（纺织工程专业论文）超细颜料水性分散体系喷射性能研究.pdf

摘要 摘要 论文题目：超细颜料水性分散体系喷射性能研究 硕士研究生姓名：刘尊东 导师：房宽峻 专业名称：纺织工程 墨水作为喷墨印花的重要耗材，是决定喷印顺利进行的关键因素之一。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。目前喷墨印花所使用的墨水大部分是染料墨水，其存在以下缺点：喷墨印花工 艺复杂；耗能好水多；产生废水多；对织物不具有通用性。颜料墨水喷墨印花具有诸多 优点：对不同的纤维具有通用性；占地面积小，应用工艺简单；批量灵活，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。无论是染料墨水还是颜料墨水，喷印时均存在堵塞喷头的问题。本论文研究了 超细颜料水性分散体系的喷射性能。 前言部分介绍了超细颜料分散体系的制备及性能研究、压电式喷墨工作原理、喷射 性能研究方法及进展，引出课题的研究内容、目的及意义。实验部分列出了实验过程中 用到的各种药品和仪器；分散体系配方、配制方法及理化指标测试方法；喷射性能测试 方法。根据超细颜料水性分散体系的粘度大小，论文将研究内容分为高粘度分散体系 ( 8 1 0 m p a s ) 和低粘度分散体系( 2 8 m p a s ) 。针对高粘度分散体系，借助喷墨情况 观察仪测试喷墨性能；研究了表面张力、抑泡消泡性能等指标对体系喷射性能的影响； 分别采用分散机9 0 0 0 r p m 高速剪切1 5 m i n 、超声波1 0 0 0 w 处理1 0 m i n 两种方法，对高粘 度分散体系进行模拟喷射时的高频剪切处理，分析了处理引起体系粘度的变化与喷射性 能的关系。针对低粘度分散体系，采用m i m a k ij v 4 1 8 0 数码写真机测试喷射性能，用 纸条记录测试结果；分析了多元醇种类及用量对体系过滤时间、粘度、表面张力的影响； 探讨了多元醇的种类及用量对喷射性能的影响。 结果表明，高粘度范围之内的分散体系，其粘度高喷射时容易造成斜喷、墨点跳动， 进而引起断墨；体系表面张力较高喷射时会倒吸空气进入喷头，容易出现墨滴飞溅。抑 泡消泡性能是喷射性能的必要条件，体系的喷射性能好则抑泡消泡性能必须好，反过来 不一定成立；超声波模拟剪切引起体系粘度的变化与喷射性能的关系十分明显。 低粘度分散体系，经7 0 处理2 4 h 后，体系的粒径变化较小，表明甘油、二甘醇、 l ，2 丙二醇与研究的超细颜料水性分散体系都具有较好的相容性。甘油、二甘醇、1 ，2 丙二醇用量为1 0 和1 5 时，体系的过滤时间较短，喷射性能较好；增加多元醇的用量 会增加体系粘度，增加喷射时的堵孔数，降低喷射性能；增加多元醇用量会稍微降低体 系的表面张力，不能说明表面张力对喷射性能的影响。 关键词：超细颜料；喷墨印花：水性分散体系；喷射性能 a b s t r a c t a b s t r a c t t i t l e ：s t u d yo ni n k - j e t t i n gp r o p e r t i e so f w a t e r - b a s e du l t r a - f i n ep i g m e n td i s p e r s i o n s n a m e ：l i uz u n d o n g m e n t o r ：f a n gk u a n j u n m a j o r ：t e x t i l ee n g i n e e r i n g i n k - j e tp r i n t i n gi n ki so n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r sw h i c ha f f e c td i g i t a lp r i n t i n g i n k - j e t p r i n t i n gi n ku s u a l l yc o m p r i s e sp i g m e n t ，w a t e r , o r g a n i cs o l v e n t ，a n ds o m ea d d i t i v e s a tp r e s e n t , f a c t o r i e so f t e nu s ed y ei n ki nd i g i t a lp r i n t i n g h o w e v e r , t h i sm e t h o dh a sal o to fd i s a d v a n t a g e s s u c ha sc o m p l e xt e c h n o l o g y , u s i n gm o r ew a t e ra n dd i s c h a r g i n gm o r ew a s t e w a t e r a l s od y e i n kc a n tb eu s e dt oa l lk i n d so ff i b e r s c o m p a r e dw i t hd y ei n