陽離子化棉涂料染色定量關系研究

王夢琴，王樹根

(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇無錫 214122)

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陽離子化棉涂料染色定量關系研究

王夢琴，王樹根

(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇無錫 214122)

摘要：為了解決陽離子化棉涂料染色過程中得色深度波動嚴重的問題，研究了陽離子化棉涂料染色時陽離子改性程度、涂料與染色深度的定量關系。利用專業數學軟件origin分析擬合實驗數據，得出陽離子改性程度(N)、涂料用量(F)與K/S值(Z)的數學關系表達式：Z=Z0+aN+bF+mN2+pF2。依據數學關系表達式可以在測定染色標樣的K/S值后，準確確定對棉的改性程度，進而準確確定使用的涂料用量。

關鍵詞：陽離子化棉涂料定量

棉纖維接枝陽離子基團是活性染料無鹽染色的一種有效方法[1-2]。這種棉纖維陽離子化方法在涂料染色中也有廣泛應用[3]。但是在涂料染色生產過程中沒有掌握陽離子改性程度、涂料用量與K/S值的定量關系，得色深度波動嚴重，需加入過量的涂料或改性劑，或者重新配置涂料液置換涂料殘液，然后才能繼續染色。浪費原料，消耗時間，污染環境，是涂料連續染色的一大難題。本文在用酸性染料測定陽離子化棉的改性程度[4]的基礎上，對織物涂料染色工藝進行研究，確定經不同濃度的改性劑處理的陽離子化棉的改性程度，以及研究改性程度、涂料用量和得色深度之間的量化關系，建立數學模型。

1實驗部分

1.1實驗材料與儀器

材料：純棉白布半制品(27.8 tex × 27.8 tex，425根/10cm × 228根/10cm)，3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨(CHPTAC)(杭州銀湖化工有限公司)，氫氧化鈉(國藥集團化學試劑有限公司)，C.I.酸性黃36(天津天津市大邱莊宏達化工有限公司)、涂料紅、涂料藍、涂料黃(張家港三得利染整科技有限公司)。

儀器：數顯恒溫水浴鍋HH-6型(江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司)，數顯恒溫震蕩水浴鍋L-24A-1(廈門瑞比精密機械有限公司)，Datacolor反射分光光度儀(美國Datacolor公司)。

1.2實驗原理

棉陽離子化處理：3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨(CHPTAC)在堿性條件下接枝到棉上[5]：

陽離子化處理后，纖維上形成了“陽離子染座”。

涂料在生產過程中為了保持涂料液的分散穩定性，最常用的是加入陰離子分散劑[6,7]。商品涂料表面吸附陰離子表面活性劑后，表面活性劑分子的疏水部分是朝向不溶于水的涂料顆粒表面的，而親水鏈段則朝向水，這種吸附方式使得涂料顆粒聚集體(涂料與分散劑的結合)呈負電性。棉經陽離子化處理后帶正電荷，涂料顆粒聚集體主要靜電引力的方式吸附到陽離子化棉上，提高了涂料顆粒聚集體對棉的上染率。

1.3實驗方法

1.3.1棉纖維陽離子改性預處理

純棉白布半制品陽離子改性處理條件[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，洗除未接枝的改性劑。利用酸性黃C.I.36測定陽離子化棉上接枝的陽離子摩爾量。

1.3.2涂料上染

(1)經上述預處理工藝改性后的陽離化棉，使用涂料進行染色，染色處方為：涂料x g/L，滲透劑 3g/L，浴比1∶30，室溫，30min。

(2)實驗步驟：將陽離子化棉浸入含有涂料的工作液中，置于室溫的恒溫振蕩水浴鍋中，浸漬30min中后取出，充分水洗，自然晾干。

經10 g/L、20 g/L、30 g/L、40 g/L、50 g/L、60 g/L、70 g/L、80 g/L改性劑改性的陽離子化棉分別選擇一系列的不同的涂料初始濃度工作液中染色，測定K/S值，直到紗線的表觀色深值不再發生明顯變化，達到平衡(平衡K/S值)。

