乙醇—水体系中棉织物的活性染料染色及其相关理论研究

摘要

活性染料自问世以来，凭借卓越的染色性能迅速发展成为当今纤维素纤维印染的首选染料。然而，在以水为介质的传统棉织物染色体系中，因活性染料在碱性固色时导致染料水解副反应，失去了与纤维素纤维发生共价结合的能力，大大降低了活性染料的利用率，活性染料的固色率不高，约为40～85％之间。同时，染色结束后，为了获得所要求的染色湿处理牢度，必须通过充分的洗涤去除分布在纤维内部、纤维表面以及纤维间毛细网络孔道中的水解染料。因此，活性染料高固色率染色和高效节水净洗一直是染整工作者长期研究的课题。纯有机溶剂染色虽然提高了染料利用率，但受到染料品种、溶剂安全性和染色工艺可行性限制;小浴比染色受染料溶解性、设备专用性、染色匀染性和织物表面易擦伤的影响未能普及。此外，传统以水为介质的净洗工艺水耗和能耗大，污水排放多。针对这一系列问题，本文尝试以乙醇-水体系作为活性染料染色和净洗介质，分别研究相关的染色和净洗技术。
　　首先根据活性染料的特性及其在溶剂中溶解度参数，研究了RY84、RR120、RB171和RB71四只活性染料在不同溶剂中溶解性能。根据溶剂的物理特性和使用安全性，确定了以乙醇-水体系代替传统水体系，作为活性染料染色和净洗的介质;分析了乙醇-水体系中活性染料溶解度随乙醇体积分数增加的变化规律，以及乙醇-水体系中活性染料对纤维素纤维上染率影响。研究结果表明，染料在乙醇-水体系中随乙醇体积分数的增加，其溶解度逐渐降低，对纤维素纤维的上染率显著提高，这与传统水体系染色中染料随浴比减小上染率提高的规律一致;在乙醇-水体系（乙醇体积分数为90％）中无需添加电解质，RY84、RR120、RB171三只染料的上染率即可达到99％，RB71染料的上染率也大于82％，当加入Na2CO3浓度达到5g/L时，染料的上染率达到最大值。棉织物经Na2CO3预处理后，在乙醇-水体系（乙醇体积分数为90％）中活性染料无盐染色的性能明显优于传统水体系中有盐染色的性能，染料浓度为1％，RY84、RR120、RB171和RB71上染率分别提高了13.74％、17.59％、11.87％、39.77％，固色率分别提高了19.67％、23.62％、8.90％、39.26％。由此初步可见，乙醇-水体系作为活性染料染色介质不仅可以实现无盐染色，而且能够提高染料利用率。
　　论文研究了乙醇-水体系（乙醇体积分数为90％）中活性染料染色动力学，包括上染速率曲线、扩散系数、半染时间、染色速率常数、固色速率曲线等。研究结果表明，乙醇-水体系（乙醇体积分数为90％）中染料的扩散系数随着染色时间的延长而减小;升高温度有助于提高扩散系数和比染色速率常数，缩短半染时间;棉织物经过碱预溶胀后纤维直径比水预溶胀后纤维直径大，染料在碱处理棉织物上的扩散系数比在水处理棉织物上的扩散系数大;在乙醇-水体系中，染色初期染料在NaOH预处理棉织物上的固色率高于Na2CO3预处理棉织物的固色率，但随着染色时间的延长，由于体系中NaOH浓度偏高，染料与纤维间的共价键发生水解，固色率下降。
　　基于乙醇-水体系（乙醇体积分数为90％）中活性染料染色动力学分析，论文还对乙醇-水体系中活性染料染色工艺进行了深入研究，包括棉织物碱预处理全料恒温染色工艺、两步加料升温染色工艺和三步加料升温染色工艺。研究结果表明，最佳染色工艺为:加入染液和1/4乙醇（染液与乙醇体积比为1∶1）40℃运行10min后，再加入3/4乙醇（乙醇体积分数达到80％）并升温至60℃续染30min后，加入碱剂并升温至80℃固色30～60min。优化后的乙醇-水体系活性染料染色工艺，无需加盐促染，染料的上染率和固色率不仅均高于传统水体系染色工艺，染料利用率提高4.87～23.41％，而且染色残液中乙醇通过回收并循环使用，可减少水耗和污水排放;杜绝了盐对生态环境的破坏，简化了生产操作，实现了印染工业污染防治由“末端治理”向“源头预防”的转变，具有很好的推广应用价值。
　　此外，论文还研究了乙醇-水体系作为活性染料染色织物净洗介质时，织物上水解染料的解吸动力学以及乙醇-水体系中乙醇体积分数、温度、时间和pH值等工艺参数对水解染料解吸率的影响。研究结果表明，棉织物上水解染料的解吸率随乙醇-水体系中乙醇体积分数增加先提高后下降，当乙醇体积分数达到40％时，解吸率达到最大值;升高温度和延长时间，可以提高棉织物上水解染料的解吸率;提高净洗浴的pH值有利于水解染料的解吸，且最佳的净洗液pH值应根据活性染料品种而定，一般宜在弱碱性或中性条件下进行。水解染料解吸动力学研究结果表明，乙醇-水体系（乙醇体积分数为40％）中棉织物上水解染料的解吸过程可以分为快反应与慢反应两个阶段，快反应阶段速率常数kd，1是慢反应速率常数kd,2的10倍之多;一级指数衰减方程能很好拟合棉织物上水解染料的解吸过程;当棉织物上水解染料在乙醇-水体系（乙醇体积分数为40％）中和传统净洗溶液中解吸都达到平衡时，水解染料在60℃乙醇-水体系中解吸率可以达到甚至超过95℃传统净洗液中解吸率，说明乙醇-水体系（乙醇体积分数为40％）用于棉织物活性染料染色后的净洗，不仅具有潜在的节能节水效果，而且可以减少废水排放。
　　为了提高乙醇-水体系（乙醇体积分数为40％）中净洗效率，论文还研究了乙醇-水体系中分别添加净洗剂AST、XC-W与乙醇的协同增效作用及其对色牢度的影响。研究结果表明，在乙醇-水体系（乙醇体积分数为40％）体系中加入净洗剂XC-W，可有效地抑制水解染料再吸附并提高染色织物色牢度;提高净洗温度，可抑制水解染料返沾色并提升净洗效果;延长净洗时间，可以提高净洗效率，但对抑制水解染料再吸附不利。因此，净洗时间不宜太长，以防止水解染料二次沾染。
　　在对乙醇-水体系中添加净洗剂对净洗效果影响因素的分析基础之上，通过乙醇-水体系（乙醇体积分数为40％）中多种净洗工艺优化对比研究，确定的最佳净洗工艺为:乙醇-水体系(净洗剂XC-W，乙醇体积分数为40％)80℃洗20min、乙醇-水体系（乙醇体积分数为40％）60℃洗10min和冷水洗10min。与传统净洗工艺相比，不仅净洗效果相同，而且净洗效率高、水耗能耗低、污水排放少。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 活性染料及其染色

