活性染料無(wú)鹽連續(xù)軋蒸與冷軋堆染色效果的比較

舒大武， 房寬峻， 劉秀明， 劉曰興， 蔡玉青， 門雅靜， 李付杰

(1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 愉悅家紡有限公司， 山東 濱州 256623；3.青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院， 山東 青島 266071； 4.孚日集團(tuán)股份有限公司， 山東 濰坊 261500； 5.山東黃河三角洲紡織科技研究院有限公司， 山東 濱州 256623)

活性染料冷軋堆染色是將纖維素織物浸軋染液后，在室溫條件下打卷堆置，使染料完成吸附、上染和固色的染色方法[1]。該工藝能耗低，固色率高，是目前活性染料染色工藝中最具節(jié)能減排效果的半連續(xù)化軋染方式，但是冷軋堆染色存在顏色色澤控制難度大、深濃色布面黑氣重、生產(chǎn)效率低等問題，尤其是無(wú)法避免縫頭印產(chǎn)生的色差和由此增加的工作量[2]。活性染料兩相法染色工藝由于能耗高，鹽用量大，難以滿足印染行業(yè)節(jié)能減排的新要求。

活性染料連續(xù)軋-蒸染色工藝是將織物浸軋含染料和堿劑的染液后，直接進(jìn)行汽蒸固色的工藝，其流程短，效率高，但固色率低，染深性差[3-4]。為提高染料利用率，Eco-steam工藝在濕織物固色前，采用紅外預(yù)熱方式提高織物表面溫度，減少染料水解，但紅外加熱均勻性較差，且不能用于毛圈織物染深色[5]。Econtrol和Eco-flash工藝均以不飽和蒸汽為載體，對(duì)攜帶染液的濕織物進(jìn)行快速升溫，減少染料在織物升溫過(guò)程中的水解，但這2種工藝都不適合厚重或輕薄織物染色；且整個(gè)體系溫度和濕度達(dá)到平衡耗時(shí)長(zhǎng)，可造成大量織物和染料浪費(fèi)[6-7]。借助真空脫水技術(shù)將濕織物含水率降低至30%左右時(shí)，再進(jìn)行汽蒸固色可提高染色織物的表觀色深和固色率，但染色織物顏色萎暗[3,8]。顯然，改善常規(guī)帶液率條件下活性染料的染色性能是無(wú)鹽連續(xù)軋-蒸染色工藝的研究重點(diǎn)。眾所周知，高濃度染液的締合狀態(tài)及其穩(wěn)定性決定著染料在纖維內(nèi)部的擴(kuò)散速率、可及區(qū)域面積和最終的染色效果[9-11]，因此，調(diào)控染料締合體結(jié)構(gòu)，提高染液的穩(wěn)定性是改善連續(xù)軋-蒸染色的關(guān)鍵。

本文在分析堿劑對(duì)染液穩(wěn)定性和擴(kuò)散性能影響的基礎(chǔ)上，通過(guò)提高染液穩(wěn)定性以改善活性染料的染色效果。探索了無(wú)鹽連續(xù)軋-蒸和冷軋堆染色工藝對(duì)純棉、天絲/棉交織物染色性能的影響，并將染色織物的顏色參數(shù)和色牢度指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

材料：純棉絲光漂白織物(經(jīng)密為370根/(10 cm)，緯密236根/(10 cm)，孚日集團(tuán)股份有限公司)；天絲/棉交織物(經(jīng)密190根/(10 cm)，緯密為120根/(10 cm)，愉悅家紡有限公司)；活性紅SNE、活性藍(lán)SNE和活性橙SNE(江蘇申新染化料股份有限公司)；專用堿劑(實(shí)驗(yàn)室自制)；純堿和燒堿(天津科密歐化學(xué)試劑有限公司)；色麗牢LR-01(山東黃河三角洲紡織科學(xué)研究院有限公司)。

儀器：TLE204E/02型電子天平(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)；PO-B型實(shí)驗(yàn)用軋車(萊州元茂儀器有限公司)；OP-03型實(shí)驗(yàn)用汽蒸箱(天津華譜科技有限公司)；Datacolor SF-600 plus型測(cè)色儀(美國(guó)Datacolor公司)；Y571B型摩擦色牢度測(cè)試儀(溫州方圓儀器有限公司)；AGS型穩(wěn)定性分析儀(北京朗迪森科技有限公司)；M1136型惠普激光掃描儀(美國(guó)惠普公司)。

1.2 染色方法

1.2.1無(wú)鹽連續(xù)軋-蒸染色工藝

采用一浸一軋的方式獲得帶液率為70%的織物，然后立刻放入102 ℃常壓飽和蒸汽中汽蒸固色 3 min，按照文獻(xiàn)[3]所述方法進(jìn)行水洗以去除浮色。所用織物種類及染色配方見表1。

