喷墨印刷油墨机理及配方参数研究

1、西安理工大学硕士学位论文喷墨印刷油墨机理及配方参数的研究姓名：王东峰申请学位级别：硕士专业：包装工程指导教师：骆光林20040301摘要题目：喷墨印刷油墨机理及配方参数的研究学科名称：包装工程硕 士 生：王东峰指导老师：骆光林 教授答辩日期：摘要（签名）：（签名）：本文以对喷墨印刷油墨的结构体系和使用机理的正确认识为基础，针对影响喷墨印刷油墨性能的各因素进行系统的分析研究，并通过大量的试验提出了最佳的配方参数，有效地用于指导实践。论文的理论部分着重分析了喷墨印刷技术的原理、染料化学理论、溶剂化学理论及表面活性剂的作用机理。然后理论联系实际，通过大量的探索性试验确定了喷墨印刷油墨的最优基础配方，

2、通过单因素并行试验确定了两种助剂的最佳作用水平值，并以此为基础通过正交试验的方法对这两种助剂的交互作用进行了考察，采用了方差分析的方法对数据进行处理，有效地利用了试验数据并确定了这两种助剂单独作用及交互效应作用的显著性，提出了喷墨印刷油墨的最佳配方，并以喷墨印刷油墨的各项性能标准为依据，对该配方进行测试实验，取得了较好的效果，从而最终为生产实际提供了理论依据。关键词：喷墨印刷油墨染料溶剂两性表面活性剂非离子表面活性剂西安理工大学硕士学位论文Subject:THE STUDY OF MECHANISM AND PRESCRIPTIONPARAMETER IN INK OF INK JET PRI

3、NTINGSpeciality: Package EngineeringAuthor:Wang Dongfeng(Signature:)Instructor: Luo GuanglinDate:(Signature:)ABSTRACTBased on the right cognition of the structure system and the applicationmechanism of the jet ink, the influence factors of jet ink capability areanalyzed systematically, and presents

4、a new prescription parameter todirect the practice through lots of examination. This paper emphasizes toanalyze the principium of the ink jet printing, the dye chemistry theory,solvent chemistry theory and the amphoteric and nonionics actionmechanism. Then integrating the practice to the theory, lot

5、s of probeexperiment provides the best basic prescription of jet ink, the singlefactor experiment provides the best quantity of two kinds of additive,through the intersectant experiment of additive their interaction isreviewed, the experiment data is deal with by analyzed error method and thebest pr

6、escription is presented. It is tested based on the jet ink capabilitystandard and test result is satisfying. In the ultimate, this prescriptioncan be a guidance for real product.Keyword：jet-inkdyesolventamphotericnonionic前前言言现代社会科学技术日新月异，人类社会文化知识的发展速度不断加快，科技情报和工业生产方面的信息量大量增加，而这些大量的信息仍然需要以印刷品作为主要的传播手

7、段，从而推动科学技术的发展和工业产品的更新换代。而随着个人计算机的飞速发展和普及，数字印刷技术得到了迅猛地发展，尤其是喷墨印刷技术，它是随着计算机控制技术与包装技术的不断发展而迅速发展起来的，广泛用于现代化的工厂和包装自动线。与其它印刷方式相比，喷墨印刷具有不可比拟的优点，如适应性广、高速智能化、成本低无污染等。随着商品经济的发展，喷墨印刷技术已经被广泛应用于印刷和包装行业，起到了美化商品、宣传商品和保护商品的作用，推动了我国印刷和包装事业快速发展。但是也存在一些问题亟待于解决。根据我们对国内相关资料以及市场的调查，到目前为止，国内还没有真正开发出各种性能都比较稳定的喷墨油墨，因此当前国内市场

8、上的喷墨油墨特别是彩色喷墨油墨几乎全都依靠进口，国产喷墨油墨与进口喷墨油墨在性能上仍存在很大差距，而进口的喷墨油墨的价格都相当高，这无疑严重阻碍了我国印刷包装行业及其相关行业的发展。因此,本课题立足于国民生产实际中的问题，针对研制颜色好、安全、性能稳定的喷墨油墨这一难题，从多方面进行了分析、探索、试验、总结，最终取得了一定的实效。值得说明的是，由于本人能力及条件有限，本课题主要是通过试验现象和试验数据进行理论分析。1绪论1绪论喷墨印刷油墨的发展及国内外现状喷墨印刷是采用计算机控制，从喷嘴射到承印物上的细墨流而获得文字和图像的一种无压印刷方式。喷墨印刷技术的发展已经有较长的历史了，早在二十世纪四

9、十年代末，美国人 提出了喷墨印刷的设计方案，经多次试验取得成功并于二十世纪六十年代进入实用阶段，制造出初期的线条喷墨印刷机和印字机。但是由于当时的科学技术水平的限制，使喷墨印刷技术难以推广和应用。进入八十年代后，随着计算机应用的普及和信息高速公路的发展，喷墨印刷技术也得到了较快的发展。喷墨印刷技术的原理决定了喷墨印刷需要有特殊的印刷装置，正是这种特殊的印刷装置，要求喷墨印刷油墨要有其独特的印刷适性。在喷墨印刷的过程中，需要将直径仅为 1 微米左右的微小墨滴以 3000050000 滴秒的喷射速度从喷嘴中喷出，这就要求所用的油墨必须具有适合喷墨印刷的某些特殊性能，如油墨要求是低表面张力、低粘度、

10、相对密度小，具有适当的电导性，干燥速度快，并且基本上保持中性的 PH 值，以避免对喷嘴的腐蚀。因此，对喷墨印刷油墨的印刷适性应进行合理调整，以便印刷时油墨不产生堵塞喷嘴，而且在承印物上能准确地形成所需点子的大小，以便构成清晰的图像。二十世纪七十年代以后，喷墨印刷油墨得到了广泛的研究，尤其是用于液式彩色喷墨印刷的墨水。早在 1974 年，德国一家公司就推出了一种彩色墨水，其配方如下：某种染料 克、水 161ml、聚乙二醇 10ml。这之后，各大公司加快了对墨水的研究，如美国的 IBM 公司、日本的富士公司等都做了不少的工作。特别是到了 1982 年日本 Canon 公司的气泡式喷墨打印机问世以后

