活性染料/D5悬浮体系全程非水染色技术研究

摘要

活性染料水浴染色存在中性电解质用量高、染料利用率低、废水排放量大且难处理等问题。随着全球水资源的匮乏和环境污染日趋严重，改革传统染整工艺，选择新型染色介质，开发节水、无水染色技术，已成为纺织染整的一个重要研究领域。
　　本文以生态环保的十甲基环五硅氧烷(D5)作为染色介质，采用活性染料/D5悬浮体系这一全新的染色工艺，实现了活性染料非水介质无盐染色，且上染率与固色率均远高于传统水浴染色，能大幅度减少染色污染物的排放，同时染色后的D5介质可以回收利用，利于控制成本。
　　该项技术的开发，为活性染料的生态染色开辟了一条新的途径，但仍然存在一系列有待完善和需要深入研究探索的问题。本文针对其中几个最重要的基本问题和技术环节进行了系统研究，不仅试图从原理上对有关问题进行较深层次的阐述，也进一步优化完善了这些重要技术环节，为提高新技术的产业化可行性提供帮助。这些重要问题和技术环节包括:
　　1.活性染料/D5悬浮体系的制备及稳定性研究
　　制备活性染料/D5悬浮体是该法染色的前提，通过对亲水性染料在非水介质中悬浮及稳定机理的分析和研究，确定了采用特种悬浮剂加球磨的悬浮体系制备方法，并进行了球磨工艺参数的优化，筛选了不同种类的悬浮剂，制得了较为稳定的且能满足应用需要的染料/D5悬浮液。
　　(1)根据相似相溶的原理，研究中选用了具备-Si-O-结构的化合物HPIS、BCS-4和BCS-6作为悬浮分散剂，采用单一分散悬浮荆时，当HPIS的用量为8％，所制得的悬浮液的稳定性最好。
　　(2)由于复配后的表面活性剂具有比单一表面活性剂更为良好应用效果，选择分散效果相对较好的HPIS与本课题组之前使用的油酸进行复配。当油酸和HPIS以5∶5复配时，悬浮液的稳定性最佳，理想的悬浮分散剂浓度为4％。
　　(3)提高悬浮体系稳定性的另一条途径是提高体系的粘度，本文用单硬脂酸甘油酯对D5进行增稠后，在浓度为3％时，悬浮液能静置存放10天或以上。在这种情况下，体系中不需要添加悬浮分散剂HPIS，以免发生奥氏熟化现象而导致体系稳定性下降。
　　(4)考察了染料/D5悬浮分散体系的稳定性与染料上染率之间的关系，确定了以有机硅表面活性剂为悬浮分散剂的活性染料/D5悬浮分散体系为最佳稳定性体系。应用该体系，其稳定性既能满足染色过程的需要，又不影响染料上染率。
　　2.染色工艺的研究及相关机理的探索
　　根据活性染料对棉纤维的染色原理，结合染料/D5悬浮体系的基本特性，设计了纤维/织物预轧碱液的特殊染色方法，当分别选用HPIS和BCS-4作为体系的悬浮分散剂，以染色K/S值和匀染性为主要考核指标，对预轧碱液的碱剂种类和浓度、试样轧液率、染色温度及时间、固色温度及时间、试样对D5浴比等主要染色工艺参数进行研究和评价。试验结果表明:以HPIS为分散剂的活性染料/D5悬浮体的匀染性较好，且能达到很高的上染率和固色率。C.I.活性红195在D5悬浮体系对棉织物的最佳染色工艺为:碱液中碳酸钠用量40 g·L-1，试样预轧碱液的带液率160％，染色温度20℃，染色时间40 min，固色温度60℃，固色时间40 min，试样对D5浴比1∶20，在染料用量为1％(o.w.f)时，染色后试样的K/S值能达到7.691（同样染料用量的水浴染色试样的K/S值为5.436）。这表明:活性染料/D5悬浮体系染色具有明显的优越性，在无盐促染条件下上染率接近100％，染色总固着率远高于传统水浴染色，同时各项牢度优良。
　　课题对上述染色方法能获得极高上染率和固着率的内在机理进行了探索和分析。
　　通过对悬浮体系中活性染料上染过程的模拟和研究分析，可以确定，该上染机理类似于水在D5体系中对活性染料的萃取，由于萃取过程因染料与水和D5之间的强烈亲憎关系而表现出染料转移的单向特点，因此，可以得到极高的上染率，同时确认，染色时纤维上带水量及其稳定性是决定染料上染率的最重要因素。