選擇不同種涂料染色，根據上述工藝與方法測定各個平衡K/S值，分析實驗數據。

1.3.3染色樣品性能測試

K/S值：表征纖維得色深度的性能指標。

采用Datacolor反射分光光度儀，選用Lab-eye軟件測定染色試樣的得色深度。在10°視場、D65光源的測試環境下，每個樣品在不同部位測試4次，取其數學平均值。K/S值越大表示染色織物的顏色越深。計算公式為[8]：

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

(1-1)

其中：K——織物對光的吸收系數；

S——織物對光的散射系數；

g——織物在最大吸收波長處光的反射率。

2結果與討論

2.1建立染色模型

2.1.1陽離子化棉改性程度測定

利用分光光度法測定陽離子化棉上的陽離子摩爾量。改性劑濃度范圍不超過80g/L時，棉上的陽離子摩爾量隨著濃度的增加而增加；改性劑濃度超過80g/L時，改性棉上的陽離子摩爾量減少，因為CHPTAC改性劑濃度過高，CHPTAC分子聚集在纖維表面，容易從纖維表面洗去，所以選擇改性劑濃度范圍不超過80g/L。測定改性程度結果見表1：

表1　陽離子摩爾量

陽離子化棉上陽離子摩爾量與改性劑濃度的線性關系式：

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

(3-1)

式中：W為改性劑濃度，單位g/L。

表明測得的改性棉織物上陽離子量與改性劑濃度間存在較好的線性關系。

2.1.2陽離子化棉涂料染色

棉上的陽離子摩爾量隨著改性劑濃度的增加而增加，確定了不同改性劑濃度處理的陽離子化棉的改性程度后，用涂料對陽離子化棉上染，以下為涂料三原色對陽離子棉的染色效果。

(1)涂料紅染色。涂料紅Zeta電位-20.3mv、選擇涂料紅對陽離子化棉上染，配制一系列的不同初始濃度的涂料液，將經10g/L改性劑處理的棉放置其中染色，染色結果見圖1：

圖1　K/S值與涂料濃度的關系

隨著涂料初始濃度的增加，陽離子化棉的得色深度K/S值也增加，最后趨向平衡，可得到在該改性程度下陽離子化棉染色的最大染色K/S值0.6662，即在該改性程度下的棉的最大染色深度，同時確定最少涂料用量為9g/L。

類似地，由20g/L、30g/L、40g/L、50g/L、60g/L、70g/L、80g/L的改性劑處理的陽離子化棉紡織到一系列不同濃度的涂料液中染色，得到不同改性程度下，得色深度K/S值與涂料濃度的關系如下圖：

圖2　改性劑濃度20g/L時的K/S值變化

圖3　改性劑濃度30g/L時的K/S值變化

圖4　改性劑濃度40g/L時的K/S值變化

圖5　改性劑濃度50g/L時的K/S值變化

圖6　改性劑濃度60g/L時的K/S值變化

圖7　改性劑濃度70g/L時的K/S值變化

圖8　改性劑濃度80g/L時的K/S值變化

不同改性劑濃度處理的陽離子化棉用涂料紅染色的結果表明：固定改性程度下，纖維染色K/S值隨著涂料紅濃度的增加而增加，最后會趨向于平衡。不同改性程度的陽離子化棉都有一個相應的最大染色K/S值及對應所需的最少涂料用量，不同改性程度下的陽離子化棉的最大K/S值及涂料用量不同，隨著改性程度的增大，對應的最大染色K/S值也會增大。

由以上涂料紅的實驗結果可得到改性程度、涂料紅用量與最大染色K/S值的關系見表2：

表2　涂料紅染色參數

從表2中結果可得，不同改性程度的陽離子化棉的涂料染色深度不同，但是隨著改性程度的增加，得色深度增加，利用相關軟件對實驗數據進行數學處理，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表示陽離子棉上的陽離子摩爾數量，單位10-5mol·g-1；F表示涂料濃度，單位g·L-1。

