Das textilchemische Fundament des digitalen Textildruckes

1. Einleitung

Die Anwendung der Ink-Jet Technologie für den Textildruck begann vor 10 Jahren mit der Einführung des TruColor TCP Jetprinters der Firma Stork. Grundlegende Arbeiten zur Technologie und Chemie wurden von J. R. Provost et al. (1, 2, 3) veröffentlicht. Die Möglichkeiten mit einfacheren und kostengünstigeren DOD-Druckern den Tintenstrahldruck auf Textilien zu realisieren, wurden erstmals im Rahmen einer Diplomarbeit der FH Reutlingen von J. Weller (4,5) untersucht. T.L. Dawson (6,7) beschreibt detailliert die Tropfenbildung und die Realisierung der Farbnuancen und Halbtöne beim digitalen Druck. Sehr bald wurde über die Zukunftsperspektiven des digitalen Druckes diskutiert. Skeptiker reklamierten die langsame Druckgeschwindigkeit von 4-16m/h, die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den konventionellen Druck und, bei kritischen Halbtönen, das Dithering-Problem. R. J. M. Kool (8)sieht wirtschaftliche Vorteile für den digitalen Druck im Vergleich zum Rotationsfilmdruck bei Metragenlängen von unter 100m. Während in Europa die Skepsis gegenüber dieser neuen Technologie überwog, stürzte man sich in den USA sehr früh und mit wahrer Euphorie auf diese neuen Technologie (9, 10). T. Ross (11) prognostizierte für die Jahre 1997-2002 ein exponentielles Wachstum an digital gedruckten Textilien, eine Einschätzung, die sich auch in den Zahlen von A. Böhringer wiederfindet (12). Mittlerweile hat man in Europa nachgezogen. Bei der Drucktechnologie hat, nach einer Marktanalyse an der FH Reutlingen (13), die DOD-Technik auf Basis der Piezotechnologie den größten Anteil (13). Systeme zur Ansteuerung der Drucker liefern Softwarehäuser, die bereits seit langem CAD-Systeme für den Textildruck entwickeln. Diese Programme berücksichtigen die traditionelle Vorgehensweise bei Musterung und Colorierung im Textildruck, und können im digitalen Druck den klassischen Filmdruck weitgehend simulieren. Softwaresysteme aus dem graphischen Druck kennen nicht die Besonderheiten und Grenzen von Filmschablonen. Mit dieser Softwear sind zum Beispiel photorealistische Ausdrucke auf Textil möglich, die sich in dieser Form im Siebdruck nicht mehr realisieren lassen. Ein entscheidender Faktor für den digitalen Druck auf Textil sind geeignete Tintensysteme. Derzeit werden von der BASF, der Ciba Spezialitätenchemie und der CHT Tinten auf Basis von Reaktiv-, Dispers- und Pigmentfarbstoffen angeboten. Die Technik steht also zur Verfügung. Bei aller Hochtechnologie basiert die neue Technologie jedoch nach wie vor auf den fundamentalen Prinzipien der Textilchemie. Daraus ergeben sich die Notwendigkeiten, Grenzen und Möglichkeiten für den Einsatz des digitalen Druckes. Auf diese Aspekte soll im Rahmen dieser Arbeit für das Segment des Druckes mit Reaktivfarbstoffen eingegangen werden.

2. Textilchemie des digitalen Druckes

2.1 Die Warenvorbehandlung

Für die Warenvorbehandlung beim digitalen Druck gilt dasselbe, was für die traditionelle Druckvorbehandlung auch gilt. Eine optimale Vorbehandlung ist die Voraussetzung für den Druckerfolg. Entschlichten, alkalisch abkochen und bleichen ist also selbstverständlich. Durch Sengen lässt sich nicht nur die Qualität des Druckbildes, sondern auch die Verfahrenssicherheit beim Drucken erheblich verbessern. Bei nicht gesengter Ware können abstehende Härchen am Druckkopf streifen und zu einem Ausfall von Düsen führen oder ein Verschmieren der Farben verursachen. Da beim digitalen Druck der Farbauftrag ein limitierender Faktor ist, ist die Verwendung merzerisierter Ware vorteilhaft, da hier mit gleichem Farbauftrag eine höhere Farbtiefe erzielt wird.