11、，关于墨水的开发研究工作更为迅速。Canon 公司首先推出了一种适合于气泡式喷墨打印机的墨水，其配方如下：某种染料 5 克、水 60 克、甲醇胺 35 克。此墨水有良好的贮存稳定性以及很1西安理工大学硕士学位论文好的间歇和连续打印性能。与此同时，各大公司也开始对墨水的配方加以改进。例如 Epson 公司开发了一种墨水，配方如下：C.I.酸性红克或直接蓝 克溶于含适量的水、二甘醇、N甲基吡咯烷酮、多甘醇的溶液中。当这两种墨水和纸接触时，能把加在纸表面上的填料介质溶解，纸浆一露出，墨滴立即被吸收，所以干燥速度快，各个墨点能保持高度的圆度，具有很好的性能。我国对喷墨印刷技术的研究起步较晚，但近年来也

12、得到了飞速的发展。随着商品经济的发展，喷墨印刷技术已经被广泛应用于印刷和包装行业，起到了美化商品、宣传商品和保护商品的作用，推动了我国印刷事业快速发展。但是值得注意的是，就目前国内应用的喷墨印刷油墨，尤其是彩色喷墨印刷油墨几乎均依赖于进口，而且价格相当高，这无疑严重阻碍了我国喷墨印刷行业的发展。因此本课题以研究喷墨印刷油墨的机理适性为出发点，旨在通过大量试验提出可行的解决方案。课题内容及意义目前，我国喷墨印刷油墨市场的基本特点是：以生产中低档墨水为主，主要适用于质量要求不高的印刷，而绝大多数喷墨印刷要依靠进口油墨，这些油墨尽管有较高印刷质量，但是价格很高，给我国的喷墨印刷行业带来了严重的困扰。

13、本课题正是立足于国内这一现状，在分析研究喷墨印刷油墨的机理及适性的基础上，进行了大量试验，以理论为基础，以实验为依据，通过科学的实验方法和数据分析方法，研究出具有较高性能的喷墨印刷油墨的理论配方参数，希望能对我国喷墨印刷油墨的发展提供理论依据。研究思路及方法我们前面提到，喷墨印刷技术的原理决定了喷墨印刷需要有特殊的印刷装置，而正是这种特殊的印刷装置，要求喷墨印刷油墨要有其独特2绪论的印刷适性。本课题就是以对喷墨印刷油墨的性能要求标准为依据，分析喷墨墨水的组成，通过大量的配方比较试验、单因素试验和多因素正交试验得出数据，并对数据进行分析处理，找出影响喷墨墨水性能的关键因素，从而得出能为生产实际提

14、供理论依据的喷墨墨水组成的最佳配方参数。3喷墨印刷技术的原理2喷墨印刷技术的原理喷墨印刷与现代常规印刷技术相比，最大的特点在于它是一种非接触式的无版成像复制技术，利用计算机存储信息，不必将图文信息记录到印版上。喷墨印刷是通过控制细微墨滴的沉积，在承印材料上产生需要的颜色和密度，最终形成印刷品的一种复制技术。由于喷墨印刷的复制结果十分稳定，可表现的色域范围宽，使它在未来的数字印刷中有相当广阔的发展空间。喷墨印刷技术分为连续式喷墨印刷技术和随机式喷墨（又称为即时喷墨或按需喷墨）印刷技术两大类，这两种喷墨印刷技术在原理上有很大的差别。本课题主要研究的是用于气泡式喷墨印刷技术（属于随机式喷墨印刷技术）

15、中的喷墨印刷油墨，因此在这里对其它的喷墨印刷技术的原理只进行简单介绍。连续式喷墨印刷技术连续式喷墨印刷技术以电荷控制型为代表。这种喷墨方式最早的应用实例是使用单个喷嘴喷射墨滴，只能在承印材料表面形成粗糙的点阵图像，但这对简单的低分辨率文本输出是足够的。即使是在现在，仍然可以在某些包装设备上看到这样的附属设备，它用来在包装纸上打印标记和要求不高的文本。装有喷嘴的组件称为打印头，喷嘴通过细小的管道与盛放墨水的容器连接。打印时用墨水泵对墨水加以适当压力，使墨水从喷孔中喷出一束细小的液流，这种喷射过程在打印时连续地进行，连续喷墨技术也因此而得名。以连续喷墨技术中的偏转墨滴复制方法为例，从喷孔喷出的细小

16、液流在压电晶体产生的超声驱动信号作用下，受到高频振荡作用而分解，形成均匀而稳定的墨滴束。喷墨设备的驱动软件根据需要打印的图文信息，以开关方式对电荷进行控制，形成带电荷和不带电荷的墨滴，然后由偏转磁场控制电荷偏转，使需要打印的墨滴飞到纸面上，为纸张5西安理工大学硕士学位论文所吸收，产生最终的打印结果。连续式喷墨印刷技术的主要优点是可以形成 100kHz 以上的高速墨滴，适用于高速打印应用领域。其缺点是对墨水需要有加压结构，并需要对不参与记录的墨滴附加回收装置，而这会使打印机的结构变得复杂起来。连续式喷墨印刷技术分为偏转墨滴、不偏转墨滴、无静电分裂墨滴与间歇静电拉引四种方法。随机式喷墨印刷技术随机

17、式喷墨印刷技术又称为即时喷墨技术或按需喷墨技术，这是一种使墨滴从小孔中喷出并立即附在承印材料上需要成像区域的方法。这种技术由于采用液态油墨（墨水）而被称为液态即时印刷。由于随机式喷墨印刷的墨滴只有在需要的时候才喷出喷嘴这一特点，在采用这一技术的喷墨印刷设备就不需要墨水循环系统，从而省去了连续式喷墨印刷设备所必需的墨水加压泵、墨水过滤器和墨水回收装置等。此外，随机式喷墨印刷技术的墨滴喷射速度通常要低于连续式喷墨印刷技术，与连续式喷墨印刷技术相比，随机式喷墨印刷设备的结构简单、紧凑，使得采用这一工作原理的设备不仅成本低，且工作可靠性高，缺点是记录速度较慢。为了提高随机喷墨印刷设备的输出速度，可以采

