芳綸染色知多少？
芳綸染色知多少？
芳綸染色方法知多少？
由于芳綸纖維玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)275℃，按常規(guī)染色方法(130℃)難以染色。為了符合綠色染整目標(biāo)，急需為芳綸織物開發(fā)環(huán)保型染色技術(shù)。而加入環(huán)保型載體對(duì)芳綸織物進(jìn)行分散染料染色就是一項(xiàng)方便、有效、安全的染色技術(shù)。因此研究芳綸織物高溫高壓分散染料載體染色工藝和機(jī)理不僅具有理論價(jià)值，而且更有實(shí)際意義。
本文以間位或者芳綸織物為主要研究對(duì)象，通過(guò)單因素分析和正交實(shí)驗(yàn)，確定了分散艷紅SF-B、分散黃M-4GL和分散深藍(lán)UN-SE三只染料對(duì)芳綸織物高溫高壓染色的佳工藝為：染色溫度140℃、pH值5.5、浴比1:20。在該佳工藝的基礎(chǔ)上加入環(huán)保型載體CINDYE，確定芳綸織物高溫高壓載體染色的佳工藝為：載體CINDYE濃度30g/l、染色溫度130℃。結(jié)果表明：高溫高壓載體染色法能明顯改善芳綸織物分散染料染色性能：染色品的上染率>77%、K/S值>11；耐洗色牢度≥2-3級(jí)、耐摩擦色牢度和耐光色牢度≥3級(jí)，耐熱壓色牢度≥4級(jí)。
1.1.1芳綸纖維及其染色技術(shù)
芳綸是一種高科技特種纖維，它具有優(yōu)異的力學(xué)性能，穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和理想的機(jī)械性能。
但由于芳綸纖維的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)高達(dá)275℃，染色困難，日曬牢度差，因此國(guó)內(nèi)外業(yè)內(nèi)人士紛紛研究芳綸的染色技術(shù)。主要用分散染料和陽(yáng)離子染料進(jìn)行染色。
(1)分散染料染色法
分散染料高溫高壓法(130℃)染色，染料用量6%(o.w.f.)，可將芳綸織物染至中色，但芳綸染后的耐洗色牢度和摩擦牢度均不夠理想。朱利峰等使用分散紅3BFFR在超高溫高壓(170℃)條件下對(duì)芳綸纖維進(jìn)行染色，染料濃度3%(o.w.f.)，pH值為5.5左右，另外，為了避免高溫下助劑的影響，染液中不加助劑。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，分散紅BFFR所染紗線的K/S值為2.3。但由于溫度太高，不僅對(duì)設(shè)備要求高，且消耗大量能量。美國(guó)的Hamid M.Ghorashi等用非水溶性染料對(duì)芳綸進(jìn)行染色，如用含25g/LC.I.分散黃42，6g/L瓜而膠增稠劑的染液對(duì)芳綸進(jìn)行軋染，軋余率為50%，然后在飽和蒸汽箱用165℃蒸15min，結(jié)果表明：染料對(duì)纖維的盡染率很高，纖維得色較深[11]。日本的ShigenobuKobayashi等發(fā)現(xiàn)符合染料分子量在330-400的分散染料溶解或分散在液體介質(zhì)(如水)中，在密閉容器150℃下染芳綸織物1小時(shí)，能得到較高的表面深度，較好的耐水洗牢度及耐日曬牢度。如符合分子量要求的分散藍(lán)2BLN(2%(o.w.f.))在170℃染60min，K/S值為4.6，在190℃時(shí)為5.7；分散紅3B在170℃染60min，K/S值為3.0，在190℃時(shí)為4.3
(2)陽(yáng)離子染料染色法
在130℃下用陽(yáng)離子染料對(duì)芳綸纖維進(jìn)行染色，染料濃度2%(o.w.f.)，發(fā)現(xiàn)加入電解質(zhì)后，陽(yáng)離子染料可以上染，雖然水洗和皂洗時(shí)也有掉色，但染色結(jié)果可以接受。但由于芳綸玻璃化溫度和結(jié)晶度高，采用常規(guī)方法很難上染[13]。朱利峰等在染液中不加助劑的條件下，用陽(yáng)離子紅FG(染料濃度3%(o.w.f.))在高溫高壓(170℃)下對(duì)芳綸進(jìn)行染色，所染織物的K/S值為1.96[10]。余艷娥等用麥西隆紅染料(濃度6%(o.w.f.))在120℃對(duì)芳綸進(jìn)行染色，K/S值只有2.33[14]。
