阳离子化棉涂料染色定量关系研究

王梦琴，王树根

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)，江苏无锡 214122)



阳离子化棉涂料染色定量关系研究

王梦琴，王树根

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)，江苏无锡 214122)

摘要：为了解决阳离子化棉涂料染色过程中得色深度波动严重的问题，研究了阳离子化棉涂料染色时阳离子改性程度、涂料与染色深度的定量关系。利用专业数学软件origin分析拟合实验数据，得出阳离子改性程度(N)、涂料用量(F)与K/S值(Z)的数学关系表达式：Z=Z0+aN+bF+mN2+pF2。依据数学关系表达式可以在测定染色标样的K/S值后，准确确定对棉的改性程度，进而准确确定使用的涂料用量。

关键词：阳离子化棉涂料定量

棉纤维接枝阳离子基团是活性染料无盐染色的一种有效方法[1-2]。这种棉纤维阳离子化方法在涂料染色中也有广泛应用[3]。但是在涂料染色生产过程中没有掌握阳离子改性程度、涂料用量与K/S值的定量关系，得色深度波动严重，需加入过量的涂料或改性剂，或者重新配置涂料液置换涂料残液，然后才能继续染色。浪费原料，消耗时间，污染环境，是涂料连续染色的一大难题。本文在用酸性染料测定阳离子化棉的改性程度[4]的基础上，对织物涂料染色工艺进行研究，确定经不同浓度的改性剂处理的阳离子化棉的改性程度，以及研究改性程度、涂料用量和得色深度之间的量化关系，建立数学模型。

1实验部分

1.1实验材料与仪器

材料：纯棉白布半制品(27.8 tex × 27.8 tex，425根/10cm × 228根/10cm)，3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTAC)(杭州银湖化工有限公司)，氢氧化钠(国药集团化学试剂有限公司)，C.I.酸性黄36(天津天津市大邱庄宏达化工有限公司)、涂料红、涂料蓝、涂料黄(张家港三得利染整科技有限公司)。

仪器：数显恒温水浴锅HH-6型(江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司)，数显恒温震荡水浴锅L-24A-1(厦门瑞比精密机械有限公司)，Datacolor反射分光光度仪(美国Datacolor公司)。

1.2实验原理

棉阳离子化处理：3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTAC)在碱性条件下接枝到棉上[5]：

阳离子化处理后，纤维上形成了“阳离子染座”。

涂料在生产过程中为了保持涂料液的分散稳定性，最常用的是加入阴离子分散剂[6,7]。商品涂料表面吸附阴离子表面活性剂后，表面活性剂分子的疏水部分是朝向不溶于水的涂料颗粒表面的，而亲水链段则朝向水，这种吸附方式使得涂料颗粒聚集体(涂料与分散剂的结合)呈负电性。棉经阳离子化处理后带正电荷，涂料颗粒聚集体主要静电引力的方式吸附到阳离子化棉上，提高了涂料颗粒聚集体对棉的上染率。

1.3实验方法

1.3.1棉纤维阳离子改性预处理

纯棉白布半制品阳离子改性处理条件[10]：CHPTAC 20 g/L，NaOH 10 g/L[M(NaOH)：M(CHPTAC)=2.35:1]，浴比1:30，80 oC，30 min。充分水洗，洗除未接枝的改性剂。利用酸性黄C.I.36测定阳离子化棉上接枝的阳离子摩尔量。

1.3.2涂料上染

(1)经上述预处理工艺改性后的阳离化棉，使用涂料进行染色，染色处方为：涂料x g/L，渗透剂 3g/L，浴比1∶30，室温，30min。

(2)实验步骤：将阳离子化棉浸入含有涂料的工作液中，置于室温的恒温振荡水浴锅中，浸渍30min中后取出，充分水洗，自然晾干。

经10 g/L、20 g/L、30 g/L、40 g/L、50 g/L、60 g/L、70 g/L、80 g/L改性剂改性的阳离子化棉分别选择一系列的不同的涂料初始浓度工作液中染色，测定K/S值，直到纱线的表观色深值不再发生明显变化，达到平衡(平衡K/S值)。

选择不同种涂料染色，根据上述工艺与方法测定各个平衡K/S值，分析实验数据。

1.3.3染色样品性能测试

K/S值：表征纤维得色深度的性能指标。

采用Datacolor反射分光光度仪，选用Lab-eye软件测定染色试样的得色深度。在10°视场、D65光源的测试环境下，每个样品在不同部位测试4次，取其数学平均值。K/S值越大表示染色织物的颜色越深。计算公式为[8]：