2.2 Die Warenimprägnierung

Die Druckertinten enthalten nur die Lösung des hochgereinigten Reaktivfarbstoffes. Die Prozesschemikalien müssen deshalb durch einen Klotzprozess vorher auf die Ware gebracht werden. Das heißt, Alginat zur Kontrolle der Konturenqualität, Harnstoff zur Verbesserung der Farbtiefe bei Türkis (cyan) und vor allem das für die chemische Reaktion erforderliche Alkali müssen in der Klotzflotte enthalten sein. Eine bewährte Klotzflottenrezeptur enthält zum Beispiel:

100g/L Stammverdickung CHT-Alginat SMT (4%)
100g/L Harnstoff
25g/L Soda

Im traditionellen Druck bestimmt der Verdicker Egalität und Farbauftrag. Diese Parameter werden im digitalen Druck vom Drucker kontrolliert. Der Farbauftrag liegt etwa bei 20g/m². Die wenigen Gramm Wasser werden bei cellulosischen Fasern vom Substrat absorbiert, so dass die Konturenqualität nach dem Druck – unabhängig vom Verdicker – sehr gut ist. Das Verdickungsmittel wird erst beim Dämpfprozess benötigt. Da Harnstoff auf der Ware ist, kann die auf der Ware kondensierte Feuchtigkeit im Dämpfer zum Ausfließen der Konturen führen. Hier verhindert das Verdickungsmittel das Ausfließen an den Konturenrändern. Des weiteren wird durch das Verdickungsmittel die Penetration und Farbtiefe beeinflusst. Wie im traditionellen Druck erhöht sich mit abnehmender Penetration die Farbtiefe. Da die Tinte auf den getrockneten Verdickerfilm gespritzt wird, können zu hohe Verdickerkonzentration jedoch die Farbstoffdiffusion in die Faser behindern und damit die Fixierausbeute erniedrigen. Für die Auswahl des Verdickersystemes muss deshalb zwischen Penetration und Diffusion ein optimaler Kompromiss gefunden werden. Körperarme Systeme, die mit geringen Verdickermengen hohe Viskositäten erreichen, können diese Funktion übernehmen und behindern die Farbstoffdiffusion weniger als körperreichere Systeme, sie sind deshalb mit Vorteil einzusetzen. Auch Versuche mit synthetischen Verdickern ergaben im Rahmen unserer Untersuchungen gute Resultate. Mit obiger Grundrezeptur wurden etwa 2000m Viskose, Baumwolle und Seide vorbehandelt und für eine weltweit erste digitale Kollektion bedruckt, die im Rahmen einer Modenschau am 15.06.2000 in Reutlingen präsentiert wurde (14). Die imprägnierte Ware war monatelang ohne Einbußen an Qualität einsetzbar.

2.3 Farbtiefe im digitalen Druck

Bei der derzeitigen Piezotechnologie liegt der Farbauftrag bei 20g/m². Die Farbstofftinten enthalten etwa 10% Reaktivfarbstoff. Damit können maximal 2g Farbstoff pro m² gedruckt werden. Im Siebdruck liegt der Farbauftrag bei 100g/m². Die Farbstoffkonzentrationen in den Druckpasten liegen – entsprechend den Angaben in den Musterkarten – bei bis zu 100g/kg. Das bedeutet, dass im Siebdruck bis zu 5mal mehr Farbstoff auf das Gewebe gedruckt werden kann als nach derzeitigem Stand der Technik im digitalen Druck. Die Konsequenz ist, dass im digitalen Druck nicht die Farbtiefen des traditionellen Siebdruckes zu erreichen sind.

Die maximale Farbtiefe eines digitalen Ausdruckes entspricht in etwa der Farbtiefe eines Siebdruckes mit einer 2 %igen Druckpaste. Eine weitere Steigerung der Farbtiefe im digitalen Druck kann nur über höhere Farbaufträge erfolgen. Hierzu müssten entweder die Düsen vergrößert oder mehrere Passagen gedruckt werden. Dies bedeutet jedoch, dass es nach derzeitigem Stand der Technik im digitalen Druck praktisch nicht möglich ist, Ätz- und Reserveeffekte auf einem satten Fond wirtschaftlich nachzustellen.

