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织物数码印花若干问题探讨

集萃印花网 2009-03-18 00:00:00

【集萃网观察】【摘要】在织物数码印花的发展中，备受关注的是：喷墨印花的喷嘴、墨水、基本色及其与色牢度有关的问题。本文引证资料，对几个方面作了清楚的介绍与论证。认为，涂料工艺、连续式喷嘴有较好的发展前景。有关颜料、粘合剂的纳米级产品已经出现，日晒与湿磨牢度正在解决中，需要重点研究的应该是织物三元基本色的标准化。有自主知识产权的织物数码印花技术，将为我国纺织品生产的挡次提升、节水节能、环境治理、增加效益，创造条件。

【关键词】数码印花喷墨喷嘴纳米颜料涂料粘合剂色牢度

一、概述

六年前，浙江宏华电脑技术公司已开始生产用于织物的活性染料6色数码印花机[1]，上海华纶印染公司曾用它生产了几百套花样。工艺采用棉布练漂丝光→轧碱（纯碱2%+尿素10%+海藻胶+防染盐S适量）→烘干→活性染料墨水喷墨印花→汽蒸（102℃，8分钟）→水洗→皂洗，印花效果与色牢度基本满足要求[2]。

当时，用水溶性染料作着色剂，印花织物的色牢度较易达到指标要求。棉、涤、真丝、羊毛、尼龙、腈纶都可以选用相应的染料作墨水。但由于色浓度、上染率、固色率不匹配等原因，混色的色相和浓淡很难完全符样，这在活性、分散、酸性染料喷墨印花中普遍存在。而涂料印花当时存在的问题是：深色欠浓，浅色欠艳，印制清晰度较差，易堵塞喷嘴[3]。

五年来，织物数码印花技术有了较大发展，但要进行规模生产，若干技术尚需进一步完善。现从获取的信息中归纳，分析，探讨以下几个问题，供大家参考指正。

二、关于数码印花手段

数码印花包括‘读’和‘写’二个内容：第一次‘读写’是数码摄像机或扫描机，读取光辐射信号，分解为XYZ三刺激值，调制成数码写入RAM存储器。第二次‘读写’是计算机读取RAM中的数码信息，通过打印机，复制出原样。二次读写都有发生误差的因素：前者把光调制为数码，因入射光和照度不同，所摄图象在色相和明暗度方面可以有各种不同；后者把数码用颜料还原成色相，由于‘三元基本色’不标准，浓度不匹配而出现色相差异。

从理论上讲，红、黄、蓝三元色色光相混，可以得到‘白色’，红、黄、蓝三元色颜料相混可以得到‘黑’色。光的颜色属于加成混合，红、黄、蓝，加白光可以拼出各种色光和明度，有如在电视屏上所见。色的混合属于减法混合，用红、黄、蓝外加黑色，可以调出各种颜色。CIE三原色光的波长分别是：红700.0；绿546.1；蓝435.8[4]，如果红、绿、蓝三种颜料反射光恰好符合以上三原色波长要求，则可以按不同比例调出各种颜色。但是，色光如此纯正的颜料实际上并不存在，祗不过是所含杂色有多有少而已。这样，减法混合用互补色消减对方时，必然会带进第三色成份，进一步降低颜色的鲜艳度。这样，颜料混合不可能采用红、黄、蓝三元色，而取品红（红紫）、黄、青（蓝绿），或者用红、绿、蓝作为’三元基本色’，以提高绿色与红紫色的鲜艳度。因为，人的视觉对这二个色相的鲜艳与否，比较敏锐。

喷墨打印机有三色(品红、黄、青)、四色（三色加黑）、六色（四色加淡青和淡品红）、七色（六色加淡黑）等多种[6]。用于织物活性染料印花的6-8色墨水，除四基色外，有选用绿色、红色、蓝色、橙色的，各油墨公司的基本色搭配不尽相同[5]。不管是用什么颜色的活性染料，由于本身颜色不纯，二次读写复制出来的图象，色相与原样不能完全一致。

打印方式有：针式、喷墨、激光等多种打印机。织物数码印花，目前采用喷墨打印技术。喷墨打印有三种形式的喷嘴，喷嘴直径大多在10-100μm范围，它们都曾用于织物印花。见图1：