從所查閱的文獻(xiàn)看，在染液中不加助劑的條件下，芳綸織物經(jīng)分散染料染色后的表面深度和色牢度都比陽(yáng)離子染料染色效果好，且分散染料價(jià)格較便宜，從節(jié)能、環(huán)保的角度，選用分散染料對(duì)芳綸織物染色比較合理。
1.1.2載體特性及其在芳綸纖維染色中的應(yīng)用
Waters在1950年首次用“載體”(carrier)這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)定義在滌綸染色過(guò)程中具有促進(jìn)上染率的化合物，它對(duì)染料和纖維都具有親和力，能使纖維膨化，當(dāng)進(jìn)入纖維內(nèi)部時(shí)，也能把染料分子帶進(jìn)去。因此，載體也稱攜染劑，導(dǎo)染劑或擔(dān)體。實(shí)際上也就是一種纖維的膨化劑。
載體按可溶性及使用時(shí)的狀態(tài)，分為乳化型載體，分散型載體和水溶性載體。
(1)乳化型載體
楊酸甲酯、氯苯、甲基萘均屬于這類載體，使用時(shí)需加入乳化劑，以使其乳化成乳液。這類載體種類較多，使用方便，但使用時(shí)必須保持乳液穩(wěn)定，否則易生成載體斑，造成染疵。此外，這種載體易因受熱而揮發(fā)，以至使載體與乳化劑及水的懸浮體系分離，濃度降低，而且如果揮發(fā)的載體再度回入染浴中，又易形成染斑。故需慎重選擇乳化劑，否則影響分散染料上染性能。
(2)分散型載體
對(duì)苯二甲酸二甲酯即屬于此類。這類載體水溶性較小，用量不大就可維持載體溶液飽和狀態(tài)，勻染效果很好。無(wú)加熱揮發(fā)現(xiàn)象，且無(wú)異味，但價(jià)格較高，易升華，染深性較差。
(3)水溶性暫溶性載體
如鄰羥基苯酚
1.1.3載體在芳綸纖維分散染料染色中的作用機(jī)理
1.1.3.1載體對(duì)分散染料的作用
一般來(lái)說(shuō)，染料在載體中的溶解度增大，為載體重量的2-30%。因而，加熱時(shí)在染浴中加入載體，染浴中溶解的染料濃度就增加，上染速度也將隨之增加[23-24]。吳贊敏等人認(rèn)為由于載體對(duì)染料的溶解能力比在水中高(不少染料在載體中的溶解度比在水中的高幾十倍)，因此，吸附在纖維表面的載體層中的染料濃度比在染浴中的濃度，從而提高了染料在纖維內(nèi)外的濃度梯度，提高了染料的上染速率[13]。但是根據(jù)薩爾文等人的學(xué)說(shuō)，在載體中染料的溶解度是不能預(yù)測(cè)的，染料和載體之間的作用是特異的，即使染料在載體中的溶解度高，其載體的作用也未必是好的，所以溶解度并不是載體的唯一基準(zhǔn)[25]。關(guān)于載體對(duì)分散染料的其他作用未見報(bào)道。
1.1.3.2載體對(duì)芳綸纖維的作用
載體染色法的原理是，借助與纖維結(jié)構(gòu)類似的有機(jī)物，使其先進(jìn)入纖維內(nèi)部，溶脹纖維，降低織物結(jié)構(gòu)緊密程度，以便染料擴(kuò)散和上染。高溫高壓則加快染料分子運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)纖維大分子鏈段運(yùn)動(dòng)，以利于上染[18]。譚艷君等人表明：采用助劑染色，能夠破壞芳綸大分子之間的氫鍵，使織物分子之間的間隙增大，降低芳綸分子間的范德華力，有利于染料進(jìn)入纖維內(nèi)部而顯著提高染料的上染率。經(jīng)DSC分析發(fā)現(xiàn)：芳綸用助染劑D處理前后的玻璃化溫度由273℃降低至97℃。原因是織物的無(wú)定形區(qū)受助染劑D作用，鏈段的自由度增大，大分子鏈的運(yùn)動(dòng)方式有可能是鏈段的長(zhǎng)程運(yùn)動(dòng)，從而使芳綸-Nomex的玻璃化溫度降低。經(jīng)紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)：芳綸織物經(jīng)過(guò)助染劑D處理后，芳綸纖維上的吸收峰發(fā)生了變化，表明助染劑D在纖維上有吸附。未處理芳綸-Nomex纖維表面十分光滑，經(jīng)過(guò)助染劑D處理后，纖維表面粗糙可能是助染劑D在纖維表面吸附所致[17]。
