二氧化硫脲還原靛藍染料工藝優化研究

孫浪濤，張芳華，鄭高杰，魏艷超,董曉東

(1.閩南理工學院，福建石獅 362700；2.國家羊絨產品質量監督檢驗中心，河北石家莊 050031)

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二氧化硫脲還原靛藍染料工藝優化研究

孫浪濤1，張芳華1，鄭高杰1，魏艷超1,董曉東2

(1.閩南理工學院，福建石獅 362700；2.國家羊絨產品質量監督檢驗中心，河北石家莊 050031)

介紹了常溫下靛藍染料還原工藝處方及曲線，對染料用量、強氧化納用量及二氧化硫脲用量進行單因素分析，以還原后溶液的電位值為衡量指標，通過正交試驗確定了靛藍染料的最佳還原工藝，即染料用量為7g/L，氫氧化鈉用量15g/L，二氧化硫脲用量7g/L。

靛藍染料 二氧化硫脲 還原 工藝優化

純棉牛仔織物染色時采用還原靛藍染料染色，其為含有多個羰基的不溶性多環芳香族化合物，當其應用于纖維素纖維染色時，在堿性溶液中被其還原劑還原成水溶性的氫醌體離子化的隱色體，纖維經染色后，需經過氧化使得隱色體變為原來不溶性的染料固著在纖維上[1-3]。而之前關于靛藍染料的還原染色法的研究主要是采用保險粉-燒堿法，是在氫氧化鈉、保險粉的條件下，把還原染料在染色之前還原成隱色體鈉鹽，然后進行還原染料隱色體染色，此法的優點是還原作用速率快，染色效率高，缺點是保險粉性質不穩定，不易儲存，染色工藝流程復雜，另外染色過程中產生大量的含亞硫酸鈉鹽廢水，且廢水堿度較高，對環境危害大[2]。因此，采用環保型的還原劑來替代保險粉進行靛藍染料染色就顯得尤為重要。

本試驗采用環保型的還原劑二氧化硫脲替代保險粉來還原靛藍染料，二氧化硫脲無色無臭，純態性質較保險粉穩定，既無還原性，又無氧化性，儲藏安全，但在堿性加熱條件下性質活潑，顯示較強的還原性，分解成尿素和具有還原能力的次硫酸[3]，其反應機理如下[4]：

NH2(:SO2)NH2→NH:(SO2H)NH2→NH2CONH2+H2SO2

H2SO2+2NaOH→Na2SO3+H2O+2[H]

選擇靛藍染料濃度、氫氧化鈉濃度及二氧化硫脲濃度作為試驗參數，在常溫下進行靛藍染料還原試驗，測試還原一定時間后溶液的電位值來評判二氧化硫脲對靛藍染料的還原效果，以此來確定二氧化硫脲還原靛藍染料的最佳工藝。通過本試驗的研究，可以為紡織、印染企業提高產品質量，節約染色成本，降低環境污染等方面提供借鑒。

1 實驗藥品及儀器

藥品：靛藍染料(工業用)，氫氧化鈉(分析純，西隴化工股份有限公司)，二氧化硫脲(工業用，廣州穗欣化工有限公司)。

儀器：JA2003N電子天平(d=1mg)，八孔水浴鍋，筆式ORP-286型電位儀。

2 靛藍染料還原工藝試驗

2.1 還原工藝曲線

二氧化硫脲還原靛藍染料的還原工藝曲線如圖1所示。

圖1 靛藍染料還原工藝曲線

2.2 還原工藝處方

2.2.1 染料用量對還原試驗的影響

按照圖1所示工藝曲線，依次加入染料、氫氧化鈉、二氧化硫脲。在氫氧化鈉濃度為10g/L，二氧化硫脲濃度為10g/L的條件下，分別加入染料的濃度為1g/L、2g/L、4g/L、7g/L、10 g/L、15g/L、20g/L，還原30min后測試溶液的電位值。

2.2.2 氫氧化鈉用量對還原試驗的影響

按照圖1所示工藝曲線，依次加入染料、氫氧化鈉、二氧化硫脲。在染料濃度為4g/L，二氧化硫脲濃度為10g/L的條件下，分別加入氫氧化鈉的濃度為1g/L、3g/L、5g/L、7g/L、10g/L、15g/L、25g/L，還原30min后測試溶液的電位值。

2.2.3 二氧化硫脲用量對還原試驗的影響

按照圖1所示工藝曲線，依次加入染料、氫氧化鈉、二氧化硫脲。在染料濃度為4g/L，氫氧化鈉濃度為10g/L的條件下，分別加入二氧化硫脲的濃度為1g/L、3g/L、5g/L、7g/L、10g/L、15g/L、25g/L，還原30min后測試溶液的電位值。