k ，p i g m e n ti n kh a ss om a n y a d v a n t a g e s f i r s to fa l l ，p i g m e n tc a nb eu s e dt oa l lk i n d so ff i b e r s i tn e e d ss m a l ls p a c e ，h a s s i m p l et e c h n o l o g y , c a nb eb i go rs m a l lb a t c hf r e e l y , i st h es a m ew i t hp e r s o n a l i t yc o n s u m e u s i n gi n t e n t ，h a sn ow a s t e ro fd y ea n da d d i t i v e ，h a sn ow a s t e r - w a t e r d i g i t a lp r i n t i n go f p i g m e n ti n ki sf r i e n d l yt ot h ee n v i r o n m e n t i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l eo fp i e z o e l e c t r i cd o d d i g i t a li n k j e tp r i n t i n gw a si n t r o d u c e d a l s ot h e r ew e r ed i s c u s s e dh o wt op r e p a r ew a t e r - b a s e du l t r a - f i n ep i g m e n td i s p e r s i o n sa n dh o w t oj u d g et h ep r o p e r t i e so ft h ed i s p e r s i o n s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv i s c o s i t y , s u r f a c et e n s i o n ， a n t i - f o a m i n ga n dd e f o r m i n go f t h ed i s p e r s i o n sa n di t sj e t t i n gp r o p e r t yw a sa n a l y z e d w em a d e h i g l lv i s c o s i t ya n dl o wv i s c o s i t yd i s p e r s i o n s ，m e a s u r e dt h ed e n s i t y , v i s c o s i t y , p a r t i c l es i z ea n d s u r f a c et e n s i o no ft h ed i s p e r s i o n s t w ow a y sw e r eu s e dt ot r e a tt h eh i g hv i s c o s i t yd i s p e r s i o n ： a ) h i g h s p e e ds h e a r i n g , 9 0 0 0 r p m ，a n d15 m i n ，b ) u l t r a s o n i ct r e a t m e n t ，l0 0 0 w , a n dlo m i n t h e nw em e a s u r e dt h ev i s c o s i t yc h a n g eo ft h ed i s p e r s i o n u s i n gj e t t i n gp r o p e r t i e sv i s u a l i z e r , w er e s e a r c h e dj e t t i n gp r o p e r t i e s a tl a s tw ea n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv i s c o s i t y , s u r f a c et e n s i o n ，v i s c o s i t yc h a n g ea f t e rt r e a t m e n tb yh i g h s p e e ds h e a r i n ga n du l t r a s o n i ca n d j e t t i n gp r o p e r t i e so f h i g hv i s c o s i t yd i s p e r s i o n s u s i n gm i m a k ij v 4 - 18 0m a c h i n e ，w em e a s u r e d t h ei n k - j e tp r o p e r t i e so fl