张素风， 曹书苗， 万　婧

(陕西科技大学 轻工与能源学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安　710021)



沙拉菲尼尔直接大红4GE对无尘原纸染色工艺研究

张素风， 曹书苗， 万婧

(陕西科技大学 轻工与能源学院 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室， 陕西 西安710021)

摘要：通过单因素试验和正交试验探讨了不同因素对沙拉菲尼尔直接大红4GE对无尘原纸染色的上染百分率的影响，并确定最佳染色工艺.结果表明，当染料浓度为1%，温度为80 ℃，NaCl用量为15 g/L，浴比为1∶50时，上染百分率最大为93.1%.对染色后的纸张纤维采用光学显微镜、傅里叶转换红外光谱仪以及X射线衍射仪分析，发现染色后纤维形态保持完好，染色明显，红外光谱图基团没有明显变化，纤维结晶度有所下降.

关键词：无尘原纸； 沙拉菲尼尔直接大红4GE； 染色； 上染百分率

0引言

无尘纸也叫干法造纸非织造布(Air-Laid Pulp Nonwovens)，是干法非织造布的一种，是将绒毛浆或混合其他种类纤维原料按一定比例开松成单根纤维，经气流成网后加固而成，有时根据用途及性能会适当加入胶乳、热熔性纤维以及高吸水性树脂SAP[1-5].无尘纸质地柔软，亲肤性强，手感和垂感都非常好，具有优异的吸水吸油性能，在使用中不留纸粉、清爽干净，以其独特的优点而备受青睐，彩色无尘纸逐渐受到大家欢迎，应用也越来越广泛，需求量也越来越大[6-8].我国无尘纸生产厂家技术起步晚，与国外技术有一定的差距，彩色无尘纸的生产在我国还没有得到充分发展，尽管存在少数彩色无尘纸生产厂家，但其染色技术不够系统全面，缺乏理论探究实验.

沙拉菲尼尔直接大红4GE是现在被广泛应用的染料之一，符合欧盟环保要求，能直接溶解于水，在造纸、皮革和印染工业中被广泛应用，对纤维素纤维有很好的直接性，上染率高.许长海、 周青青和刘嘉等[9-11]分别进行了竹纤维、纸浆纤维及芦荟纤维的直接染料染色性能研究.Haoming Rong[12]研究了热粘合棉花非织造布的粘合纤维分布和拉伸性能.N.A.Ibrhim和 Keng-Ming Chena[13,14]研究多功能阴离子的棉染色以及新型多功能阴离子表面活性剂对棉织物直接染料染色的影响.S.M.Burkinshaw[15]讲述了非织造布的染色，为无尘纸的直接染料染色研究提供了参考.

本文用沙拉菲尼尔直接大红4GE染料对无尘纸浸渍染色，研究染色温度、染料浓度、NaCl用量、染色时间以及浴比对上染百分率的影响，以上染百分率为指标设计正交试验确定了最佳染色工艺，并使用光学显微镜、傅立叶转换红外线光谱分析仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)分析染色后纤维形态、基团结构以及结晶度的变化.

1实验部分

1.1原料与试剂

无尘原纸(上海可林纸业有限公司)；平平加O-25(江苏省海安石油化工厂)；沙拉菲尼尔大红4GE(上海萍波贸易有限公司)；NaCl(天津市致远化学试剂有限公司，AR)；渗透剂JFC(河南腾辉化工有限公司)；中性皂洗剂(东莞本一化工纺织助剂有限公司).

1.2仪器与设备

SK Digital系列光学显微镜(麦克奥迪实业有限公司)；BSA224S电子天平(赛多利斯科学仪器北京有限公司)；THZ-82A恒温震荡水浴锅(全坛市科析仪器有限公司)；752紫外可见分光光度计(上海佑科仪器仪表有限公司)； Lambda 25紫外可见分光光度计(PerkinElmer).

