泡沫技术染深色的可行性及其应用

余 弘， 王元丰， 钟 毅， 徐 红， 张琳萍， 毛志平, 王兴南

(1. 东华大学 生态纺织教育部重点实验室， 上海 201620； 2. 上海誉辉化工有限公司， 上海 201100)



泡沫技术染深色的可行性及其应用

余 弘1， 王元丰1， 钟 毅1， 徐 红1， 张琳萍1， 毛志平1, 王兴南2

(1. 东华大学 生态纺织教育部重点实验室， 上海 201620； 2. 上海誉辉化工有限公司， 上海 201100)

为了探讨泡沫染色对棉织物染深色的可行性，研究了活性艳红KE-3B在棉织物泡沫染色中的提升力和染色性能；为了推广泡沫染色在纺织加工中的应用，研究了不同类型活性染料在对棉织物的泡沫染色浅、深色工艺中的固色速率和织物K/S值与固色时间的关系。研究结果表明：活性红KE-3B在泡沫染色中具有良好的提升力，经不同质量浓度泡沫染色的织物匀染性好。在4种不同类型的活性染料泡沫染色中，染料的固色率均能达到70%～90%，KN型活性染料固色率最高，固色速率顺序为活性黑KN-B>活性大红K-2G>活性艳红KE-3B>活性艳红X-3B。

深色染色； 泡沫染色； 棉织物； 活性染料； 固色速率

纺织品印染工业不仅是用水量最多的工业之一，又是消耗能源较多的行业之一。印染湿加工过程中所消耗的能量大约占纺织工业总能量消耗的55%～60%，其中大部分用于织物烘燥过程中的水分升温和蒸发。泡沫染色是将空气代替大部分水作为染色介质将染料输送到织物上进行上染的一种技术。泡沫染色可将织物带液率降至30%～40%，从而大大节约了水的用量，相应地降低了后续烘燥过程中的能耗。同时泡沫染色还具有可降低蒸发过程中染料泳移，改善产品质量，加快烘干速度和提高劳动生产率，以及节约染化料和减少废水排放等特点[1]。

国外研究者对泡沫染色的研究始于20世纪70年代末[2-3]，在80年代出现了关于泡沫染色的大量研究和报道[4-6]，国内学者也于20世纪80年代对此技术开展了一系列研究[7]。但是由于当时技术水平的限制和“节能环保”意识的薄弱，一度处于研究热潮的泡沫染色技术没有得到进一步的发展[8]。进入21世纪以来，由于能源的短缺、环境问题日益严重，以及设备技术水平的提高，需要通过改进和创新加工技术以降低成本来赢得市场，于是又掀起了泡沫染色加工的热潮。目前国内已有多个课题组对泡沫染色进行研究，辛长征等[9-10]对水刺非织造布在线发泡体系和泡沫染色工艺进行了研究；贺志鹏等[11]研究了大豆分离蛋白在泡沫染色工艺中的应用；张健飞等[12-14]针对棉织物活性染料泡沫染色进行了一系列研究，探讨了泡沫染色工艺的影响因素，优化了泡沫染色工艺。不同于其他课题组采用的涂敷-轧压的泡沫施加方式，本文采用泡沫发生器和施加器，研究了活性染料泡沫染色液的起泡性和稳定性[15]，成功地实现了棉机织物活性染料泡沫染色的连续加工过程，讨论了各种因素对染色效果的影响[16]，并通过响应面分析法优化了染色工艺[17]。

在泡沫染色过程中，泡沫施加器将含有染料的泡沫均匀地施加在织物表面上，最后经固色使织物得色。由于被涂敷有色泡沫的织物不经过轧车直接固色且带液率较低，因此泡沫染色被认为只是一种“表面染色”。此外，在泡沫染色研究报道中活性染料的使用浓度都较小，得到的有色织物均为浅色系，且仅局限于一种类型的活性染料。本文为了探讨泡沫染色用于棉织物染深色的可行性，基于前期的研究成果，研究了活性红KE-3B在棉织物泡沫染色中的提升力和染色性能，比较了其在浅、深色体系泡沫染色中的固色速率曲线和织物K/S值与固色时间的关系曲线；最后通过研究不同类型活性染料的泡沫染色，推广泡沫染色在纺织加工中的应用。

1 实验部分

1.1 材料与药品

纯棉机织半漂白布，面密度为117 g/m2(华纺股份有限公司)。活性红KE-3B、活性大红K-2G、活性艳红X-3B和活性黑KN-B(江苏振扬染料科技有限公司，商业级)，十二烷基硫酸钠(SDS)、十二醇、无水碳酸钠(上海国药集团化学试剂有限公司，化学纯)，瓜尔胶(郑州市中原区丰和化工商行，工业级)。