表1 不同織物的染色配方

1.2.2冷軋堆染色工藝

冷軋堆染色工藝流程為：織物浸軋染液(一浸一軋，軋余率為70%)→打卷堆置(30 ℃，8 h)→水洗→烘干，染色配方見表1，水洗條件見1.2.1。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1高濃度染液的穩(wěn)定性

采用穩(wěn)定性分析儀表征了高濃度染液的透射光光強(qiáng)值隨測(cè)試時(shí)間的變化規(guī)律，并按照下式計(jì)算染液的穩(wěn)定性指數(shù)：

式中：Xn(h)和Xn-1(h)分別為樣品池高度為h時(shí)第n和n-1次測(cè)試的透射光光強(qiáng)值；H為樣品池高度。

1.3.2高濃度染液的擴(kuò)散性

按照GB/T 27597—2011《染料 擴(kuò)散性能的測(cè)定》，高濃度染液擴(kuò)散性能。待染液擴(kuò)散的濾紙完全晾干后，采用惠普激光掃描儀得到掃描圖片，并利用ImageJ軟件計(jì)算染液在濾紙上的擴(kuò)散面積。

1.3.3顏色參數(shù)

染色織物顏色參數(shù)使用測(cè)色儀以D65光源于10°視角下進(jìn)行。將每個(gè)待測(cè)織物折疊4層，選取10個(gè)不同位置測(cè)試，取平均值。

1.3.4色牢度測(cè)試

染色織物的耐摩擦、耐皂洗色牢度分別按照GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐摩擦色牢度》和GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐皂洗色牢度》進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

堿劑不僅影響染液穩(wěn)定性和擴(kuò)散性能，而且決定染料在纖維上的分布和固著狀態(tài)。純堿和燒堿組成的混合堿是染深色織物最常用的固色堿劑；但因其堿性太強(qiáng)，導(dǎo)致乙烯砜型活性染料水解嚴(yán)重，染色效果較差，因此，首先探討不同堿劑對(duì)染液穩(wěn)定性和擴(kuò)散性能的影響，以確定適合無(wú)鹽軋-蒸染色的專用堿劑。

2.1 染液穩(wěn)定性和擴(kuò)散性能對(duì)比

按照表1純棉織物的咖啡色配方配制染液，研究堿劑種類和時(shí)間對(duì)染液穩(wěn)定性指數(shù)和擴(kuò)散面積的影響，結(jié)果如圖1和表2所示。

圖1 染液的穩(wěn)定性指數(shù)Fig.1 Stability index of padding solutions

種類質(zhì)量濃度/(g·L-1)不同時(shí)間時(shí)擴(kuò)散面積/mm21min30min60min專用堿30155331547715125純堿/燒堿20/4151641443612931色麗牢/燒堿20/4159641580915643

注：純?nèi)疽簲U(kuò)散面積為1 884.3 mm2，且隨時(shí)間變化不明顯。

染液穩(wěn)定性指數(shù)表征染液透射光光強(qiáng)值隨時(shí)間的變化程度，數(shù)值越大表明染液體系穩(wěn)定性能越差。從圖1看出：含混合堿(20 g/L純堿，4 g/L燒堿)的染液穩(wěn)定性指數(shù)在前3 min內(nèi)變化不明顯，隨后染液穩(wěn)定性指數(shù)迅速增大，6 min時(shí)穩(wěn)定性指數(shù)為0.40；繼續(xù)延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間至10 min時(shí)，穩(wěn)定性指數(shù)增大至0.72，而含專用堿劑和色麗牢的染液穩(wěn)定性指數(shù)僅為0.28、0.34，變化幅度較小。上述結(jié)果表明含混合堿的染液透射光光強(qiáng)值變化較大，可能是由于混合堿劑導(dǎo)致染料分子的締合體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。相比而言，分散性良好的專用堿劑和色麗牢減少了染料分子在堿性條件下自聚行為，提高了染液的穩(wěn)定性。

表2示出在攪拌時(shí)間分別為1、30、60 min時(shí)含不同堿劑染液在濾紙上的擴(kuò)散面積。與純?nèi)疽簲U(kuò)散面積相比，含固色堿劑的染液擴(kuò)散面積偏小，且擴(kuò)散面積隨攪拌時(shí)間延長(zhǎng)呈減小趨勢(shì)。當(dāng)攪拌時(shí)間從 1 min延長(zhǎng)至60 min時(shí)，含專用堿劑和色麗牢的染液擴(kuò)散面積分別減小2.6%和2.0%。相比之下，含混合堿劑的染液，在濾紙上的擴(kuò)散面積由 1 516.4 mm2降低至1 293.1 mm2，減小了14.7%，另外，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)其擴(kuò)散圓斑呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，說(shuō)明含專用堿劑和色麗牢的染液擴(kuò)散性能較好，且攪拌時(shí)間對(duì)其擴(kuò)散面積影響不大，即染液穩(wěn)定性較高，與圖1呈現(xiàn)的規(guī)律相吻合。