1.3实验方法

1.3.1直接大红4GE最大波长的测定

配置一定浓度的染液，用Lambda 25紫外可见分光光度计测定连续波长范围内的吸光度，找出峰值点所对的波长，即为最大吸收波长.

1.3.2上染百分率的测定

上染百分率是指染料在无尘纸上染量与染料初始用量的比值.染色时配置标准溶液和染色液，标准溶液中不加无尘原纸，其余操作均与染色溶液操作过程相同.染色完毕，将标准液稀释至500 mL，将无尘原纸用常温清水充分冲洗，将洗涤后的残夜全部收集起来，稀释至500 mL，分别用752紫外可见分光光度计测定两溶液的吸光度.

上染百分率的具体计算公式如下：

式中：A0—标准溶液吸光度；A1—染色后溶液吸光度.

1.3.3染色配方及方法

(1)配方

渗透剂JFC，2 g/L；平平加O-25,0.25 g/L;浴比,1∶N;温度,X℃;NaCl,Yg/L;染料浓度,Z/%;

(2)染色方法

按照实验所需的染料浓度配置染液，并放入水浴，待温度达到40 ℃时，加入渗透剂JFC，隔 5 min后加入平平加并开启震荡模式，待水温逐渐升到一定温度时，加入无尘原纸，保持15 min后加入一半NaCl，20 min后将剩余NaCl全部加入，最后保温25 min，取出所有纸用清水冲洗干净，并将所有残液体与清洗液全部收集起来待测.

1.4染色后纤维分析

1.4.1光学显微镜

利用SK200型光学显微镜对染色前后的无尘纸纤维形态及颜色进行观察，了解纤维形态及染料在纤维上的上染情况.

1.4.2红外光谱

染色前后的无尘纸经低温干燥后采用VERTE70型傅立叶红外光谱分析仪检测，分析化学结构的变化.

1.4.3X射线衍射

采用日本理学D/max2200PC型，对染色前后纤维结晶度的测定，分析染色前后无尘纸纤维结晶度的变化.

2结果与讨论

2.1直接大红4GE最大吸收波长

图1为直接大红4GE在Lambda 25紫外分光光度计下的吸光度.从图1中可知，当波长在496 nm时出现最高峰，即最大吸收波长为496 nm.

图1　直接大红4GE最大吸收波长

2.2单因素实验

2.2.1温度对上染百分率的影响

依次选取温度为50、60、70、80、90、100，在染料浓度为3%，浴比1∶50，NaCl用量为10 g/L下染色60 min，测定并计算染料在无尘原纸上的上染百分率.由图2可知，随着温度从50 ℃～80 ℃不断上升，上染百分率在不断增加，当温度超过80 ℃时，上染百分率开始稍微有所下降，这是与染料本身分子结构有关，温度对上染率有较大影响，在80 ℃时有较高的上染率.因此，染色时温度选择最好为80 ℃.

图2　温度对上染百分率的影响

2.2.2染料浓度对上染百分率的影响

注：染料浓度均为染料质量与纸张质量之比图3　染料浓度对上染百分率的影响

依次选取染料浓度为1%、2%、3%、4%、5%、6%，在NaCl加入量为10 g/L，浴比1∶50，80 ℃下染色60 min，NaCl加入量为10 g/L，测定并计算染料在无尘原纸上的上染百分率.从图3中可以看出，随着染料浓度增加上染百分率呈现下降趋势.由于染料浓度在1%以下，染色深度不足，所以染料浓度选择1%.

2.2.3NaCl加入量对上染百分率的影响

依次选取NaCl加入量为5 g/L、10 g/L、15 g/L、20 g/L、25 g/L、30 g/L、35 g/L、40 g/L，在染料浓度为3%，浴比1∶50，80 ℃下染色60 min，测定并计算染料在无尘原纸上的上染百分率.由于无尘原纸中纤维和染料在水溶液中都呈负电性，在染色时会相互排斥，因此NaCl在染色时作为促染剂能够有效地减小纤维与染料之间的电荷相互排斥，增加上染率.由图4可知，随着NaCl逐渐加入，上染百分率先迅速上升，在加入量为10～15 g/L时增加速率减慢，15 g/L之后上染百分率几乎不再变化.因此染色时，最佳的NaCl用量为15 g/L.

