棉用活性染料乙醇/水体系中对羊毛织物的染色

杭彩云，尚润玲，陈 磊

(江阴职业技术学院 化学纺织工程系，江苏 江阴 214405)

常用羊毛染色染料有酸性染料、媒染染料和毛用活性染料，但是酸性染料存在湿处理牢度差、染色时间长的问题；媒染染料中媒染剂对环境有污染；毛用活性染料价格贵，成本高，市场份额小[1-2]。同时，羊毛紧密的鳞片层结构使得染色时一般需要在沸腾条件下进行，这不仅对羊毛损伤大、失重多，而且羊毛容易泛黄、手感变硬，还消耗大量的能源[3-4]。因此，开发羊毛低温染色和毛用活性染料的替代品成为研究的热点之一。

棉用活性染料性价比高，色谱齐全，市场占有率高。已有研究结果表明，将双乙烯砜活性基棉用活性染料应用于羊毛染色可以获得比较好的效果[2,5]，但是染色温度依然比较高，为90 ℃或95 ℃，而且染色时需要加入电解质。本文以棉用活性黑KNB为对象，乙醇/水为染色介质，系统分析影响活性染料染色性能的因素，并与传统羊毛染色工艺作对比。

1 试 验

1.1 材料及仪器

织物：纯羊毛织物(市售)。

药品：活性黑KNB(江苏锦鸡实业股份有限公司)，染料结构式如图1所示。毛用活性染料Lanasol CE-2B(无锡安保染料化工有限公司)；皂洗剂ZS-2300(杭州绿岛科技有限责任公司)；乙醇为化学纯试剂；冰醋酸、纯碱和元明粉均为工业级。

仪器：Color-Eye 7 000 A(杭州三锦科技有限公司)；pH计(杭州奥立光仪器有限公司)；YP10002电子天平(上海精密科学仪器有限公司)；HL型常温染色机(靖江市海澜装备厂)；IR-12型红外线染色机(厦门瑞比精密机械有限公司)；M11-2摩擦牢度仪(温州纺织仪器厂)；SW-12耐洗色牢度试验机(无锡纺织仪器厂)。

图1 活性黑KNB染料分子结构

1.2 实验方法

1.2.1 染色方法

毛用活性染料水浴染色方法：毛用活性染料Lanasol CE-2B 2%(owf)，先调节初始染液pH值为4，浴比1∶30，室温投入羊毛织物，升温至98 ℃，保温90 min后取出，再投入2 g/L纯碱溶液中，80 ℃处理20 min，皂洗，水洗，晾干。

棉用活性染料水浴染色方法：活性黑KNB 2% (owf)，元明粉30 g/L，先调节初始染液pH值为4，浴比1∶30，室温投入羊毛织物，升温至60 ℃，保温30 min后，加入纯碱1 g/L，升温至90 ℃，保温60 min，染色结束，水洗，皂洗，水洗，晾干。

棉用活性染料乙醇/水体系染色方法：活性黑KNB 2% (owf)，调节初始染液pH值为4，按不同乙醇体积分数配制浴比为1∶30的染浴，室温投入羊毛织物，升温至60 ℃，保温30 min后，加入纯碱，再升温，保温一定时间，染色结束，水洗，皂洗，水洗，晾干。

1.2.2 上染百分率和固色率的测定

配制2个相同的染浴，一个染浴加入羊毛织物，另一个染浴中不加织物，按1.2.1中染色方法染色结束后，在染料的最大吸收波长处分别测试2个染浴残液的吸光度，上染百分率按下式计算[6]：

式中：A0为标准染液的吸光度；A1为染色残液的吸光度；n0为标准染液的稀释倍数；n1为染色残液的稀释倍数。

按1.2.1染色方法染色和后处理，收集染色残液和所有洗涤液并定容，在染料最大吸收波长处测吸光度；另一只没加织物的染浴也经过相同的后处理过程，冷却后定容，测吸光度，固色率按下式计算：