2.3 測試指標

采用筆式ORP-286型電位儀測試溶液還原后的電位值，將電位儀插入溶液中攪動均勻后靜置，待顯示讀數穩定后讀取還原電位值。

3 靛藍染料還原工藝參數對溶液電位值的影響

3.1 染料用量

染料用量對溶液還原電位值的影響結果如表1所示。

表1 染料用量對溶液還原電位值的影響

由表1可知，隨著染料用量的增加，溶液還原電位值逐漸增加，當染料濃度達到10g/L時，溶液的還原電位值趨于平衡。分析原因是當染料濃度低于10g/L時，溶液中染料用量較少，而二氧化硫脲用量相對較多，染料充分被還原成隱色體，使得溶液的還原電位值較高。

3.2 氫氧化鈉用量

氫氧化鈉用量對溶液還原電位值的影響如表2所示。

表2 氫氧化鈉用量對溶液還原電位值的影響

在此反應中氫氧化鈉的作用主要有：(1)保證二氧化硫脲反應成成甲脒亞磺酸，使還原液有一定的還原電位值；(2)使靛藍染料轉變為隱色體鈉鹽的形式，保證染料的上染率；(3)中和二氧化硫脲分解產生的酸式鹽，保證溶液中的堿性，能夠使得反應過程順利進行[5]。

由表2可知，隨著溶液中氫氧化鈉含量的增加，溶液還原電位值逐漸增大，當溶液中氫氧化鈉濃度超過10g/L時，溶液的還原電位值增長放緩。表明氫氧化鈉濃度達到10g/L時已基本滿足還原劑所需的堿性環境，而通過二氧化硫脲還原靛藍染料的反應機理可知1mol的二氧化硫脲分解需要1mol的氫氧化鈉，因此，氫氧化鈉不僅要促使二氧化硫脲分解，同時還要維持還原體系的堿性環境。

3.3 二氧化硫脲用量

二氧化硫脲用量對溶液還原電位值的影響如表3所示。

表3 二氧化硫脲用量對溶液還原電位值的影響

由表3可知，隨著二氧化硫脲用量的增加，溶液的還原電位值先增大后減小，在二氧化硫脲濃度為10g/L時達到最大還原電位值。分析原因是二氧化硫脲用量低于10g/L時，增加二氧化硫脲的濃度，有利于靛藍染料還原成隱色體，而當二氧化硫脲濃度高于10g/L時，二氧化硫脲相對于靛藍染料屬于過量，使染料結構發生過還原，電位值下降。

4 最優還原工藝探討

4.1 正交試驗設計

選擇靛藍染料用量、強氧化納用量及二氧化硫脲用量這3個工藝參數為正交試驗因素，每個因素設計為4水平，依據單因素試驗結果所確定的各水平值，如表4所示。

表4 正交試驗因素水平表

4.2 正交試驗結果與分析

正交試驗數據結果如表5所示。

表5 靛藍染料還原電位值結果

由表5可知，3個因素的極差大小順序為：強氧化納用量>染料用量>二氧化硫脲用量。靛藍染料的最優還原工藝參數方案為A2B4C2，即染料用量為7g/L，氫氧化鈉用量15g/L，二氧化硫脲用量7g/L。

5 結論

靛藍染料在堿性條件下被二氧化硫脲還原為隱色體鈉鹽形式，其最佳還原條件為：染料用量為7g/L，氫氧化鈉用量15g/L，二氧化硫脲用量7g/L，通過本試驗的探討可以為紡織印染行業提供參考。

[1] 閆麗君. 靛藍染料染色影響因素分析[D]. 石家莊： 河北科技大學， 2010.

[2] 鄭明遠. 硫化染料染色新型氧化還原體系的應用[D]. 石家莊： 河北科技大學， 2014.

[3] 楊壁玲. 植物靛藍染色傳統工藝原理及應用現狀[J]. 染整技術， 2008, 30(3): 13-15.

[4] 羅小勤， 樊增祿， 陳庭春， 等. 靛藍的電化學還原及其染色工藝的探討[J]. 印染助劑， 2008, 25(3)： 21-26.

[5] 閆麗君， 姚繼明. 靛藍染料染棉織物時還原劑的應用研究[J]. 輕紡工業與技術， 2010,39(6)： 12-13.

2016-06-28

福建省教育廳科技項目(JA15592)

孫浪濤(1986-)，男，碩士，講師，研究方向：紡織材料改性技術。

TS193.2

A

1008-5580(2016)04-0081-03