3. Tinten für den Ink-jet Drucker

Die Tinten sind der zentrale Prozess- und Kostenfaktor im digitalen Druck. Ein Liter Tinte kostet etwa 250 DM. Im Papierdruck kostet zum Beispiel 1L Outdoortinte bis zu 1200,– DM. Die Lauffähigkeit der Tinten entscheidet über die Prozesssicherheit. Nach B. Siegl, K. Siemensmeyer und M. Dorer (15,16) müssen für ein einwandfreies Druckverhalten Oberflächenspannung, Viskosität, minimierte anorganische Anteile, Reinheit und bei Pigmenttinten die Teilchengrößenverteilung auf das jeweilige Drucksystem sorgfältig abgestimmt sein.
Dabei soll die Viskosität der Tinten nach Hue P. Le im Bereich von 2-8mPas liegen. Natürlich kann man auf Basis dieser Daten eine Tinte komponieren. Dabei bleibt jedoch die Frage offen, wie die einzelnen Parameter den Druckprozess tatsächlich beeinflussen. Die Klärung dieser Fragestellung ist das Ziel nachfolgender Arbeiten.

3.1 Einfluss der Viskosität

Um den Einfluss der Viskosität zu untersuchen, wurden einer partikelfreien Modelltinte mit 20g/L salzfrei formuliertem, schwarzen Reaktivfarbstoff, Polyalkylenglykol in steigenden Mengen zugesetzt, und die Viskosität sowie das Druckverhalten bestimmt. Zur Beurteilung des Druckverhaltens wurde ein Volldecker 1,2x3m auf einem Mimaki TX1600 gedruckt und das Druckbild visuell beurteilt.

Die Ergebnisse sind noch keineswegs gut, aber es ist festzuhalten, dass die niedrigviskose Tinte nicht läuft. Mit steigender Viskosität verbessert sich das Druckergebnis, ab 5mPas wird der Druck wieder schlechter. Trotzdem treten in jedem Fall Probleme beim Druck auf. Die Streifen erscheinen dabei niemals in der Mitte einer Passage, sondern nur an den Umkehrpunkten des Druckkopfes. Partikel und zu hohe Viskosität sind als möglicher Grund auszuschließen, da auch niedrige Viskositäten sehr schnell zu Ausfällen führen. Ein weiterer Faktor muss somit Ursache für die Blockierung des Tintenflusses sein. Dies könnte die Oberflächenspannung sein oder ein anderer, bisher nicht erfasster Parameter. Um diese Ergebnisse interpretieren zu können, muss auf die Funktion des Piezokopfes näher eingegangen werden.

3.1.1 Erklärung der Ergebnisse

Bei einem Piezodruckkopf handelt es sich um ein offenes Saug-Drucksystem. Durch die Verformung des Piezokristalls entsteht eine Druckwelle. Diese Druckwelle überwindet den viskositätsbedingten Druckverlust an der Düse und die Oberflächenspannungskräfte am Meniskus, so dass sich ein Tropfen ausbilden kann. Der Druckstoß ist weiterhin stark genug, um den sich bildenden Tropfen auf das Gewebe zu schießen. Niedrige Viskosität und geringe Oberflächenspannung müssten diesen Vorgang also erleichtern. Das Experiment zeigt jedoch, dass sehr niedrigviskose Tinten nicht lauffähig sind. Um dies zu erklären, muss das Gesamtsystem betrachtet werden. Es ist ein an zwei Seiten offenes System, und die Tinte könnte deshalb auch ins Leitungssystem zurück fließen, statt durch die enge Düse geschossen zu werden. Die dem Fließvorgang entgegenwirkende Kraft ist die Viskosität der Tinte. Eine Mindestviskosität ist also deshalb erforderlich, damit die Tinte nicht wieder zurückfließen kann. Wird die Viskosität dagegen zu hoch eingestellt, so reichen die vom Kristall aufgebrachten Saugkräfte nicht mehr aus, die Tinte anzusaugen. Die Tinte ist deshalb im Piezo-Drucker ein funktionaler Bestandteil des Gesamtsystemes. Dabei ist noch ein weiterer Faktor zu berücksichtigen. Durch den Saugvorgang beim Nachfüllen des Tintentankes entsteht ein Unterdruck. Befinden sich gelöste Gase in der Tinte, so kommt es zur Ausbildung von Gasbläschen in den Leitungen, die zu einer Unterbrechung des Tintenflusses führen können. Aus diesem Grunde sollten die Tinten vor Gebrauch, wie auch in der Flüssigchromatographie üblich, durch eine Ultraschallbehandlung entlüftet werden. Mit dieser Vorbehandlung lassen sich bei richtig eingestellter Viskosität Tinten herstellen, die einen Decker von 1,2x3m ohne Probleme drucken, wie Versuchsergebnisse eindeutig zeigen.

