（纺织化学与染整工程专业论文）羊毛织物数码印花工艺研究.pdf

北京服装学院羊毛织物数码印花t 艺研究 羊毛织物数码印花工艺研究 摘要 研究了羊毛织物数码印花的上浆及前处理工艺，通过测定海藻酸钠、亚硫酸氢钠、尿 素、硫酸铵、二氧化硫脲、碳酸氢钠及渗透剂等用量对毛织物印花表观深度k s 值的影响， 在试验范围内得到了羊毛织物数码印花的优化前处理工艺。通过印花毛织物未印花部分 的白度、强力及印花后k s 值各项评价指标，得到羊毛织物最佳上浆处理工艺。通过低压 等离子体处理功率、时间和压强的正交试验，以及常压等离子体处理功率和车速的单因素 和正交试验，确定最佳等离子体处理工艺。生物酶处理羊毛织物先选择双氧水预处理的用 量、时间、温度等的较佳工艺，然后再优选酶的用量、温度、时间、p h 等条件，通过印花 织物k s 值、未印花部分的白度和强力等确定最佳酶处理工艺。 试验结果表明：碱性浆最佳浆料处方为：2 海藻酸钠，7 尿素，1 元明粉，0 3 5 二氧化硫脲，0 2 3 碳酸氢钠，渗透剂1 ；酸性浆最佳浆料处方为2 海藻酸钠，7 尿 素，5 亚硫酸氢钠，3 硫酸铵，渗透剂1 ，醋酸调p h 为4 5 左右；低压等离子体处 理的最佳预处理条件为功率3 0 0 w 时间7 m i n 压强3 0 p a 。常压等离子体处理的最佳预处 理条件为功率5 k w 处理时间9 3 s 。生物酶最佳处理条件为：双氧水预处理最佳处方为双 氧水用量( 3 0 ) 3 0 m l l ，硅酸钠5 9 l ，温度5 0 ，时间3 0 m i n 。酶处理最佳处方为： 酶1 0 9 l ( o w f ) ，温度5 0 ，时间3 0 m i n ，p h = 8 0 。 关键字：羊毛织物；数码印花；等离子体；生物酶 北京服装学院羊毛织物数码印花工艺研究 r e s e a r c ho ni n kj e tp r i n t i n gp r o c e s so fw o o lf a b r i c s a b s t r a c t t h ep r e t r e a t m e n to fw o o lf a b r i cd i g i t a lp r i n t i n ga n dt h es i z i n gf o r m u l aw a ss t u d i e di nt h i s p a p e r t h eo p t i m u ms i z i n gf o r m u l aw a sd e t e r m i n e db ym e a s u r i n gt h ee f f e c to ft h ea m o u n to f a l g i n a t e ，h y d r o g e ns o d i u ms u l p h i t e ，u r e a ， a m m o n i u ms u l f a t e ，t h i o u r e ad i o x i d e ，s o d i u m b i c a r b o n a t e ， a n d p e n e t r a t i n ga g e n to nk sv a l u e so f i n kj e tp r i n t e dw o o lf a b r i c s t h eo p t i m u m l o wp r e s sa n dn o r m a lp r e s sp l a s m at r e a t m e n tw a so b t a i n e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t so fp l a s m a p o w e r ，t i m e ，p r e s s u r ea n ds i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t so fp o w e ra n dt i m e t h ed o s a g e so f h y d r o g e np e r o x i d ea n de n z y m e t r e a tt i m e ，t e m p e r a t u r ea n dp hv a l u ew a so p t i m i z e d f i n a l l y ， t h r o u g ht h ew h i t e n e s so f f a b r i c ，s t m a 啦，a n dk sv a l u eo f t h ee v a l u a t i o ni n d e x ，d e t e r m i n et h e b e s tt r e a t m e n tp r o c e s sf o rw o o lf a b r i c ，a n dt h eb e s tf o r t h ep r o d u c td e v e l o p m e n tp r o c e s s r e s e t ss h o wt h a tt h eo p t i m i z e da l k