1.2 设备与仪器

泡沫发生器和泡沫施加器(上海誉辉化工有限公司)，DHE 64001型Mathis汽蒸机(瑞士)，SW-12AⅡ型皂洗机(温州大荣纺织仪器有限公司)，Datacolor 650测色仪(美国Datacolor公司)，U-3310型紫外分光光度仪(日本日立公司)，Y571B型摩擦牢度试验机(温州纺织仪器厂)。

1.3 实验方法

1.3.1 泡沫染色方法

泡沫染色液配方：活性染料10.0～60.0 g/L，SDS 2.00 g/L，Na2CO315.0～24.0 g/L，稳定剂0.28～0.70 g/L。稳定剂为十二醇和瓜尔胶的混合，二者质量比为3∶4。

泡沫染色工艺参数：泡比为8.00，带液率为30.0%，汽蒸温度为150 ℃，汽蒸时间为0～5.00 min。

泡沫染色工艺流程为：泡沫染色液起泡(泡沫发生器)→施加有色泡沫(泡沫施加器)→汽蒸固色(150 ℃，0～5 min，相对湿度65%)→皂洗(皂片2 g/L，Na2CO32 g/L，95 ℃，10 min)→水洗。

1.3.2 活性染料在泡沫染色中的提升力

为了探讨泡沫技术染深色的可行性，通过逐步增加泡沫染色中活性红KE-3B的质量浓度(10、20、30、40、50、60 g/L)，保持其他条件一致，对棉机织物进行泡沫染色，观察织物得色量上升的趋势，即染料在泡沫染色中的提升力。相同条件的泡沫染色工艺重复3次。

1.3.3 不同类型活性染料的浅、深色泡沫染色

为了推广泡沫染色在纺织加工中的应用，观察各种类型的活性染料是否均能适用于泡沫染色浅、深色工艺，进一步了解泡沫染色过程中染料上染棉织物的动态过程，分别使用活性艳红KE-3B、活性大红K-2G、活性艳红X-3B和活性黑KN-B对棉机织物进行泡沫染色，通过逐步增加汽蒸固色时间(0、0.5、1、1.5、2、3、4、5 min)，保持其他条件一致，得到浅色(10 g/L)、深色(60 g/L)体系泡沫染色的固色速率曲线和织物K/S值与固色时间的关系曲线。

1.3.4 测试方法

固色率通过下式计算得到：

式中：W为皂洗、水洗前织物上的染料总量；W1为皂洗、水洗后织物上的染料总量；W2为残液(包括皂洗液、水洗液)中的染料总量。残液中的染料量由染料质量浓度与吸光度的直线关系图得出，吸光度由紫外分光光度仪测得。

有色织物的表观色深值(K/S值)由Datacolor 测色仪测得。每块试样任取1个点作为标准样，任取其他8个点作为批次样，测出8组批次样与标准样之间的色差，计算标准偏差。

着色织物的皂洗牢度依据GB/T 3921—2008《纺织品 色牢度试验 耐皂洗色牢度》测定。

着色织物的干湿摩擦牢度依据GB/T 3820—2008《纺织品 色牢度试验 耐摩擦色牢度》测定。

2 结果与讨论

2.1 泡沫技术染深色的可行性

在前期研究中比较了活性艳红KE-3B分别在泡沫染色和常规轧染过程中的提升力[16]，其在泡沫染色中的提升力见图1。可以发现，随着染料质量浓度从10 g/L递增至60 g/L，着色织物的表观色深逐渐增大，且曲线的斜率基本保持不变，上升趋势明显，表明活性艳红KE-3B在泡沫染色中具有良好的提升力，从而说明泡沫技术用于染深色是可行的，且得到的有色织物匀染性很好。虽然泡沫染色过程中织物的带液率仅有30%，但是高浓度的有色泡沫一旦被施加至织物表面时便立刻破灭，并快速地从表面向织物内部扩散，最后通过汽蒸固着在织物上，部分聚集在织物表面未固着的染料在后续皂洗、水洗中被洗去。从图中还可观察到，当染料质量浓度相同时，多次实验所得着色织物的表观色深重现性好，K/S值变化幅度很小，其中深色工艺(50、60 g/L)时的偏差相对浅色工艺略大。

