羟乙基甲基纤维素改性对棉和锦纶织物表面性质的差异性影响

乔曦冉， 房宽峻，2,3,4， 刘秀明， 巩继贤， 张 帅， 张 敏

(1.天津工业大学 纺织科学与工程学院， 天津 300387； 2.青岛大学 纺织服装学院， 山东 青岛 266071； 3.生态纺织省部共建协同创新中心， 山东 青岛 266071； 4. 生物多糖纤维成形与生态纺织国家重点实验室， 山东 青岛 266071)

喷墨印花是一种高精度、低污染[1]的印花方式。喷墨印花过程中，大量微小墨滴离开喷嘴后接触织物表面，在织物表面积累并发生铺展和渗化，最终形成预设的图案。图案的清晰度与墨滴在织物表面的渗化和铺展有关，而这一过程受纤维表面性质的影响明显。

对于棉/锦交织织物来说，棉纤维和锦纶的表面性质存在着明显差异。棉纤维上大量的羟基使棉纤维具有优良的亲水性；而锦纶大分子中大量的亚甲基使得锦纶表面疏水作用明显。这一问题使得活性染料墨水在棉/锦交织织物上喷墨印花时图案边缘渗化严重，最终印花图案清晰度低、同色性差，因此，对织物表面进行改性可有效控制活性染料墨滴在织物表面的铺展[2]，并促进活性染料与纤维结合[3-4]。

其中，最常见的方法是使用改性剂在喷墨印花前对织物进行适当的预处理。预处理可以改变织物表面基团[5]，有利于提升喷墨印花图案质量[6-8]。Cao等[9]使用黄原胶对涤纶织物进行表面改性，研究表明黄原胶和盐进行预处理会显著影响涤纶表面的扩散和吸附性能。Li等[10]使用α-烯烃磺酸盐和海藻酸钠对棉/锦交织织物进行预处理，提升了锦纶表面的亲水性，α-烯烃磺酸盐和海藻酸钠的协同作用使棉/锦交织织物获得了较好的喷墨印花性能。马养鹏[11]比较了多种糊料对棉/锦弹力织物喷墨印花后K/S值、易洗性等性能的影响，研究了糊料对喷墨印花最终效果的影响。

目前对单一织物喷墨印花预处理的研究较多，对混纺或交织织物喷墨印花预处理过程中不同纤维表面性能变化的研究较少。本文选取天然水溶性聚合物、改性纤维素和人工合成聚合物3种类别的多种水溶性聚合物对棉/锦交织织物进行预处理，对比了预处理前后棉/锦交织织物表面的亲疏水性能变化，分析了线宽和亲疏水性的关系，以期为纤维表面亲疏水性质与喷墨打印清晰度之间的关系提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

织物：经过前处理的棉/锦纶6平纹交织织物(28 tex×15 tex)、纯棉平纹织物(28 tex×2)、锦纶平纹织物(15 tex×2)均购自吴江伟佳纺织有限公司。

材料：尿素、碳酸氢钠，购自天津市科密欧化学试剂有限公司；海藻酸钠，购自青岛明月海藻集团有限公司；羧甲基纤维素钠、羟丙基淀粉醚和瓜尔胶，购自郑州普尔化工产品有限公司；羟乙基甲基纤维素(型号分别为LH20 MR和LH40 MR)，购自武汉润兴源科技有限公司；羧甲基羟丙基纤维素、黄原胶，购自湖北摆渡化学有限公司；阴离子聚丙烯酰胺、非离子聚丙烯酰胺，购自河南聚丙烯酰胺有限公司；青色、品红、黄色、黑色活性染料墨水，购自杭州宏华数码科技股份有限公司；标准皂片，购自上海纺织工业技术监督所。其中，尿素和碳酸氢钠为分析纯试剂，其余均为工业级试剂。