式中：A2为经历染色过程的标准染液和后处理洗涤液混合溶液的吸光度；A3为染色残液和所有洗涤液混合溶液的吸光度；n2为标准染液和后处理洗涤液混合溶液的稀释倍数；n3为染色残液和所有洗涤液混合液的稀释倍数。

1.2.3K/S值测定

用Color-Eye 7 000 A电脑测色仪对染色后羊毛织物进行测试，每个样品在不同部位测5次，取平均值。

1.2.4 色牢度测试

耐洗色牢度按GB/T 3921—2008《纺织品 色牢度试验 耐皂洗色牢度》测定；耐摩擦色牢度按GB/T 3920—2008《纺织品 色牢度试验 耐摩擦色牢度》测定；根据GB/T 251—2008《纺织品 色牢度试验 评定沾色用灰色样卡》和GB/T 250—2008《纺织品 色牢度试验 评定变色用灰色样卡》评定测试结果。

2 结果及讨论

2.1 乙醇体积分数对染色性能的影响

在乙醇/水体系中，通过改变乙醇体积分数用活性黑KNB对羊毛织物进行染色，染色织物的K/S值如图2所示。可以看出，随着乙醇体积分数的提高，染色织物的K/S值先提高后降低，当乙醇体积分数为80%时，染色织物的K/S值达到最大值。其原因是乙醇的表面张力为22.32 mN/m，水的表面张力为72.75 mN/m[7-8]，当乙醇加入水溶液后，体系的表面张力下降，有助于羊毛织物的润湿和染料的渗透；同时水溶液的极性力δp=16.0(J/cm3)1/2，乙醇的极性力δp=8.8(J/cm3)1/2[9]，乙醇的加入使混合体系的极性减小，降低了亲核取代或亲核加成反应所需要的能量，加快了活性黑KNB与羊毛纤维间共价键的形成[10]。此外，乙醇是典型的两性分子，溶于水后会与水分子发生氢键结合，形成氢键缔合网络结构，促进染料上染纤维[6]。但是，当乙醇体积分数超过80%后，乙醇/水体系中自由状态的水越来越少，染料不能完全溶解，部分染料发生聚集和沉淀，因此染色织物的K/S值下降。

图2 乙醇体积分数对活性黑KNB染色性能的影响

2.2 初始pH值对染色性能的影响

在乙醇/水(乙醇体积分数为80%)体系中，活性黑KNB 2% (owf)，固色温度80 ℃，固色时间60 min，纯碱1 g/L，染浴初始pH值对羊毛织物K/S值的影响如图3所示。

图3 初始pH值对活性黑KNB染色性能的影响

从图3可知，在乙醇/水(乙醇体积分数为80%)体系中，染浴初始pH值对活性黑KNB染色性能有一定影响，随着染浴pH值的提高，染色羊毛织物的K/S值明显下降，这主要是由于羊毛大分子侧链上含有氨基和羧基，染浴的pH值对羊毛纤维的电荷性影响较明显。当体系的pH值越高，氨基的质子化程度越小，羊毛纤维正点性也就越弱，活性染料KNB与羊毛纤维之间的静电引力不强，染料上染至纤维上的量就少，所以染色后羊毛织物的K/S值降低[5]。

2.3 固色温度对染色性能的影响

在乙醇/水(乙醇体积分数为80%)体系中，活性黑KNB 2% (owf)，染浴初始pH值为4，纯碱1 g/L，固色时间60 min，固色温度对羊毛织物K/S值的影响如图4所示。

图4 固色温度对活性黑KNB染色性能的影响

从图4可以看出，当固色温度在60～80 ℃范围时，染色羊毛织物的K/S值随着固色温度升高而提高，这是因为温度提高，一方面有助于羊毛纤维的膨化溶胀，内部孔道扩张，便于活性黑KNB分子穿透羊毛鳞片层进入纤维内部；另一方面，染料分子运动加速，更多的染料分子可以从染浴扩散进入纤维内部，与纤维发生共价键的结合，因此染色后羊毛织物的表观深度提高。