图1 泡沫染色中活性红KE-3B的提升力Fig.1 Build-up property of Reactive Red KE-3B in foam dyeing

此外，按照结构来看，活性红KE-3B是双一氯均三嗪活性染料，具有2个可与纤维素纤维发生共价反应的活性基团，因此相较于其他结构的活性染料，其在固色过程中与棉织物的共价结合概率较大，这也可能是其能在泡沫染色中表现出良好提升力的原因之一。

着色织物经不同质量浓度活性红KE-3B泡沫染色的皂洗牢度均能达到4～5级，干摩擦牢度均能达到5级[16]。表1示出着色织物的匀染性和湿摩擦牢度等级。可以看出，即使泡沫染色的染料质量浓度较高时也能达到良好的匀染效果，湿摩擦牢度随着质量浓度的上升从4级降低至2～3级，这是由于织物的表观色深增大，相应地带来了湿摩擦牢度的降低。

表1 不同质量浓度活性红KE-3B 泡沫染色的染色性能Tab.1 Dyeing properties of foam dyeing with Reactive Red KE-3B of different concentrations

2.2 不同类型活性染料的泡沫染色性能

在活性染料对棉织物的染色中，染料与纤维素纤维最终以共价键的形式结合，所得织物的色牢度高、色泽鲜艳。若采用上述的泡沫染色低给液技术，将大大减少纺织加工过程中的能源消耗。然而活性染料按照结构可分为多种类型，且不同类型的活性染料其反应活性各不相同。本文为了探讨泡沫染色是否适用于多种类型活性染料对棉织物的染色，分别研究了KE型、K型、X型和KN型活性染料的泡沫染色浅、深色工艺，旨在推广泡沫染色技术在纺织加工中的应用。

图2(a)、(b)分别示出泡沫染色浅色、深色工艺中不同类型活性染料的固色速率曲线；图3(a)、(b)分别示出不同类型活性染料的泡沫染色浅色、深色工艺中织物K/S值与固色时间的关系曲线。

图2 泡沫染色的固色速率曲线Fig.2 Fixation rate curves of foam dyeing. (a) Light color dyeing; (b) Dark color dyeing

图3 泡沫染色的织物K/S值与固色时间的关系曲线Fig.3 Relation curves between K/S value and fixation time in foam dyeing. (a) Light color dyeing; (b) Dark color dyeing

由图2可知，泡沫染色不管是对棉织物染浅色还是染深色，其固色率均能达到70%以上，且固色速率的顺序依次为：活性黑KN-B>活性大红K-2G>活性艳红KE-3B>活性艳红X-3B。其中活性黑KN-B的固色率最高，达到90%左右，且固色速率最快，浅色、深色工艺的固色规律一致。这是因为活性黑KN-B是双活性基的乙烯砜型活性染料，具有较高的反应活性，迅速达到反应平衡。

对于活性艳红KE-3B(双一氯均三嗪型)，浅色工艺泡沫染色的固色率能达到85%左右，深色工艺泡沫染色的固色率在75%左右。深色工艺的固色率比浅色工艺低，这是因为深色工艺中染料质量浓度高，染料更容易聚集，而染料聚集体不易向纤维内部扩散而形成表面着色，有些聚集体甚至不易发生固色反应。浅色工艺的固色过程在3 min左右固色率趋于平衡，而K/S值在1 min左右就不再提升，这是由于浅色工艺染料初始质量浓度低，染料向纤维内部扩散速率较慢，因此表面固色先完成，后续固色过程中染料不断向纤维内部扩散还伴随着内部固色反应的发生。深色工艺在1.5 min左右达到最大值并趋于平衡，且K/S值与固色率规律大体一致，这是由于深色工艺染料初始质量浓度高，导致染料向纤维内部扩散速率快，固色反应几乎在纤维表面和纤维内部同时进行，这同时也解释了深色工艺的固色速率比浅色工艺更快。

活性大红K-2G(一氯均三嗪)浅色、深色工艺泡沫染色的固色率均达到75%左右。其中深色工艺在1 min左右完成固色，浅色工艺在1.5 min左右完成固色。与活性艳红KE-3B相比，活性大红K-2G在浅色、深色工艺中的固色速率均较快，这是由于染料结构的不同：在相同的质量浓度下，与含双一氯均三嗪基的活性艳红KE-3B相比，含单一氯均三嗪基的活性大红K-2G分子质量较小，团聚程度较低，在高温固色过程中能较快速地与棉纤维发生共价结合。但活性艳红KE-3B的浅色工艺固色率要高于活性大红K-2G的浅色工艺，这是由于活性艳红KE-3B分子中有2个一氯均三嗪活性基，固色更充分。相较于深色工艺，浅色工艺中的着色织物较早达到K/S值平衡。浅色工艺中，织物的表观色深在1 min时已达到最大值，而此时固色率仍处于上升趋势，此现象和活性艳红KE-3B的浅色工艺泡沫染色情况一致，当表面固色完成时，染料仍不断向纤维内部扩散和固色。深色工艺中的固色速率趋势和织物K/S值与固色时间的关系趋势基本一致。

