低碱活性红染料染色柞木单板的工艺研究

王敬贤，赫 亮，宋 扬，赵 青，陈 丽

(1.辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032；2.新宾满族自治县自然资源发展中心，辽宁 新宾 113200；3.绥中县自然资源服务中心，辽宁 绥中 125200)

活性染料工业化生产始于1956年，经过60多年的发展，已经形成技术成熟、色谱齐全、颜色鲜艳、性能优异、成本低廉的产业优势，在纺织工业得到广泛应用。由于活性染料的活性基能与木材的纤维素、半纤维素和木质素上的活性基团发生共价键反应，染色效果优良、耐水性好，因此在木材染色研究中受到广泛关注[1]。近年来，研究者在活性染料染色木材机理、工艺、染料种类、性能等方面做了大量研究，发现在众多活性染料之中，具有异双活性基的M型染料在染色温度70 ～80 ℃、 元明粉添加量40 g ·L-1、纯碱添加量20 g·L-1的工艺下染色木材的固色率较高[2-3]。 但活性染料染色也存在一些问题，如上染率低、染色需要大量的染色助剂和固色碱等，从而造成污水排放量大、生产成本高等问题。针对活性染料在纺织工业应用中存在的问题，许多新型环保活性染料相继被开发。

笔者前期以纺织用新型低碱活性红染料和常规M-3BE活性红染料在相同的染色工艺下处理柞木单板，发现低碱活性红染料固色剂碳酸钠用量仅为M-3BE的1/8时，所得上染率和木材颜色效果与M-3BE染色木材相接近，且低碱活性红染料具更高的颜色提升性，其色系与M-3EB接近。因此，本文从工艺出发，研究工艺参数变化对低碱活性红染料染色木材的上染率和染色效果的影响，为新型环保染料应用于木材染色和改进木材染色工艺提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

柞木单板，购买自黑龙江省牡丹江市，单板尺寸1 000 mm×110 mm×1 mm(长×宽×厚)，制备成50 mm×50 mm试件。

试剂：无水硫酸钠(分析纯)，无水碳酸钠(分析纯)；碳酸氢钠(分析纯)、硅酸钠(分析纯)、磷酸二氢钠(分析纯)、皂洗剂购买于德桑化工；活性红低碱染料购买自染料公司。

1.2 仪 器

紫外可见光分光光度计(Agilent UV-Cary 100)、恒温水域锅(上海一恒HWS-26 )、色差仪(日本柯尼卡美能达公司CM-2300d)。

1.3 染色方法

采用常规浸渍染色方法，利用活性红低碱染料在30 ℃对单板入染，在70 ℃染色3 h、固色1 h，在浴比1∶40下，按照表1试验条件开展单因素试验；染色后，单板水洗、皂洗、烘干(含水率6%～8%)。每个试验条件做3次平行试验，每次放入5块单板。

表1 试验因素水平

1.4 性能测试

1.4.1 上染率测定

利用紫外可见分光光度计分别测定空白染液和染色后混合液(残液、水洗液和皂洗液)的吸光度，按照公式(1)计算上染率E。

(1)

式中：A0为空白染液的吸光度，N0为空白染液的稀释倍数；Ai为染色后混合染液的吸光度，Ni为混合染液的稀释倍数。

1.4.2 颜色测试

利用色差仪测量染色前后单板表面三点的CIE(1976)L*、a*、b*值，按公式(2)计算色差ΔE*。

(2)

2 结果与分析

2.1 低碱活性染料质量分数对上染率和染色效果的影响

利用不同质量分数的低碱活性红染料染液对柞木单板进行染色处理，分析染料质量分数对柞木单板的上染率(图1)和染色效果(表2)的影响作用。低碱染料质量分数显著影响上染率，随着低碱染料质量分数增加，上染率总体呈现出先升高而后降低的趋势；当染料质量分数由0.5%增加到1%时，低碱染料的上染率增加至最大值，为20.62%；当低碱染料的质量分数继续增加至2.5%时，上染率与最大值相比降低了21.25%。这是因为纤维素纤维在水溶液中通常带负电荷，染料溶解于水后亦带负电荷，两种分子之间存在库伦斥力，库伦斥力与电荷间距离的平方成反比，与电荷电量的乘积成正比，因此增加染料浓度，导致染料与木材纤维之间的库伦斥力增加，不利于染料向木材吸附和渗透[4]；另一方面，染料在水溶液中易发生水解，生成的水解染料不能与木材纤维发生共价键结合，染料利用率低[5]。