a l i n es i z i n gf o r m u l ai sa l g i n a t e 2 ，u r e a 7 ， s o d i u m s u l f a t e l ，t h i o u r e ad i o x i d e0 3 5 ， s o d i u mb i c a r b o n a t e0 2 3 ，p e n e t r a t i n ga g e n t l ；t h e o p t i m i z e da c i ds i z i n gc o m p o s e da l g i n a t e 2 ，u r e a 7 ，h y d r o g e ns o d i u ms u l p h i t e 5 ，a m m o n i u m s u l f a t e 3 ，p e n e t r a t i n ga g e n t l ，p hv a l u ew a sa d j u s t e dt o4 5 ；t h eb e s tp r e t r e a t m e n tc o n d i t i o no f l o wp r e s sp l a s m ai s3 0 0 wo f p o w e r ，3 0 p ao f p r e s s ，7 m i no f t i m ea n dt h en o r m a lp r e s sp l a s m ai s 5 k wo fp o w e r ，9 3 so ft i m e t h ea v a i l a b l ep r e t r e a t m e n to fe n z y m ei n c l u d e sh y d r o g e np e r o x i d e p r e t r e a t m e n ta n de n z y m et r e a t m e n t ，t h e i ro p t i m i z e dp r e s c r i p t i o ni sr e s p e c t i v e l yt h ea m o u n to f h y d r o g e np e r o x i d e ( 3 0 ) 3 0 m l l ，s o d i u ms i l i c a t e 5g l ，5 0 。c ，3 0 m i n ，a n dt h ea m o u n ti fe n z y m e 1 0 9 l ( o w f ) ，5 0 。c ，3 0 m i n ，p h = 8 0 k e y w o r d s ：w o o lf a b r i c s ；i n kj e tp r i n t i n g ；p l a s m a ；e n z y m e i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取 得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：薹知九日期：力印，年j 7 月二加 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解北京服装学院有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京服装学院。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅、借阅和复印；学校可以将学 位论文的全部或部分内容公开或编入有关数据库进行检索，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 学位论文作者签名：差莉艺日期：汐7 年l 月占2 ，日 导师签名： 堡2 硝 醐：沙7 年胗肌阳 北京服装学院羊毛织物数码印花上艺研究 j l j 刖吾 羊毛纤维是一种天然纤维，具有许多优良的性能深受广大消费者的喜爱。随 着我国经济的持续发展，我国已成为世界上最大的毛纺织生产大国。同时，我国 也是羊毛制品的消费大国。然而，在国内市场上，除了一些印花毛衫我们很少见 到其他印花毛纺织产品。产生这种情况的原因有两点：一、批量小，目前最先进 的筛网印花机很难适应于作为高档的服饰面料，需要体现时尚、个性化的批量较 小的毛织物印花加工。经过图案设计、描稿、制网等工序，不仅加工周期长，成 本很高，而且一般的印花企业也不具备毛织物后整理加工的条件。这就限制了印 花毛织物的生产；二、织物贵，毛织物比其他织物要贵很多。在筛网印花加工中， 要达到多色花样的对花准确性，可能造成几十米织物浪费，这也使得印花羊毛织 物的产量难以提高。于是这就给数码印花应用于羊毛织物以良好契机，同时数码 印花的出现也为毛织物印花打破了尴尬的局面。数码印花与传统印染工艺相比不 需制网，其生产真正实现了小批量、快反应的生产过程，能在各种纺织面料上获 得所需的高精度的印花产品，而且不受花型大小与颜色的限制，为羊毛织物的印 花提供了发展平台。 目前，羊毛织物数码印花真正要能够像其棉织物数码印花一样，实现市场化、 产业化，仍存在很多问题。