純?nèi)疽簲U(kuò)散形成大而均勻的圓斑歸因于染料分子仍為水溶性好的乙烯砜硫酸酯結(jié)構(gòu)，其空間位阻大且靜電斥力較強(qiáng)，有利于染料分子擴(kuò)散。一旦加入堿劑后，乙烯砜硫酸酯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為疏水性強(qiáng)的乙烯砜結(jié)構(gòu)，平面性增大，溶解度降低[12]。此外，加入的Na+、OH-擾亂了染液體系原有的類冰結(jié)構(gòu)，使染液熵值增大[13]。為維持染液體系的穩(wěn)定，包裹在染料周圍的水分子因新加入離子的水化而重新排布，染料分子的水化層變薄甚至不完整，在疏水作用和熵的驅(qū)動(dòng)下，染料分子發(fā)生重排和聚集[10]，使染液穩(wěn)定性和擴(kuò)散性降低。專用堿劑具有良好的分散性能，可調(diào)控染料締合體聚集狀態(tài)，有利于染料分子擴(kuò)散，故擴(kuò)散面積偏大；因此，在無(wú)鹽軋-蒸染色時(shí)，為確保染料分子在短時(shí)間內(nèi)充分?jǐn)U散，采用專用堿劑進(jìn)行染色。

2.2 顏色數(shù)據(jù)對(duì)比

2.2.1純棉織物顏色數(shù)據(jù)

純棉織物染色按照表1染色配方和1.2所述染色方法進(jìn)行。表3示出經(jīng)過(guò)2種染色工藝浸染后純棉織物的顏色參數(shù)。可看出，與冷軋堆染色織物的顏色相比，經(jīng)軋-蒸染色工藝獲得軍藍(lán)色織物亮度值L*值減小0.5，紅綠坐標(biāo)a*和黃藍(lán)坐標(biāo)b*為負(fù)值，且絕對(duì)值分別減小0.1和0.5，表明染色織物顏色偏暗，綠光和藍(lán)光減弱；飽和度C*減小0.5，而表觀色深I(lǐng)nteg值從48.3提高至51.2，表明經(jīng)連續(xù)軋-蒸染色的織物色彩飽和度較小，顏色較深。咖啡色棉織物的L*、a*、b*、C*和色相角h°分別減小1.1、2.1、0.7、2.1和2.1，而Integ值提高2.7，表明連續(xù)軋-蒸染色純棉咖啡色織物的顏色偏暗；紅黃光減弱，色彩飽和度偏低，顏色較深。

表3 染色棉織物的顏色參數(shù)

注：活性染料無(wú)鹽軋-蒸染色工藝中專用堿劑質(zhì)量濃度為 30 g/L；冷軋堆染色工藝所用堿劑色麗牢LR-01質(zhì)量濃度為20 g/L和燒堿質(zhì)量濃度為4 g/L。

對(duì)活性染料軋染而言，織物浸軋染液后，染液主要吸附在纖維表面和孔隙之間[1]。體積小的水分子優(yōu)先向纖維內(nèi)部擴(kuò)散，纖維素可及區(qū)域纖維的部分氫鍵被水分子和纖維素羥基之間的氫鍵取代，導(dǎo)致纖維溶脹，孔隙變大，進(jìn)入纖維內(nèi)部的水分子將構(gòu)建成染料擴(kuò)散的通道[14-15]。特別強(qiáng)調(diào)的是，水化的OH-也會(huì)隨水分子向纖維內(nèi)部擴(kuò)散，導(dǎo)致纖維分子中的羥基電離形成羥基負(fù)離子，為染料和纖維共價(jià)鍵的形成提供前提條件。織物浸軋染液后立刻進(jìn)行汽蒸固色，棉纖維溶脹不充分，染料的擴(kuò)散通道尚未構(gòu)建完整，染料需在短時(shí)間內(nèi)完成擴(kuò)散并形成共價(jià)鍵，因此，染料分子會(huì)優(yōu)先與纖維淺表層或易接近的無(wú)定形區(qū)的羥基負(fù)離子發(fā)生有效碰撞和共價(jià)鍵合，故Integ值較大。相反，在冷軋堆染色工藝中，棉纖維已溶脹充分，染料締合體有充足的時(shí)間(8 h)發(fā)生解聚集并染透整個(gè)纖維。在染料用量相同的條件下，織物表觀顏色與染料擴(kuò)散程度呈負(fù)相關(guān)[9]，因此，冷軋堆染色織物Integ值較小。