　　在确立了上述染色机理的基础上，对棉纤维上带水量以及其稳定性进行了理论分析实验研究，确立了在上述染色体系中纤维的最佳带液率，在最佳带液率的条件下，活性染料的上染率可以接近100％。
　　为了探明除了高上染率有利于染色固着率外，上述染色体系是否还有其他有利于获得高固着率的影响因素，着重考察了活性染料在该体系中的水解特性，通过模拟水浴和D5介质的染色环境，用HPLC法分别研究了活性红195在pH=11、60～80℃时在水浴和染料/D5悬浮体系中的水解情况。结果表明:活性染料/D5悬浮体染色过程中极少水量的染色环境显著抑制了染料水解，pH=11条件下水解90 min，D5介质中双水解染料量相对传统水浴60℃染色减小28.1％，70℃染色减小57.8％，80℃染色减少52.6％。水解动力学研究揭示:在相同温度下，染料在水浴中的水解速率是在D5介质中的1.8倍左右。织物存在的环境下，染料的水解也会受到一定程度的抑制，能进一步降低D5介质染色模拟水解条件下双水解染料的量，使染料的水解速率有所降低。因此，染料/D5悬浮体系染色能够大幅度提高染料的利用率。
　　3.与染料/D5悬浮体系染色工艺配套的D5介质低水皂洗技术研究
　　活性染料染色后必须进行彻底的皂煮水洗，以去除未与纤维反应的染料浮色，获得足够的色牢度。这一过程耗用的水常常是染色用水的十数倍乃至数十倍。如前所述，活性染料/D5悬浮体系染色具有接近100％的上染率和很高的固着率，与水浴染色相比，染色完成后纤维上残留的水解染料和未固着染料大幅度减少，这就使得染色后皂煮水洗的强度可以大幅度减轻，为进一步减少染色用水和排污揭示了新的可能性。从实际应用的可行性和新工艺技术的完整性出发，也为了更好地凸显活性染料/D5悬浮体染色的节水环保意义，研究了与染料/D5悬浮体系染色工艺配套的D5介质中低水皂洗技术的可行性。
　　研究中，利用D5中的游离水和水/D5界面上反胶束对织物上残留染料的协同移除功能，设计了少量水加特种表面活性剂的皂洗方法，进行了如下实验:以D5为介质对浓度为1％(o.w.f)的活性染料/D5悬浮体染色织物进行皂洗，以皂洗后的残液吸光度为主要评价指标对特种表面活性剂种类与用量、水的用量、皂洗温度及时间进行优选，最终确定使用D5为介质皂洗活性染料染色织物的最佳工艺为:以十六烷基三甲基溴化铵为皂洗剂，用量2.2g·L-1，D5浴比1∶30，体系中添加织物质量3.5倍的清水，时间10 min，温度95℃，一次皂洗就可以获得良好的皂洗效果。处理后织物的干湿摩擦牢度指标能达到一般纺织品牢度要求，但皂洗效果略低于传统水浴皂洗。为了进一步提高皂洗效果，可以用相同的工艺对织物进行二次皂洗。二次皂洗残液浓度以及织物干湿摩擦牢度测试结果表明:织物经过两次皂洗后，皂洗效果与传统水浴皂洗已基本相同。这证实D5介质中低水皂洗技术对悬浮体系染色的高固着率试样的后处理具有可行性。这为悬浮体系染色技术的产业化进一步提供了有益而更全面的思路，有重要意义。
　　4.研究了D5对染料和棉纤维性能的影响
　　为了探明D5作为染色介质与染料和纤维之间是否发生作用而影响染色质量，对此进行了通过测定经D5染色和皂洗后试样的最大吸收波长，结果表明D5介质对活性染料染色棉织物的色光没有影响。利用IR、TG、SEM、X射线衍射仪及织物强力仪对D5染色和皂洗后棉纤维试样进行分析，结果表明D5介质对棉纤维的外观、热稳定性、化学结构、结晶度及机械性能基本不会造成影响。这进一步证实:D5完全具备作为一种活性染料对棉织物染色和皂洗的新型介质的潜质。
　　上述结论表明:在探明重要的原理和解决几个关键技术环节后，活性染料/D5悬浮分散体系对棉纤维的染色的可行性得到提升，应用该技术能在完全不用电解质促染的情况下获得远高于传统水浴染色的上染率和固着率，并大幅度减少用水和污染排放。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 课题背景及意义