仪器：TLE204E/02型电子天平(上海梅特勒-托利多有限公司)；RW20型搅拌器(德国IKA集团)；PO-B型轧车(厦门瑞比机械有限公司)；DGG 101-2BS型电热鼓风干燥箱(天津市天宇实验仪器有限公司)；OCA15pro型视频光学接触角测量仪(德国Dataphysics公司)；VEGA 5000型喷墨印花机(杭州宏华数码科技股份有限公司)；OP-03型汽蒸箱(天津华谱合力科技有限公司)；Datacolor SF-600型测色仪(美国Datacolor公司)；YYS-560E型光学显微镜(上海仪圆光学仪器有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 预处理液的配制

预处理液配方(质量分数)为：水溶性聚合物2%，尿素4%，碳酸氢钠1%，水93%。按配方称取水溶性聚合物、尿素、碳酸氢钠和水，加入烧杯中，高速搅拌至完全溶解，静置至气泡消失备用。

空白对照预处理液配方(质量分数)为：尿素4%，碳酸氢钠1%，水95%。按配方称取尿素、碳酸氢钠和水，加入烧杯中，搅拌至完全溶解，静置备用。

1.2.2 织物表面预处理

纯棉织物、纯锦纶织物和棉/锦交织织物采取相同的预处理工艺。将织物通过轧车，二浸二轧，轧辊压力为9.8 N/cm2。浸轧完成后于100 ℃烘干备用。

1.2.3 喷墨印花

使用VEGA-5000喷墨打印机在经过预处理的纯棉织物、纯锦纶织物或棉/锦交织织物上打印线条、单色色块或图案。

喷墨打印 → 烘干(80 ℃，5 min)→ 汽蒸(102 ℃常压饱和蒸汽，10 min)→ 冷水洗(5 min)→ 温水洗(40 ℃，5 min)→ 皂洗(标准皂片 2 g/L，95 ℃，10 min)→ 温水洗(40 ℃，5 min)→ 冷水洗(5 min)→ 烘干(100 ℃)。水洗浴比均为100:1。

1.3 测试方法

1.3.1 线条宽度

使用光学显微镜观察织物表面打印的等宽线条，并测量墨水沿垂直于线条方向扩散的距离。每个样品在不同位置测量100次，求平均值。

1.3.2 织物表面润湿性能

由于喷墨打印墨水在织物表面扩散和渗透是连续的过程，将表面改性后的织物放置于视频光学接触角测量仪的样品台上，将2 μL去离子水滴在织物表面，观察水滴在织物表面的扩散及吸收过程。截取水滴接触织物0.3 s后的图像，测试接触角，以表征织物表面接触水滴时的润湿性能。测量10次，求平均值。

1.3.3 颜色指标

使用Datacolor SF-600型测色仪在D65光源、10°视角条件下测定喷墨打印单色色块的K/S值。在每个色块的不同位置测量12次，求平均值[12]。

1.3.4 耐摩擦色牢度

按照GB/T 3920—2008《纺织品色牢度试验耐摩擦色牢度》，使用耐摩擦色牢度试验机对喷墨打印后的织物测试耐摩擦色牢度性能，其中湿摩擦测试使用的摩擦棉布的含水率为100%。

2 结果与讨论

2.1 墨水在织物表面的铺展扩散

在不同水溶性聚合物表面改性的锦纶织物和棉/锦交织织物上喷墨打印相同宽度的线条。图1示出光学显微镜观察的墨水在织物表面的铺展情况。

图1 经过不同水溶性聚合物改性后的织物喷墨打印线条光学显微镜照片Fig.1 Optical microscope photo of inkjet printing lines on polyamide fabric (a) and cotton/polyamide fabric (b) modified by different water-soluble polymers

由图1(a)可以看出，在未经处理的锦纶平纹织物上，墨水沿线条方向(纬向纱线)扩散的同时，也沿着交织纱线扩散。最终，在未经处理的锦纶织物表面形成了连续的“十”字形图案。经过不同水溶性聚合物预处理的锦纶织物上，墨水沿交织纱线扩散的情况得到了不同程度的抑制。在使用羟乙基甲基纤维素预处理的锦纶织物上墨水沿着交织纱线上的扩散明显减少，呈现出边缘较为清晰的线条图案。