具体表现在羊毛传统的氯化处理会带来a o x 问题， 使其应用受到严重影响。而且氯化本身也存在操作不易控制，容易造成织物泛黄 以及处理不匀等问题。而如果不经氯化处理，羊毛纤维疏水的类脂层和高度交联 的外角质层阻挡了染料分子通过鳞片层向纤维内部扩散，使得印花织物得色很 浅，且不匀。同时据研究表明，等离子体和生物酶前处理可以破坏羊毛表面的这 广 种阻碍层，因此，本课题分别研究利用浆料组方的化学作用、低压和常压等离子 体以及生物酶处理羊毛织物，目标是使得羊毛印花织物具有良好的防止渗化的作 用，织物印花后获得较好的鲜艳度和色深度。 4 北京服装学院羊毛织物数码印花工艺研究 第1 章文献综述 1 1 羊毛的组织结构与形态特征 羊毛作为一种天然纤维，是由2 0 种氨基酸所组成的角蛋白质纤维。羊毛纤 维中的细胞由于性质、形状、大小、排列和作用的不同，可将羊毛分为三个组织 层次，即包覆在纤维外部的鳞片层( c u t i c l e ) 、羊毛的主干皮质层( c o r t e x ) 和处于纤维中心的髓质层( m e d u u ) ( 无髓毛和部分两型毛不具有髓质层) 。羊毛 纤维的结构见下图l 所示【。 1 1 1 鳞片层结构 图1 羊毛的基本结构 羊毛的鳞片层是羊毛纤维的最外层，它是由角质化的扁平状细胞通过细胞间 质( c m c ) 粘连而成。这些薄片状细胞像屋顶上的瓦片，一个重叠一个，致使纤维 的尖端到根端方向有一定的摩擦力。鳞片层紧贴着毛纤维的皮质层，以保护毛纤 维免于受化学的、空气的、阳光的和机械的损害作用。羊毛的鳞片细胞由鳞片表 层e p i ( e p i c u t i c l e ) 、鳞片外层e x o ( e x o c u t i c l e ) 和鳞片内层e n d ( e n d o c u t i c l e ) 北京服装学院 羊毛织物数码印花j = 艺研究 三部分组成【7 1 ，见图2 。其中c x 为皮质细胞层。 il iii 蝴觚 i 127和 2 , 1 ) 0 0 2 0 , 0 0 0 椭 图2 羊毛的基本结构i 1 7 1 鳞片表层( e p i c u t i e l e ) 是对化学药剂侵蚀作用抵抗力极强的拒水薄膜，也是阻 止染化料向羊毛纤维内部扩散的“表面屏障”。鳞片表层由7 5 蛋白质和2 5 类 脂化合物组成，蛋白质部分胱氨酸含量占1 2 ，类脂部分为脂肪酸混合物，主要 是1 8 甲基二十烷基酸。鳞片外层( e x o c u t i c l e ) 主要为角质化蛋白质，位于鳞片表 层下面约占整个角质细胞的6 0 ，胱氨酸含量很高，大约每五个氨基酸残基就有 一个胱氨酸残基，较难被膨化。鳞片里层又分a 层和b 层，a 层的胱氨酸含量( 3 5 ) 高于b 层( 1 5 ) 。鳞片内层( e n d o c u t i c l e ) 处于外角质层和皮质层之间，胱氨酸交联 密度很低，每三十三个氨基酸残基含有一个胱氨酸二硫键交联；鳞片内隹为非角 朊蛋白质，低浓度的二硫交联不但使鳞片内层易被极性液体溶胀，而且比鳞片外 层更易受化学试剂的攻击【2 】 1 1 2 皮质层结构【3 1 皮质层在羊毛中含量约9 0 ，是羊毛的主体，决定羊毛的物理机械性能及化 6 北京服装学院羊毛织物数码印花工艺研究 学性能。皮质层内有长约1 0 0 p m 的纺锤形细胞，通过细胞膜复合物粘连，纵向 紧密地排列在皮质层内。皮质细胞主要有化学组成不同的o ( o r t h o ) 皮质细胞 和p ( p a r a ) 皮质细胞两种。o 皮质细胞含硫量较p 皮质细胞低，易于染色，对酶 和一些化学药剂的反应活性也较高。在优良品种的细羊毛中，两种皮质细胞分别 聚集在毛干的两边，并且沿纤维轴向相互缠绕，成为双边异构现象。o 皮质细胞 始终位于羊毛卷曲波形的外侧，细胞稍大；而p 皮质细胞位于卷曲内侧，细胞小 且排列紧密，化学性质较稳定【l j 。 1 1 3 髓质层结构 。链质层是髓毛的自外向内的第三层，为海绵状的角质，内含有大量空气，是 松软的多孔性结构。髓层是纤维在形成过程中没有充分角质化及在髓质层部位缺 硫的结果，故髓质层发达的纤维机械性能较差，纤维易于拉断，不易伸长而且难 于染色【l 】。 1 2 数码印花技术 数码喷墨印花技术是二十一世纪使纺织品生产发生革命性变化的高技术之 一，目前已经得到国内外的广泛关注，是发展最快的纺织品加工技术之一。传统 的纺织品印花需要将所要印制的图案分色制成花版，然后通过对花将图案重新结 合起来，完成印花过程，存在生产工艺流程长、劳动强度大、环境污染严重等缺 点。而数码印花具有小批量、多品种、快反应等优点，使其在纺织品上得到越来 越广泛的应用。 1 2 1 数码印花技术发展 织物喷射印花起源于2 0 世纪7 0 年代英国i c i 公司的“多色染色研究和 8 0 年代澳大利亚c s i r o 公司研制的“偏流喷射”技术。2 0 世纪9 0 年代以来，随 着电子分色、配色等c a d 技术在纺织染整业的应用，特别在e pj $ 1 j 业中喷墨打印 技术的推动下，f 1 本的c a n o n ，s e i r e n ，荷兰的s t o r k 、法国的t o a o t 等竞相开 发与研究应用于织物印花的喷墨技术和设备。