(2)涂料黃染色。涂料黃Zeta電位-13.1mv。研究涂料黃對陽離子化棉上染規律，配制一系列不同初始濃度的涂料黃溶液，將經過改性劑濃度10 g/L、20 g/L……80 g/L的一系列濃度處理得到的不同改性程度的陽離子化棉放置到涂料黃染液中染色。不同改性程度下，K/S值與涂料黃的濃度關系見如下圖。

圖9　改性劑濃度10g/L時的K/S值變化

圖10　改性劑濃度20g/L時的K/S值變化

圖11　改性劑濃度30g/L時的K/S值變化

圖12　改性劑濃度40g/L時的K/S值變化

圖13　改性劑濃度50g/L時的K/S值變化

圖14　改性劑濃度60g/L時的K/S值變化

圖15　改性劑濃度70g/L時的K/S值變化

圖16　改性劑濃度80g/L時的K/S值變化

不同改性劑濃度處理的陽離子化棉用涂料黃染色的結果表明：固定改性程度下，纖維染色K/S值隨著涂料黃濃度的增加而增加，最后會趨向于平衡；不同改性程度的陽離子化棉都有一個相應最大染色K/S值及對應所需的最少涂料用量；隨著改性程度的增大，對應的最大染色K/S值也會增大。

由以上涂料黃染色的實驗結果可得到改性程度、涂料黃用量與染色K/S值的關系見表3：

表3　涂料黃染色參數

從表3中結果可得，不同改性程度的陽離子化棉的涂料染色深度不同，但是隨著改性程度的增加，得色深度增加。利用相關軟件對實驗數據進行數學處理，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表示陽離子棉上的陽離子摩爾數量，單位10-5mol·g-1；F表示涂料濃度，單位g·L-1。

(3)涂料藍染色。涂料藍Zeta電位-11.4mv。選擇涂料藍對陽離子化棉上染，研究涂料藍的涂料染色規律，配制一系列不同初始濃度的涂料藍溶液，經改性劑濃度10g/L、20g/L……80g/L處理得到的陽離子化棉放置于涂料藍溶液中染色。不同改性程度下，染色K/S值與涂料藍濃度的關系如下圖：

圖17　改性劑濃度10g/L時的K/S值變化

圖18　改性劑濃度20g/L時的K/S值變化

圖19　改性劑濃度30g/L時的K/S值變化

圖20　改性劑濃度40g/L時的K/S值變化

圖21　改性劑濃度50g/L時的K/S值變化

圖22　改性劑濃度60g/L時的K/S值變化

圖23　改性劑濃度70g/L時的K/S值變化

圖24　改性劑濃度80g/L時的K/S值變化

不同改性劑濃度處理的陽離子化棉用涂料藍染色的結果表明：固定改性程度下，纖維染色K/S值隨著涂料藍濃度的增加而增加，最后會趨向于平衡。不同改性程度的陽離子化棉都有一個相應的最大染色K/S值及對應所需的最少涂料用量；隨著改性程度的增大，對應的最大染色K/S值也會增大。

由以上涂料藍的染色結果，得到改性程度、涂料藍濃度與最大染色平衡K/S值的關系如下表4：

表4　涂料藍染色參數

從表4中結果可得，不同改性程度陽離子化棉涂料藍染色深度不同，但是隨著改性程度的增加，得色深度增加，利用相關軟件對實驗數據進行數學處理，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表示陽離子棉上的陽離子摩爾數量，單位10-5mol·g-1；F表示涂料濃度，單位g·L-1。

由以上三種涂料涂料紅、涂料藍和涂料黃的染色方程式(3-2)、(3-3)、(3-4)得出涂料染色數學關系通用表達式為：

Z=Z0+aN+bF+mN2+pF2

(3-5)