o wv i s c o s i t yd i s p e r s i o n s i tw a sr e c o r d e db ys c r i p t h r e ek i n d so f p o l y o lw e r eu s e dt od i s c u s st h ea f f e c t i o no fp o l y o lt ot h ei n k - j e t t i n gp r o p e r t i e s f o rh i g hv i s c o s i t yd i s p e r s i o n s ，t h er e s u l ts h o w e dt h a t ，t h ei n k - j e t t i n gp r o p e r t yi s d e t e r m i n e db yt h ev i s c o s i t ya n ds u r f a c et e n s i o no fp i g m e n ti n k i ft h ed i s p e r s i o nh a dg o o di n k j e tp r o p e r t i e s ，i tm u s th a v eg o o da n t i f o a m i n ga n dd e - f o a m i n gp r o p e r t i e s i ft h ed i s p e r s i o nh a d g o o da n t i f o a m i n ga n dd e - f o a m i n gp r o p e r t i e s ，i tn o ta l w a y sh a dg o o di n k - j e t t i n gp r o p e r t i e s t h ev a r i a t i o no f v i s c o s i t ya f t e ru l t r a s o n i ct r e a t m e n tc o u l dr e f l e c tt h ei n k - j e t t i n gp r o p e r t y f o rl o wv i s c o s i t yd i s p e r s i o n s ，t h ep a r t i c l es i z e sc h a n g e dal i t t l ea f t e rt h ed i s p e r s i o n sw e r e t r e a t e d2 4 ha t7 0 c g l y c e r i n ，d i e t h y l e n eg l y c o l ，1 , 2 一p r o p y l e n eg l y c o lc a nb ea d d e dt ot h e w a t e r - b a s e du l t r a - f i n ep i g m e n td i s p e r s i o n s w h e nt h ed o s a g eo fg l y c e r i n , d i e t h y l e n eg l y c o l ， l ，2 - p r o p y l e n eg l y c o lw a s10 o r15 ( w w ) ，t h ed i s p e r s i o n sn e e d e ds h o r tl e a c ht i m e ，h a d n i c ei n k - j e t t i n gp r o p e r t i e s a l s ot h es u r f a c et e n s i o nw a sr e d u c e dal i t t l ew i t ht h ei n c r e a s eo f d o s a g eo f t h et h r e ek i n d so f p o l y o l ；i th a dn o t h i n g t ow i t l lt h ei n k - j e t t i n gp r o p e r t i e s k e y w o r d s ：u l t r a - f i n ep i g m e n t ，d i 酉t a lp r i n t i n g , w a t e r - b a s e dd i s p e r s i o n s ，i n k - j e t t i n gp r o p e r t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 期： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名：查! l 堑：一导师签名： 日 期： 第一章前言 第一章前言 个性张扬的时代，人们对个性化服装的追求愈加强烈。除服装的面料和款式之外， 图案的唯一性也是个性化的重要标志。数字喷墨印花能够快速的印制出独一无二的图 案，很好的迎合了消费者的这个需求。