1．1．1 活性染料的发展

1．1．2 活性染料的一般染色过程

1．1．3 染色介质对活性染料染色性能的影响

1．1．4 净洗介质在活性染料染色织物净洗过程中的作用

1．1．5 活性染料发展存在问题

1．2 无水／节水染色技术研究进展

1．2．1 溶剂染色

1．2．2 活性染料超临界CO2流体染色

1．2．3 反胶束染色

1．2．4 小浴比染色

1．3 活性染料染色织物净洗研究进展

1．3．1 活性染色净洗现状

1．3．2 净洗剂发展概况

1．3．3 净洗工艺研究进展

1．4 本课题的研究内容及意义

1．4．1 本课题的研究内容

1．4．2 本课题的研究意义

参考文献

第二章 乙醇-水体系中活性染料的溶解性能及其对纤维素纤维上染率的影响

2．1 引言

2．1．1 溶解度参数

2．1．2 染料的溶解性能

2．1．3 染料对纤维素纤维的上染率

2．2 实验部分

2．2．1 药品及原料

2．2．2 仪器及设备

2．2．3 乙醇-水体系中活性染料的溶解性能

2．2．4 传统水体系染色中活性染料对纤维素纤维上染率的影响因素

2．2．5 乙醇-水体系中活性染料对纤维素纤维上染率的影响因素

2．3 结果与讨论

2．3．1 乙醇-水体系中活性染料的溶解性能

2．3．2 乙醇-水体系中活性染料对纤维素纤维上染率的影响

2．4 本章小结

参考文献

第三章 乙醇-水体系中活性染料的染色性能及其染色工艺优化

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 药品及原料

3．2．2 仪器及设备

3．2．3 乙醇-水体系中活性染料的染色性能

3．2．4 活性染料染色动力学

3．2．5 乙醇-水体系中活性染料染色工艺优化

3．3 结果与讨论

3．3．1 乙醇-水体系中活性染料染色性能

3．3．2 乙醇-水体系中活性染料染色动力学

3．3．4 乙醇-水体系中活性染料染色工艺优化

3．4 本章小结

参考文献

第四章 乙醇-水体系中纤维素纤维上水解染料的解吸动力学及其影响因素

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 药品及原料

4．2．2 仪器及设备

4．2．3 水解活性染料的制备

4．2．4 棉织物上水解活性染料量的测定

4．2．5 传统净洗工艺中纤维素纤维上水解活性染料解吸的影响因素

4．2．6 乙醇-水体系中纤维素纤维上水解活性染料解吸的影响因素

4．2．7 棉织物上水解染料解吸动力学

4．3 结果与讨论

4．3．1 纤维素纤维上水解染料解吸的影响因素

4．3．2 纤维素纤维上水解染料的解吸动力学

4．4 本章小结

参考文献

第五章 乙醇-水体系中的净洗剂与乙醇的协同增效作用及其对染色牢度的影响

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 药品及原料

5．2．2 仪器及设备

5．2．3 乙醇- 水体系中净洗剂对抑制水解染料再吸附棉织物的影响

5．2．4 乙醇-水体系中净洗剂对净洗效果的影响

5．2．5 乙醇-水体系中净洗工艺优化

5．3 结果与讨论

5．3．1 乙醇-水体系中的净洗剂对抑制水解染料再吸附棉织物的影响

5．3．2 乙醇-水体系中的净洗剂对净洗效果的影响

5．3．3 乙醇-水体系中净洗工艺优化

5．4 本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

攻博期间发表论文

致谢