活性染料對(duì)棉織物的泡沫染色及其固色機(jī)理.pdf

1、進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著能源和水資源日益短缺、環(huán)境污染的不斷惡化，人們的環(huán)保意識(shí)有了大幅度的提升，越來越多的研究開始著力于開發(fā)低能耗、低水耗、低污染的加工技術(shù)。泡沫染色是一種低給液、高節(jié)能的染整加工新技術(shù)。它用空氣代替大部分水作為介質(zhì)，以有色泡沫的形式輸送染料至織物表面，從而大大降低了織物的帶液率以及烘燥過程中所需的能耗。20世紀(jì)七八十年代泡沫染色吸引了大量的關(guān)注，但由于當(dāng)時(shí)設(shè)備技術(shù)水平有限而導(dǎo)致這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和推廣受到了限制，隨著目前科

2、技水平的進(jìn)步，泡沫染色用設(shè)備已被成功開發(fā)，但關(guān)于泡沫染色技術(shù)的系統(tǒng)基礎(chǔ)研究很少。因此，對(duì)泡沫染色技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)地研究將對(duì)其真正地實(shí)現(xiàn)紡織工業(yè)大生產(chǎn)有很大的意義。本文根據(jù)泡沫染色中活性染料上染棉纖維歷經(jīng)的三個(gè)過程，分別研究了活性染料高濃染色液中染料的聚集情況、有色泡沫性質(zhì)的影響因素、棉纖維的泡沫染色工藝，最后探討了低給液情況下活性染料在棉纖維上的擴(kuò)散和固著機(jī)理。
　　(1)活性染料泡沫染色液中的染料聚集體
　　相較于傳統(tǒng)的軋染工

3、藝，用于泡沫染色的活性染料溶液中需加入必不可少的起泡劑，且染液濃度較高，本文結(jié)合吸收光譜法、電導(dǎo)率法和分子動(dòng)力學(xué)模擬手段研究了高濃染液中各因素對(duì)染料聚集狀態(tài)的影響。溶液中C.I.活性紅120和C.I.活性橙5的聚集程度隨染料濃度的增大而提高，染料分子主要以“面對(duì)面”的平行排列方式發(fā)生聚集。無機(jī)鹽中的金屬鈉離子對(duì)染料聚集起到促進(jìn)作用，泡沫染色過程中應(yīng)盡量避免無機(jī)鹽的加入。SDS在溶液中與染料分子可形成混合膠束，隨著SDS濃度的升高，C.I

4、.活性紅120聚集程度逐漸增大，而分子量較小的C.I.活性橙5的聚集程度則先增強(qiáng)后減弱，即當(dāng)SDS濃度較高時(shí)，對(duì)C.I.活性橙5分子具有分散、增溶的作用。尿素對(duì)溶液中的染料分子有明顯的解聚作用。
　　(2)活性染料有色泡沫的性能研究
　　高濃染液經(jīng)機(jī)械攪拌發(fā)泡，染料以泡沫的形式上染棉纖維，本文通過泡比和泡沫半衰期評(píng)價(jià)有色泡沫性質(zhì)，分析了不同因素對(duì)泡沫性質(zhì)的影響。相較于其他類型的起泡劑，陰離子型表面活性劑十二烷基硫酸鈉的起泡性

5、能良好、泡沫穩(wěn)定性最優(yōu)。本文選取價(jià)格低廉、無毒、性能優(yōu)異的SDS作為泡沫染色用起泡劑，選取十二醇和瓜爾膠復(fù)配體系作為泡沫染色用穩(wěn)定劑，且兩者質(zhì)量比為3:4。溫度是泡沫穩(wěn)定性的主要影響因素，隨著環(huán)境溫度的升高，泡沫體系的排液速度加快，泡沫半衰期急劇下降。隨著體系中染料濃度的增加，體系的泡比先下降后上升，但變化幅度不大，而體系的泡沫穩(wěn)定性先上升后下降。NaCl的加入削弱了吸附在液膜兩側(cè)的SDS之間的靜電斥力，大大降低了體系的泡沫穩(wěn)定性，在泡

6、沫染色工藝時(shí)，應(yīng)使用純度較高的活性染料，并避免無機(jī)鹽的使用。固色劑Na2CO3的加入使得泡沫穩(wěn)定性先下降后趨于平衡。小分子尿素的加入對(duì)體系的泡沫性能影響不大。
　　(3)活性染料泡沫染色工藝研究
　　有色泡沫經(jīng)泡沫施加器上染棉織物，活性染料通過汽蒸固色與棉纖維共價(jià)結(jié)合。本文利用表觀色深K/S值和固色率來評(píng)價(jià)染色性能，討論了不同因素對(duì)染色性能的影響，并借助Design Expert軟件優(yōu)化了活性染料泡沫染色的淺色工藝和深色工藝