数字喷墨印花是指【l 】：在计算机的控制下，数字 喷墨印花机按照事先采集图案的数字形式，将喷墨墨水直接喷射在纺织品上得到图案的 过程。 墨水是决定喷墨印花成功与否的关键因素之一。为了获得较快的喷墨印花速度，喷 头的工作频率在不断提高。目前，喷墨印花机广泛应用的喷头工作频率范围是9 1 5 k h z 。 可见，墨水在高速喷射时状态的优劣，直接决定了纺织品能否被正常施印。性能优良的 墨水应同时满足以下几个方面的要求【2 】：使用前稳定性好，存储过程中墨水性质保持稳 定；使用时喷射流畅性好，墨滴均匀、速度稳定，并且不存在断墨、挂墨、墨滴飞溅等 问题；喷印后墨滴能够快速的润湿织物并被其吸收。 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【3 ，4 】。按照所使用的色素分类，喷墨印花墨水包括染料墨水和颜料 墨水两大类。目前喷墨印花所使用的墨水大部分是染料墨水。染料墨水是将纯化后的染 料溶解或分散在水中，再添加相应的溶剂、防腐剂等助剂配制而成【5 】。不论是真溶液墨 水还是水分散墨水，要在织物上形成图案都需要有一个染料上染的过程：染料以分子状 态扩散到纤维中去。因此染料墨水具有很强的色彩表现力，印花图案更加细腻、逼真。 为了促进染料对织物的上染，一般需要对织物进行相应的预处理；在喷墨印花后需要对 织物气蒸或干热整理，需要充分水洗去除没有上染纤维的染料( 浮色) 以保证印花图案 的色牢度。由于染料对织物的上染具有选择性，因此不同纤维的织物需要不同的染料墨 水进行喷墨印花。通过对染料墨水喷墨印花过程的分析，我们不难发现其存在以下缺点： 喷墨印花工艺复杂；耗能好水多；产生废水多；对织物不具有通用性。 颜料墨水作为喷墨印花的一种耗材，正在受到研究者、生产商以及消费者越来越重 要的关注。众所周知，颜料不溶于水和常见的有机溶剂，通常是以颗粒状态对织物进行 着色的；颜料本身对任何纤维都没有亲和力，必须借助粘合剂使其固着在纤维上。同普 通颜料相比，超细颜料具有比表面积大、着色强度高、颜色鲜艳纯正等优点。在制备超 细颜料墨水时，首先需要将颜料研磨成粒径在5 0 2 0 0 n m 范围内的小颗粒，并稳定地分 散在相应的水性体系中。针对颜料墨水的数字喷墨印花，施加粘合剂的方法有以下三种 【2 】：( 1 ) 在颜料墨水配方中添加；( 2 ) 通过一个独立的喷嘴系统( 发射通道) ；( 3 ) 在喷 墨印花后施加。与染料墨水喷墨印花相比，颜料墨水喷墨印花具有以下优点【6 ，7 j ：对不同 的纤维具有通用性；占地面积小，应用工艺简单；耐光牢度好；批量灵活，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，是种真正的环保型印 染技术。 本课题模拟数字喷墨印花墨水的组成，分别制备高粘度超细颜料水性分散体系和低 粘度超细颜料水性分散体系，并测试密度、粘度、粒径、表面张力等理化指标。对高粘 江南人学硕士学位论文 度超细颜料水性分散体系，分别采用两种方法进行模拟高频剪切处理。( 1 ) 分散机：以 9 0 0 0 r p m 的转速高速剪切1 5 m i n ；( 2 ) 超声波细胞粉碎机：以1 0 0 0 w 的功率( 间隔4 s 超声处理i s ) 处理l o m i n 。并测试处理后体系的粘度，与处理前体系的粘度对比分析。 借助喷墨情况观察仪研究了高粘度超细颜料水性分散体系的喷墨性能。分析了体系的粘 度、表面张力、以及高速剪切和超声波处理后体系粘度的变化与喷射性能的关系。采用 m i m a k ij v 4 1 8 0 数码写真机，对低粘度超细颜料水性分散体系进行喷射性能测试，用纸 条记录测试结果。分析了多元醇种类及用量对喷射性能的影响。 纺织工业“十一五发展纲要指出印染行业发展的重要任务是【8 】：以提高印染 产品质量、推行节能降耗技术、强化环境保护为原则，以现代电子技术、自动化技术、 生物技术等高技术为手段，发展涂料印染、微悬浮体印染、转移印花、数码印花等无水 或少水印染工艺技术，加快生态纺织品和功能性纺织品研发和生产；推行环保、节能、 清洁生产印染加工技术，实现印染行业污染防治从“末端治理 向“源头预防”转变； 加大环境执法力度，淘汰高耗能、高污染和废水治理达不到要求的落后工艺装备和印染 企业。颜料墨水的数字喷墨印花具有诸多优点，符合环保要求，是顺应时代发展的新技 术。因此对超细颜料水性分散体系喷射性能的研究，有助于开发更为完善的颜料墨水， 进而可以促进数码喷墨印花技术更加成熟。 1 1 超细颜料分散体系 超细颜料墨水是一种分散体系，其组成一般包括超细颜料粒子、溶剂、助溶剂、表 面活性剂等。本文讨论的超细颜料分散体系以去离子水作为溶剂，称为超细颜料水性分 散体系。对超细颜料水性分散体系的研究主要涉及到以下几个方面：超细颜料的制备； 超细颜料用水溶性分散剂( 高分子分散剂) 的合成及应用；超细颜料水性分散体系的制 备、理化指标测试及稳定性能研究。 ( 1 ) 超细颜料的制备技术 超细颜料的制备技术是将颜料颗粒粉碎成超细粒子，并在整个分散介质中均匀分布 的过程，包括润湿、解团聚和分散体系的稳定化【9 , 1 0 。超细颜料的制备技术很多，常见 方法主要有以下两种【l l 】：直接分散。