靛蓝牛仔布增深染色工艺及机理研究

杨书伟 王荣 方小丽 余志成

摘 要：为提高靛蓝牛仔布染色深度，通过增加牛仔布染色K/S值以减少染色工序，实现节能减排。研究了阳离子改性剂B的改性工艺及机理，探讨了改性剂B质量浓度、改性温度、改性时间对K/S值的影响，并测试了改性前后棉织物的红外光谱和Zeta电位及改性染色后棉织物的染色牢度。结果表明：经过阳离子改性剂B处理后的棉织物再进行靛蓝染色，相同染色条件下染色K/S值从10.90提高到20.13，改性棉织物浸轧2次便可与未改性棉织物浸轧5次染色深度相当，耐皂洗色牢度、耐摩擦色牢度及耐日晒色牢度良好。优化后的改性工艺参数为：改性剂B 6 g/L，改性温度60℃，改性时间20 min。红外光谱表明改性后棉织物带有季铵基团，Zeta电位表明经改性剂B改性后棉织物表面Zeta电位由-22.10 mV转为+8.70 mV。

关键词：靛蓝牛仔布;染色K/S值;阳离子改性;染色牢度;Zeta电位

中图分类号：TS193.5

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2022）01-0146-05

Abstract： In order to enhance the dyeing depth of indigo denim， reduce the dyeing process by increasing theK/S value of denim and realize energy conservation and emissions reduction， this paper studies the modification process and mechanism of the cationic modifier B， discusses the effect of the mass concentration of modifier B， modification temperature， modification time onK/S value， and tests the infrared spectrum and Zeta potential of the cotton fabrics before and after modification， and the dyeing fastness of the cotton fabric after dyeing. The results indicated that the cotton fabric treated with the cationic modifier B was dyed with indigo. Under the same dyeing condition， the dyeingK/S value increased from 10.90 to 20.13. The dyeing depth of the modified cotton fabric after padding twice can be equal to that of the unmodified cotton fabric after padding for 5 times， and the color fastness to soap washing， friction and sunlight were good. The optimized modification process parameters were as follows： 6 g/L modifier B， a modification temperature of 60℃， and a modification time of 20 min. The infrared spectrum showed that the modified cotton fabric had a quaternary ammonium group， and the Zeta potential showed that the surface Zeta potential of the modified cotton fabric changed from-22.1 mV to +8.70 mV.

Key words： indigo denim; dyeing K/S value; cationic modification; dyeing fastness; Zeta potential

牛仔面料具有吸湿透气、美观舒适、耐磨耐穿等优点[1]，牛仔服饰因悠久的文化内涵和与时尚的易结合性使其经久不衰，始终占据着庞大的市场规模[2]。近年来，由于纺织技术的发展，牛仔布的风格也呈现多样化的趋势[3]。随着对牛仔服装功能性的开发，牛仔服饰的品质及竞争力也不断提升[4]。在过去的一个世纪里，靛蓝牛仔布的受欢迎程度迅速增长，預计到2025年，全球市场价值将达到850亿美元[5]，前景十分广阔。

然而，由于靛蓝染料与棉纤维亲和力低，在传统的靛蓝染色工艺中需要经过反复多次的浸渍、氧化才能达到理想的色泽。并且靛蓝染浴成分多，还原剂性质不稳定，会在染色废水中产生大量的副产物，加剧污水处理负担[6]。故研究缩短染色工序、减少废液排放尤为重要。目前已有文献报道通过选择对织物改性的方式增大上染率以达到增深效果[7-9]，但关于靛蓝染色的阳离子改性剂研究较少，且棉织物改性剂多在碱性条件下改性，牛仔布实际生产过程中靛蓝染色前改性处理的烧碱难以洗除，若水洗不净则会影响染色面料的色光稳定性。

