棉织物的活性染料浸轧/非水介质固着工艺

2021-06-06苗俊华李美琪胡敏干邵建中

印染助剂 2021年5期

樊杰，苗俊华，安源，邵敏，李美琪，胡敏干，邵建中

（1.浙江理工大学生态染整技术教育部工程研究中心，浙江杭州 310018；2.海宁绿盾纺织科技有限公司，浙江嘉兴 314408）

活性染料色谱齐全、色泽鲜艳、湿牢度优良、应用简便，得到广泛应用，成为天然纤维染色用量最大的一类染料［1-2］。轧染是活性染料染色的常用方式，活性染料湿短蒸染色工艺因节能减排成为棉织物连续染色的研究热点［3］，但也存在一些缺陷，如在汽蒸固着时需消耗大量热量，对设备要求较高，染料利用率较低及染深色较差等［4-7］。为提高活性染料利用率，减少废水排放，开发了非水介质染色技术［8］。棉织物活性染料非水介质染色技术是以既不能溶解染料，也不能和水相容的非极性介质替代传统水浴，将染料、助剂分散或乳化在非水介质中的新型染色方法［9］。刘今强等［10-12］研究开发了活性染料和分散染料以D5 为非水介质染色的新技术，结果表明该技术能大幅提高活性染料的上染率和固着率，且完全不用盐促染，可有效节水、节能，减少污染。邵建中等［13-16］进一步研究开发了棉织物的活性染料/液蜡染色技术，节水节能、高效环保，且液体石蜡价格低廉，安全性更好。已报道的活性染料非水介质染色主要研究浸染工艺，对轧染工艺研究鲜有报道。

本课题在活性染料/液蜡轧染工艺中应用新型非水介质固着方式，研究应用单因素变量法，通过改变织物轧液率、固着温度和时间优化浸轧/非水介质固着工艺，比较优化工艺与常规浸轧/汽蒸固着工艺效果，大大减少能量与资源浪费，使用的液体石蜡经济环保［15，17］，对实际生产具有一定的指导意义。

1 实验

1.1 材料与仪器

试剂：十甲基环五硅氧烷（D5，5.951 mPa·s，试剂级），低黏度液体石蜡（21.9 mPa·s，试剂级），高黏度液体石蜡（41.0 mPa·s，试剂级），无水碳酸钠（试剂级，天津永大化学试剂有限公司），标准皂片（上海制皂厂）；C.I.活性黑KN-B（KN 型，分子质量991.82）、C.I.活性黄3RS（M 型，分子质量1 026.20）、C.I.活性红3BS（M 型，分子质量1 136.32）（不添加盐，浙江龙盛集团股份有限公司）。

仪器：振荡染色机、PB1-轧车（厦门Rapid 公司），恒温加热磁力搅拌器（荥阳市科瑞仪器厂），SF600X型计算机测色配色仪（美国Datacolor 公司）。

1.2 染色工艺

常规轧染工艺：一浸一轧（染料25 g/L，Na2CO350 g/L）→汽蒸（102 ℃，2 min）→冷水洗→皂煮（无水碳酸钠3 g/L，标准皂片3 g/L，95 ℃，10 min）→温水洗（40～50 ℃，2 min）→水洗（室温，30 s）→晾干。非水介质固着轧染工艺：一浸一轧（染料25 g/L，Na2CO350 g/L）→浸入热非水介质固着液→冷水洗→皂煮（无水碳酸钠3 g/L，标准皂片3 g/L，95 ℃，10 min）→温水洗（40～50 ℃，2 min）→水洗（室温，30 s）→烘干。

1.3 测试

K/S值：用测色配色仪测试，每个样品选8 个不同的点测试，取平均值。

匀染性：将织物放在标准照明箱中，在模拟日光模式下用数码相机拍照后进行主观评定，无色花以△表示，轻微色花以○表示，明显色花以□表示。

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》测试。

耐皂洗色牢度：按照GB/T 3921—2008《纺织品色牢度试验耐皂洗色牢度》测试。

2 结果与讨论

2.1 非水介质固着轧染效果影响因素

2.1.1 轧液率

② 方案实施：总经理领导绩效考核小组，以业绩考核为重点，各部门领导在每月的月初提交月度考核报告，分析问题和及时纠正。在年末责任部门将报告汇总，明确各部门全年绩效指标实施结果，将其作为各种管理决策的依据。

由表1 可知，轧液率较低（低于100%）时，K/S值随轧液率增加明显增大，原因是轧到织物上的染料增加；超过100%时，K/S值没有明显增加，可能有部分水携带染料脱离织物。轧到织物上的染液分为3类［18-19］：（1）被纤维吸收，即进入纤维无定形区内部和紧密吸附在纤维表面，由于被纤维束缚而不能自由流动；（2）留在织物组织的毛细管空隙，处在纤维间的毛细管网络中，在织物中较难流动；（3）分布在纤维表面或织物组织结构空隙，在自身重力作用下容易流动。在非水介质固着轧染工艺中，轧液率超过100%，K/S值相对降低（绝对值略提高，但与轧液率的提高不成正比），推测是织物上易流动的染液因重力和机械振荡等作用力携带染料脱离织物。轧液率为70%～90%时匀染性较好，没有色花；大于等于100%时匀染性降低。对轧染工艺而言，在适当的轧液率下，匀染性主要取决于轧辊的轧液均匀性。对浸轧/非水介质固着轧染工艺而言，轧液率的影响具有独特性，非水介质固色液可使棉织物受热均匀，避免接触式加热或热风加热使染料随水分子移动而“泳移”，也可避免汽蒸固着时因蒸汽冷凝等原因而受热不均匀，因而具有优越的匀染性。在合理的轧液率范围内，疏水性的非水介质还会抑制水分子从织物上脱落，有利于活性染料与棉纤维反应。当轧液率超过100%，尤其是超过120%时，织物上的部分自由水可能有局部移动，匀染性下降。因此优选轧液率为90%。