18、用增加喷嘴数量的方法解决，如果不采用单一的喷嘴，可选用单列或多列小孔，这样一次扫描喷墨即可打印出一个区域。为实现根据要求进行随机喷墨，可以用不同的技术方案从喷墨机构中产生墨滴。当前存在的两种最流行的技术方案：一种是利用电热换能产生墨滴，俗称气泡式；另一种是利用压电换能产生墨滴，这就是通常所称的压电式喷墨技术。.1 气泡式喷墨印刷技术气泡式喷墨印刷技术因需要对墨水加热而被称为热喷墨技术，它为6喷墨印刷技术的原理许多廉价的台式喷墨打印机所采用。此类打印机的价格相当便宜，输出质量已接近或达到照相制版与印刷工艺组合所能获得的复制效果，而且体积小、重量轻。从结构类型看，气泡式喷墨打印机打印头采用的喷嘴结

19、构可分为端面开口型和非端面开口型两种。毫无疑问，气泡式喷墨设备的打印头同样包含喷嘴，气泡在喷嘴内产生，随后形成墨滴。其换能器是一种加热器件。这种喷嘴的尺寸相当小，供墨水的管道长度只有毫米左右，喷嘴的端面相互隔离，排列的距离为 60 微米左右，这个数字相当于 400DPI 打印分辨率的排列间距。气泡式喷墨印刷的原理其实并不复杂，难度在于如何来实现它。图 21 是气泡喷墨印刷的工作原理简图，其特点是无需墨水回收。打印头墨水腔的一侧为加热板，另一侧有喷孔的墨水腔中充满了墨水。打印时，加热板迅速加热墨水，是升温至高于墨水沸点。气泡喷墨系统对加热器件作用约为 68 微秒宽度的短脉冲，约消耗 50 微焦的

20、能量。与加热板直接接触的墨水汽化，产生的蒸汽会形成很小的气泡。在气泡充满墨水腔后，因受热膨胀而形成较大的压力，这股压力驱动墨滴从喷孔喷出。墨滴被喷射出喷孔后，促使气泡破裂，大约经过 50 微秒后，喷出的墨滴断离。一旦墨滴喷射出去，加热板冷却，而墨水腔则依靠毛细管作用，再将墨水从墨水盒中吸入并填满喷嘴。早期的气泡喷墨打印机形成墨滴的周期大约为 250 微秒，这个速度目前已经提高到几十分之一微秒。由于气泡式喷墨印刷机墨滴生成后的运行速度很快（大于米秒），所以当打印头的喷嘴与纸面的距离为 1 毫米时，墨滴冲击到纸面上可以产生单独的印点，打印速度最低能达到 120CPS（每秒打印字符数）以上。气泡即时

21、喷墨印刷所用的墨水，是一种复杂的水基溶液，它的许多特点关系到墨水的性能。就气泡喷墨的基本工作原理而言，这种墨水必须有极低的粘度和表面张力，这样才能使墨水从细小的喷孔中喷射出来。当墨水被加热到沸点时，它应该能迅速汽化。7西安理工大学硕士学位论文加热板喷孔墨水槽喷嘴（1）形成气泡墨水喷出承墨水槽（2）形成墨滴印材料墨水槽墨水槽图 21喷嘴（3）墨滴转 移到承印材料上喷嘴（4）气泡喷墨印刷工作原理示意图2.2.2 压电式喷墨印刷技术随机式喷墨印刷技术除了气泡式喷墨外，另一种重要的技术利用了压电原理，它与气泡式喷墨虽然在工作原理上有不小的区别，但同样属于随机喷墨印刷。在压电式喷墨技术中，以压电器件作为

22、从墨水到墨滴的换能器件，代替连续式喷墨印刷工艺中的墨水泵，且只有在需要打印8喷墨印刷技术的原理时才会从喷嘴中喷出墨滴。压电式喷墨印刷设备的墨水盒的压力与连续喷墨的喷射压力相比，维持在较低的水平上。当打印头的压力器件接收到点阵打印脉冲时，压缩墨水盒壁，将墨水挤压出墨水盒，并通过墨水管道再由喷嘴喷射到纸面上形成印点。压电式喷墨印刷的打印头与气泡喷墨相似，区别在于墨滴的形成方法不同。气泡喷墨采用加热板使墨水升温，在墨腔中形成气泡，当气泡被挤出喷孔时气泡破裂，形成墨滴。压电式喷墨技术则在墨水腔的一侧装有压电板，当电流通过压电板时，压电板产生微小的变形，这种变形的结果是使墨水腔容积减少，挤压墨水而使微量

23、墨水从喷孔挤出并形成墨滴，转印到承印材料上。9喷墨印刷油墨的机理研究3喷墨印刷油墨的机理研究油墨是一种有颜色、有一定的流动性、稀稠适宜、能进行印刷并能在承印物上干燥的浆状胶粘体。油墨主要用于印刷工业。它的种类很多，性质亦各异。一般来说，油墨除应具有鲜艳的颜色、良好的印刷性能、满意的干燥速度外，还应具有一定的耐水、耐光、耐酸、耐碱、耐溶剂以及成膜后耐摩擦等性能。本课题主要研究的是用于气泡式喷墨印刷技术中的喷墨印刷油墨。由前面的所述的气泡式喷墨印刷技术的原理可知，该技术要求所用油墨在 PH 值、粘度以及表面张力等方面必须有特殊的性能，表 31 是喷墨印刷油墨的各项特性标准。为了满足这些性能要求，喷