国内的有关单位也在该领域进行了 困北京服装学院羊毛织物数码印花工艺研究 大量的研究开发工作州。 1 2 2 数码印花原理 喷射印花是一种将微小液滴喷射在基质( 织物) 上某个精确位置的技术。其概 念非常简单，但是却有各种各样的实施方法。 喷射技术分为两大类： 其一，连续( c u ) 喷射技术，即渡滴连续产生，但有选择地喷印； 其二，按需( d o o ) 喷射技术，即液滴的产生和印花都可人为地控制。 i2 2 i 连续喷射技术 连续喷墨印花是指油墨在3 0 0 k p a 左右的压缩空气推动下，通过直径1 0 l 岫的小喷嘴形成有规律和受控的微小液漓，液滴产生后，需要有选择地加以 控制以便形成图像。控制液流的最常采用豹方法是电致偏转，依靠电场作用控制 带电或不带电的液滴用于印花。连续喷墨技术中控制液流另一种方法是气喷偏 转，压缩空气经阀门吹出液滴印在织物上，液滴较大，不混色、但分辨率低【1 0 1 。 奠蚝 2 22 按需赜墨技术 图3e ”i 连续喷墨原理 按需喷墨，顾名思义，即只在需要时才把油墨喷射到基材上，按需喷墨主 北京服装学院羊毛织物数码印花：r 艺研究 要有热喷墨印花和压电式喷墨印花两种技术。热喷墨印花是靠热脉动产生墨水点 ( 沸腾喷射) 。热喷墨技术的优点是喷嘴成本低，但由于墨滴快速喷出所需的温度 高达3 5 0 以上，引起墨水分解而容易导致形成沉淀堵塞喷头，喷头寿命缩短。 压电式喷墨印花包括墨水式、热熔式和微滴式3 种，其原理是在一压电材料 上加一个电位，使此材料在电场方向产生压缩，在垂直方向产生膨胀，从而使墨 水成滴喷出、其周期比热喷墨技术高，液滴体积比热喷墨的液滴小，它最大的优 点是喷嘴寿命比热喷墨喷嘴长1 0 0 倍左右。 缓貔羧赣 1 2 3 数码印花设备 荔攀键麓 图4 1 n i 压电式按需喷墨原理 绥缓、 喷墨印花是在办公用喷墨打印的基础上发展起来的，但是纺织品印花用的数 字喷墨印花设备又有许多不同的要求，其中最基本的要求是必须具有足够的打印 宽度；合理、可靠的进布和出布装置和烘干功能；合理的印花速度，适合不同织 物组织结构的图像处理软件和控制系统；因此，喷墨印花机比办公室打印机更为 ， 复杂，要求也更高。随着科学技术的发展，目前市场上推出的喷墨印花机按其原 理可分为连续喷墨印花和按需喷墨印花两大类，市场上常用的是压电式喷墨印花 1 1 2 - 1 3 】它属于按需喷墨印花。喷墨打印机构由多个喷头和相应的控制电路等组成， 其中喷头非常关键。压电式喷头由控制电路板、墨水通道和喷墨板等组成。目前 国际市场上主要的制造商有e p s o n 、b r o t h e l 、t e k t r o n i x 、x a a r 、s p e c t r a 、t r i d e n t 和a p r i o n 等公司。 9 门鲻。，0 北京服装学院羊毛织物数码印花f 艺研究 表1 喷墨印花机的结构和分类 结构分类 喷墨打印机构按需喷墨压电式 供墨机构气泡式 织物输送机构 - - - - - - - 一 喷墨印花机 偏转阀式 烘干机构连续喷墨二位偏转 r i p 软件多为偏转 1 2 4 数码印花墨水 喷墨印花墨水一般由色素、水、有机溶剂和添加剂( 如防菌剂、分散剂、p h 调节剂、保湿剂等) 等组成。与纸张用喷墨打印墨水相比，织物用喷墨印花墨水 除了对色素纯度、不溶性固体颗粒粒径以及墨水的粘度、表面张力、电导率、稳 定性、p h 值和起泡性等有具体要求之外，还要求墨水喷射到织物上形成图案后， 必须具有良好的耐水洗、日晒和摩擦等色牢度，且不能影响织物手斛体1 6 1 。 按照配制墨水所使用的溶剂，纺织品数字喷墨印花墨水可以分为水性墨水和 溶剂性墨水，前者简称为墨水，后者常称为油墨。 1 2 5 喷墨印花技术的特点 与传统印花工艺相比，具有以下优势： 第一，印花流程简单，无需制网就可直接打样出效果，节省时间，对组织生 产非常有利； 第二，图案设计及修改极为方便，真正实现了“所见即所得”。 第三，计算机的打样过程中自动记录颜色数据，批量颜色数据按打样数据配 置，可以保证打样与批量生产的一致性。 第四，按需喷墨染化料几乎没有浪费，生产过程基本无废水，耗能低，有利 1 0 北京服装学院羊毛织物数码印花工艺研究 环保。 第五，计算机全程控制图案和颜色，喷墨工艺及自动化程度高。在整个操作 过程中，既干净又安静，占地面积只有传统印花方式的二十分之一。 第六，适合小批量、多品种订单。从设计到生产仅需一天时间，并可立即更 改图案，而传统印花方式至少需要一周以上。 第七，色彩丰富，能表现出多达1 6 7 0 万种颜色( 而传统印花方式只能有几 十种颜色) ，真正实现了色彩“无极限”的设计思想【1 7 1 9 1 。 1 3 羊毛织物的数码印花 传统的毛织物印花受到了毛织物印花质量要求高、生产批量小、次品率高而 且色彩也不够丰富，无法满足市场的需求。毛织物数码印花的出现为解决这些问 题提供了很好的契机。 由于羊毛纤维鳞片表面类脂结构的存在，导致染化料很难扩散进纤维内部。 因此在对织物进行喷印前，对织物进行前处理显得很有必要。前处理不仅能增加 喷印颜色的深度，提高喷印均匀性以及喷印图案的鲜艳度，而且可以对毛织物带 来防毡缩的作用，提高图案的清晰度，防止后续加工中图案的变形圆】。 