借助剪切力或撞击力等机械作用使颜料粒子在介 质中发生破碎，所用到的设备主要有涡轮式粉碎机、泵式液体粉碎机、无筛主轴式粉碎 机粉碎机、超细气流研磨机、高压微射流粉碎机、砂磨粉碎机、高速乳化分散机等。通 常认为超声波粉碎机具有空化作用，能使局部产生高温高压，并在分散体系内部产生巨 大的冲击力和微射流，从而使物体发生破碎，因此也常用于颜料的分散。表面包覆改 性。该方法在颜料表面包覆一层聚合物，改变有机颜料的表面性质，使其获得良好的润 湿性能、分散性能和稳定性能。常见的包覆方法有溶剂蒸发法、喷雾干燥法、原位聚合 法及相分离法等。 ( 2 ) 高分子分散剂的合成及其应用 在制备超细颜料的整个过程中，分散剂的作用至关重要。低分子分散剂是颜料分散 中常用的分散剂，该分散剂对颜料具有良好的润湿性能和分散性能。采用低分子分散剂 2 第一章前言 制备超细颜料，不足之处在于分散体系的稳定性较低。因此，对高分子分散剂( 又叫超 分散剂) 的研究越来越多。 锚固基团 键 图1 - 1 高分子分散剂的作用机理示意图【1 2 】 f i g 1 一im e c h a n i s mo fp o l y m e r i cd i s p e r s a n t 图1 - 1 描述了高分子分散剂的作用机理，其分子结构主要分为两个部分d 3 j 4 ：一部 分为锚固基团，这些极性基团通过离子键、氢键以及范德华力等作用，紧紧地吸附于颜 料颗粒表面，防止超分散剂解吸；另一部分为溶剂化链，它直接决定了分散后颜料在溶 剂中的稳定性o 溶剂化链对分散溶剂有较高的亲和力，以保证具有良好的溶剂化作用， 同时足够的碳链长度可以产生有效的空间立体屏障，阻止粒子间的相互吸引。不同极性 的溶剂化链与相应极性的分散递质具有良好的溶解性，促使溶剂化链在颜料表面充分伸 展，最大限度地形成空间屏障，使颜料在递质中易分散并具有良好的分散稳定性。 j a s i m m s 1 5 】以接枝共聚物为分散剂对有机颜料直接分散，制备了具有良好流动性 和稳定性的有机颜料水性分散体系；c l e m e n s a u s c h r a 及其合作者【1 6 1 采用可控自由基聚 合法，制备了结构不同的高分子分散剂，同时研究了分散剂结构对有机颜料分散性能和 流变性能的影响。田安丽等【l 刀研究了苯乙烯马来酸酐共聚物( s m a ) 的合成及对超细 颜料水性分散体系的分散作用，发现当s m a 的特性粘度为2 1 m l g 2 3 m l g ，马来酸酐 摩尔百分含量为3 8 3 时，所制备的颜料分散液具有良好的分散性能。朱金丽通过自由 基溶液聚合法，以甲基丙烯酸甲酯、马来酸酐为单体，合成了超细颜料水性体系用高分 子分散剂m m h ，用于超细颜料水性分散体系具有良好的分散效果。刘斐提出了聚醚伯 胺衍生物颜料分散剂的结构及其制备方法。把聚醚伯胺衍生物颜料分散剂应用于颜料红 5 7 ：1 水性墨水中，通过聚醚链的选择能够明显提高颜料的着色强度，从而改善其分散性。 张天永【1 8 】等人合成苯乙烯马来酸酐共聚物( s m ) 的部分酯化物( s m e ) ，并用于对铜 酞菁颜料进行表面改性处理，发现当用甲醇、丁醇进行部分酯化时，可提高颜料在水中 的分散性。 ( 3 ) 超细颜料水性分散体系的制备及性能研究 付少海【1 9 】通过对颜料表面包覆改性制备了超细有机颜料水性分散体系。研究了研磨 工艺条件对颜料粒径及其粒度分布的影响；颜料表面改性剂的化学结构及其用量、p h 值对分散体系颜料粒径和分散稳定性的影响，对分散体系流变性的影响。钱国坻等着重 研究了颜料色浆的分散性和色光与表面活性剂的表面活性、溶液中电介质及其含量、研 3 江南大学硕士学位论文 磨介质粒径、研磨时间、表面活性剂的复配比例的关系。研究了不同结构的阴或非离子 表面活性剂的表面特性，及其复配物对颜料色浆的分散性、粒子分布、色光等性能之间 关系。王志广、周炜从颜料型纳米级墨水色浆的原材料，工艺和性能参数着手，重点综 述了纳米色浆的实验工艺和相关问题的研究情况。 1 2 压电式喷墨原理 喷墨印花的实质是喷墨打印技术在纺织品领域的拓展。喷墨技术起源于液滴形成 ( d r o pf o r m a t i o n ) 的技术。早在1 8 7 8 年，l o r dr a y l e i g h 就描述了一束流体分裂成液滴 的机理；1 9 4 8 年，瑞典的s i e m e n se l m a 申请了世界上第一个利用这一原理的专利：他 发明的喷墨装置中，墨水被加压成一束墨流，用于在不断移动的介质上记录信掣2 0 1 。喷 墨印花的喷墨方式包括连续喷墨( c o n t i n u o u si n ki e t ，c i j ) 和按需喷墨( d r o po nd e m a n d ， d o d ) 。连续喷墨主要包括三种形式：偏转阀式连续喷墨；二位连续喷墨；多位 连续喷墨。在连续喷墨系统中，墨水连续喷射并被分裂成大小均匀的墨滴流，一部分墨 滴被有选择喷射到织物上形成图案；另一部分墨滴进入集墨器，以便回收使用。 按需喷墨印花是根据介质上形成图案的需要喷射墨滴，包括压电式按需喷墨、热气 泡式按需喷墨、电磁阀式按需喷墨等方式。