1.1.3.3載體對(duì)芳綸纖維分散染料染色熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的作用
在芳綸纖維分散染料染色熱力學(xué)方面，黑木宣彥認(rèn)為分散染料對(duì)芳綸纖維的染色基本上符合Nernst型吸附等溫線，即[D]f/[D]s=K，K為分配系數(shù)。分散染料在芳綸內(nèi)部的擴(kuò)散符合自由體積模型。但芳綸纖維分散染料染色動(dòng)力學(xué)則未見報(bào)道。
1.2研究意義
許多用途都要求纖維具有堅(jiān)牢的色澤，而芳綸纖維玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)高達(dá)275℃，染色困難，日曬牢度差，所以對(duì)芳綸的染色問(wèn)題已越來(lái)越為業(yè)內(nèi)人士所關(guān)注。因此，研究芳綸染色技術(shù)及染品的色牢度具有重要意義。
國(guó)內(nèi)外關(guān)于芳綸的染色已有不少研究，但普遍存在的問(wèn)題是：由于芳綸纖維玻璃化溫度太高，按常規(guī)的分散染料高溫高壓染色法和陽(yáng)離子染料染色法很難染色，染色后織物的表面深度偏低(K/S值＜3.0)，色牢度如耐洗牢度，耐日曬牢度等不理想，染料利用率低，大量染色殘液會(huì)造成環(huán)境污染。所以出現(xiàn)了染色新工藝，如超高溫高壓染色法，載體染色法，超臨界二氧化碳流體染色法等。其中超高溫高壓染色法(170℃)和超臨界二氧化碳染色法，由于對(duì)設(shè)備要求太高，會(huì)消耗大量的熱能而難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。而載體染色法是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的方法，染色后織物顏色鮮艷，色牢度有明顯提高，但因載體大多有刺激性氣味6或有毒，且存在較難乳化、染色時(shí)間長(zhǎng)和脫載體困難等缺點(diǎn)，大大限制了其廣泛應(yīng)用。關(guān)于芳綸纖維分散染料染色機(jī)理方面，雖有一些載體對(duì)芳綸纖維的作用機(jī)理研究，但載體對(duì)不同結(jié)構(gòu)分散染料的作用及芳綸纖維分散染料染色熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)的作用幾乎沒(méi)有研究。本論文擬在尋找一種易乳化、脫載體方便、無(wú)毒和無(wú)刺激性氣味的環(huán)保型載體，以降低芳綸纖維的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，使其具有較好的染色表面深度及色牢度，符合現(xiàn)代社會(huì)綠色環(huán)保、節(jié)能的消費(fèi)觀念。
1.3研究?jī)?nèi)容
研究?jī)?nèi)容包括以下5個(gè)方面：
(1)在高溫高壓染色條件下，通過(guò)單因素分析及正交實(shí)驗(yàn)，確定芳綸織物分散染料染色的佳工藝；并在此基礎(chǔ)上加入環(huán)保型載體，確定芳綸織物高溫高壓載體染色的佳工藝，使芳綸織物在較低的溫度下仍能達(dá)到較好的染色效果。并分析載體對(duì)芳綸纖維染色性能的影響。
(2)通過(guò)現(xiàn)代分析測(cè)試手段，研究載體對(duì)分散染料的色光、溶解性、粒度、分散狀態(tài)和分散穩(wěn)定性的影響。
(3)采用現(xiàn)代分析測(cè)試手段，研究載體對(duì)芳綸纖維的熱性能、結(jié)晶形態(tài)、化學(xué)結(jié)構(gòu)、表面形貌、阻燃性、力學(xué)性能、直徑、橫截面面積及孔隙率的影響。