图1 喷墨印花三种喷嘴示意图与重要参数

图注：* Ima je S4 CIJ印花机的喷嘴直径为50μm。**振荡器分割液流使生成每秒62500滴油墨；推进速度达18-20 m/s

***印制清晰度可达1440dpi。

‘连续式’相当于施压2个大气压的水枪，连续喷射，用电感改变液滴走向，或射向织物或射向回收槽，优点是打印速度快，缺点是精细度欠佳[7]；‘气泡式(Bubble Jet-BJ)’或称热喷射：如同汽枪，液滴按需滴入枪膛，喷头热元件瞬时升温至350℃，墨水中低沸点成份迅速蒸发，产生爆炸性压力，将液滴喷出，优点是清晰度高，缺点是喷墨方向散乱，喷嘴容易被堵塞；压电式：如同唧水筒，用脉冲电流导致压电陶瓷变形，急速挤出喷枪中的墨水，有的机型还可以控制不同压强改变墨滴大小[10]，打印精度较高。优点是：喷墨时不需要加热，所以墨水不会发生化学变化，喷嘴不易堵塞，缺点是喷头成本较高[6]。先前应用最为广泛的办公用台式喷墨打印机，佳能(Canon)和惠普(HP) 两家公司采用气泡式，爱普生(EPSON)公司采用压电式。现在佳能也新增了压电式。

在打印速度方面，连续式喷射周期为62500滴/秒，印刷速度是300米/分。记录速度为2000符号/秒，每小时可印报纸48000份，其工作效率高出其它打印方式10多倍。其他两式目前的高端喷墨打印机，都可以喷出超精微墨滴2微微升（直径小于发丝的1/10）。频率为每秒5000次[6]，可算得是：精工细作。

办公打印纸张，一般用亚光打印纸；照片打印，用涂层较厚的高光相纸；高光纸吸墨能力强，墨点扩散小，印制的照片清晰锐利，暗部密度大，晶莹透澈，非常逼真[5]。织物喷墨印花的清晰度和浓艳度尚难与纸张，特别是照片与画报的印制质量相比。

近年来，发展多头、多嘴、大墨盒织物喷墨印花机，生产能力已从0.1m/min提升到2m/min[7,8]。压电式喷嘴，已占市场应用的80%[5]，涂料喷墨印花正在兴起，已有多个单位生产颜料墨水[5,11,13]。但是，从实际情况看来，涂料喷墨印花的浓艳度、清晰度、色牢度，还有待于进一步提高。总的来说，发展涂料喷墨印花的重点技术有三：1、选择适用的颜料与粘合剂分别提高颜色浓度、明度和色牢度；2、使墨滴快吸色、少扩散，提高印花清晰度；3、解决喷嘴堵塞（现在一台织物喷墨印花机，大多有上千只喷嘴），是数码印花产业化的重要前提。

三、关于颜料

喷墨打印的墨滴落在受体（纸或布）上，是呈矩阵排列的，互不压叠，见图2[14]

图2 喷墨打印矩阵和网印的不同处示意

喷墨打印的各种混合色，是基本色色点排列组合，由视觉合成的结果。对图象的认知，是视觉通过心理比较得到的形象。照片中面部颜色与真人完全一致也好，不一致也好，祗要形象不错就行。但是，织物印花如与原样有明显色差，客户不会接受。在必须符合原样这一点上，织物喷墨印花比照片的要求还要高。

（一）试验条件

数码相机500万象数；

Canon BJC 255SP汽泡式三色打印机；

AcerScan-320P扫描机用600dpi；

打印纸张：亚光打印纸、新闻纸、萱纸；

织物毛效测试仪。

注：打印机用的打印墨水有三种：①原装单色打印黑墨水；②原装三色打印墨水；③市售散装三色墨水。散装三色墨色用作打印试验，原装三色墨水祗用来打印最终的‘文件稿’，以正确反映试验中出现的各种颜色变异现象，（注：论文集印刷则祗能用黑白稿）

（二）操作方法

用数码相机拍摄底片；底片用打印机打出照片；扫描机将打印出来的照片再扫成‘翻拍’底片；底片的连续多次放大都在计算机word文件中进行（图像拉长（竖向或横向）10倍后剪掉9/10，再拉长10倍，再剪掉9/10…如此反复。一次性放大最高可达2×106倍，如欲进一步放大，就会出现虚像，无法打印）

（三）试验结果：

1、从图3看出数码相机拍摄的底片，和打印机打出来的照片，实际上与真人的脸面颜色都不相同。

图3 原底片与翻拍底片色相对比

2、原底片与翻拍底片，各取下巴局部，连续多次放大，分别得到 Image-1-1、Image-1-2、Image-2-1、Image-2-2等四幅图像（见图3）

3、从图3看出，用散装墨水打出来的Image-2比原底片Image-1红了许多，取下巴局部分别放大103-106倍，则可以看出Image-2-2中也有裼色带但很少，这说明，三元基本色中青色太淡，打出来的照片色相偏红。

4、三元基本色打印，不可能用增加青色喷墨墨滴来修正色相。唯一可行的是提高青色墨水的浓度，而若浓度不能提高时，祗能换用着色力高的青色颜料。实验说明，要求三元基本色的色浓度匹配是一个关键。