当固色时间为5 min时，活性艳红X-3B(二氯均三嗪)在浅、深色工艺条件下的固色率也能达到70%左右。浅、深色工艺泡沫染色的固色趋势基本一致，但固色速率缓慢，很难达到固色平衡，虽然织物表观色深在1.5 min时已达到最大值，主要原因可能是二氯均三嗪类活性染料由于其反应活泼性高，容易水解，比较适合低温固色，在高温条件下稳定性差[18]。

对于活性黑KN-B的泡沫染色，表观色深值在1 min左右达到平衡后会有轻微下降，由于表面固色先完成，但染料-纤维共价键在高温碱性条件下不稳定，导致部分染料-纤维共价键断裂，表观色深值降低，因此，在使用KN-B型活性染料对棉织物进行泡沫染色时，固色时间需控制在1 min左右。

综上所述，KE型、K型、X型和KN型活性染料的泡沫染色浅、深色工艺的固色率均能达到70%～90%，其中KN-B型活性染料固色率最高，固色速率最快，其次是K型和KE型活性染料，X型活性染料的固色速率最低。不同结构活性染料具有不同的固色规律和不同的适用条件。实际生产应根据染料结构的不同制定不同的染色和固色条件，以在节约能源的同时达到最佳染色效果。

3 结 论

本文通过研究活性艳红KE-3B在泡沫染色中的提升力，探讨了泡沫技术染深色的可行性，并且通过改变固色时间，了解并比较了不同类型活性染料(活性艳红KE-3B、活性大红K-2G、活性艳红X-3B和活性黑KN-B)在浅、深色工艺中与棉织物的固色过程和织物的得色过程。

泡沫染色成功地被应用于活性染料对棉织物的深色工艺，并且具有良好的匀染性和重现性。着色织物皂洗牢度达4～5级，干摩擦牢度达5级，湿摩擦牢度随染料质量浓度上升从4级下降至2～3级。

在不同类型活性染料的泡沫染色中，活性艳红KE-3B、活性大红K-2G、活性艳红X-3B和活性黑KN-B的泡沫染色固色率均能达到70%～90%，其中KN-B型活性染料固色率最高，且固色速率顺序依次为活性黑KN-B>活性大红K-2G>活性艳红KE-3B>活性艳红X-3B。深色工艺的泡沫染色固色速率普遍高于浅色工艺。各种类型的活性染料均能实现对棉织物的泡沫染色，且染色效果良好，说明泡沫染色技术可以真正地被应用于纺织加工大生产中，从而节约更多的能源消耗。

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Feasibility study and application of deep color dyeing by foam technology

YU Hong1, WANG Yuanfeng1, ZHONG Yi1, XU Hong1, ZHANG Linping1,MAO Zhiping1, WANG Xingnan2

(1.KeyLaboratoryofScience&TechnologyofEco-Textile,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.NeowinChemicals(Shanghai)Co.,Ltd.,Shanghai201100,China)

In order to study the deep color dyeing by foam technology of cotton fabrics with reactive dye, the build-up property of Reactive Red KE-3B in foam dyeing was investigated. Aiming at promoting the application of foam dyeing in textile processing, fixation rate and relation betweenK/Svalue and fixation time in light color dyeing and deep color dyeing during foam dyeing of cotton fabric were studied with different types of reactive dyes. The results indicated that Reactive Red KE-3B had excellent build-up property in foam dying, and dyed fabric had great leveling properties. All dye fixations of foam dyeing with different types of reactive dyes could reach 70%-90%. The highest fixation could be obtained using KN reactive dye and the fixation rate order was Reactive Black KN-B>Reactive Red K-2G> Reactive Red KE-3B>Reactive Red X-3B.

deep color dyeing; foam dyeing; cotton fabric; reactive dye; fixation rate

2014-03-26

2014-12-06

国家科技支撑计划项目(2011BAE07B08，2014BAE01B01)

余弘(1989—)，女，博士。主要研究方向为活性染料泡沫染色。毛志平，通信作者，E-mail：zhpmao@dhu.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20140305606

TS 193.5

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