(4)選取其中一種分散染料-分散黃S-4G，將染料提純后進(jìn)行有關(guān)測(cè)試和分析。研究載體對(duì)芳綸纖維分散染料染色的染色速率常數(shù)，半染時(shí)間及擴(kuò)散系數(shù)的影響，分析載體對(duì)芳綸纖維分散染料染色動(dòng)力學(xué)的作用。
(5)以分散Y為例，研究載體對(duì)芳綸纖維分散染料染色吸附等溫線、染色親和力、
染色焓和染色熵等染色熱力學(xué)參數(shù)的影響，分析載體對(duì)芳綸纖維分散染料染色熱力學(xué)的作用。在以上研究的基礎(chǔ)上，探討載體對(duì)芳綸纖維分散染料染色的作用機(jī)理，為建立載體對(duì)芳綸纖維分散染料染色理論奠定可靠的基礎(chǔ)。
1.4創(chuàng)新點(diǎn)
創(chuàng)新點(diǎn)在于研究了載體X對(duì)分散染料色光、粒徑、分散狀態(tài)及分散穩(wěn)定性的作用；研究了載體X對(duì)芳綸纖維阻燃性、直徑、橫截面面積及孔隙率的作用；研究了載體對(duì)芳綸纖維分散染料染色動(dòng)力學(xué)的作用。
2.芳綸織物分散染料高溫高壓載體染色工藝研究
本章以間位芳綸織物為主要研究對(duì)象，用分散染料對(duì)其進(jìn)行染色，重點(diǎn)研究高溫高壓染色工藝單因素對(duì)芳綸織物染色性能的影響，并通過(guò)正交試驗(yàn)確定芳綸織物分散染料高溫高壓染色的佳工藝；在此基礎(chǔ)上加入載體，通過(guò)載體的種類和濃度因素分析確定分散染料高溫高壓載體染色的佳工藝。通過(guò)測(cè)試染色織物的耐洗色牢度、耐摩擦色牢度和耐光色牢度等指標(biāo)來(lái)確定載體對(duì)分散染料染色品質(zhì)量的影響。
2.1實(shí)驗(yàn)部分
2.1.1實(shí)驗(yàn)材料、藥品及儀器
實(shí)驗(yàn)材料：1.67dtex×38mm(40S/2)間位芳綸織物(山東煙臺(tái)氨綸股份有限公司)；
實(shí)驗(yàn)藥品：分散艷紅SF-B(200%)，分散黃S-4G(200%)，分散深藍(lán)UN-SE(200%)(浙江龍盛)，NaNO3(AR)，擴(kuò)散劑CNF(工業(yè)品)，pH緩沖劑((NH4)2SO4-CH3COOH，Na2CO3-NaHCO3)，尤利華丁DPL、尤利華丁PB(亨斯曼)、HS-312N(浙江華晟化學(xué)制品有限公司)、Cindye Dnk(寧波卜賽特)；
分散染料結(jié)構(gòu)如下：
分散黃
分散藍(lán)：為拼色染料；
實(shí)驗(yàn)儀器：IR－12紅外染色機(jī)臺(tái)灣新瑞開發(fā)科技有限公司
UV2550紫外分光光度計(jì)Shimadzu Corporation
雷磁phS-3CpH計(jì)東莞市創(chuàng)瑞檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有限公司
DHG-9140A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱英博聯(lián)科技公司
SHA-C數(shù)顯恒溫水浴振蕩器常州國(guó)華電器有限公司
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Y571(L)染色摩擦牢度儀浙江溫州紡織儀器廠
SF600X Datacolor測(cè)色光譜儀美國(guó)DATA COLOUR公司
YG(B)605型熨燙升華色牢度試驗(yàn)儀溫州大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠
(2)染色工藝流程
2.1芳綸織物染色工藝流程
2.1.2.2正交試驗(yàn)
固定染料用量2%(o.w.f.)和染色時(shí)間60min，以染色溫度(130℃、135℃、140℃)、pH值(4.5、5.0、5.5)和浴比(1:15、1:20、1:25)進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見
表2.1：
表2.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表