1 3 1 羊毛的生物酶前处理 光学和电子显微镜的研究表明：羊毛纤维由鳞片层、皮质层及髓质层( 细羊 毛没有) 三部分组成。羊毛的鳞片层细胞由三部分构成：外表皮层、外角质层和 内角质层。外表皮层位于鳞片层的最外面，结构紧密，化学性质稳定，对化学药 剂的侵蚀有很强的抵抗力1 3 - 4 ，它是由四分之三的蛋白质和四分之一的类脂物组 成【7 】，其中类脂物部分主要是脂肪酸层，脂肪酸层的存在造成纤维的疏水性能。 外角质层位于外表皮层的下面，其胱氨酸含量很高，结构较为稳定，有保护毛干 的作用，但外角质层属于非结晶结构。外角质层又可分为a 层和b 层。内角质 层的胱氨酸含量很低，化学稳定性差。每个角质细胞、皮质细胞以及角质细胞和 皮质细胞之间均由细胞膜复合物( c e l lm e m b r a n ec o m p l e x ) 互相隔离开来【3 3 】， 并把细胞粘和在一起，它容易受到酶的催化分解作用。其形态结构模型如图5 ， 北京服装学院羊毛织物数码印花r t 艺研究 所示： 肇j ；。震甚 【1 2 半肮h 鼬) 图5 羊毛鳞片结构示意图 就目前的研究，酶对羊毛的单独作用基本影响不大，因为酶的作用机理是对 羊毛剥鳞片的减量整理，而天然蛋白质对蛋白酶的侵蚀都有一定的抵抗能力，因 此要获得良好的效果一般都需借助前处理。双氧水它主要攻击含硫的氨基酸残 基，如半胱氨酸和蛋氨酸，在某些金属离子或无机酸存在下，也可攻击胱氨酸、 色氨酸和酪氨酸残基。在碱性条件下，过氧化氢对于羊毛的作用速率比在酸性条 件下要快，二硫键的氧化程度也高，甚至所有胱氨酸都能被氧化。经过双氧水氧 化以后的羊毛织物二硫键断裂，如图6 ，【”】生成了带负电荷的磺基丙酸残基，而 纤维表面存在的负电荷阻碍染料阴离子的吸附和扩散，但是同时双氧水的作用使 图6 双氧水氧化羊毛示意图 得鳞片层对染料的阻碍作用减小，有利于势料的扩散，因而对染色有利。但是在 酶处理羊毛织物的研究中，双氧水预处理的配方也是有很多种，h 2 0 2 n a 2 s 0 3 体系、c u s o a h 2 0 2 体系、c u s 0 4 h 2 0 2 厂r a e d 体系、c u s 0 4 h 2 0 2 t a e d n a 2 s 0 3 体 系【5 】。由于二硫键打开，破坏了羊毛表面的鳞片层，使其对染料的阻碍作用减 小，有利于染料对纤维的吸附和扩散。但是如果处理羊毛的氧化作用太强，会使 最后羊毛织物受到较大损伤【8 】，硅酸钠作为最常用的双氧水稳定剂，可以控制双 氧水分解速度，提高处理效果。 北京服装学院 羊毛织物数码印花t 艺研究 酶作为一种生物催化剂，具有专一性强、催化效率高和反应条件温和等显 著特点，所以从环保和节能方面来说，它是极具潜力的催化剂，用酶对羊毛进行 处理有着广阔的发展前景。蛋白酶对羊毛整理来提高印花的得色量，是利用蛋白 酶对羊毛肽键的水解作用使羊毛的鳞片、细胞膜复合物等产生部分分解，去除鳞 片或削去鳞片棱角，达到防缩的目的。但是研究表明，单独使用酶处理羊毛，作 用很小。其原因为酶本身是分子量较大的蛋白质，渗透性差，且羊毛鳞片层是复 杂的蛋白质混合物，含有大量的二硫键，结构致密，对酶有较强的抵抗能力。因 此，通常的方法是，在使用酶处理前首先使用氧化剂或者还原剂对织物进行预处 理来去除羊毛表面长碳链类脂，使羊毛蛋白中的二硫键部分打开，为酶攻击羊毛 表面蛋白提供了可能，也使羊毛表层对化学药剂的可及度增加。 目前氧化法主要使用的氧化剂是双氧水、过一硫酸和过醋酸等，它们处理羊毛时 会促进蛋白酶对羊毛的减量活性【3 3 1 。氧化剂预处理可去除羊毛表面长碳链类脂， 使得鳞片疏松、膨胀、柔软。随后蛋白酶处理时，蛋白酶分子容易进入纤维内部， 水解羊毛鳞片。 酶处理有很多优点，温度低，能耗少，不会引起环境污染等，将其应用于 纺织染整工业，顺应了纺织品环保加工的要求。但由于羊毛结构的特殊，目前单 用生物酶的处理还存在一些问题，有待进一步探索和提高。 1 3 2 羊毛的等离子体前处理 等离子体处理羊毛的研究已有5 0 多年了。等离子体是物质继固、液、气 三态之后的又一种聚集态，被称为第四态。按温度分，等离子体可分为热平衡等 离子体和非平衡等离子体。低温等离子体是由稀薄气体在低压下激发辉光放电产 生的，电子温度2 7 - - - 4 9 7 2 7 。c ，而气体温度很低，大致在室温至上百摄氏度【2 5 1 。 常被用于纺织品处理的是低温等离子体。低温等离子体技术( 1 0 w t e m p e r a t u r e p l a s m a s ) 简称m 技术，是一种经济、有效、环保的表面处理方法。 l t p 技术处理羊毛，会在羊毛表面产生物理刻蚀，使表面变得粗糙，比表 面积增大，从而增加了染化料上染羊毛的上染速率和上染率，降低了羊毛在湿热 北京服装学院羊毛织物数码印花工艺研究 条件下的毡缩性能。l t p 对羊毛的鳞片层产生一定的破坏，还会改变羊毛表面 的元素成分，l t p 处理后经x p s 分析纤维表面o c 元素比增大，h 、0 0 一、s s 键含量降低，c o 、c o n 、s 0 3 键含量增加【2 6 1 。