、简单的混合溶液以及含有固体粒子的液体[7-8]。国内对颜料墨水的喷射性能研究仍然较少。本文借助喷墨情况观察仪,详细记录超细颜料水性分散体系的喷墨状态,分析了超细颜料水性分散体系在喷墨过程中产生断墨、挂墨和墨点跳 动等现象的原因。

    粘度和表面张力是影响墨水喷射性能的两个关键指标。通过实验设计,作者试图寻找出其他与打印性能相关的指标。本文采用分散机在9000rpm下高速剪切15分钟及1000w超声波处理10分钟两种方法,分别对超细颜料水性分散体系进行处理,测试处理后体系粘度的变化,分析了高速剪切和超声波处理后体系粘度的变化与喷射性能的相关性。

    1实验

    1·1　实验药品和仪器

    实验药品:丙三醇(分析纯,华东化学试剂公司);固色剂CF-100(青岛海怡精细化工有限公司);抑泡剂FE(青岛海怡精细化工有限公司);黑色超细颜料色浆(青岛海怡精细化工有限公司)。实验仪器:电子分析天平(梅特勒-托利多仪器上海有限公司); IKA RW20N搅拌机(德国IKA实验室技术有限公司); DV-ⅢULTRA粘度计(美国 BROOKFIELD公司);KRüSSDSA100滴形分析仪(德国KrüSS公司); JY98-3D超声波细胞粉碎机(宁波新芝科器研究所); IKAT18Basic分散机(德国IKA实验室技术有限公司);图1所示喷墨情况观察仪 (杭州宏华数码科技股份有限公司研制)。

    以丙三醇为多元醇代表,通过添加适量的抑泡剂等表面活性剂和固色剂等,配制不同粘度和表面 张力的超细颜料分散体系。在高速剪切和超声波条件下对体系进行处理,然后测定体系的粘度变化。在本实验中,所确定的超细颜料水性分散体系的三个配方见表1。样品A、样品B、样品C各配制500 g。配制方法:称取一定量的去离子水、丙三醇、抑泡剂、固色剂,搅拌均匀,加入一定量的黑色超细颜料色浆(30%,w/w),使用IKARW20N搅拌机以700r/分钟的转速搅拌10分钟。

    1·3粘度测定

    取配制的分散体系20mL,在25℃条件下,采用00号转子(扭矩为50% ),在DV-ⅢULTRA粘度计上测定分散体系的粘度。

    1·4表面张力测定

    取配制的分散体系2mL,于25℃条件下,采用悬 滴法在KRüSSDSA100滴形分析仪上测试表面张力, 每个样品测定3次取平均值。

    1·5高速剪切处理方法

    取配制的分散体系50mL,采用IKAT18把Basic分散机以9000rpm的转速高速剪切15分钟,静置15分钟后测定粘度;静置30分钟时再次测试体系粘度。

    1·6超声波处理方法

    取配制的分散体系50mL,采用JY98-3D超声波细胞粉碎机以1000w的功率(间隔4秒超声1秒)总处理时间10分钟,静置15分钟后测试粘度。

    1·7　喷射性能测定

    取配制的分散体系300mL,装入喷墨观测装置墨盒。设置打印参数,打印30分钟,每打印10分钟时截取一次图片,记录喷射性能。此实验在杭州宏 华数码科技股份有限公司的墨水测试实验室完成。

    2结果与讨论

    2·1超细颜料分散体系的喷射性能

    按照1.7的测试方法,对每个样品进行喷射性能测试。在开始打印时截取一张图片,此后第10分钟、20分钟、30分钟时分别截取一次图片。由于使用计算机观察时对喷头部位放大很多倍,故每次截图时 仅能截取部分喷孔。实际操作过程中,会通过移动 喷头,观察所有喷头的工作情况。截取的图片是具有代表性的,可以反映所有喷孔的喷射状态。以图2为例说明图片的观察方法。从左至右依次为样品A开始喷射时的喷射状态、连续喷射10分

分析比较图2、图3、图4,样品A、C不存在斜喷现象;样品B斜喷现象较为严重。造成斜喷的原因是,喷嘴出口处有杂质粒子附着;当墨滴沿喷嘴喷出时,杂质粒子改变了墨滴的飞行方向。样品A、C基本没有墨点抖动发生;样品B墨点易抖动。墨点跳动往往和斜喷同时发生,墨点抖动一段时间后开始出现斜喷,随后即会发生断线。样品A没有出现挂墨;样品C轻微挂墨;样品B挂墨严重。墨水在喷头表面的铺展,悬挂积累造成挂墨,是引起断墨的另一个重要原因。

    实验发现,三个样品对喷头的润湿填充性能均较好。样品A连续打印30分钟,墨点依旧很稳定、无断线,性能最好;样品B在打印10分钟时出现墨点抖动现象,墨点轨迹开始发生变化,打印30分钟后,大部分墨点都处于不稳定的状态,连续打印性能很差;样品C打印20分钟墨点基本无变化,当打印时间进一步延长时,部分墨点开始变得不稳定,打印性能接近于样品A,比样品B要好很多。

    综合以上分析,三种样品的喷射性能顺序为:样

    粘度反映流体内部相对运动时内摩擦力的大小。数字喷墨印花机对墨水粘度要求很高,不同的喷头所要求的粘度范围也不相同,较早开发的数字喷墨印花机要求墨水粘度较低。为了满足实际生产的需要,喷头生产公司开发出了使用高粘度墨水的喷头,引起研发机构对高粘度墨水开发的关注。本实验所配制的体系粘度数据见表2。