5、散装墨水是用染料配制的，青色染料颜色很淡的原因，是受染料溶解度限制。

6、如若用涂料作喷墨墨水，就可以不受染料溶解度和固色率的限制。并且可以在各种染料中选择着色力较高的染料进行颜料化。

四、关于清晰度

在喷嘴直径很小的情况下，清晰度还决定於墨滴的吸收和渗化特性。它既决定於墨水，也决定於织物。清晰度好：色块边缘整洁，颜色分明，线条流畅；清晰度差则图像漠糊。水性涂料墨水中提高低沸点溶剂含量，可以促进快干，以提高清晰度[10]，打印纸或织物阳离子化可以加快染料的固定[10,12,16]，但这些措施都对环保不利。我们选用不同毛效的打印纸进行对比，以探索改善织物喷墨打印清晰度的可能性。

目前大多认为，打印墨滴不渗化，可以提高清晰度，如若渗化就会引起漠糊[14]。对于水性墨水来说，纸张亲水性越差，渗润越小，打印清晰度越好。因此，现在的亚光打印纸几乎是不吸水的。

我们用亚光纸、新闻纸和萱纸，按织物毛效测试方法（在水中加微量碳素墨水），测定其毛效，和吸色性。见图4。

图4 萱纸的吸水与吸色性

萱纸的毛效测试条，上浅下深，可见明显色阶。纸能在墨水上升时将碳素吸附，而亚光纸与新闻纸则无此现象。萱纸的吸水性好，吸色性好，清晰度也好。

亚光纸与萱纸打印效果对比试验

我们将图3中的褐色调图片Image-1-2，用Canon三色打印机分别打印亚光纸和萱纸，然后扫描为翻拍底片（A1-1和B1-1）再放大（×106倍）打印。另外，将Image-1-2图像格式改为‘灰度’，用黑墨水打印-扫描-放大。见图5

图5 亚光纸与萱纸的打印清晰度

从图5中看出：

1、 Image-1-2原本是褐色调较重的图片，由于墨水的原因，打印出来依然红色调很重。

2、 A1-2与B1-2相比，萱纸上色泽比较丰满。

3、灰色图片放大（累计为2×1012）后，用黑色墨水打印得到的（A2-2，B2-2），萱纸上的墨点黑白分明，清晰度比亚光纸好，亚光纸漠糊处的浅灰色，祗能视作黑墨水渗化（墨水中的溶剂成份也能引起渗化）。

上述实验结果，可以断言：无毛效的虽然能抑制液滴（向受体内，和向周边）渗透，但并非没有‘渗化’。毛效好的，如果吸色性好，也可获得较好的清晰度。我们认为：提高毛效，提高吸色性，是提高织物喷墨印花清晰度的有效方法之一。

五、与色泽浓艳度有关的问题

有人提出，商业化打印墨水中染料的浓度仅为10％左右。而墨滴的大小祗有150μμl上下，即使墨滴打满一平方米织物，墨水用量祗有20g／㎡左右，留在织物上的染料实际祗有2g／㎡，与传统筛网印花相比，留在织物上的染料，是喷墨的5倍，两者的浓艳度肯定会有差距。如果，喷墨印花能施加多重墨水，就可以提高印制色深[5]。

以上说法有一定道理。但染料用量少五倍的先天不足问题，有办法可予补偿：1、选择着色力高的染料；2、将染料颜料化，生成色淀，使不受溶解度和固色率的制约；3、将色淀粉碎至纳米级，进一步提高色泽浓艳度。

颜料颜色首先决定於它的光吸收特性，决定於化学本质，其次决定於颜料粒子的分散度，分散得越细，着色力越强[4]。分散度还与颜料的明度有关，分散愈细明度越好[17]。阳离子染料的色泽浓艳度堪称是最好的。印制深、浓色会变得容易。阳离子染料与磷钨钼杂多元酸反应，可以制得日晒牢度很好的色淀。

在颜料化制造过程中，首先形成许多分子状态的颜料，然后成长和聚集成基本粒子(Ultimate Particles)。这些基本粒子一般祗有0.01-0.04μm，由于粒子小，具有很高的表面能，形成强烈的降低表面能量的趋势，因此很快相互凝聚成为比较牢固而不易分开的α-粒子群，其大小约为0.03-0.06μm然后再聚集为更大的β-粒子群，粒子大小约为0.1-1μm [4]

要得到纳米级的颜料分散体系，可以在合成色原时采用分散剂，降低色淀的表面能。另一个方法是采用‘体质颜料’制备方法，将溶解好的染料先染附在吸附体质上，如氢氧化铝、碳酸钙等内比表面较高的疏松颗粒中，然后进行能使染料生成色淀的反应，并在合成后将体质颜料粉碎。这样可以得到很高的分散度。