本文讨论的超细颜料水性分散体系喷射性能， 测试装置中所用到的喷头均采用压电式喷墨原理。 所谓压电式喷头，就是在设计好的一个结构中，利用压电晶体在外加电压下变形这 一特性，给压电晶体加一个强脉冲电压，结构中存储液体装置的体积会发生突然变化， 从而让流体从固定的小孔中喷出，达到喷出墨滴的目的【2 l 】。压电式按需喷墨装置由储墨 器、墨腔、喷嘴、压电陶瓷等元件组成，其工作原理如图1 2 所示。墨腔中填充满墨水， 并与喷嘴连接以提供喷射所需墨水。压电陶瓷与墨腔壁膜贴附，当受到电信号刺激时会 产生形变，给墨腔里的墨水提供一个突然的压力，从而使墨水喷出喷嘴。电信号消失后 压电陶瓷迅速恢复形变，在毛细管效应的作用下，储墨器中的墨水重新填充满墨腔。 基质 电信号 压电陶瓷 墨水供给墨腔 图1 - 2 压电式按需喷墨原理 f i g 1 2p r i n c i p l eo fp i e z o e l e c t r i c i t yd o di n k j e tp r i n t 压电式按需喷墨技术分为4 种类型【2 2 】：挤压模式、弯曲模式、推进模式和剪切模式， 如图1 3 所示。 ( 1 ) 挤压模式 4 第一章前言 如图1 - 3 ( a ) 所示，挤压模式喷头的激发器由直径为l m m 的压电陶瓷管组成，陶 瓷管的内层和外层有很多电极。当一个短时间脉冲电压施加给压电陶瓷管时，它将因发 生极化而收缩。压电陶瓷管体积的突然减小，会使少量墨水从喷孔喷出( 如图中墨水中 的向右箭头所示) ：同时部分墨水会由于压力脉冲的作用返回贮墨室( 如图中墨水中的 向左箭头所示) 。但是由于陶瓷管的长度和内孔产生的声学阻抗很大，返回贮墨室的墨 水数量相对较少。随着电压脉冲的衰减，陶瓷管就会慢慢膨胀恢复到原来的体积。由于 电压脉冲衰减相对较慢，引起体积的变化速率较小伴随产生的“压力减少”也很小以 至于不能克服喷孔处墨水的表面张力，因此贮墨室中的液体就会流向陶瓷昔，替代先前 喷出的墨水，再次将陶瓷管填充满。 ( 2 ) 弯曲模式 弯曲模式的压电喷墨激发器由具有墨水入口和止于喷孔的墨水出口通道的压力腔 构成，如图1 - 3 ( b ) 所示。腔的一边由导电隔膜构成，可以弯曲的压电陶瓷板与导电隔 膜相连，陶瓷板的外层是导电涂层，可以直接连接电信号。当给压电陶瓷板施加电信号 时会使其收缩，结果导致隔膜向压力腔内部弯曲。隔膜的运动压迫腔内的墨水，使墨滴 从喷孔处喷出。 f a l 挤压模式( b ) 弯曲模式 ( c ) 推进槿式 茹震 压剥酊 乏酊 u “ + 墨水 下部空间一一q 蟪霎莎 g ” 基霰、一、髅融一、 心v u l _ j _ ”i 通埴 套电梗 喂嗡香l 女垄嘴 匣1 3 压电式按需喷墨技术的基本原理图” f i g 1 3b s i c a 口o fp i e z o e l c t r i cd r o p - o n d e m a n di n k j e tt e c h n o l o g i e s ( 3 ) 推进模式 在如图i - 3 ( c ) 所示的推进模式中，当压电陶瓷棒接受电压信号膨胀时，墨水被推 动，使墨滴从喷孔喷出。理论上压电陶瓷棒可以与墨水直接接触并推动墨水，但是在实 际应用中为了防止墨水与压电陶瓷材料之间的不良作用，会在两者之间设置一层薄的隔 膜。 江南人学硕士学位论文 ( 4 ) 剪切模式 剪切式压电激发器的构造如图1 3 ( d 、e 、f ) 所示。其中图1 - 3 ( d 、e ) 示意的是 该激发器的内部结构，图1 - 3 ( d ) 示出了组成剪切式压电激友器的单个部件，图1 - 3 ( e ) 表示组装后的激发器形状；同1 - 3 ( f ) 示意的是该激发器的截面结构，墨滴是由图中所 示的喷孔喷出的。图1 - 3 ( d ) 中所示的基板是用p b ( z r o5 3 t i o4 7 ) 0 3 陶瓷( p z t ) 制成的， 基板上分布着许多间距为1 3 7 “m 的墨水通道( 如图1 - 4 所示) ，这些通道是用半导体工 业使用的切割锯连续凿成的。典型的墨水通道的宽度和深度分别为7 5 p m 和3 6 0 p m 。 具有通道的压电陶瓷部件在平行于通道壁的方向上被极化，使靠近村挚的通道变 浅，而其它主要部分的通道变深。金属电极被沉积在通道壁两边的上半部，通道内的每 对电极被相互连接到电路的丝焊区域。由于热匹配豹要求，通常情况下盖板也是用p z t 材料制成的，并直接粘结在基板上。盖扳构成了墨水通道的顶，并紧紧地夹在通道壁的 上部。墨水通过盖板上的人口将通道充满。喷嘴板安装在激发器的正面。x a a r 和s p e c t r a 公司是世界上剪切式压电喷头设计和制造的领先者【5 i 。 氅羹 图卜4 压电陶瓷基板上的墨水通道“” f i g 1 4i n kc h a n n e lo fp i e z o e l e c t r i cc e r a m ic sb a s e 1 3 喷射性能研究 按需供墨式( d o d ) 喷墨打印是在各种材质上印制皮升液滴的有效方法。它兼容各 种液体，并且不接触印刷材质。