24、墨印刷油墨有其特殊的组成。表 31喷墨印刷油墨的各项特性标准喷墨印刷油墨的基本组成喷墨印刷油墨通常有下列组份组成：着色剂、溶剂、表面活性剂、催干剂、pH 值调节剂以及其它必要的添加剂。11项 目指 标 范 围粘 度S相对密度表面张力电 阻 率100500cmpH 值89干燥时间 左右西安理工大学硕士学位论文着色剂的作用是使墨水呈现不同的颜色，着色剂的好坏直接影响打印质量。作为墨水的着色剂一般是水溶性的染料，但它们需具备以下条件：(1)良好的溶解稳定性，即溶于水时不发生分解变色；(2)良好的色彩还原性；(3)有一定的耐光性，即在一般的光照条件下不发生分解变色；(4)还要有一定的耐水性，即着色剂在

25、水中的溶解度不能太大。通常情况下着色剂在水中的溶解度只要使墨水能打印出的图像有良好的色彩饱和度就可以了。其中适宜的溶解度是最首要的条件。用于水溶性系统的染料主要有酸性染料和直接染料，按结构主要是偶氮类。此类化合物具有分子量大、低溶性官能团多、染色强等特点，特别适用作墨水的着色剂。溶剂一般采用去离子水和水溶性有机溶剂的混合物，如醇、多元醇、多元醇醚等。其作用是提高墨水的稳定性，使其粘度、表面张力等不易随温度变化而改变；促使在喷嘴处形成薄而脆的膜，再次喷打时易溶解而不堵塞；印字速干等。另外，在气泡式喷墨打印机中，这些溶剂的加入能使墨水起泡稳定而均匀，以保证打印出良好的影像。表面活性剂的作用是改变墨

26、水的表面张力，使墨水的表面张力在适当的范围内。墨水的表面张力越低，则墨滴与纸张的接触角越小，喷出的墨滴在纸上形成的圆点直径越大。这有助于提高覆盖率，得到高质量的印字。但表面张力过低，难以形成微小均匀的墨滴。墨水中加入一些挥发性强的物质有助于印字的迅速干燥。从而不至于玷污与之接触的物质。常用的催干剂有乙醇、异丙醇,环己基吡咯烷酮等。其用量为墨水重量的 1%10%。但应注意低沸点溶剂的加入易引起喷12喷墨印刷油墨的机理研究打中断和喷嘴堵塞。墨水保持一定的碱性(pH=89)可减少对金属喷头的腐蚀。如果墨水的 pH 值偏低，容易引起喷嘴堵塞和偏色现象，稳定的 pH 值可减少这些现象的发生。常用的 pH

27、 调节剂有氨水、三甲氨、三乙醇胺、硫酸盐。它们可以单独使用，也可以几种物质混合使用。加入其它添加剂是为了改变墨水的某些性能。如加入金属离子螯合剂是为了避免重金属离子产生沉淀，减少喷嘴堵塞；加入防腐剂是为了防止墨水被腐蚀变质；加入水溶性聚合物是为了改变墨水在接受体上的粘附能力，打印出良好的图像。有时还要加入抗卷曲剂、防褪色剂等。着色剂着色剂也就是通常所说的色料，包括颜料和染料。从某种意义上来说，色料决定了最终成品油墨的印刷适性和最终效果。用于喷墨印刷油墨中的着色剂一般是水溶性的染料，水溶性的染料主要有酸性染料和直接染料。3.2.1 染料的发色理论通常认为有机物至少需有某些不饱和基团存在时，才能显

28、出颜色，这些基团被称为发色基团，如： CHN、N=O、N=N等不饱和性基团。但并不是由发色团的有机物就一定会有颜色，有些发色团还必须连在足够长的共轭体系上或者同时有多个发色团连在一起时，才能显示颜色。这些含有发色团的分子结构称为发色体。普通发色体的颜色，一般并不很深，对各类纤维也不一定有亲和力，但当另外引入一些基团时，会使整个分子的颜色加深、加浓，并且对纤维有亲和力，我们把这些基团成为助色团。主要的助色团有：NHR、OR、OH、Cl、Br 等。13西安理工大学硕士学位论文此外，像SO3Na、COONa 等是较特殊的助色团，它们对颜色无显著的影响，但可使染料具有水溶性，并使染料在水溶液里带负电荷

29、，从而对某些纤维产生亲和力。助色团并不是染料必不可少的条件，像紫蒽酮、芘蒽酮等染料，无任何助色团，颜色也很深很浓，对纤维有很高的亲和力。从量子力学的观点看，染料分子的吸收光谱可看作电磁辐射与染料分子相互作用的结果。及染料分子选择吸收了一定波长的电磁辐射后，是染料分子结构中的价电子运动状态发生变化的结果。我们知道，光是电磁波，具有波动和微粒两重性，及光是由无数的具有不同能量的微粒光子（又称光电子）所组成。由此可见，染料分子吸收光能也是量子化的，且它的选择性吸收特性与染料分子本身的能量与吸收的光子的能量有关。因此，染料分子发色的本质可以从量子力学观点加以解释。由两个以上原子所组成的分子除了电子相对

30、于原子核的运动外，还有原子核间的相对振动以及整个分子所在的一定的转动。这些运动状态各有其相应的能量，分别称电子能量（Ee）、振动能量（Ev）和转动能量（Er）。它们都是量子化的，其运动状态的变化是不连续的，是阶梯式的，而分子的总能量（E）为上述三种能量的总和。E = Ee + Ev + Er(31)分子的能量状态称分子能级，能级之间的间隔就是它们之间的能级差（E），如图 31 所示。在一般情况下，分子总是处在能量最低的稳定状态，及最低能级，称基态。当吸收了光能后，分子进入高一级或更高能级时，处于不稳定状态，成为激化态。这种分子吸收了光量子获得一定能量后，引起运动状态的变化叫跃迁，跃迁过程所需的