    在喷射过程中,粘度对喷射性能的影响主要体现在以下几个方面:一是,墨水在管道中的流动。喷射性能好的墨水要求在管道中流动顺畅,且不易形成湍流,确保及时供墨。二是,墨水在墨囊内的过滤。在进入喷头之前,墨水经墨囊里金属滤网过滤 能够有效的阻止大粒子对喷头的损害。三是,墨水在喷头内部的流动以及喷射时的流动。喷头内部的管路结构极为精细复杂,对墨水性能要求很高。墨水的粘度必须保证墨水能够在喷头内部顺利流动为下一步的喷射做好准备;否则在喷射时会由于供墨不及时造成断线。

    样品A、B、C的粘度依次为8·33cP、8·19cP 9·96cP。实验结果表明,样品A的喷射性能最好;样品B的喷射性能比样品A差很多;样品C的喷射性 能比样品A稍差,比样品B好很多。可见,粘度对体系的喷射性能影响很大。体系的粘度过大或过小喷射性能均不好;只有当粘度在一定的范围时,才具有较好的喷射性能。样品C粘度较大,影响其在供墨管道、墨囊及喷头内部流动的通畅性,从而造成喷射性能不佳。粘度较小的样品B在喷头内部的填充性能很好,当喷出墨滴以后,能够及时填充腔体;然而此时容易形成湍流,使得墨水具有一定的初始动能;当墨水接受腔体的压力喷出喷孔时,各个喷孔喷出的墨滴差别很大,易于形成墨滴跳动、挂墨和断墨。

    2·3　分散体系表面张力对喷射性能的影响

    表面张力对打印性能的影响存在着一对矛盾 低表面张力使墨水具有更好的润湿特性,有利于墨水在管道中的流动及在喷头内部的填充;高表面张力能够使喷射出的墨滴具有良好的液滴形态,有助于提高打印性能的稳定性[9]。

    样品A、B、C的表面张力依次为28·72 mN· m-1、30·19 mN·m-1、31·75 mN·m-1,呈递增趋势。从喷射性能的对比分析来看,样品A、B、C在喷射时 形成卫星墨滴从而引起墨滴飞溅的现象依次加重。可以这样理解,较低的表面张力有利于分散体系在喷头内部的润湿填充,墨滴喷出以后喷孔再次填充时不会倒吸入空气,能够正常喷射;当表面张力较高时,体系对喷头的润湿填充性能较差,喷墨以后喷孔填充时容易倒吸入空气,再次喷射时会由于起泡破裂造成墨滴飞溅、形成卫星墨滴。

    2·4　高速剪切后体系粘度的变化对喷射性能的影 响

    采用IKA T18 Basic分散机,在9 000 rpm的转速 下高速剪切15分钟。由于剪切时会有泡沫产生,故放置15分钟再测试粘度,以消除泡沫对粘度的影响; 放置30分钟后再次测试体系粘度。采用分散机高速下的剪切模拟喷射时的高剪切,借助体系粘度的变化来评价体系的喷射性能。

    从图5可以看出,高速剪切后放置15分钟时粘度比未处理样品的粘度稍微减小,样品A、样品B、样品C的粘度分别减小0·39cP、0·26cP、0·26cP;放置 30分钟后基本回复到未处理时的粘度。与测试结果对应起来分析,体系高速剪切后粘度的变化与打印性能的优劣基本不相关。结果表明,高速剪切对体系的处理方法与实际喷射时的剪切方式有很大差别,并不能够体现出真实的喷射剪切状况。故高速剪切后体系粘度的变化与喷射性能的好坏没有相关性。

    2·5　超声波处理后体系粘度的变化对喷射性能的

    超声波处理前后体系的粘度数据见图6。通过超声波处理体系模拟喷射时墨水受到的剪切,借助 粘度变化来评价体系的喷射性能。实验采用超声波细胞粉碎机,选择1000W的功率、间隔4秒超声1 秒、总处理时间10分钟的实验条件,对样品进行超声处理。超声波处理时会使体系温度升高,放置15分钟冷却至室温后测试粘度。

    超声波处理后,样品粘度的变化比较明显:样品A的粘度变化最小,减小0·44cP,喷射性能最好;样品B粘度减小0·80cP,变化最大,喷射性能最差;样 品C粘度减小0·71cP,喷射性能比样品B好,比样品A稍差。可见,超声波处理后体系粘度变化小,则喷射性能比较好;体系粘度变化大,则喷射性能差。造成此结果的原因可能是,当体系在喷头喷孔处受到较强的剪切后,粘度变化很大;当液体喷出喷孔后,因粘度变小很多,不利于墨滴的形成。

    3结论

    粘度对超细颜料水性分散体系喷射性能的影响很大。为了获得喷射性能优良的超细颜料水性分散 体系,应调整体系粘度以适合喷头适应的粘度范围。表面张力对喷射性能的影响也非常重要,体现在超细颜料水性分散体系对喷头的润湿填充与墨滴形成 的难易这一对矛盾之中。因此,在数字喷墨印花颜料墨水的开发过程中应尤其注重表面张力的调整。高速剪切后体系粘度的变化与喷射性能之间没 有明显关系,超声波处理后体系粘度的变化与体系的喷射性能的相关性十分明显。超声波处理后体系粘度变化很小,则该体系的喷射性能较好;超声波处理后,体系粘度变化很大,则该体系的喷射性能较差。