K/S=(1-g)2/2g

(1-1)

其中：K——织物对光的吸收系数；

S——织物对光的散射系数；

g——织物在最大吸收波长处光的反射率。

2结果与讨论

2.1建立染色模型

2.1.1阳离子化棉改性程度测定

利用分光光度法测定阳离子化棉上的阳离子摩尔量。改性剂浓度范围不超过80g/L时，棉上的阳离子摩尔量随着浓度的增加而增加；改性剂浓度超过80g/L时，改性棉上的阳离子摩尔量减少，因为CHPTAC改性剂浓度过高，CHPTAC分子聚集在纤维表面，容易从纤维表面洗去，所以选择改性剂浓度范围不超过80g/L。测定改性程度结果见表1：

表1　阳离子摩尔量

阳离子化棉上阳离子摩尔量与改性剂浓度的线性关系式：

N=1.0885+0.06652W(R2=0.976)(0

(3-1)

式中：W为改性剂浓度，单位g/L。

表明测得的改性棉织物上阳离子量与改性剂浓度间存在较好的线性关系。

2.1.2阳离子化棉涂料染色

棉上的阳离子摩尔量随着改性剂浓度的增加而增加，确定了不同改性剂浓度处理的阳离子化棉的改性程度后，用涂料对阳离子化棉上染，以下为涂料三原色对阳离子棉的染色效果。

(1)涂料红染色。涂料红Zeta电位-20.3mv、选择涂料红对阳离子化棉上染，配制一系列的不同初始浓度的涂料液，将经10g/L改性剂处理的棉放置其中染色，染色结果见图1：

图1　K/S值与涂料浓度的关系

随着涂料初始浓度的增加，阳离子化棉的得色深度K/S值也增加，最后趋向平衡，可得到在该改性程度下阳离子化棉染色的最大染色K/S值0.6662，即在该改性程度下的棉的最大染色深度，同时确定最少涂料用量为9g/L。

类似地，由20g/L、30g/L、40g/L、50g/L、60g/L、70g/L、80g/L的改性剂处理的阳离子化棉纺织到一系列不同浓度的涂料液中染色，得到不同改性程度下，得色深度K/S值与涂料浓度的关系如下图：

图2　改性剂浓度20g/L时的K/S值变化

图3　改性剂浓度30g/L时的K/S值变化

图4　改性剂浓度40g/L时的K/S值变化

图5　改性剂浓度50g/L时的K/S值变化

图6　改性剂浓度60g/L时的K/S值变化

图7　改性剂浓度70g/L时的K/S值变化

图8　改性剂浓度80g/L时的K/S值变化

不同改性剂浓度处理的阳离子化棉用涂料红染色的结果表明：固定改性程度下，纤维染色K/S值随着涂料红浓度的增加而增加，最后会趋向于平衡。不同改性程度的阳离子化棉都有一个相应的最大染色K/S值及对应所需的最少涂料用量，不同改性程度下的阳离子化棉的最大K/S值及涂料用量不同，随着改性程度的增大，对应的最大染色K/S值也会增大。

由以上涂料红的实验结果可得到改性程度、涂料红用量与最大染色K/S值的关系见表2：

表2　涂料红染色参数

从表2中结果可得，不同改性程度的阳离子化棉的涂料染色深度不同，但是随着改性程度的增加，得色深度增加，利用相关软件对实验数据进行数学处理，建立方程式如下：

Z=1.20694+0.36826N-0.16625F-0.01467N2+0.00511F2(R2=0.941)

(3-2)

(0≤N≤6.148；0≤F≤21)

式中Z表示染色K/S值；N表示阳离子棉上的阳离子摩尔数量，单位10-5mol·g-1；F表示涂料浓度，单位g·L-1。

(2)涂料黄染色。涂料黄Zeta电位-13.1mv。研究涂料黄对阳离子化棉上染规律，配制一系列不同初始浓度的涂料黄溶液，将经过改性剂浓度10 g/L、20 g/L……80 g/L的一系列浓度处理得到的不同改性程度的阳离子化棉放置到涂料黄染液中染色。不同改性程度下，K/S值与涂料黄的浓度关系见如下图。