31、能量（E）称激化能。分子能级是不连续的，分子从一个能级即基态（E0）跃迁到另一个14喷墨印刷油墨的机理研究第二激化态第一激化态EE2E1基态图 31分子能级状态的变化E0能级第一激化状态（E1）时（按能级高低，分子可以激化成为第一激化态、第二激化态等）所需激化能为：E E1 E0(32)在光的作用下，当光子的能量与 E 一致时，则可能发生吸收，此时分子发生激化而成为激化态：所以吸收波长为：E h h c hc E(33)(34)在连续光谱中，某些光子的能量被物质吸收后，就形成该物质的吸收光谱。通常分子转动状态变化的能级间隔很小，大大小于 4kJmol，故其转动光谱常处于远红外和微波范围。而分子

32、振动中常包含分子转动，其能级差虽大些，但也只有十几 kJmol，由于振动光谱处于红外区，故又称红外光谱。这两种光谱对人眼都不会引起颜色感觉。只有分子中价电子的能级间隔较大，大致为（110）*10 2 kJmol，相应于吸收光的波长为 2001000nm，处于紫外和可见范围，故产生颜色的感觉。这15西安理工大学硕士学位论文种由价电子运动所产生的吸收光谱，由于电子能级中还包含振动和转动能级，因此在吸收光谱中一般含有振动和转动的光谱。由此可见，分子只选择吸收于其能级间隔一致的能量的光子，而不是对各种能量的光量子普遍吸收，这就是染料分子对光的吸收具有选择性的原因。此外，一个分子从一个能级跃迁至另一个能

33、级时，每一次的跃迁过程只能吸收一个光量子。由于各种物质具有不同的分子结构，故其能级间隔也不一样。能级间隔小的分子，吸收光的波长就长；能级间隔大的分子，吸收光的波长就短。作为染料，它们的主要吸收波长应在380780nm 波段范围内，染料激化态和基态之间的能级间隔 E 必须与此相适应。3.2.2 染料的分子结构与颜色的关系由于染料分子结构的复杂性，以及分子内各基团间相互影响的多样性，所以染料结构与颜色的关系是十分复杂的。a.共轭双键系统有机物分子中 电子的重叠降低了激化能，所以在共轭双键系统中，共轭双键长度增加，激化能则降低，最大吸收波长移向长波方向，产生不同程度的深色、浓色效应。分子结构中萘环取

34、代苯环或偶氮基数目增加，颜色都由浅至深。及共轭双键系统越长，颜色越深。b.取代基的影响共轭系统中引入给电子取代基时，如：OH，基团的孤对电子与共轭体系中的 电子相互作用降低了分子激化能，从而使最大吸收波长向长波方向移动，发生深色效应；吸电子基团如：NO2，在共轭体系中吸取电子，也加深染料分子的颜色。上述两种情况，在颜色加深的同时，往往也伴随着吸收强度的增加，产生浓色效应。在染料分子共轭系统两端同时存在给电子基和吸电子基时，深色作用更明显，甚至比它们各自16喷墨印刷油墨的机理研究单独作用的和还要大，如表 32 所示。并且在供电子基和吸电子基之间如能形成氢键，则深色效应更为显著。表 32供、吸电子

35、基与max 和 max 的关系c.分子的离子化有机物分子中的给电子基和吸电子基发生离子化时，也就是说整个分子呈离子状态时，往往会引起最大吸收波长和吸收强度的改变。这种现象与介质的性质、取代基的性质及其在共轭系统中的位置有关。在含有吸电子基的分子中，当介质的酸性增强时，分子转变成阳离子，增加了其吸电子的能力，往往使颜色加深。含有给电子基羟基的分子中，增加碱性，由于羟基氧原子失去质子，转变成阴离子，给电子性增强，颜色加深。但氨基在酸性介质中的离子化，因形成阳离子而降低其给电子作用，从而使颜色变浅。d.共轭系统的“受阻”现象前面提到共轭系统的长度越长，激化能越低，在共轭系统两端连接17供、吸电子基m

36、ax /nm(C 2 H 3OH )lg max /nm( 和偶氮苯比较，+表增大)318408-90332478-14-160西安理工大学硕士学位论文供电子基和吸电子基时，也大大地降低激化能，最大吸收波长变长，发生深色效应，但若在这样的共轭体系中间插入另一给电子基团的话，则共轭系统有所谓“受阻”现象发生，使吸收光谱向波段短的方向转移。若将共轭系统中间的NH2 乙酰化，则降低了其给电子能力，教乙酰化前颜色加深，显示带紫光的蓝色。在芳甲烷的共轭体系中，两个芳香环间用具有给电子性的基团如O、NH、S等连成桥时，则同样会显示出共轭体系的“受阻”作用。另一个有趣的现象是，当在孔雀绿染料分子中的第三个苯

37、环中引入一个给电子基时，虽然共轭双键未“受阻”，但同样导致最大吸收波长向短波方向移动。这些都是因电子沿共轭系统的流动性被降低所造成的。e.分子的平面结构我们知道，最大共轭效应只有在整个共轭系统中的原子和原子团处在同一个平面上时才能显示出来。此时， 电子的叠合程度最大。如果分子平面结构受到不同程度的破坏，则 电子叠合程度降低， 电子离域程度低，激化能增高，产生浅色效应，同时吸光系数也往往降低。最常见的平面结构破坏现象，是由于单键的内旋转而产生的。f.形成金属络合物的影响当染料与金属形成络合物时，大多呈稳定的五环或六环结构，若配价键由参与共轭的孤对电子构成，则影响共轭体系电子云的流动性，通常使颜色

38、加深变暗。同一染料与不同金属离子生成络合物时具有不同的颜色，这是由于不同的金属离子对共轭系统 电子的影响是不同的。如果络合物的形成并不改变 电子云，则络合物的颜色不发生显著变化。3.2.3 酸性染料和直接染料的结构与性能酸性染料通常含有磺酸基，极少数含有羧基，它们的钠盐易溶于水，由于这类染料在发展初期，都必须在酸性介质中染色，所以称之为酸性18喷墨印刷油墨的机理研究染料。直接染料是具有水溶性基团（多为SO3Na，也有COOH）的染料，在染纤维素纤维时，不需媒染剂的帮助即可直接染色，所以称之为直接染料。按化学结构，酸性染料和直接染料的品种均主要为偶氮类染料，它也是应用于喷墨印刷油墨中的主要着色剂