2.1.2.3測(cè)試方法
(1)上染百分率：用紫外可見分光光度計(jì)測(cè)試，染色前后染液在大吸收波長(zhǎng)下的吸光度分別為A0、A，接下列公式計(jì)算：上染率/%=(A0-A)/A0×100%[27]
(2)K/S值和色差△E：用Datacolor SF600測(cè)色配色儀測(cè)定。
(3)耐光色牢度：參照GB/T 8427-l998《紡織品色牢度試驗(yàn)?zāi)腿嗽鞖夂蛏味龋弘 窚y(cè)定。
(4)耐洗色牢度：參照GB/T3921.1-l997《紡織品色牢度試驗(yàn)?zāi)拖瓷味取窚y(cè)定。
(5)耐摩擦色牢度：參照GB/T 3920-l997《紡織品色牢度試驗(yàn)?zāi)湍Σ辽味取窚y(cè)定。
(6)耐熱壓色牢度：參照GB/T6152-1997《紡織品色牢度試驗(yàn)?zāi)蜔釅荷味取窚y(cè)定。
2.2結(jié)果與討論
2.2.1高溫高壓染色
2.2.1.1單因素分析
以染色溫度、染色保溫時(shí)間、染液pH值和染液浴比為單因素分析芳綸織物分散染料高溫高壓染色工藝。
1染色溫度
采用分散艷紅SF-B、分散黃S-4G和分散深藍(lán)UN-SE(2%(o.w.f.))三只分散染料，在pH值4.5、浴比1:30，分別于120、125、130、135和140℃對(duì)芳綸織物染色保溫60min，染色溫度與分散染料在芳綸織物的上染率關(guān)系見圖2.2：染色溫度對(duì)分散染料在芳綸織物的上染率的影響
三只分散染料對(duì)芳綸織物的上染率都隨溫度升高而逐漸增大，當(dāng)溫度從130℃升高到140℃時(shí)，分散艷紅SF-B和分散黃S-4G的上染率增加明明顯，故將染色溫度暫定為140℃。
2保溫時(shí)間
在染色溫度為140℃、pH值4.5、浴比1:30時(shí)，對(duì)芳綸織物分別染色(保溫)0、10、20、40、60、80和100min，染色時(shí)間與分散染料在芳綸織物的上染率關(guān)系
保溫時(shí)間對(duì)分散染料在芳綸織物的上染率的影響
由圖2.3可知，在染色保溫開始0～60min，隨著染色時(shí)間的增加，三只分散染料對(duì)芳綸織物的上染率都增大；但隨保溫時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，上染率幾乎趨于平衡，因此確定保溫時(shí)間為60min。
3染液pH值
在染色溫度140℃、保溫時(shí)間60min和浴比1:30時(shí)，改變?nèi)疽簆H值為4.0、4.5、5.0、5.5和6.0進(jìn)行試驗(yàn)，染液pH值與分散染料在芳綸織物的上染率關(guān)系見圖2.4：
2.4 pH值對(duì)分散染料在芳綸織物的上染率的影響
在染色溫度140℃、保溫時(shí)間60min和浴比1:30時(shí)，改變?nèi)疽簆H值為4.0、4.5、5.0、5.5和6.0進(jìn)行試驗(yàn)，染液pH值與分散染料在芳綸織物的上染率關(guān)系見圖2.4：上染率達(dá)到大；但繼續(xù)增大pH值，其上染率有所下降，這可能是因?yàn)榉稚⑷玖线m合于在弱酸性條件下染色，故染色pH值定在5.0。
4 浴比
在染色溫度140℃，染色時(shí)間60min和pH值5.0時(shí)，改變?nèi)疽涸”蕊L(fēng)別為1:10/1:20/1:30/1:40和1:50對(duì)芳綸織物染色，染液浴比與分散染料在芳綸織物的上染率關(guān)系見圖2.5：
浴比對(duì)分散染料在芳綸織物的上染率的影響
結(jié)論：分散艷紅SF-B、分散黃M-4GL和分散深藍(lán)UN-SE三只染料對(duì)芳綸織物高溫高壓染色的佳工藝為：染色溫度140℃、pH值5.5、浴比1:20。在該佳工藝的基礎(chǔ)上加入環(huán)保型載體CINDYE，確定芳綸織物高溫高壓載體染色的佳工藝為：載體CINDYE濃度30g/l、染色溫度130℃。結(jié)果表明：高溫高壓載體染色法能明顯改善芳綸織物分散染料染色性能：染色品的上染率>77%、K/S值>11；耐洗色牢度≥2-3級(jí)、耐摩擦色牢度和耐光色牢度≥3級(jí)，耐熱壓色牢度≥4級(jí)。