阳离子改性剂B对棉织物无盐低碱染色性能的影响

胡德芳,杨 洁,马旋旋,沈 丽,朱 泉,*

(1.广东德润纺织有限公司,广东 佛山528306；2.东华大学 化学化工与生物工程学院,上海201620)

在活性染料染棉的过程中,由于加入盐和碱,容易导致染料水解,使染料利用率下降,并造成环境污染。通过阳离子改性剂改性棉纤维,可以在棉纤维上引入正电荷,吸引带负电荷的染料阴离子。改性棉织物可显著增加对染料的吸附性,提高染料的利用率[1-5],同时还可以实现棉织物在无盐、无碱或低碱条件下的染色[6-11],减轻环保压力。但是通常织物改性后由于上染速率过快容易导致匀染性下降。本文采用阳离子改性剂B改性棉织物,并对改性棉织物进行无盐低碱染色,从染料的上染率、染色织物的K/S值、皂洗牢度、摩擦牢度等方面探讨改性剂对棉织物染色性能的影响,尤其是对匀染性的影响。

1 试验部分

1.1 材料、药品和仪器

材料和药品：经过漂白和丝光的棉织物(规格：180 g/m2,广州佛冈顺亚纺织染整有限公司),阳离子改性剂B、皂洗剂DB-5(张家港德宝化工有限公司),活性红3BS(浙江闰土有限公司),其他试剂为市售分析纯。

主要仪器：NR-24P型低浴比染色小样机(亚博纺织机械有限公司),KL-AS-RF型恒温水浴锅(佛山科伦机电有限公司),101A-2型电热鼓风干燥箱(常州市第二纺织仪器厂),723PC型自动可见光分光光度计(上海析谱仪器有限公司),DATACOLOR 650测色配色仪(Datacolor-China),Y571N型摩擦色牢度仪(南通宏大实验仪器有限公司)。

1.2 棉织物的改性

主要采用冷轧堆法对棉织物进行改性,将棉织物放在一定浓度的阳离子改性剂和氢氧化钠中,采用二浸二轧的方式,带液率约为85%,然后大卷堆置24 h(转速为3 r/min,套上保鲜膜,室温)。堆置结束后,取出棉织物经过酸洗(浴比1∶10、60℃、10 min)洗至中性,烘干,用于染色。

工艺配方：染料3%(o.w.f)和5%(o.w.f),阳离子改性剂B适量,氢氧化钠适量,浴比1∶10,60℃。

工艺流程：

1.3 染色

主要采用浸渍法对棉织物进行染色处理(结束该过程需将染色残液保留)。

1.3.1 常规棉织物染色

工艺配方：活性红3BS 3%(o.w.f)和5%(o.w.f),元明粉50 g/L,碳酸钠25 g/L,浴比1∶10。

工艺流程：

1.3.2 改性布染色

工艺配方：活性红3BS 3%(o.w.f)和5%(o.w.f),纯碱2 g/L,浴比1∶10。

工艺流程：

1.4 测试方法[12-14]

1.4.1 上染百分率

在最大吸收波长下测量染色前后2种溶液的吸光度。按式(1)计算：

上染率(%)=[1-(m×A0)/(n×A)]×100(1)式中m、n为染色前后稀释的倍数；A0、A为染色前后染液被稀释m、n倍后所测得的吸光度。

1.4.2K/S值

用测色配色仪测定K/S值,并在织物的不同位置分别测试10次,取平均值。

1.4.3 匀染性

在同一块染色棉织物上均匀选择10个点,测量最大吸收波长下的K/S值。计算相对标准偏差Sr,用相对标准偏差Sr来表示匀染性,Sr越小,匀染性越好,反之,匀染性越差。Sr的计算公式如式(2)所示：

1.4.4 皂洗色牢度

按照标准GB/T 3921-2008《纺织品色牢度试验耐皂洗色牢度》评定。

1.4.5 摩擦色牢度

按照GB/T 3920-2008《纺织品色牢度试验耐摩擦色牢度》测定。

1.4.6 日晒牢度

采用GB/T 8427-2008《纺织品色牢度试验耐人造光色牢度：氙弧》对棉织物进行耐光色牢度的测试。

2 结果与讨论

2.1 阳离子改性剂用量对染色效果的影响

因为阳离子改性剂处理后的棉织物带正电,与染料阴离子有静电吸引作用,在染色过程中,染料阴离子能够与改性后的棉织物快速结合,从而导致在染色初期有较高的上染速率,被快速吸附的染料阴离子不能均匀地与棉织物结合,从而导致染色不匀。阳离子改性剂的用量对上染率、K/S值和匀染性的影响如图1、图2所示。

图1 改性剂用量对上染率的影响

图2 改性剂用量对K/S值及匀染性的影响

采用染料浓度为常规的3%(o.w.f)和5%(o.w.f),测试得到染料浓度为3%(o.w.f)时常规染色的上染率为68.91%；染料浓度为5%(o.w.f)时常规染色的上染率为59.25%。从图1中可以看出,通过增加阳离子改性剂B质量浓度,棉织物的上染率增加,用量增加到一定值时,上染率趋向于平衡,不再有显著变化。当染料浓度为3%(o.w.f),改性剂质量浓度为50 g/L时,活性染料的上染率已经达到92.31%,比常规染色增加23.40%。当染料浓度为5%(o.w.f),改性剂质量浓度为80 g/L时,上染率为91.39%,比常规上染率增加32.14%。可见阳离子改性剂应用于棉织物上,使活性染料的上染率大大提高,减少了染料的浪费,减轻了污染排放压力。