图9　改性剂浓度10g/L时的K/S值变化

图10　改性剂浓度20g/L时的K/S值变化

图11　改性剂浓度30g/L时的K/S值变化

图12　改性剂浓度40g/L时的K/S值变化

图13　改性剂浓度50g/L时的K/S值变化

图14　改性剂浓度60g/L时的K/S值变化

图15　改性剂浓度70g/L时的K/S值变化

图16　改性剂浓度80g/L时的K/S值变化

不同改性剂浓度处理的阳离子化棉用涂料黄染色的结果表明：固定改性程度下，纤维染色K/S值随着涂料黄浓度的增加而增加，最后会趋向于平衡；不同改性程度的阳离子化棉都有一个相应最大染色K/S值及对应所需的最少涂料用量；随着改性程度的增大，对应的最大染色K/S值也会增大。

由以上涂料黄染色的实验结果可得到改性程度、涂料黄用量与染色K/S值的关系见表3：

表3　涂料黄染色参数

从表3中结果可得，不同改性程度的阳离子化棉的涂料染色深度不同，但是随着改性程度的增加，得色深度增加。利用相关软件对实验数据进行数学处理，建立方程式如下：

Z=0.18446+0.12589N-0.0568F-0.00791N2+0.00212F2(R2=0.978)

(3-3)

(0≤N≤6.148；0≤F≤16)

式中Z表示染色K/S值；N表示阳离子棉上的阳离子摩尔数量，单位10-5mol·g-1；F表示涂料浓度，单位g·L-1。

(3)涂料蓝染色。涂料蓝Zeta电位-11.4mv。选择涂料蓝对阳离子化棉上染，研究涂料蓝的涂料染色规律，配制一系列不同初始浓度的涂料蓝溶液，经改性剂浓度10g/L、20g/L……80g/L处理得到的阳离子化棉放置于涂料蓝溶液中染色。不同改性程度下，染色K/S值与涂料蓝浓度的关系如下图：

图17　改性剂浓度10g/L时的K/S值变化

图18　改性剂浓度20g/L时的K/S值变化

图19　改性剂浓度30g/L时的K/S值变化

图20　改性剂浓度40g/L时的K/S值变化

图21　改性剂浓度50g/L时的K/S值变化

图22　改性剂浓度60g/L时的K/S值变化

图23　改性剂浓度70g/L时的K/S值变化

图24　改性剂浓度80g/L时的K/S值变化

不同改性剂浓度处理的阳离子化棉用涂料蓝染色的结果表明：固定改性程度下，纤维染色K/S值随着涂料蓝浓度的增加而增加，最后会趋向于平衡。不同改性程度的阳离子化棉都有一个相应的最大染色K/S值及对应所需的最少涂料用量；随着改性程度的增大，对应的最大染色K/S值也会增大。

由以上涂料蓝的染色结果，得到改性程度、涂料蓝浓度与最大染色平衡K/S值的关系如下表4：

表4　涂料蓝染色参数

从表4中结果可得，不同改性程度阳离子化棉涂料蓝染色深度不同，但是随着改性程度的增加，得色深度增加，利用相关软件对实验数据进行数学处理，建立方程式如下：

Z=0.12626-0.05263N+0.00208F+0.00948N2-0.00002F2(R2=0.926)

(3-4)

(0≤N≤6.148；0≤F≤24)

式中Z表示染色K/S值；N表示阳离子棉上的阳离子摩尔数量，单位10-5mol·g-1；F表示涂料浓度，单位g·L-1。

由以上三种涂料涂料红、涂料蓝和涂料黄的染色方程式(3-2)、(3-3)、(3-4)得出涂料染色数学关系通用表达式为：

Z=Z0+aN+bF+mN2+pF2

(3-5)

式中Z0、a、b、m、p均为方程系数。

论文研究的是CHPTAC改性棉纤维，CHPTAC是含单正电荷中心的阳离子改性剂，上述数学表达式是以改性程度(以棉上的阳离子摩尔量表征)为基础建立的，所以模型适用于所有的含单正电荷中心的阳离子改性剂，并不局限于CHPTAC这一种阳离子改性剂。涂料三原色染色数学关系表达式系数不同，是因为涂料颗粒Zeta电位不同，涂料红Zeta电位-20.3mv、涂料黄Zeta电位-13.1mv、涂料蓝Zeta电位-11.4mv。阳离子化棉涂料染色时，可根据涂料染色数学关系通用表达式，确定染色过程中所用涂料的染色方程系数，即可应用该涂料染色应的具体数学表达式合理设计工艺参数。