选用阳离子改性剂B，探讨其在中性条件下的改性效果、机理及改性织物的染色效果，对靛蓝牛仔布染色节能减排、降低染色成本具有一定的指导意义。

1 实 验

1.1 实验材料与仪器

实验材料：纯棉针织物（200 g/m2）;靛蓝;保险粉、氢氧化钠（均为分析纯，杭州高精细化工有限公司）;二氧化硫脲（98%，杭州高精细化工有限公司）;阳离子改性剂B（长链季铵盐类化合物，南通大遥化学品有限公司）;渗透剂WET（工业级）。

实验仪器：SHA-B型数显恒温振荡器（常州国华电器有限公司）;P-AO/BO型立式/卧式气压电动小轧车（佛山市亚诺精密机械制造有限公司）;TP Color-Tech型红外线染色试样机;SF600 PLUS型计算机测色配色仪（美国Data color公司）;Brook haven PLAS型Zeta电位仪;FTIR-850型傅里叶变换红外光谱仪（天津港东科技股份有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 改性工艺

改性剂B 2～10 g/L，改性温度40～80℃，改性时间5～25 min，浴比1∶50。

1.2.2 染色工艺

靛蓝隐色体溶液制备：采用全浴还原法，分别加入规定量的靛蓝、NaOH、保险粉、二氧化硫脲和渗透剂WET，50℃还原10 min，溶液呈透明黄绿色，即得到靛蓝隐色体溶液。

染色配方：靛蓝1.2 g/L、NaOH 6 g/L，保险粉18 g/L，二氧化硫脲1 g/L，渗透剂WET 5 g/L。

靛蓝隐色体染色及皂煮：浸轧隐色体溶液（室温下浸渍2 min、轧液率90%）→氧化（室温下5 min，此为1次，反复浸轧多次）→水洗→皂煮（皂粉2 g/L，95℃皂煮20 min）→水洗→烘干。

1.3 测试方法

1.3.1 K/S值测试

使用SF600 PLUS型测色配色仪测定染色织物的K/S值。每块面料取不同位置的3处测试，取其平均值。测试条件：D65光源，10°视角。

1.3.2 染色牢度测试

参照GB/T 3921—2008《纺织品色牢度试验 耐皂洗色牢度》测定试样的耐皂洗色牢度，参照GB/T 3920—2008《纺织品色牢度试验 耐摩擦色牢度》测定试样的耐摩擦色牢度，按 GB/T 8427—2008《纺织品色牢度试验耐人造光色牢度氙弧》的有关规定测定试样的耐日晒色牢度。

1.3.3 红外光谱测试

将改性前后棉织物碾成粉末，与KBr混合压片，利用红外光谱仪测定样品红外光谱。

1.3.4 Zeta电位测试

称取改性前后棉织物0.5 g，剪成细小纤维。配制0.001 mol/L的KCl溶液，将纤维均匀地分散在该溶液中。然后取纤维分散液，调节pH值，用超声波分散10 min，最后用电位仪测试纤维分散液的Zeta电位。

2 结果与讨论

2.1 阳离子改性剂B改性工艺对K/S值影响

2.1.1 改性剂B质量浓度对靛蓝染色K/S值影响

分别用2、4、6、8、10 g/L改性剂B对棉织物进行改性，然后用1.2.2中染色工艺进行染色，测得染色织物K/S值及改性织物Zeta电位，结果如图1、图2所示。

由图1、图2可知，随着改性剂用量的增大，靛蓝染色棉织物K/S值也随之增加，这是因为棉织物改性后表面Zeta电位由负变正，使靛蓝隐色体阴离子更容易上染棉织物。当改性剂用量为6 g/L时，染色K/S值趋向平衡，棉织物表面Zeta电位在6 g/L时也趋于平缓，因为棉纤维能够结合的改性剂是一定的，当改性剂与棉织物结合达到饱和时，继续增大改性剂用量，棉织物Zeta电位和K/S值不会发生明显变化。因此，靛蓝染色棉织物的改性剂质量浓度应选择6 g/L。