六、关于色牢度

颜料达到纳米级分散度时，唯一缺点是日晒牢度降低[4]。

有人发现连接剂（粘合剂）对颜料的耐晒牢度有重要影响，除了个别粘合剂本身有日晒泛黄而影响颜料日晒牢度下降之外，一般的合成树脂都有提高染料日晒牢度的作用。耐晒牢度次序如下：

丙烯酸树脂＞三聚氰胺树脂＞尿醛树脂＞体质染料＞松香脂

我们熟知，阳离子染料的耐光性特差，而染着在腈纶上时，日晒牢度很好。再联系到，用丙烯酸乳液作涂料印花粘合剂时，印花织物一般都不存在日晒牢度不合格的问题。丙烯酸乳液中硬单体一般都采用丙烯腈或甲基丙烯酸甲酯，以提高其在光照和热处理条件下的稳定性，不意，用它作涂料粘合剂时，也能明显提高颜料的日晒牢度。

深色涂料印花湿摩牢度普遍偏低，喷墨印花属于深色。有关纳米级丙烯酸涂料粘合剂的应用性能，已有报导[19]。

涂料配方中颜料和粘合剂粒径在同一水平时，按空间排列的上下、左右、前后六个方位，颜料与粘合剂的用料比应该是6︰6。由于粘合剂还必须与织物连接，因此，在排列中至少要有一个方位全部是粘合剂，用料比应调整为6︰7，颜料6、粘合剂7。

分散细度不同时，颗粒数与表面积之比，按下式计算：

△Nd/D = [1/(d/D)]3

△Ad/D = [1/(d/D)]2

△N — 颗粒增多倍数； △A — 表面积加大倍数；

d — 小颗粒直径； D — 大颗粒直径

颗粒直径相差10倍，小颗粒的颗粒数增加1000倍，面积则增加100倍。假设颜料的粒径是0.5μm，粘合剂的粒径是0.05μm，如果用料比还是1︰1的话，相当于1000个粘合剂包围1个颜料颗粒，干湿摩和刷洗牢度必然会有提高。以下是几个涂料粘合剂及其印花产品的实际检测数据。

表1 纳米涂料粘合剂举例

表2 色牢度举例

七、关于环保指标

目前大多用自交联丙烯酸乳液作粘合剂，自交联单体采用羟甲基丙烯酰胺，单体本身含有少量游离甲醛（约占单体的1-3%），用4%单体合成后的乳液（以含固量30%计），游离甲醛含量在（1.2%×1-3%）范围，最多不会超过300PPM，若与颜料用量相等, 一平方米织物上有2克粘合剂的话，织物克重以150克/平方米计，则织物上的游离甲醛含量会小于10PPM。除了婴儿服，一般都不会超过环保指标。

由于日晒牢度的原因，取代丙烯酸酯粘合剂的可能性不大。要达到无甲醛要求，可以用‘他交联’丙烯酸单体取代羟甲基丙烯酰胺，并以封闭型水性聚氨酯作交链剂[20]。

八、问题讨论和设想

1、数码印花的来样（特别是网络传送的图片）加工，颜色的符样难度较大。特别是不同牌号的墨水和喷墨打印机，互换性极差。因此，要发展织物数码印花，有必要研究和确定织物‘三元基本色’标准。

2、喷墨打印用的是‘三元’混色，颜色不要多，有三个基本色就行。

3、研制纳米级颜料、粘合剂与化学稳定的聚氨酯交链剂，不仅可以提高色牢度，还有利於防止喷嘴堵塞，降低消耗成本。

4、当前已成为发展主流的织物压电式喷墨印花，以多头、多嘴、多色办法来提升印花机的生产能力。设备一次性投资与消耗成本加大。从现今报纸的印制效果来看，将连续法喷墨方式用于织物印花，很有可能。连续法喷嘴可以与墨盒分体，喷嘴制作成本低，工作效率高，祗要喷嘴堵塞问题得到解决，它就有很大发展优势。

参考文献：

[1] 胡左群，数码印花技术的新进展，英特网http://www.ctei.gov.cn/htmlib/zhuanjia/kj04072801.htm

[2] 武祥珊，数码喷射印花应用之浅谈，《浙江印染信息与技术》2002/6-7；31-34

[3] 陈荣圻，喷墨印花用印墨，《印染》2006/12；38-45

[4] 朱骥良吴申年著，颜料工艺学1989年12月

[5] 喷墨印花的关键技术——油墨配方,：中国洗染行业信息中心）中国油墨china-ink.net(2006-3-9 8:56:08)