这一现象在图1(b)中的棉/锦交织织物上具有相似的情况。一方面，在使用不同的水溶性聚合物对棉/锦交织织物预处理后，棉和锦纶表面形成了连续的膜结构，并且填充了纤维缝隙，这更利于墨水在接触织物表面后向临近纱线扩散，从而减少交织纱线上的扩散。另一方面，活性染料墨水在织物表面铺展的过程中，也受到了纤维表面预处理剂本身性质的影响。不同水溶性聚合物在织物表面形成的膜的性质不同，对墨水的扩散行为的影响就不同。

表1示出经过不同水溶性聚合物改性后的棉/锦交织织物接触角及喷墨打印线条宽度。表中，空白对照织物上打印的线宽略高于原布。这是因为在空白对照样品中，尿素在织物表面形成结晶，加速了墨水在织物表面的扩散，使得线宽较原布更大。海藻酸钠、瓜尔胶等天然水溶性聚合物和人工合成的聚丙烯酰胺对墨水在织物表面的抑制作用较差。羧甲基纤维素和羟乙基甲基纤维素改性后的棉/锦交织织物表面能较好地抑制活性染料墨水在织物表面扩散。这说明水溶性聚合物在棉/锦交织织物表面形成的薄膜可以明显改变织物表面性质。

表1 经过不同水溶性聚合物改性后的棉/锦交织织物接触角及喷墨打印线条宽度Tab.1 Contact angle and line width of cotton/polyamide interwoven fabrics modified by different polymers

2.2 润湿性

为研究经过不同水溶性聚合物改性后棉/锦交织织物表面发生的性质变化，测量了样品改性前后的水滴接触织物0.3 s时的接触角，结果如表1所示。

较原布接触角相比，空白对照样接触角减小，织物表面亲水性增强。空白对照样预处理液中的碳酸氢钠和尿素烘干后在织物表面形成碳酸钠和尿素结晶，一定程度上利于亲水性的增加。而经过羟乙基甲基纤维素改性后的棉/锦交织织物接触角大于90°，说明织物表面由亲水转变为疏水。这说明在羟乙基甲基纤维素改性后，棉/锦交织织物图1(b)中表面墨水扩散被抑制与织物表面疏水性有关。

为研究羟乙基甲基纤维素改性后的棉/锦交织织物上棉纤维表面和锦纶表面发生的性质变化，对经过改性前后的纯棉织物、纯锦纶织物和棉/锦交织织物的润湿性进行了测试，水滴在织物表面是接触、铺展、润湿和吸收的连续过程如图2所示。

图2 水滴在织物表面的铺展过程及接触角Fig.2 Spreading process and contact angle of water droplets on fabric surface. (a) Untreated cotton fabric; (b) Cotton fabric modified by hydroxyethyl methylcellulose; (c) Untreated polyamide fabric; (d) Polyamide fabric modified by hydroxyethyl methyl cellulose; (e) Untreated cotton/polyamide interwoven fabric; (f) Cotton/polyamide interwoven fabric modified by hydroxyethyl methyl cellulose

图2(a)中，水滴接触未经处理的纯棉织物表面后，沿平行于织物表面方向在织物上扩散，并逐渐被棉纤维吸收；图2(b)中，水滴接触经过羟乙基甲基纤维素改性的纯棉织物表面后，水滴受重力影响在改性棉织物表面更倾向于绕过棉纤维表面，沿着垂直于织物表面方向，扩散至织物背面，经过一段时间后缓慢向织物内部渗透，而不是直接被棉纤维吸收。

织物表面亲疏水性的变化，主要与改性工作液中水溶性聚合物所带的基团有关。羟乙基甲基纤维素在棉纤维表面形成的薄膜使棉纤维表面的大量的羟基被覆盖，棉纤维表面亲水性减弱[13]。然而，羟乙基甲基纤维素对锦纶的改性作用与棉纤维是截然不同的。如图2(c)、(d)所示，相较于未改性的锦纶，经过羟乙基甲基纤维素改性的锦纶可以使水滴在织物表面更快铺展。这是因为羟乙基甲基纤维素在锦纶表面形成了连续的纤维素薄膜，可以帮助水分在锦纶表面更好的扩散与分布。这有利于喷墨打印过程中墨水在锦纶上分布和染料在锦纶上的固定。