液滴的形成和液滴与基质的相互作用十分重要，因为它 们决定了液体在基质上的最后状态。更好地了解按需供墨式喷墨中液滴的形成，会对喷 头设计者和墨水配方研究者提供很大的帮助。国外很多研究机构通过d o d 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，研究内容主要集中在按需供墨液滴形成的早期阶段。v t i t t a a 血1 a a d j a ， g lm c k i n l e y ，j jc o o p e r - w h i t e t 2 3 1 研究了分子量以及浓度对喷墨过程液滴形成的影响。 t w s h i d d ，d b b o g y ，e et a l k e 通过实验结果与数学模拟之间的对比，研究了按需喷 墨液滴的形成。 喷射仅仪是液滴形成的开始，因此为了理解按需供墨液滴的形成，需要对一个液滴 形成全过程的详细研究。从喷嘴喷出的液体形成单一的液滴是一个复杂的动力学的过 程，需要更为详尽的研究。w wc a n 带领的课题组对喷墨时液滴的形成、以及墨滴与 纺织品接触时的表面作用研究比较深入口。尚+ 2 8 i 。在初步研究中，他们在相对慢速流动时 第一章前言 ( 滴水模式和慢射) 粒子对液滴形成的影响，研究取得重大进展：在滴水模式中，含固 体较多时液滴的大小反比于流速( 液滴随流速的增加而变小) ，卫星液滴的数量大为减 少，但一些产生的卫星液滴要大很多；夹断机制和液滴夹断处的结构与单纯的液体有质 的不同。在央断进程被描述为两阶段模式：即第一阶段是由悬浮特性控制，最后阶段一 一不含粒子的窄颈缩小破裂是由液体的拉伸性质决定的。 w w c a r r 课题组基于快速摄影技术，高速摄像的实验装置( 系统的帧间为0 2 微秒， 空间分辨率为0 5 微米像素) ，详细研究了液滴的形成过程。图1 5 为该课题组采用高 速摄像设备拍摄到的g w 体系压电式按需喷墨的液滴形成过程。其中g w 体系为甘油： 水= 4 8 ：5 2 ，粘度为5 0 m p a s ，表面张力为6 8 m n m 。从图中可以分析得出液滴形成的过 程包括液体喷出、拉伸形成细颈、细颈断裂、尾部液体收缩至喷孔、前部液体离开形成 液滴。按需供墨液滴形成的典型过程中由下列阶段组成：喷射及液体的拉伸、细颈的形 成和液体线从喷嘴处的掐断、游离液体柱的收缩、最终掐断或液体线的多个断裂、主液 滴和卫星液滴的再次结合、液滴的振荡及平衡、卫星液滴的形成【2 7 1 。 帧间间隔3 i t s ；单幅图片大小6 5 1 m 3 7 3 i t m ；g w 体系( 甘油：水；4 8 ：5 2 ) 图1 - 5 按需喷墨液滴形成的连续过程 fig 1 5p r o e 6 s so f & t y p i c ald o dd r o pf o r m a ti o n ( 1 ) 喷射及液体的拉伸 压力波传递通过喷嘴中的液体，液体被加速并挤出喷嘴。开始时，半月面液体在喷 嘴出口的形状是抛物线。半月面然后迅速向外扩展，直至形成圆柱状液的前缘( 图1 5 中1 ) 一3 ) ) 。在较短的时间( 大约从图1 5 中4 ) 开始) ，喷嘴出i s l 内部的压力低于柱状液体 内部的压力，从喷嘴流出液体的速度开始降低。喷嘴出口处和柱状液体的流速差使得液 柱开始被拉伸。喷嘴出口处液滴的速度继续降低，直到没有任何额外的液体流入液体柱， 甚至一些液体倒吸回喷嘴。然后液柱的量保持不变，但惯性使得液体柱继续扩大。随着 新表面的建立带来表面能的增加，从而液体柱扩大的速度开始减慢。 ( 2 ) 细颈的形成和液体线从喷嘴处的掐断 液柱的拉伸过程中，尾部的液体( 在喷管出口) 形成细颈，即液体线中半径最小的 位置。这个细颈点停留在喷嘴出口处，细颈处的半径不断细化( 图1 5 中5 ) 9 ) ) 。在液 体柱的头部开始出现第二个细颈点( 图1 5 中5 ) 、6 ) ) ，最终生产球状头。因此，形成了 一个漫长的过渡液柱，从喷嘴处到该球头。最后，液体线的尾部从喷嘴处断裂，形成一 个带有球头的游离液体柱。 ( 3 ) 游离液体柱的收缩 7 江南大学硕士学位论文 收缩发生的原因是，液体柱尾部的曲率半径小，具有较高的压力，从而使得其流向 球头部分。瞬间，球尖尾形成，但其曲率半径远小于球头( 图1 5 中l o ) 1 2 ) ) 。因此， 尾巴液体内部的压力大于球头内部的压力，液体被挤向球头。由于两端连接到液体线的 头部和尾部不对称，尾部和头部表现出不同的行为。尾部向头部收缩( 移向头部) ，而 头部的速度几乎不变。 ( 4 ) 最终掐断或液体线的多个断裂 在液体线的收缩过程中，球头附近演变出第二个细颈。此处的半径不断减小直到液 体线分离成两部分，一个主液滴和一个不对称的第二液体线( 图1 5 中1 3 ) 1 6 1 ) 。第二 个液体线的下端向上移动使得上端形成球头。根据它的长度不同，第二个液体线可以收 缩成一个小液体或者形成卫星液滴( 图1 5 中1 6 ) ) ，或者断裂成两部分或更多部分。卫 星液滴向球形部分的收缩使得多余的表面能转变成动能，引起卫星液滴的振荡( 图1 5 中1 6 ) - 1 9 ) ) 。 ( 5 ) 主液滴和卫星液滴的再次结合 由于尺寸大小和速度的不同，周围空气对主液滴和卫星液滴的拉拽作用也不同。如 果主液滴和卫星液滴充分的分离开，那么拉拽对大液滴的减速作用小于对小液滴的减速 作用。正因如此，如果主液滴的速度大于卫星液滴的速度，那么它们将不能够结合。另 一方面，如果卫星液滴和主液滴足够近，中间的低压力会将卫星液滴吸向主液滴，两者 会合二为一( 图1 5 中1 7 ) 2 1 ) ) 。 ( 6 ) 液滴的振荡及平衡 当卫星液滴和主液滴结合时，多余的表面能转变成液滴的动能。液滴会随着动能和 表面能之间的转变而振荡。随着振荡的进行，能力将被消耗直到形成一个平衡( 图1 5 中2 1 ) 2 8 ) ) 。在液滴形成的过程中，腔体内部液体压力波的振荡使得液体喷出或吸回腔 体。大多数情况下，压力波的弱反射不够强烈，因而不能使液体从喷嘴分离，因此它以 越来越小的振幅振荡直到腔体内部的压力因各种各样的耗散而消失( 图1 5 中1 4 ) 2 8 ) ) 。 ( 7 ) 卫星液滴的形成 如前面的描述，卫星液滴的形成是因为两次断裂的产生。如果在液体线收缩成一个 完整的球状体之前不发生第二次断裂，那么就不会形成卫星液滴，这也是喷墨印刷的理 想情况。卫星液滴的形成取决于以下三个因素：液体线的长度；液体线收缩的速度； 液体线断裂的时间。因此，与这三个因素相关的变量，例如液滴产生器的几何形状、 波形、脉冲电压、液体的粘度和表面张力，都会影响卫星液滴的形成。 国内对颜料墨水的喷射性能研究仍然较少。杭州宏华数码科技股份有限公司自主研 发出喷墨情况观察仪，对墨水测试研究较多。本文借助该装置，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。 第一章前言 1 4 研究目的及意义 对喷射性能的研究有助于拓展纺织喷墨技术的科学知识，加强纺织工业的竞争力。 喷墨打印已经成为纺织工业中一个使用越来越多的技术。它不仅在纺织品印花中非常重 要，也有可能创造出高附加值的纺织品如生态纺织品。 喷墨打印时，决定喷墨质量的关键因素之一是墨水的喷射性能。喷射性能优良的墨 水应满足以下要求：填充性能好、清洗性能好、连续喷印时不出现断墨、挂墨、斜喷。 国外对喷头结构及工作原理的研究已较为成熟，采用高速摄像设备对喷射液滴形成的研 究也很多；然而对对复杂的超细颜料分散体系研究难度很大，相关资料很少。国内对超 细颜料的制备、水溶性分散剂的合成及应用研究较多，而对超细颜料水性分散体系的喷 射性能的研究很少。 颜料型墨水在印花时容易堵塞喷头，这一问题一直没有得到解决。本课题模拟数码 喷墨印花墨水分别制备高粘度和低粘度超细颜料水性分散体系，并测试密度、粘度、粒 径、表面张力等理化指标。对高粘度分散体系，借助喷墨情况观察仪对分散体系进行喷 墨性能研究；分析了分散体系的粘度、表面张力对喷射性能的影响；对高粘度分散体系 分别采用分散机9 0 0 0 r p m 高速剪切1 5 r a i n 、超声波1 0 0 0 w 处理1 0 m i n 两种方法进行模拟 剪切处理，考察粘度的变化，分析粘度变化与喷射性能的关系。对低粘度分散体系，采 用m i m a k ij v 4 1 8 0 数码写真机打印测试，用纸条记录测试结果；探讨了甘油、二甘醇、 1 ，2 丙二醇对体系喷射性能的影响。 近年来，全球水资源问题日益突出。我国经济的快速发展，印染行业同样面i 临着生 态环保、可持续发展的问题。国家经贸委颁布的国家重点行业生产技术导向性目录，与 纺织印染业相关的计1 3 项，其中两项即为涂料染色新工艺( 序号4 7 挣) 和涂料印花新工 艺( 序号4 8 撑) 。由此可见，注重环境的生态环保型印染新技术是2 l 世纪纺织印染行业 发展的必由之路【2 9 1 。对超细颜料水性分散体系喷射性能的研究，有助于开发更加成熟的 颜料墨水，利于喷墨印花行业的发展，符合环保要求。 9 江南大学硕士学位论文 2 1 实验药品与实验仪器 第二章实验部分 ( 1 ) 实验药品：实验中使用的实验药品见表2 1 ： 表2 - 1 实验药品 t a b 2 1e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s ( 2 ) 实验仪器：实验中使用的实验仪器见表2 2 ： 表2 - 2 实验仪器 t a b 2 - 2e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s l o 第二章实验部分 2 2 分散体系配制 实际喷墨印花生产中，用到的颜料墨水分为高粘度墨水和低粘度墨水。虽然没有明 确规定高粘度墨水和低粘度墨水的具体粘度范围，鉴于最初使用的喷墨印花墨水粘度普 遍在2 m p a s 左右，一般认为粘度大于8 m p a s 为高粘度墨水。本课题分别讨论了高粘 度超细颜料水性分散体系和低粘度超细颜料水性分散体系。针对两种不同的分散体系， 采用了不同的研究方法，以拓展研究思路，加强研究的全面性。 2 2 1 分散体系配方 ( 1 ) 高粘度分散体系配方 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2