1．2 活性染料染色新技术发展现状

1．2．1 水浴中的活性染料低盐染色

1．2．2 活性染料非水介质染色

1．3 以D5为介质的染色技术研究

1．3．1 D5的结构和理化性能

1．3．2 D5在染整及相关领域的应用及发展状况

1．4 课题的研究目的和主要研究内容

第二章 活性染料／D5悬浮体系制备及其稳定性研究

2．1 引言

2．1．1 关于活性染料／D5悬浮分散体系的理论阐述

2．1．2 非水介质悬浮的基本原理

2．1．3 分散剂的种类

2．1．4 悬浮颗粒分散性能评价方法

2．2 实验部分

2．2．1 实验材料与仪器

2．2．2 实验方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 活性染料／D5悬浮分散体系制备方法及其稳定状态的理论模拟

2．3．2 球磨工艺的优选

2．3．3 分散剂优选

2．3．4 二元复配分散剂对活性染料／D5悬浮体系的稳定作用

2．3．5 提高介质粘度对活性染料／D5悬浮分散体系的稳定作用

2．3．6 活性染料／D5悬浮体系稳定性与染色上染率的关系

2．4 本章小结

第三章 活性染料／D5悬浮体系染色工艺的研究及相关机理探索

3．1 引言

3．1．1 活性染料／D5悬浮体系染色工艺设计

3．2 实验部分

3．2．1 实验材料及仪器设备

3．2．2 仪器、设备

3．2．3 实验方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 活性染料／D5悬浮体系染色原理及工艺研究

3．3．2 活性染料／D5悬浮体系与传统水浴染色效果比较

3．3．3 活性染料在D5悬浮染色体系中的水解行为

3．3．4 活性染料／D5悬浮体系染色工艺的中试应用试验

3．4 本章小结

3．4．1 结论

3．4．2 活性染料／D5悬浮体系染色的优势

第四章 与D5悬浮体系染色工艺配套的D5介质皂洗技术研究

4．1 引言

4．1．1 皂洗机理

4．1．2 影响水浴皂洗工艺的因素

4．1．3 水浴皂洗技术的发展

4．1．4 D5介质皂洗

4．2 实验部分

4．2．1 实验材料与试剂

4．2．2 实验仪器

4．2．3 实验方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 D5皂洗剂作用机理分析与优选

4．3．2 染料与季铵盐表面活性剂的相互作用

4．3．3 体系中水的作用及用量确定

4．3．4 皂洗温度对D5皂洗效果的影响

4．3．5 皂洗时间对D5皂洗效果的影响

4．3．6 D5皂洗与传统水浴皂洗的比较

4．3．7 D5皂洗活性染料／D5悬浮体系染色织物的工艺的优化

4．4 本章小结

第五章 D5对活性染料色光及棉纤维的影响

5．1 实验部分

5．1．1 试样准备

5．1．2 实验方法

5．2 结果与讨论

5．2．1 D5介质染色对色光的影响

5．2．2 D5介质对纤维表观形态的影响

5．2．3 D5介质对棉纤维化学结构的影响

5．2．4 D5介质对纤维热性能的影响

5．2．5 D5介质对纤维结晶形态的影响

5．2．6 D5介质对织物强力的影响

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻博期间主要成果

致谢