而且由于等离子作 用的程度有限，是羊毛表面纳米级的微刻蚀，羊毛的其它性能并没有改变【2 7 1 。 ：了 图7 t 2 s l 低温等离子体装置 对羊毛织物进行前处理不仅能提高印花效果，还能对织物进行防毡缩处理， 提高图案的清晰度，防止后续加工中图案的变形。为了增加毛织物喷印颜色的深 度，提高喷印均匀性以及喷印图案的鲜艳度，在织物印花之前对织物进行前处理 显得非常重要。 等离子体是新兴的一种处理技术，非常有前途，在本次研究中选用低压等离 子体和常压等离子体两种处理方式来对羊毛织物进行前处理。 低压等离子体处理采用1 3 5 6 m h z 放电频率的低压辉光冷等离子体对羊毛织 物进行改性。羊毛织物预先在热风烘箱中4 0 的条件下烘1 2 h ，降低织物含水量 以减少反应室抽低压时间。织物挂在等离子体反应室后，开启反应腔抽低压至 5 p a 以下，通入氧气。然后根据不同试验要求，调节工作的功率、压强及时间， 正常起辉时开始计时。等离子体处理中，功率、时间和压强( 或低压度) 是三个 主要控制参数。采用氧等离子体处理羊毛织物，通过改变功率、时间或压强中的 某一单一因素，研究三个参数与织物面积收缩率的关系。其中功率在试验中是指 射频电源的输出功率：时间是正常起辉后的处理时间；压强由输入的氧气流量调 节。本试验中参照前人试验结果【3 1 1 ，选择处理的功率、时间及压强为影响因素， 以面积收缩率、强力、白度和织物印花后的k s 值为测试指标，对羊毛织物做正 交分析试验。 等离子体处理羊毛的研究已经有多年了，在羊毛织物的防缩整理，提高织物 1 4 北京服装学院羊毛织物数码印花工艺研究 的强力和纺纱性能，改变织物的浸润性以及提高羊毛织物的染色性上大部分是采 用低压状态下的低温等离子体设备实现的。而常压低温等离子体，不需要抽低压 设备，是一种节省能源、低成本，且更易实现工业化的等离子体处理技术。低温 常压等离子体处理羊毛改性技术采用的是气体放电中介质阻挡的高频放电。这项 技术的机理就是利用低温辐射中被高度激发的、不稳定的活性粒子对羊毛纤维表 面的各种作用”即刻蚀、糙化、基团引入、交联变体和接枝聚合等实现纤维改性。 等离子体中的离子、电子、激发分子( 原子) 等粒子对纤维表面溅射刻蚀& 等离 子体中的化学活性物种使材料表面产生氧化、降解等反应而引起化学微刻蚀$ 两 种刻蚀同时作用下”在羊毛鳞片表面形成凹坑”同时产生凸状沉积物”生成一系列 含氧、含氮极性基团”由此增加纤维表面的微观粗糙度! 低温等离子体的电子所具 有的能量足以使反应物的相当部分分子激发”离解和电离。通过控制激发电离的 场强( 如改变施加电压的高低) ，控制电晕辐照的剂量、可改变离子刻蚀和基团 产生的的程度、从而使纤维损伤极小而表面粗糙度适当增加、有效提高纤维表面 摩擦因数。由于整个反应体系保持在低温或接近于室温、又能在正常大气压条件 下运行、就具有投资少”能源省”不污染和易实现的优剧2 4 1 。本研究探讨此种新 技术处理羊毛的最优工艺条件，并与低压等离子体就其印花后的效果进行对比。 1 3 3 羊毛织物数码印花的浆料选择 用于羊毛织物数码印花墨水的主要类型有酸性墨水和活性墨水。选择墨水的 依据主要是色牢度及其与喷头的适应性2 9 1 。 活性染料具有鲜艳的色泽，良好的日晒牢度、湿处理牢度，所以使用印花墨 水类型为活性染料。活性染料墨水中不含固色催化剂，同时喷墨印花对墨水黏度、 表面张力等技术指标的特殊要求，活性染料墨水直接喷射在织物上很容易渗化， 影响图案的精细度。因此，用活性染料墨水进行数字喷墨印花时，需对织物进行 前处理，以保证印花精度。而且，羊毛织物表面有毛绒，易堵住喷嘴，使喷出的 墨汁不流畅，造成一系列后果【3 8 】。为了避免此种情况，在印花前也要对羊毛织 物进行上浆处理。 采用活性染料对羊毛织物进行数码印花，根据活性染料碱性条件下固色和羊 毛织物耐酸不耐碱的性质，选用两种浆确定上浆工艺参数，酸性浆是指浆料的 1 5 北京服装学院 羊毛织物数码印花r t 艺研究 p h 小于7 ，在p h = 4 5 附近，浆料属于弱酸性，经过这种浆料上浆后的羊毛织物 位于等电点以下，羊毛纤维吸收氢离子而带正电荷，有利于对染料的吸附，还可 以避免汽蒸的高湿热条件下对羊毛织物的损伤。碱性浆是指浆料的p h 大于或等 于7 ，在p h = 8 附近，这个p h 是由加入碳酸氢钠的量不同而不同的。经过这种 浆料上浆后的羊毛织物位于等电点以上，羊毛纤维对染料阴离子的吸附仅仅靠亲 和力的作用，但由于存在着负离子间的反作用力，因而使吸附量显著下降，这个 是碱性浆的缺点，但是从固着角度来看，羊毛与染料是发生的亲核反应，碱性条 件下更有利于化学反应的进行，从而减少了暂时同羊毛纤维以离子键结合而未固 着的染料，也就是说有利于染料固着【6 】。 为防止喷射到织物上染料的渗化，保持喷印图案的清晰度和获得一定的表观 得色量，可根据织物特性选择印花前处理方法。一般方法是在织物上浸轧或涂刮 含一定量增稠剂如糊料类物质，以及释酸剂、吸湿剂等，在织物的表面形成墨水 的接收层。这样既有利于固定按计算机控制喷射到布面的墨水不渗化，又能在蒸 化过程中吸收水分，溶胀纤维，在酸性条件下使染料迅速扩散迸纤维内部并与氨 基以离子键结合或发生共价反应而结合。