试验得到染料浓度为3%(o.w.f)时常规染色的K/S值为8.86,标准偏差为0.28；染料浓度为5%(o.w.f)时常规染色的K/S值为11.61,标准偏差为0.37。由图2可知,增加改性剂的质量浓度,染色后棉织物K/S值增大。染料浓度为3%(o.w.f)、改性剂用量为50 g/L时,对比常规染色K/S值增大3.42。标准偏差随着阳离子改性剂用量的增加而增加,说明改性剂用量对织物的匀染性有影响。在改性剂用量为50 g/L时,标准偏差为0.52,这是由于棉织物上改性剂增多,导致染料的吸附量增大,从而颜色加深,但会造成初染率增大,匀染性下降[14]。但是目测织物无明显色差,匀染性的标准偏差属于客户可接受范围之内,因此阳离子改性剂的使用并未对匀染性有较大影响。同样,染料浓度为5%(o.w.f)的织物有类似结果。

2.2 氢氧化钠用量对染色效果的影响

NaOH对棉织物的改性起催化作用,可促进改性剂与棉纤维的反应,提高改性效果。氢氧化钠用量对上染率、K/S值和匀染性的影响如图3、图4所示。

图3 氢氧化钠用量对上染率的影响

图4 氢氧化钠用量对K/S值及匀染性的影响

已知染料浓度为3%(o.w.f)常规染色的上染率为69.23%,染料浓度为5%(o.w.f)常规染色的上染率为59.16%。由图3可知,增加氢氧化钠质量浓度,染色后棉织物的上染率呈先增大后减小的趋势。染料浓度为3%(o.w.f),氢氧化钠浓度为20 g/L,上染率已经达到94.09%,比常规染色增加了24.86%。从图4可知,随着氢氧化钠质量浓度的增加,棉织物的K/S值的变化趋势与上染率的变化趋势相同。当染料浓度为3%(o.w.f)时,氢氧化钠浓度为20 g/L,K/S值比常规染色增加了3.41,匀染性较常规染色略差,但仍在可接受范围之内。在处理过程中控制合适的碱用量,可增加上染率,提高K/S值,同时保持良好的匀染性。

2.3 改性时间对改性效果的影响

按1.2和1.3的工艺对棉织物进行改性、染色。改性时间对上染率、K/S值和匀染性的影响如图5、图6所示。

图5 改性时间对上染率的影响

图6 改性时间对K/S值及匀染性的影响

由图5可知,随着改性时间的增加,染色后棉织物的染色速率增加。染料浓度为3%(o.w.f)、改性时间为8 h时,上染率已经达到94.15%,比常规染色上染率增加了24.90%,改性时间在8 h后上染率无明显变化。染料浓度为5%时,变化类似。

由图6可知,随着改性时间的增加,染色后棉织物K/S值也呈递增趋势。染料浓度为3%(o.w.f)时,在改性时间为8 h之后,K/S值变化不大,此时K/S值比常规染色增加了3.46。标准偏差随着改性时间的延长趋于平衡。这是因为改性剂在反应的初始阶段更具反应性,因此与棉织物的反应速率更快。然而反应不够稳定,改性不均匀,织物结合的改性剂的量很小。上染率和K/S值的提升取决于改性剂与棉纤维是否完全反应。随着改性时间的延长,棉织物上能与染料结合的基团增加,改性剂与棉纤维充分反应。此时,织物改性达到饱和状态,上染率和K/S值不再显著增加,同时匀染性有所提升。

采用冷轧堆法对棉织物进行阳离子改性,在染料浓度为3%(o.w.f)时,最佳工艺为改性剂质量浓度50 g/L、氢氧化钠质量浓度20 g/L、改性时间8 h；在染料浓度为5%(o.w.f)时,最佳工艺为改性剂质量浓度80 g/L、氢氧化钠质量浓度30 g/L、改性时间8 h,改性棉织物采用无盐低碱染色工艺,可大大提高上染率和K/S值,同时对匀染性影响不大。

2.4 改性后棉织物染色的各项牢度

测试改性后棉织物染色的皂洗牢度、摩擦牢度及日晒牢度,与常规染色对比来评价改性效果。由表1可知,改性后染色棉织物的摩擦色牢度与常规染色棉织物的摩擦色牢度相似,皂洗色牢度也相对持平,日晒牢度无改变,说明经过阳离子改性剂B改性后染色棉织物对其摩擦牢度和皂洗色牢度并没有较大影响。

表1 织物染色后各项色牢度

3 结论

(1)采用阳离子改性剂B对棉织物进行改性,若采用染料浓度为3%(o.w.f)进行无盐低碱染色,改性剂B用量50 g/L、氢氧化钠用量20 g/L,采用冷轧堆的方法堆置改性8 h,改性后织物具有较好染色性能。当染料浓度为5%(o.w.f)时,改性剂B和氢氧化钠用量需适当增加,改性时间相同。

(2)改性后的棉织物采用无盐低碱工艺进行活性染料染色,与常规染色相比,改性后织物的上染率、K/S值均有较大的提升。皂洗色牢度、摩擦色牢度和日晒牢度没有太大改变,且匀染性没有明显下降。