锦纶纤维酸性染料染色动力学对比研究

郝新敏，李岳玲，，王建明，郭亚飞，杨 元

(1.总后勤部军需装备研究所，北京 100082;2.北京服装学院，北京 100029;3.优纤科技(丹东)有限公司，辽宁丹东 118000)

锦纶是现代工业最重要的材料之一，具有强力高、耐磨性好、悬垂性好、透气吸湿等优点，是一种高附加值的纤维［1］。目前应用最普遍的是锦纶6和锦纶66，但是它们的原材料主要依赖于石油化工产品。就目前经济和环境方面来看，用生物质资源来代替化工原料是大家主要关心的一个问题［2］，而生物基锦纶56其单体由生物法制备［3－5］，与锦纶6和锦纶66相比，在原料来源上具有很大的优势。通过前期测试得知，锦纶56热稳定性较好。

锦纶通常采用酸性染料进行染色［6］，也可采用中性(1∶2型金属络合染料)、分散和活性染料进行染色。本文主要通过酸性蓝NHFS对锦纶56、锦纶6、锦纶663种纤维的染色动力学数据进行比较，从而为制定锦纶56合理的染色工艺奠定基础。

1 实验部分

1.1 实验材料和仪器

长丝:166 dtex/72 f PA56长丝(总后勤部军需装备研究所);233 dtex PA6长丝(广东新会美达锦纶股份有限公司);110 dtex/34 f PA66长丝(辽宁银珠化纺集团有限公司)。染料:酸性蓝NHFS。

仪器:XH-KG55B染色机电脑(佛山市航星自动化设备有限公司);JA2003精密电子天平(精确至0.0001);721分光光度计(上海第三分析仪器厂);烘箱;FE20 pH值计(梅特勒-托利多仪器有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 纤维半径的测定

锦纶纤维的横截面基本是圆形，平均半径r可由下式［7］求得:

式中:T为纤维分特数;ρ为纤维平均密度;r为半径。

1.2.2 上染百分率的测定方法

用721型分光光度计分别测定染前染液的吸光度A0、不同时间下染色残液的吸光度Ai，则各个时间的染料上染百分率Ct可由下式［8］计算:

式中:Ct为上染百分率;A0为染前染液的吸光度;Ai为染色残液的吸光度。

1.2.3 扩散系数计算

根据维克塔夫双曲线吸收方程

式中:K为常数;t为时间;C∞为平衡上染百分率;Ct为时间为t时的上染百分率。

上式经一系列变形可得一直线:

1/Ct对1/t作图可得到一条直线，此直线在y轴上的截距即为1/C∞，进而求得C∞。

由 Ct/C∞值，查表［9］可得 Dit/r2(r为纤维的平均半径)之值，进而求出Di，即t时间染料的扩散系数。将某温度下不同时间的Di值作平均值，得该温度下的平均扩散系数D。

1.2.4 染色速率常数和半染时间

由初始吸光度A0、t时间的吸光度At和染后残液吸光度Af，通过下式［10］可计算染色速率常数k:

式中:At为t时间的吸光度;Af为染后残液吸光度;A0为染前染液吸光度，k为染色速率常数;t为时间。

根据染色速率常数可计算出半染时间:

式中:t1/2为半染时间;k为染色速率常数。

2 结果与讨论

2.1 动力学结果分析

2.1.1 上染速率曲线的绘制

配制5.0 g/L的酸性蓝NHFS标准溶液，按照表1所示参数配制一系列相同浓度的染浴，调节染浴的pH值为3.64，然后于恒温(80、90℃、100℃)条件下放入锦纶纤维(PA6、PA66、PA56)，开始计时染色。根据表中的时间依次取出纤维。最后分别测染色前后染液的吸光度，计算上染百分率，做出3种纤维在不同情况下的上染速率曲线，如图1所示。

表1 锦纶长丝的动力学实验Tab.1 Kinetic experiments of acid blue NHFS

图1中上染速率曲线提供了在一定染色条件下染料吸附速率的完整描述。曲线的斜率反映了染料在纤维上的上染速率。从图中可看出，在上染初期(10 min内)纤维上染料浓度随时间的增长变化较快，随着时间的继续增长，上染浓度变化越来越慢，最后纤维上的染料浓度不再随染液浓度而增加，即达到了染色平衡。