39、。因此在这里我们只讨论偶氮类酸性染料和偶氮类直接染料a.偶氮类酸性染料（1）单偶氮酸性染料这类染料色泽鲜艳，包括黄、橙、红等浅色品种，蓝色品种极少。它们结构简单，制造也简单，成本较低。例如酸性红 B 的分子结构式如图 32 所示。图 32酸性红 B 的分子结构式（2）双偶氮酸性染料双偶氮酸性染料一般可分为两类：一种是偶氮基由共轭双键连贯起来，这样的染料除具有较好的湿牢度外，颜色也较深。例如弱酸性深蓝 GR 的分子结构式如图 33 所示。图 33弱酸性深蓝的分子结构式19西安理工大学硕士学位论文另一种偶氮基之间没有共轭双键相连，这类染料具有单偶氮染料浅而鲜艳的色光，而且具有较高的湿处理牢度。b.

40、偶氮类直接染料（1）单偶氮直接染料单偶氮直接染料仅限于一些具有苯并噻唑或 J 酸结构的黄色、橙色、红色少数品种。例如直接红 B 的分子结构式如图 34 所示。图 34直接红 B 的分子结构式（2）多偶氮直接染料这类结构的染料，均为平面型的线型分子。随着染料分子共轭双键系统的连贯和增长，对纤维素纤维的直接性也相应增加，同时发生深色效应。故颜色一般为紫、棕、蓝、黑等深色品种。例如直接耐晒蓝 RGL的分子结构式如图 35 所示。SO3HOHNNNNNNNHSO3H溶剂20图 35SO3NaSO3H直接耐晒蓝 RGL 的分子结构式喷墨印刷油墨的机理研究溶剂是印刷业、油墨制造业必不可少的原材料。溶剂在印

41、刷及油墨的制造中，主要是用来溶解成膜物质（各种树脂和固体物料）并使其保持液态（流体）。不同种类的树脂和固体化工原料，其溶解性各不相同；不同溶剂的溶解能力和蒸发速率也是各不相同的。因此要根据树脂和固体原料的种类及工艺要求去选择最佳的溶剂组合和配比。同时，在选用溶剂时，除了考虑其溶解性能外，还要考虑其残留气味、可燃性、毒性、色相、纯度等。溶剂分类的方法各异。按沸点分则有低沸点溶剂（F(n1, n2)时，说明该因子水平的改变，对试验结果有高度显著的影响，记作*。当 F(n1, n2) FA F(n1, n2)时，说明该因子水平的改变，对试验结果有显著的影响，记作*。当 F(n1, n2) FA F(

42、n1, n2)时，说明该因子水平的改变，对试验结果有一定的影响，记作*。七，重复试验的方差分析。在重复试验的情况下，我们就遇到了处理重复试验数据的问题。所谓重复试验就是将同一号试验重复若干次。重复试验的数据可以用来估计试验误差。重复性试验中偏差平方和的计算与没有重复试验的情况完全类似，只要用各号“试验结构设计”来代替原来的实验结果，另在分母上乘以重复试验的次数即可。如果同一号试验我们做了 m 次，m 个数据之间的差异，反映了误差的影响。因此如果以 yi 来表示第 I 号试验的 m 个数据的算术平均值：yi 1 m ( yi1 yi 2 yim ) 1 m ( yik ), k 1,2, m那么

43、第 I 号试验的 m 个数据内部的偏差平方和： i( yik yi ) 2 , (I 1,2,3,4), k 1,2, m可以作为误差的估计值，其自由度为 m1。32（41）（42）试验过程及理论分析5试验过程及理论分析通过从前几章的理论分析我们知道，喷墨印刷油墨的各组成成份都会对对它的性能造成影响。因此，本课题以喷墨印刷油墨的各项特性标准为依据，对喷墨印刷油墨的组成配方进行了大量的比较试验，提出了基础配方。然后，以该配方为基础，我们加入助剂以改善喷墨印刷油墨的综合性能，此阶段采用了单因素试验和正交试验的科学试验方法，对助剂加入量做了大量的试验研究，最终提出了能为生产实际提供理论依据的最佳配方

44、。试验用原材料及仪器设备5.1.1 原材料本课题主要的原材料如下：（1） 直接耐晒蓝 B2RL（2） 直接桃红（3） 酸性品红 6B（4） 酸性湖蓝 V（5） 蒸馏水（6） 乙二醇（7） 尿素（8） 平平加 O（9） 烷基甜菜碱（两性表面活性剂）（10）抗静电剂5.1.2 试验仪器及设备33西安理工大学硕士学位论文（1）JYT-5 架盘药物天平（2）DDS-12 数字电导率仪（DJS-1 型电导电极）（3）涂4 粘度计（4）电子表（5）烧杯（6）玻璃棒（7）胶头滴管（8）量筒（9）大中小勺探索性试验5.2.1 试验目的探索性试验是本课题的基础性实验，此探索性试验以喷墨印刷油墨的各项特性标准为依

45、据，通过大量的配方比较试验找到喷墨印刷油墨的基础组成成份配方。5.2.2 试验配方配方 1：酸性湖蓝 V2.33%水 75尿素 7乙二醇 15抗静电剂试验现象：溶液有结块，搅拌后结块未能消失。配方 2：酸性品红 6B2.33%水 75尿素 7乙二醇 15抗静电剂试验现象：溶液有结块，搅拌后结块未能消失。34试验过程及理论分析配方 3：直接桃红 2.33%水 75尿素 7乙二醇 15抗静电剂试验现象：溶液有沉淀，搅拌后沉淀未能消失。配方 4：直接耐晒蓝 B2RL2.33%水 75尿素 7乙二醇 15抗静电剂试验现象：溶液能够完全溶解。5.2.3 探索性试验结论以上探索性试验的四个配方，每个配方我