3.2 Einfluss der Oberflächenspannung auf die Druckqualität

In der Literatur (13, 14) ist beschrieben, dass die Oberflächenspannung auf die Tropfenbildung von erheblichem Einfluss ist. Die Oberflächenspannungen schwanken in einem Bereich von 21mN/m bis 48mN/m. Aus diesen Werten ergeben sich keine Hinweise, ob zum Beispiel besonders hohe oder besonders niedrige Oberflächenspannungen für die Druckfähigkeit erforderlich sind. Um diesen Zusammenhang zu klären, wurde die Modelltinte mit 2%-Reaktivschwarz steigende Mengen eines nichtionischen verzweigtkettigen Tensides zugesetzt.
Versuchsergebnisse zeigen:
Bis zu einem Bereich von 1% Tensidzusatz sind, obwohl die Oberflächenspannung deutlich herabgesenkt wurde, keine positiven Effekte auf das Druckverhalten zu erkennen. Ab 5% lässt sich der Balken einwandfrei ausdrucken, bei 10%igem Tensidzusatz kann ein Volldecker streifenfrei gedruckt werden. Da Tenside bereits in niedrigen Konzentrationen die statische Oberflächenspannung erheblich senken, kann die statisch gemessene Oberflächenspannung nicht für das Druckverhalten entscheidend sein. Die große Streuung der Oberflächenspannung bei kommerziellen, lauffähigen Tinten bestätigt dieses Ergebnis. Tinten können sich am Drucker einwandfrei verhalten, unabhängig davon, ob die Oberflächenspannung auf 21mN/m oder 48mN/m eingestellt ist. Bei einer Einsatzkonzentration von 10% Tensid wird hier ein streifenfreies Druckergebnis erzielt. Die Viskosität dieser Tinte liegt exakt in dem Bereich, in dem auch Tinten mit Polyalkylenglykol Zusätzen einwandfreie Druckresultate liefern. Aus diesen Ergebnissen kann der Schluss gezogen werden, dass bei diesen Tensidzusätzen die Viskosität der entscheidende Faktor ist und nicht die Veränderung der Oberflächenspannung. Da die Ausbildung von Satellitentropfen beim Tintenausstoß mit sinkender Oberflächenspannung energetisch günstiger wird, könnte beim Tintenstrahldruck eine höhere Oberflächenspannung sogar von Vorteil sein.

3.3 Einfluss der Leitfähigkeit auf das Druckverhalten von Tinten

Um den Einfluss von Salzen auf die Druckfähigkeit der Tinten zu untersuchen, wurde eine lauffähige Modelltinte auf Basis von 2% Reaktivschwarz und 10% Polyalkylenglykol mit steigenden Mengen Kochsalz versetzt und das Druckverhalten bestimmt.
Aus den Ergebnissen ist zu entnehmen, dass sich Salzgehalte im Bereich von 1-1,5% bereits negativ auf die Druckfähigkeit der Tinten auswirken. Dies bedeutet, dass bei der Farbstoffherstellung und Formulierung die anorganischen Bestandteile zu minimieren sind, was in der Regel mittels Umkehrosmose erfolgt.