图1 不同温度下酸性蓝NHFS在3种纤维的上染速率曲线Fig.1 Dyeing rate curves of acid blue NHFS on three fibers

从图1还可看出:80℃染色时，生物基锦纶56需要20 min达到平衡，锦纶6和锦纶66需90 min才能达到平衡;90℃染色时，锦纶56需10 min达到平衡，锦纶6和锦纶66需60 min才能达到平衡;100℃染色时，锦纶56需5 min达到平衡，而锦纶6和锦纶66需50 min才能达到平衡。在相同的染色温度下，染色时间相同时，锦纶56的上染百分率明显的高于锦纶6和锦纶66。其主要原因为:锦纶56的结晶度低于锦纶6和锦纶66，而染色时染料主要进入纤维的无定形区;锦纶56的直径最小，即比表面积最小，使其更易上染;锦纶56的分子质量较小，相同质量的锦纶56和锦纶6、锦纶66，锦纶56所含的氨基数量最多更易上染。

2.1.2 扩散系数

计算扩散系数首先需要知道纤维的规格及物理指标，之后根据Ct/C∞与Dit/a2的对应关系表，计算出某一时刻t所对应的扩散系数D。锦纶长丝的半径可通过计算得到(见表2)，也可通过SEM观察得到(见图2)。

表2 锦纶长丝的半径Tab.2 Radius of polyamide filaments

从图2可以看出:生物基锦纶56的半径为0.80×10－5m，锦纶6的半径为1.35×10－5m，锦纶66的半径为0.95×10－5m，与表2计算得到的数据一致。

3种锦纶纤维在不同实验温度下的平均扩散系数如图3所示。从图可看出，在相同的染色温度下，锦纶56的扩散系数明显高于锦纶6和锦纶66，其原因见2.1.1。

2.1.3 染色速率常数和半染时间

表3示出3种锦纶纤维在不同染色温度下的染色速率曲线和半染时间。

图2 3种纤维的SEM照片(×1500)Fig.2 SEM image of three fibers(×1500).(a)Cross section of polyamide 56;(b)Cross section of polyamide 6;(c)Cross section of polyamide 66

图3 3种纤维的平均扩散系数Fig.3 Average diffusion coefficient of three fibers

表3 锦纶的染色速率常数和半染时间数据Tab.3 Data of dyeing rate constants and half dyeing time of polyamide

比较表3中的数据可看出:3种锦纶纤维的染色速率常数随染色温度的升高逐渐增大，半染时间随温度的升高逐渐减小;在相同的染色温度下锦纶56的染色速率常数明显高于锦纶6和锦纶66，且锦纶56的半染时间明显小于锦纶6和锦纶66，其原因见2.1.1。

表4示出3种锦纶纤维在不同的染色温度下，在各自对应的半染时间下染色后的K/S值。

表4 锦纶纤维的K/S值Tab.4 K/S values of polyamide fibers

从表4可看出:3种锦纶纤维在相同的染色温度下，于各自的半染时间染色后，锦纶56染色后的K/S值明显高于锦纶6、锦纶66;温度升高对锦纶56 K/S值的影响较小;从不同染色温度下锦纶66染色后的K/S值可看出，温度升高，K/S值明显的增大，说明温度对其影响较大。

3 结论

1)在相同的染色温度下，染色时间相同时，锦纶56的上染百分率明显的高于锦纶6和锦纶66。

2)在相同的染色温度下，锦纶56的扩散系数明显高于锦纶6和锦纶66。

3)在相同的染色温度下，生物基锦纶56的染色速率常数均高于锦纶6和锦纶66，且半染时间最短。

4)在相同染色温度下，于各自所对应的半染时间进行染色后，锦纶56的K/S值明显高于锦纶6、锦纶66;温度升高对锦纶56 K/S值的影响较小;从不同染色温度下锦纶66染色后的K/S值可看出，温度升高，K/S值明显的增大，说明温度对其影响较大。

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