46、们都在同样的条件下重复试验数十次，试验结果均如上所述，因此，选择配方 4 为喷墨印刷油墨的基础配方。单因素试验5.3.1 试验目的单因素试验是正交试验的基础环节。该试验的目的在于通过助剂 A（平平加 O）、助剂 B（烷基甜菜碱）的单因素试验寻找出各自合理的正交试验水平值。5.3.2 试验方法由第三章我们知道，喷墨印刷油墨同其它特种油墨一样，有其特殊的各项特性标准（表 31）。其中墨水的表面张力和粘度是墨水能否成功从喷墨印刷设备中喷射出来的关键，而它们主要是由表面活性剂（即助剂 A、B）来调节。因此，单因素试验就是在基础配方中分别加入不同配比的助剂进行大量试验，然后对试验的数据进行方差分析，以鉴

47、别该助剂对墨水性能的影响。35西安理工大学硕士学位论文5.3.3 助剂 A（平平加 O）的单因素试验平平加 O 又称脂肪醇聚氧乙烯醚。乳白色或淡黄色膏状物，具有良好的乳化、均染扩散等性能，能溶于水、乙醇、乙二醇等，而且它对酸、碱溶液都比较稳定，是一种非离子表面活性剂。平平加 O 在喷墨墨水中具有十分重要的作用，不仅可以调节墨水的表面张力，而且会影响墨水的粘度。加入不同比例的平平加 O 对喷墨印刷油墨粘度的影响如表 51中数据所示。a.试验数据及数据处理表 51加入不同比例的平平加 O 对喷墨印刷油墨粘度的影响由表 51 的试验数据可计算得：总平方和 ST因素的效应平方和 SA误差平方和 SES

48、TSAST、SA、SE 的自由度依次为 n1=14，s1=2，ns=12，得方差分36平平加 O 的比例246油墨的粘度（单位：310 PaS）平均值（单位：310 PaS）试验过程及理论分析析表如表 52。表 52粘度的方差分析表因 F（2，12），故在水平 下认为喷墨印刷油墨中加入不同比例的平平加 O 对其粘度的影响有显著的差异。根据表 31 所示的喷墨印刷油墨的各项特性标准，喷墨印刷油墨的3的加入量占 4和 6时，均符合该标准。在本节的开始我们提到过，加入不同比例的平平加 O 对喷墨印刷油墨表面张力也有很大的影响，这种影响从表 53 的数据中可以看出。表 53加入不同比例的平平加 O 对

49、喷墨印刷油墨表面张力的影响37平平加 O 的比例246油墨的表面张力（单位：210 N/m）平均值（单位：210 N/m）方差来源平方和自由度均方F 比因 素误 差212总 和14粘度标准为（）*10 PaS，由表 51 中数据可知，当平平加 O西安理工大学硕士学位论文由表 53 的试验数据可计算得：总平方和 ST因素的效应平方和 SA误差平方和 SESTSAST、SA、SE 的自由度依次为 n1=14，s1=2，ns=12，得方差分析表如表 54。表 54表面张力的方差分析表因 F（2，12），故在水平 下认为喷墨印刷油墨中加入不同比例的平平加 O 对其表面张力的影响有显著的差异。同样根据表

50、 31 所示的喷墨印刷油墨的各项特性标准，喷墨印刷油墨的表面张力标准为（）*102 N/m，由表 53 中数据可知，当平平加 O 的加入量占 4时，喷墨印刷油墨的表面张力符合该标准。b.试验结果分析综上所述，当平平加 O 在喷墨印刷油墨的配方含量中占 4时效果最佳。当表面活性剂溶解于溶剂中时，形成的溶液与纯溶剂相比在性质上会产生很大的变化，对溶液性质的影响十分显著。引起这种现象最根本的起因在于表面活性剂分子的双亲媒性。当表面活性剂分子溶于水中时，其正、负离子部分都被水溶剂化。重要的是在于水中的部分氢键被38方差来源平方和自由度均方F 比因 素误 差212总 和14试验过程及理论分析分子中的憎水

51、端长碳链所破坏。而水分子会在这个带憎水端离子的周围形成一个体积较大的溶剂化团。其原因是因为一方面当表面活性剂离子进入水分子间时破坏了氢键，而另一方面，水的氢键力图维持不被破坏。再加上溶剂化力又力图把离子拉入溶液中，其结果在粒子周围就生成了离子偶极矩键的溶剂化层。同时，表面活性剂的又一种特性是表面吸附，这种特性可使表面活性剂保留在溶液中但并不破坏许多氢键。与上述表面活性剂溶于溶液整体中不同，表面吸附则是指表面活性剂的亲水端插在水中是真正的溶解，而憎水端整齐地排列在表面上，极少对氢键产生干扰。图 51 即描述了这种状态。这种形式远较整个离子进入溶液内部均匀地溶解所消耗的能量要少得多。事实上，表面活

52、性剂的离子总空气表面水图 51表面活性剂的表面定向是倾向于这种方式，以避免过多破坏氢键引起的阻力。由于每一单位液体表面积对应一定量的自由能，增加表面自由能要消耗功，才能增大液体的表面积。这种现象的原因在于液相表面层分子受到分子间力的作用与液相内部分子受到分子间力的作用不同，它们受到气相气体分子的作用力远小于液相内部分子对表面层分子的引力，表面张力是使液体表面尽量缩小的力，亦即液体分子间的一种凝聚力。要使液相表面伸展，就必须抵抗这种使表面缩小的力。由此可见，表面张力越小，液相的表面就越易伸展。平平加 O 是一种非离子表面活性剂，它的分子中含有聚氧乙烯醚基和端点羟基，其中成直链排列的七个氧乙烯基形

53、成聚醚结构，它们的氧原子和最后端点的羟基联合提供了水溶性，降低了溶液的表面39西安理工大学硕士学位论文自由能，减小了溶液的表面张力。通过上述的试验数据分析我们知道，在一定范围内，随着表面活性剂含量的升高，溶液的表面张力逐渐变小，而当平平加 O 在墨水中的含量为 4时，墨水的粘度和表面张力符合标准。5.3.4 助剂 B（烷基甜菜碱）的单因素试验烷基甜菜碱是一种最常见的两性表面活性剂。它是一种浅黄色液体，相对密度(20C)为，溶于水，耐酸碱，稳定性良好，对皮肤和眼睛的刺激性小。烷基甜菜碱的分子内同时含有阴离子亲水基和阳离子亲水基，因此既能给出质子又能接受质子。烷基甜菜碱的阳离子是由氮原子形成的，阴