表1 轧液率对活性红3BS 染色织物K/S 值和匀染性的影响

2.1.2 固着温度

由图1可知，活性黑KN-B 和活性红3BS 的温度-K/S值曲线都先上升后降低，90 ℃时，K/S值基本达到最大值。活性黄3RS 的温度-K/S值曲线与活性黑KN-B 和活性红3BS 不同，都呈现先升高后逐渐平缓的趋势，原因可能是染料所带基团不同［20-21］。C.I.活性黑KN-B在染料母体两侧携带2个乙烯砜基团，C.I.活性黄3RS 和C.I.活性红3BS 均在染料母体同侧携带一个一氯均三嗪基团和一个乙烯砜基团。在碱性条件下，C.I.活性黑KN-B 带有2 个强水溶性基团磺酸基，C.I.活性黄3RS 和C.I.活性红3BS 分别带有3个、4 个磺酸基团。由于乙烯砜基团反应活性高于一氯均三嗪基团［22］，C.I.活性黑KN-B 与棉织物的反应性较强，在温度较低时水解较少，固着率较高，100 ℃后上染棉织物的染料水解加快，固着率下降。C.I.活性红3BS 比C.I.活性黄3RS 多1 个磺酸基，且磺酸基团距离反应性基团（乙烯砜基）较近，磺酸基团的强吸电子诱导效应使邻近的反应性基团活性提高，升温时染料水解加快，K/S值随之降低。相比另外两只染料，C.I.活性黄3RS 与纤维的反应性较弱，稳定性较好，100～120 ℃时仍能保持良好的固着率，K/S值基本不变。综合考虑，优选非水介质固着温度为90 ℃。

图1 固着温度对非水介质中固着织物K/S 值的影响

固着温度对非水介质中固着织物匀染性的影响见表2。

表2 固着温度对非水介质中固着织物匀染性的影响

由表2 可以看出，低于100 ℃时，染料的匀染性均较好，高于100 ℃时，匀染性均较差。70、80 ℃时，温度太低不利于染料在纤维内部扩散，达不到染料固着所需温度，织物得色较浅，但对匀染性影响不大；100、110、120 ℃时，织物上的水分迅速蒸发，溶于水的染料可能随水分蒸发而移动，类似“泳移”，导致染色不匀，且温度太高，染料水解加快，K/S值降低［4］。

2.1.3 固着时间

由图2 和表3 可知，时间-K/S值曲线整体呈现先上升后趋于平衡的趋势，3 min 时，K/S值基本达到最大值，延长时间，K/S值基本不变。这是由于固着处理3 min 即达到染料固着纤维的良好状态。固着时间太短，染料在纤维中扩散不够，固着在纤维上的染料相应较少。在固着时间内，固着染料尚未水解断键［23］，在后续延长时间段内，K/S值基本保持不变，匀染性也基本不变。综合考虑，优选固着时间为3 min。

图2 固着时间对非水介质中固着织物K/S 值的影响

表3 固着时间对非水介质中固着织物匀染性的影响

2.2 染色性能比较

2.2.1 K/S值和匀染性

由图3 和表4 可以看出，在3 种非水介质中固着3 min 后，K/S值从大到小依次为高黏度液体石蜡、低黏度液体石蜡、D5、常规汽蒸，匀染性相仿。在常规汽蒸条件下，由于蒸汽箱中热湿度较大，与纤维以共价键结合的染料可能会因碱、水、温度的共同作用发生断键，固着率降低［24，19］。非水介质固着可有效减少活性染料水解，由于染料与非水介质互不相容，非水介质可推动染料上染纤维。D5 与液体石蜡均为非极性、疏水性物质，疏水性能由高到低为高黏度液体石蜡、低黏度液体石蜡、D5。D5 最外层（结构式如下）是由10 个甲基组成的疏水层结构，内部是环状的硅-氧结构，高度对称的分子结构使单一硅氧键极性相互抵消，整体显示非极性；液体石蜡（结构式如下）则是链状的碳氢化合物，无亲水性基团和极性基团，在有机概念图上的I/O值为0，与水的I/O值成90°夹角［25］，因此液体石蜡疏水性很强，且黏度越高，分子质量越大，疏水性越强。由此可知，高黏度液体石蜡与纤维表面水膜间的界面能最大，更易推动水膜中的染料分子趋向于纤维，染料分子更易从纤维表面向内部扩散，在相同碱量条件下，染料和纤维发生共价键结合的数量更多，固着率更高。