从图4还可以看到，当固色温度超过80 ℃后，对染色织物表观颜色深度影响不明显，主要是在101.3 kPa条件下，当乙醇/水体系中乙醇体积分数为79.33%时，混合液的沸点为79.40 ℃[10]。虽然设定乙醇/水体系外的温度为80 ℃和90 ℃，但是体系内都是在沸腾状态下，所以染色后羊毛织物K/S值变化不大。

2.4 纯碱质量浓度对染色性能的影响

在乙醇/水(乙醇体积分数为80%)体系中，活性黑KNB 2% (owf)，染浴初始pH值为4，固色温度80 ℃，固色时间60 min，纯碱质量浓度对羊毛织物K/S值的影响如图5所示。

图5 纯碱质量浓度对活性黑KNB染色性能的影响

从图5可以看出，固色时纯碱质量浓度对染色羊毛织物的表观颜色深度有影响，随着纯碱质量浓度的提高，染色织物的K/S值先提高后下降，当纯碱质量浓度为1 g/L时，染色织物的表观颜色最深。从图1活性黑KNB染料分子结构中可知，分子中含有2个乙烯砜活性基团，在酸性条件下，主要以β-乙基砜硫酸酯形式存在；只有在碱性条件下转化成反应性比较强的乙烯砜基，与羊毛发生共价键的结合，但是，固色时碱性越强，染料水解越严重，而且羊毛受到的损伤也就越严重。因此，当纯碱质量浓度超过1 g/L时，染色羊毛织物的K/S值越来越小。由此综合考虑，活性黑KNB染羊毛时，固色时最佳纯碱质量浓度为1 g/L。

2.5 固色时间对染色性能的影响

在乙醇/水(乙醇体积分数为80%)体系中，活性黑KNB 2% (owf)，染浴初始pH值为4，纯碱1 g/L，固色温度80 ℃，固色时间对羊毛织物K/S值的影响如图6所示。

图6 固色时间对活性黑KNB染色性能的影响

从图6可知，羊毛织物染色后表观颜色受固色时间的影响较明显，固色时间越长，染色后织物的颜色越深，活性黑KNB与羊毛发生键合的染料越多，从固色30 min到60 min时，K/S值提高比较快，60 min到90 min时间段内，K/S值增加速度比较缓慢，尤其在80 min之后，染料上染和固色基本达到平衡。因此，为了提高染色效率，固色时间可以控制在60 min以内。

2.6 3种染色工艺效果对比

活性黑KNB分别在乙醇/水(乙醇体积分数为80%)体系和传统水浴中对羊毛进行染色，以及毛用Lanasol CE-2B水浴染色，3种染色工艺后染色效果的对比如表1所示。可以看出，活性黑KNB在乙醇/水体系中染色效果比水浴中染色效果有明显的提高，上染百分率、固色率和K/S值分别提高12.8%、17.01%和17.4%；与毛用活性Lanasol CE-2B水浴染色效果相比，上染百分率、固色率和各项色牢度基本达到同等水平。通过对比3种羊毛染色工艺，在乙醇/水(乙醇体积分数为80%)体系中用棉用活性染料对羊毛织物染色，不仅可以实现无盐染色，杜绝了无机盐对环境的污染，而且染色温度由沸染变为80 ℃，降低了能耗；染液中的乙醇通过回收后反复使用，减少了水耗。

表1 不同染色工艺的染色效果对比

3 结 论

①棉用活性染料在乙醇/水体系中对羊毛织物染色，不仅可以达到毛用活性染料的染色效果，而且实现无盐少水低温染色，节约了能耗水耗，以及减少对环境污染。

②乙醇/水体系中乙醇体积分数达到80%时，活性黑KNB对羊毛织物染色后的K/S值达到最大值；升高固色温度和延长固色时间有助于提高羊毛染色织物的K/S值；染浴初始pH值越高染色后织物的K/S值越小；固色时纯碱最佳质量浓度为1 g/L。