图1 低碱活性红染料添加量对上染率的影响

由表2可知，低碱活性红染料添加量显著地影响柞木单板的染色效果。随着染料质量分数的增加，柞木单板染色前后的色差值增大，其亮度降低，颜色偏红；当染料质量分数增加至1.5%后，色差变化趋于稳定。随着低碱活性红染料用量的增加，上染率降低，染料利用率降低，但色差呈现先升高而后平衡的状态，这是因为沉积在木材表面染料的质量增加，所以颜色效果增加。因此在筛选染料用量时综合考虑染料利用率和颜色提升性，认为低碱活性红染料的添加量为1%时，可以获得较高的染料利用率和理想的染色效果。这一结果与管雪梅等[6]在染料浓度与樟子松单板色差的关系研究中的结论一致。

表2 不同低碱活性红染料添加量下试件色差变化

2.2 固色剂种类对上染率和染色效果的影响

活性染料的活性基不同，其固色剂也不同。图2显示了在固色阶段添加不同种类固色剂后，低碱活性红染料在柞木单板上的上染率，大小顺序为：碳酸钠>磷酸三钠>硅酸钠>碳酸氢钠。对加固色剂后的染液pH 值进行测试，碳酸钠pH 值为10.3，碳酸氢钠pH 值为8.8，硅酸钠和磷酸三钠的pH 值>11。

图2 固色剂种类对上染率的影响

由此可见，低碱活性红染料染色性能与固色剂的pH值直接相关。pH值为10左右时，低碱活性红染料的反应性最强，固色率最高；在弱碱性条件下固色率非常低，与未加入固色剂时的上染率相近；当pH值大于10时，上染率随之降低。分析原因：一是强碱导致染料分子发生水解反应，降低了低碱活性红染料的反应活性；二是强碱会加速染料与纤维已形成的共价键水解断键，导致染色不稳定，从而固色率降低[5]。

表3为不同固色剂的染液染色柞木单板后，单板表面颜色变化。可以发现碳酸钠固色后，单板表面色差变化最大，其次是硅酸钠和磷酸三钠，最后为碳酸氢钠，这一规律与上染率的试验结果一致，说明碳酸钠适合作为低碱活性红染料染色木材单板的固色剂，不仅能够提高染料的反应活性，也能提升染色单板的颜色。

表3 不同固色剂种类试件染色前后色差变化

2.3 固色剂用量对上染率和染色效果的影响

为了明确固色剂添加量对上染率的影响，本文以碳酸钠为固色剂，分别考察碳酸钠添加量对质量分数1%和0.5%低碱活性红染料染色柞木单板上染率的影响，平均值和标准差计算结果如图3所示。

图3 不同固色剂添加量对上染率的影响

当染料质量分数为1%时，随着碳酸钠用量的增加，染料上染率呈现先升高而后趋于平衡的变化趋势，即当固色剂添加量由2.5 g·L-1提高至5 g·L-1时，上染率增加了1.62%，继续增加碳酸钠用量，则上染率变化不显著；当染料质量分数为0.5%时，随着碳酸钠用量的增加，染料上染率随之降低，当添加量为1.0 g·L-1时，上染率最高。由此可见，固色剂用量显著地影响低碱活性红染料的上染性能，固色剂用量与染液中染料质量分数密切相关。固色剂用量少，则降低其催化作用；固色剂用量高，则染液不稳定，染料加速水解，与木材纤维反应性降低。

表4为不同固色剂用量下单板染色的颜色效果。当染料质量分数为1%时，随着碳酸钠用量的增加，木材染色前后表面色差随之增大，但当碳酸钠添加量超过5.0 g·L-1时，继续增加碳酸钠用量，木材表面色差变化不显著；当染料质量分数为0.5%时，随着碳酸钠用量的增加，木材染色前后表面色差缓慢减小，染色后木材表面亮度随之升高，红绿指数偏向绿色，说明固色剂的增加不利于单板颜色提升。固色剂添加量低碱活性红染料上染率的影响趋势与对染色效果影响趋势相同，且不同质量分数的染液所需固色剂量不同，当降低染料质量分数时，应相应降低固色剂的用量。

表4 不同固色剂添加量试件染色前后色差变化

3 结 论

低碱活性红染料质量分数显著影响其对单板的上染率，随着染料质量分数增加，上染率呈现先增大而后减小的趋势，木材染色前后的色差值则随染料质量分数增加而增大，但当质量分数超过1.5%后，颜色变化不显著。在本试验范围内，推荐低碱活性红染料质量分数1%为宜，有利于兼顾染色效果和生产成本。

在本文所选的4种固色剂中，碳酸钠适合作为低碱活性红染料染色木材单板的固色剂，固色率最高、单板染色效果好。

固色剂添加量显著地影响低碱活性红染料在木材单板上的上染率和染色效果，且二者变化趋势一致；固色剂用量与染液中低碱活性红染料质量分数密切相关，应根据染料质量分数变化而调整固色剂用量，从而获得较高的上染率和较低的生产成本。