式中Z0、a、b、m、p均為方程系數。

論文研究的是CHPTAC改性棉纖維，CHPTAC是含單正電荷中心的陽離子改性劑，上述數學表達式是以改性程度(以棉上的陽離子摩爾量表征)為基礎建立的，所以模型適用于所有的含單正電荷中心的陽離子改性劑，并不局限于CHPTAC這一種陽離子改性劑。涂料三原色染色數學關系表達式系數不同，是因為涂料顆粒Zeta電位不同，涂料紅Zeta電位-20.3mv、涂料黃Zeta電位-13.1mv、涂料藍Zeta電位-11.4mv。陽離子化棉涂料染色時，可根據涂料染色數學關系通用表達式，確定染色過程中所用涂料的染色方程系數，即可應用該涂料染色應的具體數學表達式合理設計工藝參數。

2.2模型應用及分析

通過擬合方程式可以在已知改性劑用量、涂料用量與得色深度中的兩個量的情況下計算第三個量的理論值。

(1)已知陽離子改性劑為3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨改性棉，涂料染色樣品為紅色，K/S值為1.200，合理設計改性與染色工藝。

根據公式(3-2)：

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

0≤N≤6.148，0≤F≤21g/L

樣品K/S值為Z=1.200，根據涂料用量范圍，假設F=21 g/L，代入公式，求得：

N=3.970

因為上述公式假定的是最大的涂料用量，根據求得的棉陽離子改性程度N=3.970，再次利用公式(3-2)求解在該改性程度下達到相同的染色深度Z=1.200最少的涂料用量：

解得：F=21.00 g/L或者F=11.53g/L

所以當涂料用量為F=11.53g/L時，染色K/S值已經達到了樣品要求的色深度1.200

根據式(3-1)：求得改性劑用量W=44.52g/L

所以要達到樣品要求，用44.52g/L的陽離子改性劑為3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨處理棉織物后，充分水洗，放置于涂料初始濃度為11.53g/L的染液中染色。

(2)已知需染樣品為黃色，改性劑用量為30g/L，涂料用量為12g/L，求染得樣品的K/S值。

首先根據式(3-1)，得到纖維上的陽離子量為N=3.0841

根據式(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即為織物所能染得的表觀色深度。

(3)已知樣品為藍色，K/S值為0.3000，改性劑用量為40g/L，計算涂料藍的用量。

首先根據式N=1.0885+0.06652W，得到纖維上的陽離子摩爾量為N=3.7493

根據式(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最大為0.2785，在使用改性劑濃度為40g/L時，達不到要求的染色深度必須增大棉纖維的改性程度，具體參考例一。

選用不同種涂料染色時，需根據染色通用數學表達式確定各方程系數，合理設計工藝參數。由改性劑濃度與陽離子摩爾量的關系可以直接確定陽離子改性的濃度。

以上示例表明實驗結果得出的涂料染色數學關系通用表達式具有實際應用價值，可以指導工廠實際操作。

3結論

陽離子化棉涂料染色時，改性程度、涂料用量與得色深度的數學關系通用表達式為：

Z=Z0+aN+bF+mN2+pF2

式中Z表示染色K/S值；N表示陽離子棉上的陽離子摩爾數量，單位10-5mol·g-1；F表示涂料濃度，單位g·L-1。Z0、a、b、m、p均為方程系數。

該數學關系可以解決目前因改性程度的盲目性而產生的涂料吸附無法控制，染色深度大幅波動等問題。有助于科學合理的設計染色工藝，指導工廠實際操作，減少原料的損失，降低成本。

參考文獻

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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

中圖分類號：TS193.5

文獻標識碼：A

文章編號：1008-5580(2016)01-0053-08

通訊作者：王樹根(1962-)，男，教授，碩士生導師。

收稿日期：2015-11-12

第一作者：王夢琴(1990-)，女，碩士研究生，研究方向：新型染整技術。