54、离子是由羧酸基提供。如平平加 O 一样，烷基甜菜碱也可以在调节墨水的表面张力的同时影响墨水的粘度。加入不同比例的烷基甜菜碱对喷墨印刷油墨粘度的影响如表 55 中数据所示。a.试验数据及数据处理表 5540加入不同比例的烷基甜菜碱对喷墨印刷油墨粘度的影响烷基甜菜碱的比例123油墨的粘度（单位：310 PaS）平均值（单位：310 PaS）试验过程及理论分析由表 55 的试验数据可计算得：总平方和 ST因素的效应平方和 SA误差平方和 SESTSAST、SA、SE 的自由度依次为：n1=14s1=2ns=12从而得方差分析表如表 56。表 56粘度的方差分析表因 F（2，12），故在水平 下认为喷

55、墨印刷油墨中加入不同比例的烷基甜菜碱对其粘度的影响无显著的差异。根据表 31 所示的喷墨印刷油墨的各项特性标准，喷墨印刷油墨的3碱的加入量为 1、2、3时，均符合该标准。同样，加入不同比例的烷基甜菜碱对喷墨印刷油墨表面张力也有影响，这种影响的结果如表57 所示。41方差来源平方和自由度均方F 比因 素误 差212总 和14粘度标准为（）*10 PaS，由表 56 中数据可知，当烷基甜菜西安理工大学硕士学位论文表 57加入不同比例的烷基甜菜碱对喷墨印刷油墨表面张力的影响由表 57 的试验数据可计算得：总平方和 ST因素的效应平方和 SA误差平方和 SESTSAST、SA、SE 的自由度依次为 n

56、1=14，s1=2，ns=12，得方差分析表如表 58。表 5842表面张力的方差分析表烷基甜菜碱的比例123油墨的表面张力（单位：210 N/m）平均值（单位：210 N/m）方差来源平方和自由度均方F 比因 素误 差212总 和14试验过程及理论分析因 F（2，12），故在水平 下认为喷墨印刷油墨中加入不同比例的烷基甜菜碱对其表面张力的影响无显著的差异。同样根据表 31 所示的喷墨印刷油墨的各项特性标准，喷墨印刷油墨的表面张力标准为（）*102 N/m，由表 53 中数据可知，当烷基甜菜碱的加入量为 1、2、3时，喷墨印刷油墨的表面张力都符合该标准。b.试验结果分析综上所述，当烷基甜菜碱在

57、喷墨印刷油墨的配方含量中占 1、2、3时效果均适宜。当烷基甜菜碱这种两性表面活性剂溶解于溶剂中时，会使溶液形成胶束，这是此类表面活性剂的一个很重要的特性。胶束的形成并不要求溶质达到饱和，而是在一定的浓度以下时溶质表面活性剂溶于水中，超过此浓度后的溶质分子就会以胶束的形态进入溶液。胶束的基本结构如图 52 所示，它是一种亲水端朝外，憎水端朝里的离子团。图 52胶束的基本结构而从试验的数据中可以看到，在喷墨印刷油墨的配方中在一定范围内单独改变烷基甜菜碱的含量基本上没有影响油墨的粘度和表面张力。烷基甜菜碱是一种两性表面活性剂，其溶液在达到临界胶束浓度时是一个多43西安理工大学硕士学位论文相平衡体系。

58、在气液界面上由于表面吸附使界面上的分子比溶液中的多，产生界面定向。液固界面上的分子也较溶液中的多。在溶液中还出现了亲水端朝外的胶束，胶束中的分子由于其浓度高于溶液中的分子而处于一种动平衡状态。当这种平衡稳定时，单独再加入烷基甜菜碱，不会改变其平衡性，也即不会改变溶液的表面张力。正交试验5.4.1 试验目的正交试验是在单因素试验的基础上对助剂 A（平平加 O）、助剂 B（烷基甜菜碱）所进行的交叉试验。该试验的目的在于在考察助剂 A、助剂 B单独作用效果的同时考察助剂 A、助剂 B 两种因素同时作用时的多因素情况，即考察他们的交互效应对喷墨印刷油墨性能（本试验主要是表面张力）的影响，从而最终找到喷

59、墨印刷油墨的最佳综合配方。5.4.2 试验数据及数据处理由单因素试验，对因素 A（平平加 O）选用两个水平值（4和 6），因素 B（烷基甜菜碱）选用三个水平值（1、2和 3）进行二次等重复正交试验，试验数据如表 59。表 5944助剂 A、B 的交互作用对喷墨印刷油墨表面张力的影响B1（1）B2（2）B3（3）Ti.A1（4）A2（6）T.j.试验过程及理论分析*上表中数据的单位为 102 N/m由表 59 的试验数据可计算得：总平方和 ST因素 A 的效应平方和 SA因素 B 的效应平方和 SBA、B 的交互效应平方和 SA B误差平方和 SESTSASBSA BST、SA、SB、SA B、

60、SE 的自由度依次为 STrst1=11，SAr1=1，SBs1=2，SA B（r1）（s1）2，SErs（t1）6，从而得方差分析表如表 510。表 510表面张力的方差分析表取显著性水平为，查 F 分布表可得：45方差来源平 方 和自 由 度均 方F 比因素 A（平平加 O）1因素 B（烷基甜菜碱）2交互作用A B2误 差6总 和11西安理工大学硕士学位论文F（1，6）F（2，6）由表 510 可以看出：F（1，6）FAF（2，6）FB所以在水平 下，我们认为喷墨印刷油墨配方中不同含量比例的平平加 O 和烷基甜菜碱对油墨的表面张力有显著性影响。值得注意的是，F（1，6） FA，F（2，6）