3.4 Praxistest für Tintenformulierungen

Auch wenn die physikalischen und chemischen Daten stimmen, ist der praktische Test der Lauffähigkeit am Drucker selbst das alles entscheidende Kriterium. Zu diesem Zwecke werden mit den Tintenformulierungen auf den derzeit am Markt erhältlichen Druckern umfangreiche Testserien gefahren. Fehler in der Tintenformulierung zeigen sich oft erst nach vielen gedruckten Metern und so ist das Drucken und die Auswertung der Farbkonstanz von großen Deckern ein wichtiges Qualitätskriterium. Im Unterschied zum traditionellen Siebdruck, bleiben die Tinten in den filigranen Leitungen und Systemen des Druckkopfes über Wochen und Monate. Lagerstabilität, Korrosionsschutz, Sicherheit vor Ausfällungen und Verkeimung müssen getestet werden. Die Tinte hat an der 20µm großen Öffnung ständig Luftkontakt und muss deshalb gegen Austrocknen geschützt werden, da sonst nach längerer Druckpause die Düsen verstopfen. Erst wenn diese Testreihen erfolgreich verlaufen, kann man davon ausgehen, dass Inkjet-Drucker und Tinte eine funktionierende Einheit bilden und damit in der industriellen Praxis einsetzbar sind.

4. Zusammenfassung

Mit dem Ink-jet Drucker steht dem Textildrucker eine neue Druckmaschine zur Verfügung. Die Chemie und Verfahrenstechnik muss an die neue Technologie angepasst werden. Da die Tinten fast reine Farbstofflösungen sind, werden die notwendigen Prozesschemikalien durch eine Imprägnierung vorab auf die Ware gebracht. Die Auswahl der Chemikalien ist grundsätzlich durch die Chemie der Farbstoffe vorgegeben. Als Verdickungsmittel konnten mit niederviskosen Alginaten, aber auch mit synthetischen Verdickern, gute Resultate erzielt werden. Harnstoffzusätze sind zur Verbesserung der Farbtiefe, insbesondere bei Türkis, vorteilhaft. Wegen Vergilbungsgefahr bei der Lagerung wurde auf Zusätze von Nitrobenzolsulfonat verzichtet. Mit den derzeitigen Drucksystemen werden etwa 20g Tinte pro Quadratmeter gedruckt. Dadurch ist die Farbtiefe im digitalen Druck begrenzt. Ätz- und Reserveeffekte auf sattem Grund können deshalb nach derzeitigem Stand der Technik mit DOD-Druckern nicht nachgestellt werden. Bei den Tinten ist die Reinheit der Farbstoffe eine entscheidende Voraussetzung. Salze und gelöste Gase führen zu Ausfällen des Druckkopfes und sind deshalb zu vermeiden. Die Viskosität der Tinte ist mit 3-5mPas sehr niedrig, jedoch entscheidend für die Funktion des Systems. Demgegenüber scheint die Oberflächenspannung von untergeordneter Bedeutung zu sein. Die Tinte ist ein sorgfältig abgestimmter funktionaler Bestandteil des Druckers, deshalb können endgültige Aussagen über die zuverlässige Lauffähigkeit einer neu formulierten Tinte nur durch Testreihen am jeweils aktuellen Tintenstrahldrucker ermittelt werden. Die Abstimmung der Tinten auf das jeweilige Drucksystem ist auf Grund der aufgezeigten komplexen Einflussfaktoren eine Herausforderung an die Produzenten und stellt sich mit jeder Modifikation von Geometrie und Druckgeschwindigkeit von neuem.

Danksagung
Wir danken der Reinhold-Beitlich-Stiftung für die finanzielle Förderung der Forschungsarbeiten auf dem Gebiet des digitalen Textildruckes an der Fachhochschule Reutlingen. Ohne die Unterstützung wären diese wissenschaftlichen Arbeiten nicht möglich gewesen.

Diese Veröffentlichung von Prof. Dr. G. Schulz erschien in „Melliand Textilberichte 3/2002“

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Gerhard Schulz
Institut für Angewandte Forschung (IAF)
der FH Reutlingen
Alteburgstr. 150
72762 Reutlingen
Tel: 07121/271-485
E-Mail: gerhard.schulz@fh-reutlingen.de

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