2.2模型应用及分析

通过拟合方程式可以在已知改性剂用量、涂料用量与得色深度中的两个量的情况下计算第三个量的理论值。

(1)已知阳离子改性剂为3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵改性棉，涂料染色样品为红色，K/S值为1.200，合理设计改性与染色工艺。

根据公式(3-2)：

Z=1.20694+0.36826N-0.16625F-0.01467N2+0.00511F2

0≤N≤6.148，0≤F≤21g/L

样品K/S值为Z=1.200，根据涂料用量范围，假设F=21 g/L，代入公式，求得：

N=3.970

因为上述公式假定的是最大的涂料用量，根据求得的棉阳离子改性程度N=3.970，再次利用公式(3-2)求解在该改性程度下达到相同的染色深度Z=1.200最少的涂料用量：

解得：F=21.00 g/L或者F=11.53g/L

所以当涂料用量为F=11.53g/L时，染色K/S值已经达到了样品要求的色深度1.200

根据式(3-1)：求得改性剂用量W=44.52g/L

所以要达到样品要求，用44.52g/L的阳离子改性剂为3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵处理棉织物后，充分水洗，放置于涂料初始浓度为11.53g/L的染液中染色。

(2)已知需染样品为黄色，改性剂用量为30g/L，涂料用量为12g/L，求染得样品的K/S值。

首先根据式(3-1)，得到纤维上的阳离子量为N=3.0841

根据式(3-3)：

Z=0.18446+0.12589N-0.0568F-0.00791N2+0.00212F2

N=3.0841F=12g/L代入式中

最大K/S值Z=0.1212即为织物所能染得的表观色深度。

(3)已知样品为蓝色，K/S值为0.3000，改性剂用量为40g/L，计算涂料蓝的用量。

首先根据式N=1.0885+0.06652W，得到纤维上的阳离子摩尔量为N=3.7493

根据式(3-4)：

Z=0.12626-0.05263N+0.00208F+0.00948N2-0.00002F2=0.062197+0.00208F-0.00002F2=0.2785-0.00002(F-52)2

所以Z最大为0.2785，在使用改性剂浓度为40g/L时，达不到要求的染色深度必须增大棉纤维的改性程度，具体参考例一。

选用不同种涂料染色时，需根据染色通用数学表达式确定各方程系数，合理设计工艺参数。由改性剂浓度与阳离子摩尔量的关系可以直接确定阳离子改性的浓度。

以上示例表明实验结果得出的涂料染色数学关系通用表达式具有实际应用价值，可以指导工厂实际操作。

3结论

阳离子化棉涂料染色时，改性程度、涂料用量与得色深度的数学关系通用表达式为：

Z=Z0+aN+bF+mN2+pF2

式中Z表示染色K/S值；N表示阳离子棉上的阳离子摩尔数量，单位10-5mol·g-1；F表示涂料浓度，单位g·L-1。Z0、a、b、m、p均为方程系数。

该数学关系可以解决目前因改性程度的盲目性而产生的涂料吸附无法控制，染色深度大幅波动等问题。有助于科学合理的设计染色工艺，指导工厂实际操作，减少原料的损失，降低成本。

参考文献

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Study on the Quantitative Relationship of Pigment Dyeing of Cationic Cotton

WANGMeng-qin,WANGShu-gen

(Key Laboratory of Eco-textile of Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi 214122)

Abstract:In order to solve the problem of severe fluctuations of color depth in the process of pigment dyeing of cationic cotton, the relationship between modification of cotton and dosage of coating and color yield was studied. Analyzing the experimental data by professional mathematical software, a mathematical formula of the relation about cationic modification degree of cotton(N), the dosage of coating(F) and K/S value(Z) was deduced, which was Z=Z0+aN+bF+mN2+pF2. Based on the mathematical formula, once K/S was determined, it could accurately determine the degree of modification of cotton and then determine the pigment consumption.

Key words:cationic cottonpigmentquantitative

中图分类号：TS193.5

文献标识码：A

文章编号：1008-5580(2016)01-0053-08

通讯作者：王树根(1962-)，男，教授，硕士生导师。

收稿日期：2015-11-12

第一作者：王梦琴(1990-)，女，硕士研究生，研究方向：新型染整技术。