图4　NaCl用量对上染百分率的影响

2.2.4染色时间对上染百分率的影响

选择染料浓度为3%，NaCl加入量15 g/L,浴比1∶50，在80 ℃条件下染色，NaCl分两次加入，加入点分别为15 min和35 min，每隔5 min取样一次，测定染色液与标准液的吸光度，并计算上染率.图5中分别在15 min和35 min两个时间点加入一半质量的NaCl，可以明显看出在这两点的上染百分率都出现了不同程度的提高.第一次加入NaCl后上染速率从33.4%迅速升高到63.3%.之后随着染色时间延长，上染百分率增加不大，当第二次加入NaCl之后上染百分率从77.7%上升到79.2%，相较于第一次加入NaCl的上染百分率提高较小.之后随着时间延长，上染百分率缓慢增加，直至60 min几乎不再变化.说明，NaCl对上染百分率的促进作用十分明显，分两次加入NaCl是为了使初始染色速率不至于过高，使得染色太快，染色不均匀,所以最佳染色时间选择60 min.

图5　浸染时间对上染百分率的影响

2.2.5浴比对上染百分率的影响

依次选择1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶70、1∶80的浴比，在染料浓度为3%，NaCl加入量为15 g/L，温度为80 ℃下染色60 min，测定并计算染料在无尘原纸上的上染百分率.从图6中可以看出，过大和过小的浴比都不利于上染百分率的提高，浴比较小时，染料不能充分与纤维接触并结合，最终不仅会导致染料上染纤维受阻，有时也会出现染色不均匀，出现色花或者色点；浴比过大时，染料分子自由移动的空间变大，与纤维碰撞接触的机会变小，染料的利用率反而下降，最终导致上染百分率下降.当浴比为1∶40、1∶50、1∶60时，上染百分率较高，且较为接近.

图6　浴比对上染百分率的影响

2.3正交试验

由于上染时间对上染百分率的影响显而易见，染色60 min后的上染百分率基本保持不变，因此正交试验时可以选择染色时间为60 min，因而选择温度、NaCl用量、染液浓度以及浴比4个因素，以上染百分率为指标，采用L9(34)正交试验设计表对直接大红4GE上染无尘纸工艺进行研究.正交试验因素水平表见表1.

表1　正交试验因素水平表

2.4正交试验结果分析

以上染百分率为指标的正交试验直观分析表及极差分析如表2所示，方差分析如表3所示.

表2　正交试验直观分析表及极差分析

表3　正交试验方差分析

由表2中的极差分析可知，上染百分率的因素影响程度为染液浓度>温度>NaCl>浴比，即染料浓度的影响最大，染色温度次之，NaCl影响较大，浴比的影响最小.

由表3可知，由于FA、FB、FD均大于F0.95(2,2)=19，也都大于F0.90(2,2)=9，因此因子A、B、D分别在显著性水平0.05和0.10上是显著的，因子C不显著.对显著性水平A、B、D应该选择最好水平，对不显著水平C可以根据实际情况来选择，为了使纸张在染浴中充分浸没，又使得染料充分被吸尽，可以选择C2.

综上，最佳工艺为A2B2C2D1，即温度为80 ℃，NaCl为15 g/L，浴比为1∶50，染料浓度1%时上染百分率最大.

2.5验证实验

经验证，当染料浓度为1%，温度为80 ℃，NaCl为15 g/L，浴比为1∶50时上染百分率为93.1%.