综上，经过羟乙基甲基纤维素改性后的棉/锦交织织物中，棉纤维表面亲水性减弱；锦纶表面润湿性能增强。这一过程使得原本性质差异巨大的棉、锦纶2种纤维表面性质得以改善，有利于抑制喷墨印花过程中墨水在棉/锦交织织物表面的过度扩散，提高图案清晰度。

2.3 颜色效果分析

为分析选取的水溶性聚合物对棉/锦交织织物喷墨印花性能的影响，测定了经过表面改性后棉/锦交织织物喷墨打印单色色块的K/S值，结果如表2所示。

表2 经过不同水溶性聚合物改性后的棉/锦交织织物喷墨打印单色色块K/S值Tab.2 Inkjet printing K/S values of color block on cotton/ polyamide interwoven fabrics modified by different polymers

从表2可以看出，经过羧甲基羟丙基纤维素、羧甲基纤维素钠、羟乙基甲基纤维素等改性纤维素类的水溶性聚合物改性后的棉/锦交织织物喷墨打印单色色块的色深较空白对照和海藻酸钠改性有一定提升。改性纤维素类的水溶性聚合物用于棉/锦交织织物表面改性时明显优于黄原胶、瓜尔胶等天然类水溶性聚合物和聚丙烯酰胺等人工合成的水溶性聚合物。

其中，经过羟乙基甲基纤维素(LH20 MR 和LH40 MR)改性的棉/锦交织织物喷墨打印单色色块色深提升明显。使用羟乙基甲基纤维素(LH40 MR)改性的棉/锦交织织物喷墨打印青色、品红、黄色和黑色色块K/S值较使用海藻酸钠改性的棉/锦交织织物分别提升34.6%、45.0%、40.0%和31.5%。

图3示出经过不同水溶性聚合物改性后的棉/锦交织织物喷墨打印图案照片。可以看出，使用羟乙基甲基纤维素改性的棉/锦交织织物喷墨打印图案颜色更深，图案更加清晰。羟乙基甲基纤维素使棉/锦交织织物表面由亲水转变为疏水，抑制了活性染料墨水在织物表面沿水平方向的扩散，促进活性染料墨水向纤维渗化，使更多染料分子与纤维结合，喷墨打印色深和清晰度提高。

图3 不同水溶性聚合物改性后的棉/锦交织织物喷墨打印图案照片Fig.3 Photographs of inkjet printing patterns on cotton/polyamide interwoven fabrics modified by different water-soluble polymers. (a) Untreated; (b) Sodium alginate; (c) Hydroxyethyl methyl cellulose

2.4 色牢度

表3示出不同预处理棉/锦交织织物耐摩擦色牢度。可以看出，使用羟乙基甲基纤维素作为水溶性聚合物预处理棉/锦交织织物时，耐干、湿摩擦色牢度均与海藻酸钠相当。更高的色深意味着在纤维表面和内部存在更多的活性染料。在湿摩擦过程中，可能会有更多的活性染料沾染在测试衬布上，使耐湿摩擦色牢度低于未经处理的原布。

表3 不同预处理棉/锦交织织物耐摩擦色牢度Tab.3 Colour fastness to rubbing of cotton/polyamide interwoven fabrics with different pretreatments 级

3 结 论

1)在选取的多种水溶性聚合物中，羟乙基甲基纤维素可提升棉/锦交织织物喷墨打印表观颜色深度。相较于海藻酸钠，经过羟乙基甲基纤维素改性后的棉/锦交织织物喷墨打印青色、品红、黄色和黑色色块的K/S值分别提升了34.6%、45.0%、40.0%和31.5%。

2)羟乙基甲基纤维素对棉/锦交织织物中棉和锦纶2种纤维的表面改性具有差异性。经过羟乙基甲基纤维素改性后，棉/锦交织织物中的棉纤维表面亲水性减弱；锦纶表面润湿性能增强。

3)相较于海藻酸钠改性，羟乙基甲基纤维素改性的棉/锦交织织物喷墨打印墨滴在织物表面的铺展行为被抑制，喷墨打印图案清晰度有一定提升。