2.2.2天絲/棉交織物顏色數(shù)據(jù)

按照表1咖啡色配方和1.2染色方法進(jìn)行染色，測(cè)得染色天絲/棉交織物的顏色參數(shù)，結(jié)果見表4。可看出：2種染色工藝得到的天絲/棉交織物中天絲和棉之間的色差均為負(fù)值(Integ值除外)，表明天絲組分的顏色偏暗，紅黃光較弱，色彩飽和度較低，顏色較深。這是由于天絲纖維結(jié)晶度較低，分子結(jié)構(gòu)中包含較多的羥基，具有良好的吸濕溶脹性能，在染色時(shí)染料分子與纖維素負(fù)離子有效碰撞的概率較大[16]；與連續(xù)軋-蒸染色織物的顏色參數(shù)相比，冷軋堆染色織物中天絲和棉的L*值都大于軋-蒸染色織物的L*值，表明冷軋堆染色織物顏色偏亮；a*、b*和C*大小相差不大，即色光和色彩飽和度基本一致；Integ值分別減小1.6和2.8，表明冷軋堆染色織物顏色偏淺。

此外，通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)大批量生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)10 km純棉織物，采用冷軋堆工藝耗時(shí)約為20 h，而無(wú)鹽連續(xù)軋-蒸染色工藝僅需4 h；說(shuō)明純棉織物采用冷軋堆工藝染色時(shí)也存在效率低的問題。無(wú)鹽軋-蒸染色工藝將生產(chǎn)效率大幅提高，消除了布面黑氣，規(guī)避了縫頭印問題，并將產(chǎn)品的一次成功率提高至96%。

表4 天絲/棉交織物的顏色參數(shù)

注：活性染料無(wú)鹽連續(xù)軋-蒸染色工藝中專用堿劑質(zhì)量濃度為30 g/L；冷軋堆染色工藝所用堿劑為色麗牢LR-01質(zhì)量濃度20 g/L和燒堿質(zhì)量濃度4 g/L。色差測(cè)試時(shí)以交織物中棉組分顏色為標(biāo)準(zhǔn)樣，天絲組分顏色為對(duì)比樣。

2.3 染色織物色牢度對(duì)比

經(jīng)連續(xù)軋-蒸和冷軋堆工藝染色織物的耐摩擦和皂洗色牢度測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 染色織物色牢度

由表5可看出：2種工藝染色的軍藍(lán)色純棉織物色牢度一致且均在4級(jí)以上；采用連續(xù)軋-蒸工藝染色的咖啡色純棉織物耐摩擦色牢度比冷軋堆染色織物的略低；天絲/棉交織物的各項(xiàng)色牢度大小相等，濕摩擦色牢度為3級(jí)，棉沾色牢度為4級(jí)，略低于純棉染色織物色牢度，但符合 GB 18401—2010《國(guó)家紡織品基本安全技術(shù)規(guī)范的要求》。染色時(shí)2種工藝所用的染料和水洗處理?xiàng)l件均相同，色牢度差異歸因于染料在纖維中分布和固著狀態(tài)不同。在活性染料無(wú)鹽連續(xù)軋-蒸工藝中，大多數(shù)染料分布在纖維淺表面，這是咖啡色純棉織物耐摩擦色牢度略低的原因。天絲吸濕溶脹能力較高且易產(chǎn)生絨毛，在濕摩擦?xí)r，深色的絨毛脫落并吸附到摩擦物體表面[17]，使得天絲/棉交織物的濕摩擦和棉沾色牢度比純棉織物略低。

3 結(jié) 論

1) 專用堿劑使染液穩(wěn)定性指數(shù)由0.72降低至0.28，提高了染液穩(wěn)定性；染液攪拌60 min時(shí)，含混合堿、專用堿和色麗牢的染液擴(kuò)散面積分別減小14.7%、2.6%和2.0%。與純堿和燒堿組成的混合堿劑相比，專用堿劑更適合連續(xù)無(wú)鹽軋-蒸染色。

2) 采用無(wú)鹽連續(xù)軋-蒸工藝染色的織物表觀色深I(lǐng)nteg值較冷軋堆染色織物的提高1.6～2.9。不同工藝染色織物的干摩擦牢度大于等于4級(jí)、濕摩擦牢度大于等于3級(jí)，耐皂洗牢度大于等于4級(jí)，符合生產(chǎn)要求。

3) 活性染料無(wú)鹽連續(xù)軋-蒸染色工藝可有效解決冷軋堆染色生產(chǎn)效率低的問題，將染色樣品一次成功率提高至96%。該染色工藝不僅能用于純棉織物，而且也適合天絲/棉交織物活性染料染色，應(yīng)用前景廣闊。

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