2.1.2 改性温度对染色K/S值的影响

选择改性剂B质量浓度6 g/L，分别在40、50、60、70、80℃下对棉织物改性30 min。对改性后棉织物染色，测得染色织物K/S值如图3所示。

从图3可以得出，随着改性温度升高，靛蓝染色棉织物的K/S值增高。升高温度有利于改性剂分子与棉织物发生结合，因此染色K/S值增加。当改性温度高于60℃时，染色K/S值不再增加，说明60℃时改性剂与棉织物的结合就已经达到平衡。因此，改性温度应选择60℃。

2.1.3 改性时间对染色K/S值的影响

选择改性剂B质量浓度6 g/L，在60℃下对棉织物分别改性5、10、15、20、25 min，对改性后棉织物进行染色，测得染色织物K/S值如图4所示。

由图4可知，随着改性时间的增加，染色织物K/S值逐渐增加，当棉织物改性20 min时，靛蓝染色的K/S值达到最高值，继续延长改性时间，K/S值也没有明显提升。因为延长时间会使改性剂与棉结合更充分，当改性时间为20 min时，改性剂分子与棉纤维的结合基本达到饱和，染色K/S值也无明显增加。因此，改性时间应选择20 min。

2.2 改性机理分析

2.2.1 红外光譜

为了表征改性剂B结构类型及其对棉织物的改性效果，测试了改性剂B及改性前后棉织物的红外光谱，结果如图5、图6所示。

由图5可知，2916cm-1与2849cm-1为烷烃链中—CH3与—CH2的伸缩振动峰，1487cm-1处是季铵盐中C—N的伸缩振动吸收，故阳离子改性剂B为长链烷烃季铵盐类化合物。如图6所示，改性后，棉织物出现新峰，均为图5中改性剂B特征吸收峰，由此可知，改性后棉织物已结合了改性剂B。分析图5中改性剂结构，改性剂B无与棉织物反应性基团，故改性剂B与棉为结合方式物理吸附结合。

2.2.2 Zeta电位

由图2可知，棉织物改性后Zeta电位由-22.1 mV变为+8.70 mV，表明改性后棉织物表面带正电荷，可使棉织物与靛蓝隐色体阴离子之间原有的斥力变为引力，增强靛蓝隐色体与棉织物之间的吸附，使上染率提高，从而大幅度提高染色K/S值。

2.3 改性棉织物的染色K/S值及染色牢度

将改性前后棉织物用1.2.2中染色工艺进行染色，测得染色织物K/S值如图7所示，测得织物染色牢度如表2 所示。

由圖7可知，改性后棉织物K/S值有大幅提升，浸轧两次时染色K/S值就可达16.04，而未改性棉织物浸轧5次K/S值为15.98，改性棉织物浸轧2次便可与未改性棉织物浸轧5次染色深度相当，说明改性剂B改性后染色可减少多道染色工序，节约染色成本，实现节能减排;由表2可以看出，经改性剂B改性后靛蓝染色棉织物原样变色牢度达到 4～5级，棉及羊毛沾色牢度均达到 4 级，干摩擦色牢度达到 4～5 级，湿摩擦色牢度达到 3 级，耐日晒色牢度为3级，各项色牢度均较好，达到服用要求。

3 结 论

选用阳离子改性剂B对棉织物进行改性研究，探讨了阳离子改性剂B在中性条件下的改性效果、机理及对靛蓝染色效果的影响，结论如下：

a） 经过阳离子改性剂B处理后的棉织物再进行靛蓝染色，染色K/S值从10.90提高到20.13，各项染色牢度良好，改性棉织物浸轧2次便可与未改性棉织物浸轧5次染色深度相当。可达到减少染色工序、实现节能减排的目的。优化后的改性工艺参数：改性剂 6 g/L，改性温度60℃，改性时间20 min，工艺简便，相较于市面常用改性剂无需碱洗，无需改变生产设备及工艺流程，易于实际生产操作。

b） 红外光谱表明改性后棉织物带有季铵基团，Zeta电位表明经改性剂B改性后棉织物表面Zeta电位由-22.1 mV转为+8.70 mV，说明改性剂中季铵基团使纤维表面电荷从负电荷变为正电荷，使靛蓝隐色体阴离子更易上染带正电的棉织物，从而大幅提高染色K/S值。

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