7、，研究了不同類型活性染料在泡沫染色中的應(yīng)用，最后對(duì)比了泡沫染色和傳統(tǒng)軋染的各項(xiàng)染色性能和耗能。用于泡沫染色的有色泡沫在達(dá)到織物表面時(shí)的氣泡直徑尺寸在0.10~0.20 mm之間，且分布均勻。較高的汽蒸溫度有利于提高染料的利用率，且可縮短汽蒸時(shí)間。隨著帶液率的升高，染色織物的K/S值先上升后下降，固色率先上升后趨于平衡。隨著穩(wěn)定劑濃度的升高，K/S值不斷上升，固色率基本保持不變。隨著堿劑濃度的升高，K/S值先上升后下降，固色率先上升后略下

8、降。泡比和尿素濃度對(duì)染色性能影響不大。泡沫染色淺色工藝（染料濃度10 g/L）中，穩(wěn)定劑濃度、汽蒸溫度和汽蒸時(shí)間為顯著影響因素，其中汽蒸溫度為最主要影響因素。淺色工藝的最佳工藝條件為：穩(wěn)定劑0.92 g/L、汽蒸溫度147.50℃、汽蒸時(shí)間3.97 min、泡比8、堿劑12 g/L、帶液率30％。泡沫染色深色工藝（染料濃度60 g/L）中，帶液率和汽蒸溫度為顯著影響因素，其中帶液率為最顯著影響因素。深色工藝的最佳工藝條件為：帶液率41.

9、32%、汽蒸溫度150.81℃、泡比8、堿劑24 g/L，汽蒸時(shí)間4 min、穩(wěn)定劑0.28 g/L。在不同類型活性染料的泡沫染色中，C.I.活性紅120、C.I.活性紅15、C.I.活性紅2和C.I.活性黑5的泡沫染色固色率均能達(dá)到70%~90%，其中C.I.活性黑5固色率最高，且固色速率順序依次為C.I.活性黑5>C.I.活性紅15>C.I.活性紅120>C.I.活性紅2。深色工藝的泡沫染色固色速率普遍快于淺色工藝。各種類型的活性染

10、料均能實(shí)現(xiàn)對(duì)棉織物的泡沫染色，且染色效果良好，說明泡沫染色技術(shù)在紡織加工大生產(chǎn)中具有可行性。相較于傳統(tǒng)軋染，泡沫染色采用飽和蒸汽和過熱蒸汽固色均能得到表觀色深較高的染色織物，且染料利用率較高，皂洗牢度均可達(dá)4-5級(jí)、干摩擦牢度可達(dá)5級(jí)，且濕摩擦牢度要高于傳統(tǒng)軋染半級(jí)。相較于傳統(tǒng)軋染，染1噸棉織物時(shí)泡沫染色可節(jié)約81.25%的水（不包括水洗過程）和80.75%的電能，加工速度快一倍，且無需添加大量的無機(jī)鹽，大大減輕了污水排放時(shí)的環(huán)境壓力。

11、
　　(4)低給液活性染料對(duì)棉織物的上染機(jī)理
　　通過差示掃描量熱法(DSC)研究了不同含水量棉織物的微孔結(jié)構(gòu)，結(jié)合不同帶液率的染色結(jié)果，討論了低給液泡沫染色中活性染料在棉纖維上的擴(kuò)散和固著機(jī)理。在棉纖維的潤(rùn)濕過程中，隨著含水量的增大，不可凍結(jié)合水最先出現(xiàn)并增加至最大值0.21 g g-1（每克干布上水的重量），隨后可凍結(jié)合水和自由水相繼出現(xiàn)。當(dāng)含水量達(dá)到0.77 g g-1時(shí)，結(jié)合水達(dá)到最大值0.60 g g-1。棉織物在

12、潤(rùn)濕過程中，纖維內(nèi)部的孔道數(shù)量不斷增加，且小孔隙不斷地吸水變成大孔隙。纖維達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)（帶液率約為80%）的平均孔半徑、孔道總?cè)莘e和孔內(nèi)表面積分別為50 nm，0.49 cm3 g-1和19.15 m2 g-1。在帶液率為30%的泡沫染色過程中，織物上所含的水分全部被纖維孔隙吸附，平均孔半徑約為31.32 nm，一部分染料單體和小于孔徑的染料聚集體隨著水分進(jìn)入纖維孔隙，同時(shí)一小部分大于孔徑的染料聚集體停留在織物表面和纖維之間，最終活性