其中，糊料是印花浆的主要成分，它决 定着染料发色后织物表面的得色量、鲜艳度和轮廓清晰度等重要指标。海藻酸盐 是最适合活性染料印花的天然糊料，其他碳水化合物( 多糖结构) 的糊料会与活 性染料发生反应，造成得色率低，或因浆料不易洗除使织物手感发硬。释酸剂在 印花汽蒸过程中保持酸性环境。吸湿剂，如尿素，在印花中主要用于助溶染料、 膨化纤维，利于染料向纤维内渗透及反应【3 7 1 。 亚硫酸氢钠是一种还原剂，只要在条件缓和时，可不使羊毛中的二硫键遭到 明显破坏，既增加了羊毛纤维中的一s h ，有利于染料的上染，又不会使羊毛的 强力明显下降。试验中改变亚硫酸氢钠的量，根据印花后织物的k s 值确定最佳 用量。 尿素是具有润湿、渗透、吸湿、溶解、膨化等多种作用的优良助剂。印花中 主要用于助溶染料、膨化纤维，利于染料向纤维内渗透及反应，汽蒸时利于染 料发色。试验中改变尿素的量，根据印花后织物的k s 值确定最佳用量。 硫酸铵与冰醋酸共同作用，是一种释酸剂，汽蒸时使印花浆的p h 值维持在 4 - 5 之间，处于羊毛等电点附近，活性染料在此条件下反应固色。 1 6 北京服装学院羊毛织物数码印花工艺研究 二氧化硫脲是硫脲的氧化物，分子式为：c ( n h 2 ) 2 s 0 2 。在酸性溶液中相对 稳定，但在碱性溶液中分解成尿素和强还原性的次硫酸，这种分解在p h = 5 5 以 上，温度6 5 以上，分解速度显著加快。 h 2 0 十h 2 s 0 4= c - o 十h 2 二氧化硫脲的还原电位比较高，但是在碱性条件下不稳定。下图是二氧化硫 脲在碱性条件下的稳定性【3 6 1 。 ) o ，j 1 j告 爿 - = 童 o = ；o b 寸问( d 、时) j 羽22 5 o 5 时二二氧化硫脲4 克升保 险粉2 0 克升在碱性溶液中n a o h 3 0 克升) a e j 稳定性 一二氧化硫睬。一保险粉 图8 羊毛织物数码印花的工艺流程为【3 0 】：织物准备一上浆一烘干一喷印一烘干 一汽蒸一冷水洗一热水洗一皂洗一水洗后处理。 1 4 羊毛织物数码印花的产品特点 数码印花是计算机技术与传统纺织品印花技术结合的典范。具有能耗低、排 污少、无需制版、花型变化快、印制的花纹图案层次感强，色泽变化多等特点， 可随时调整图案的颜色和大小，是常规印花所难以达到的。符合现代社会人们对 个性化的需求和未来纺织品技术的发展趋势。 作为一种高档的服装面料，印花毛织物主要是应时尚服饰的需要而生产的， 花型图案变化较多，以体现小批量生产时装的个性化要求。 1 7 北京服装学院羊毛织物数码印花丁艺研究 近年来，随着我国人民消费水平的提高，这种羊绒制品的市场需求量也在 与日俱增。但同时，随着消费者对这种产品的审美要求提高，产品的科技含量 也不断提高，相继出现了诸如水波纹、提花梭织、渐变、缎染、丝网印花等产 品。之后，又随着可用于蛋白质纤维的喷墨印花染料的发明和数码喷墨印染机 的诞生，色彩更加丰富的数码单面印花羊绒系列制品相继出现。 数码印花技术的原理使得其产品打破了传统生产的套色和花回长度的限制， 可以使纺织面料实现高档印刷的印制效果。由于数码印花技术可以采用数字图 案，经过计算机进行测色、配色、喷印，从而使数码印花产品的颜色从理论上可 以达至1 j 1 6 6 7 万种，突破了传统纺织印染花样的套色限制，特别是在对颜色渐变、 云纹等高精度图案的印制上，数码印花在技术上更是具有优势。另外，传统印花 的图案往往受到“花回 长度的限制，而数码印花的工艺过程中可以不存在“花 回”的概念，从而极大地拓展了纺织图案设计的空间，提升了产品的档次【3 8 】。 无需制版、花型变化快、印制的花纹图案层次感强，色泽变化多等也是数码 印花产品的特点，同时，可随时调整图案的颜色和大小，也是常规印花所难以达 到的。符合现代社会人们对个性化的需求和未来纺织品技术的发展趋势。 1 5 本课题研究目的、意义及方案 由于传统工艺的局限性，人们对印花毛织物的需求一直无法满足。随着国 内经济的高速发展，高档时装产业的蓬勃兴起，为羊毛织物数码印花的发展带来 了很好的机遇。本课题通过对羊毛上浆工艺的研究，结合新兴的等离子体技术和 生物酶处理技术对羊毛进行预处理，寻找羊毛最佳浆料处方及此条件下的最佳前 处理工艺条件，目标是羊毛织物数码印花进行产品开发，并能实现市场化、产业 化。 寻找适合的浆料配方，并优化浆料组成，研究印花浆料对织物印花后k s 值的影响，通过正交试验确定。在确定上述工艺后，寻找适合的前处理工艺，在 酶处理中寻找适合的双氧水配方组成，酶适宜的温度、p h 等的处理条件。并研 究其对毛织物白度、收缩率、强力及最佳上浆工艺印花后k s 值的影响，确定酶 最佳处理条件。同时，在前人【3 l 】的基础上，通过低压等离子处理功率、时间和 北京服装学院羊毛织物数码印花工艺研究 压强的正交试验和常压等离子体功率和车速的单因素和正交试验，研究其对毛织 物白度、收缩率、强力及最佳上浆工艺印花后k s 值的影响，确定等离子预处理 条件。最后，比较单独上浆工艺和羊毛等离子体、生物酶前处理后的印花效果。 