2.6染色后纤维变化

2.6.1光学显微镜

图7(a)和(b)为染色前经赫氏试剂处理后的无尘纸纤维形态，图7(c)和(d)是经浓度为3%的染料染色后的无尘纸纤维形态，纤维形态较完整，基本没有发生变化，染料已经与纤维发生结合，纤维明显已被染上颜色，染色的深度和均匀程度均较好.

(a) ×100　　　　　(b) ×400

(c) ×100　　　　　(d) ×400图7　染色前后无尘原纸的纤维形态

2.6.2红外光谱

从图8 可以看出，染色前后纸张红外谱图中的特征吸收峰变化不大，只在1 587 cm-1处出现了一个新的吸收峰，但峰强度较小，这个是由于染料与纤维结合的影响，引入了染料的特征吸收峰.对染料进行了红外分析后发现，染料与染色前的原纸的特征吸收峰很大一部分发生了重合，而且直接染料与纸张纤维的共价键结合很少，基本是以氢键和范德华力作用，所以染色后纸张的特征吸收峰并没有发生较大改变，只是透光率在一定程度上有所减小.

图8　染色前后无尘原纸的红外光谱图

2.6.3X射线衍射

从图9中可以看出，染色后的纸张在21.5 °出现了新峰，在26.7°处明显增强，又对染料单独进行XRD分析发现，染色后纸张在21.5 °出现的新峰可能是受到了染料在19.1 °和23.4 °处的影响，在26.7 °处峰的增强是由于染料在28.2 °左右的三个强度峰的影响.总之，染色后纸张峰强度的变化是由于染料与纸张纤维结合而发生变化.最后对染色前后纸张纤维结晶度进行计算，结果分别为68.7%和63.1%，说明染色后纸张纤维结晶度有了一定程度下降.这是由于染色时染料首先对纤维的无定形区作用之后，有一部分染料继续对纤维结晶区产生了一定的作用，这种作用一方面可能是与结晶的一部分发生结合反应，一方面可能对结晶区有一定程度的破坏.

图9　染色前后无尘原纸的X射线衍射图

3结论

本实验用沙拉菲尼尔直接大红4GE对无尘原纸染色工艺进行了研究，实验结果表明：各因素的影响程度为染液浓度>温度>NaCl用量>浴比，得到的最佳工艺为：染料浓度为1%，温度为80 ℃，NaCl为15 g/L，浴比为1∶50，上染百分率为93.1%.染色后纸张纤维形态较好，红外光谱图中没有基团基本没有发生变化，纤维结晶度有所下降.本实验为特种纸张染色提供了研究方法和分析依据.

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Dyeing performance of solophenyl direct scarlet 4GE on air-laid paper

ZHANG Su-feng， CAO Shu-miao， WAN Jing

(College of Light Industry and Energy, Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specialty Paper, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:The paper discussed the influence of different factors on the dyeing rate of solophenyl scarlet 4GE to air-laid paper by single-factor and orthogonal designed experiments to determine the optimal dyeing process.The result showed that the maximal dyeing rate is 93.1% when the dye concentration was 1%, the temperature was 80 ℃, NaCl was 15 g/L, and the liquor ratio was 1∶50.Then the dyed paper fiber was analyzed by optical microscopy，FTIR and XRD，suggesting that fiber morphology stained well, the fiber had been dyed obviously，there were small changes and the crystallinity of the fiber declined after being dyed.

Key words:air-laid paper; solophenyl scarlet 4GE; dyeing; dyeing rate

中图分类号：TS193.8

文献标志码：A

文章编号：1000-5811(2015)05-0024-06

作者简介:张素风(1972-)，女，山西洪洞人，教授，博士，研究方向：纤维资源高值利用及功能纸基材料

基金项目：陕西省科技厅科技统筹创新工程计划项目(2015KTCQ01-44)； 陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室访问学者项目(12JS024); 陕西科技大学学术带头人培育计划项目(2013XSD24)

收稿日期:*2015-05-20