北京服装学院羊毛织物数码印花工艺研究 第2 章试验内容 2 1 试验药品、材料及仪器 2 1 1 试验药品 研究过程中使用的实验药品见表2 表2 试验药品及厂家 北京服装学院羊毛织物数码印花_ t 艺研究 2 1 3 试验仪器 表4 试验仪器及生产厂家 2 l 北京服装学院羊毛织物数码印花f t 艺研究 2 2 试验部分 羊毛织物数码印花工艺流程： 调制浆料一上浆( 轧液率8 5 左右) 一喷印一烘干( 6 0 ，3 m i n ) 一汽蒸 ( 6 0 m i n ) 一冷水冲淋- - - 4 0 温水洗- - 8 0 。c 皂洗( 2 9 l 磷酸氢二钠，皂片3 9 l 并以足量的氨水调节至洗液p h 值为9 ) - - * 4 0 热水洗一冷水洗净一自然晾干 2 2 1 羊毛织物数码印花工艺 本实验采取了两种不同的浆料对羊毛织物进行上浆，一种是酸性浆，也就是 将浆料p h 调节为酸性然后上浆；一种为碱性浆，浆料为碱性，而且汽蒸中也一 直维持这种碱性。根据已有的文献数据【3 9 】，初步确定处方如下： 表5 酸性浆处方 药品用量觞 海藻酸钠 尿素 亚硫酸氢钠 硫酸铵 渗透剂 去离子水加和至 加冰醋酸将浆料p h 值调至4 5 左右 l 3 3 3 l l 北京服装学院羊毛织物数码印花上艺研究 碳酸氢钠 渗透剂 去离子水加和至 o 3 l 1 0 0 2 2 2 等离子体前处理 低压等离子体处理的正交因素水平表如下 表7 低压等离子体处理的正交因素水平表 常压等离子体处理的正交因素水平表如下 表8 常压等离子体处理的正交因素水平表 2 2 3 生物酶预处理 响。 本实验中研究了双氧水、蛋白酶两种体系处理羊毛织物后对其印花效果的影 北京服装学院羊毛织物数码印花工艺研究 2 2 3 1 双氧水前处理 实验流程：试样布称重一前处理一洗净晾干( 平衡2 4 d 时) 一性能测试 双氧水前处理配方： 表9 双氧水前处理工艺条件及配方 双氧水( 3 0 ) m l l 硅酸钠g l 温度 时间m i l l 浴比 j f c g l 2 2 3 2 酶处理 流程：浸酶( 用缓冲溶液调p h 值) 一按照工艺条件处理一水洗晾干一性能测 试 酶处理条件： 表l o 酶处理工艺条件及配方 酶用量( o w ) 温度 时间r a i n p h 值 浴比 1 o 5 0 3 0 8 0 3 0 ：l 2 2 4 刚s 值测定 羊毛织物上浆后，进行喷墨打印，选择喷印精度为7 2 0 x 7 2 0 d p i ，在织物上 分别打印c 、m 、y 、k 四种颜色。由于数码印花遵循四色混合原理( 中性混合 2 4 知 ” 如 m 。 3 北京服装学院羊毛织物数码印花工艺研究 原理) ，即任何颜色都可以有这四种颜色混合而成，为了综合处理试验数据，试 验中的织物印花后k s 值为四个颜色印花后各自k s 值的加和。 2 3 测试方法 2 3 1 表观深度刚s 值 表观深度k s 值的大小用测色配色系统测试所得。表观深度值可以用库贝尔 卡一蒙克( k u b e l a m u n k ) i 函数值，即k s 值表示： s = ( 1 - i k ) 2 2 i k 式中：r 一表示有色试样趋于无限厚的反射率，也可用r ( 光没有透时的 反射率) 表示； k 表示有色物质的吸收系数； 卜表示散射系数； k s 值越大，表示颜色越深；反之则表示颜色越浅。 将所染的布折成4 层放到o r i n t e x 测色配色系统上，然后测定染色织物的 i u s 值，为了读数准确测定3 个不同的位置，取平均值。本试验中中采用色卡c 、 m 、y 、k 印花后k s 值的加和作为试验k s 值的评判标准。 2 3 2 白度 将织物折叠4 层置于白度仪下，不同位置上共测3 次，取测量的平均值作为 试样的白度值。 2 3 3 断裂强力 参照国际g b t 3 9 2 3 1 9 9 7 纺织品织物拉伸性能第一部分：断裂强力和断 裂伸长的测定条样法。 北京服装学院羊毛织物数码印花j f 艺研究 2 3 4 润湿性测试 润湿性测试 把预处理后的织物剪3 c m 3 e m 的小块，将5 0 0 m l 自来水注入1 0 0 0 m l 的 烧杯中，测定样品从放入水中到沉入杯底所需要的时间，每个试样测试三次，取 其平均值。 2 3 5 失重率测试 羊毛织物的失重率( 减量率) 由下式计算： 失重率= ( m l m 2 ) m lx 1 0 0 式中：m l - 一处理前试样重；m 卜处理后试样重 处理前的羊毛织物干重测定不能采用烘干称重的方法，因为羊毛在1 0 5 下 长时间焙烘，会使羊毛有变性的可能，从而影响羊毛的化学处理特别是酶处理的 性能，在实验中为了测定处理前羊毛织物干重，首先要测定织物的回潮率，具体 方法是：将若干块织物在同一大气环境下平衡2 4 小时，分别称得每块织物的潮 重，然后取出一块织物测得回潮率， 然后根据下式计算羊毛织物干重： 处理前织物干重m i = 羊毛的潮重( 1 + 回潮率) 羊毛织物处理后的干重的测定采用烘干称重法：羊毛织物化学处理完毕后， 在清水中漂洗干净，置于烘箱中1 0 5 下烘至恒重，称得的重量即为处理后羊毛 织物干重。 2 3 6 面积收缩率 参照i w s t m 3 1 测试方法。在1 8 0 m m l 8 0 m