化學(xué)計(jì)量學(xué)方法結(jié)合紅外光譜用于ATD固色劑合成研究

傅美緣

(石獅市質(zhì)量計(jì)量檢測(cè)所，福建 石獅 362700)

隨著社會(huì)的進(jìn)步，紡織品的發(fā)展，人們?cè)絹碓街匾暭徔椘返陌踩h(huán)保，對(duì)于紡織品色牢度也給予了越來越多的關(guān)注[1]。色牢度差的紡織品有染料易脫落、易褪色等特點(diǎn)[2-4]。在穿著過程中，因摩擦脫落的染料會(huì)部分被皮膚吸收而進(jìn)入人體，在體內(nèi)分解還原成有害物質(zhì)，危害人體健康[5-7]。

季銨型固色劑是活性染料染色棉織物常用固色劑，其陽(yáng)離子基團(tuán)能與染料結(jié)構(gòu)中的陰離子基團(tuán)以離子鍵結(jié)合，染物可獲得較高的色牢度。本次研究通過正交實(shí)驗(yàn)、單因素實(shí)驗(yàn)等化學(xué)計(jì)量學(xué)方法討論固色劑ATD制備的最優(yōu)工藝條件，該固色劑因具備季銨鹽陽(yáng)離子基團(tuán)而具有較好的固色效果，同時(shí)結(jié)合紅外光譜對(duì)固色機(jī)理進(jìn)行探討、驗(yàn)證，進(jìn)而制備出綠色環(huán)保的固色劑，為紡織品提供更好的固色產(chǎn)品。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

傅利葉紅外變換光譜儀(FT-IR)(掃描范圍：4000～400 cm-1，分辨率：4 cm-1，Nicolet iS10，美國(guó)賽默飛世爾公司)；YP-2型壓片機(jī)，1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽、丙烯酸三氟乙脂、二羥乙基二烯丙基氯化銨均為化學(xué)純。

1.2 固色劑ATD的制備

在裝有溫度計(jì)、攪拌器、回流冷凝器的反應(yīng)釜中，依次加入1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽、丙烯酸三氟乙脂、二羥乙基二烯丙基氯化銨、pH調(diào)節(jié)劑、去離子水后，開啟冷凝、攪拌、加熱；升至一定溫度后，滴加過硫酸銨溶液，并控制滴加時(shí)間及溫度；接著進(jìn)行保溫、加水、攪拌、出料，制得固色劑ATD。

1.3 固色劑ATD性能的測(cè)定

將制得的固色劑ATD用于處理活性大紅3g染色后的棉織物，采用浸固工藝，固色劑用量是2%(o.w.f)，測(cè)固色處理后的干摩擦牢度、濕摩擦牢度等性能指標(biāo)。

1.4 紅外光譜的采集

使用Nicolet iS10型傅里葉紅外光譜對(duì)該固色劑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，操作方法：將少量合成好的固色劑涂抹在聚四氟乙烯板上，置于干燥的空氣中成膜后，將該樣品放置在紅外光譜儀內(nèi)進(jìn)行全波段掃描(400～4000 cm-1)。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)

在ATD的制備過程中，反應(yīng)條件對(duì)產(chǎn)物的性能影響較大，因此，實(shí)驗(yàn)以固色劑對(duì)活性大紅3 g染色后的棉織物的干摩擦牢度、濕摩擦牢度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，固色劑用量2%(o.w.f)時(shí)，設(shè)計(jì)了四因素三水平的正交試驗(yàn)。

根據(jù)一定的合成條件，以m(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽)∶m(丙烯酸三氟乙脂)∶m(二羥乙基二烯丙基氯化銨)、固色液pH值、保溫溫度、保溫時(shí)間為因素，每個(gè)因素取三個(gè)不同的水平，使用活性大紅染色后的棉織物的干摩擦牢度、濕摩擦牢度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了四因素三水平L9(34)正交實(shí)驗(yàn)。各個(gè)因素和對(duì)應(yīng)的水平見表1，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及分析表2和表3。

表1 因數(shù)與水平表

表2 正交實(shí)驗(yàn)表

表3 極差分析結(jié)果

注：A表示m(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽)∶m(丙烯酸三氟乙脂)∶(二羥乙基二烯丙基氯化銨)；B表示pH，mL；C表示保溫溫度，℃；D表示保溫時(shí)間，h。

由正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和極差分析可以得出結(jié)論為：主次因素的順序?yàn)閙(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽)∶m(丙烯酸三氟乙脂)∶(二羥乙基二烯丙基氯化銨)-保溫溫度-pH-保溫時(shí)間。最優(yōu)方案是m(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽)∶m(丙烯酸三氟乙脂)∶(二羥乙基二烯丙基氯化銨)=12∶8∶12，溶液pH值為9，保溫溫度80℃，保溫時(shí)間4 h。

以濕摩擦牢度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與干摩擦牢度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步優(yōu)化固色劑的反應(yīng)參數(shù)，在正交實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)m(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽)∶m(丙烯酸三氟乙脂)∶(二羥乙基二烯丙基氯化銨)、溶液pH值、保溫溫度、保溫時(shí)間四個(gè)因素進(jìn)行不同水平的單因素實(shí)驗(yàn)，并綜合考察了單因素對(duì)固色劑固色效果的影響。

(1)摩擦牢度隨著m(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽)∶m(丙烯酸三氟乙脂)∶(二羥乙基二烯丙基氯化銨)的變化而變化(見表4)，當(dāng)m(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽)∶m(丙烯酸三氟乙脂)∶(二羥乙基二烯丙基氯化銨)為12∶8∶12，摩擦牢度達(dá)到最佳值。二羥乙基二烯丙基氯化銨的質(zhì)量比較小時(shí)，與活性染料接觸和碰撞的幾率小，不利于反應(yīng)的進(jìn)行；二羥乙基二烯丙基氯化銨的用量增加，則季銨鹽陽(yáng)離子基團(tuán)也隨之增加，通過陽(yáng)離子基與活性染料的磺酸基等陰離子，發(fā)生庫(kù)侖引力作用，中和其電荷，減少染料的水溶性。

表 4 m(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽)∶m(丙烯酸三氟乙脂)∶(二羥乙基二烯丙基氯化銨)對(duì)固色效果影響

(2)由表5知，pH值小于9時(shí)，摩擦牢度隨著pH值增加而增加；當(dāng)pH值達(dá)9時(shí)，固色效果最佳；繼續(xù)增大pH值時(shí)，固色效果降低，可能是固色劑分子的解吸速率大于吸附速率，造成染料重新溶解，固色效果下降。

表5 pH值對(duì)固色效果影響

(3)隨著溫度的增加，摩擦牢度隨之增加，從表6知，在溫度達(dá)80℃時(shí)，效果最佳。保溫溫度過低，造成分子運(yùn)動(dòng)緩慢，沒有足夠能量引發(fā)各種反應(yīng)基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)；當(dāng)溫度過高時(shí)，反應(yīng)體系易形成凝膠，影響固色效果。

表6 保溫溫度對(duì)固色效果影響

(4)保溫時(shí)間決定了單體之間的反應(yīng)程度，由表7知，延長(zhǎng)保溫時(shí)間，摩擦牢度有所提高，當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)5 h左右，單體之間的反應(yīng)基本完成，繼續(xù)增加保溫時(shí)間對(duì)固色效果影響不大。

表7 保溫時(shí)間對(duì)固色效果影響

上述實(shí)驗(yàn)表明：最優(yōu)方案是m(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽)∶m(丙烯酸三氟乙脂)∶(二羥乙基二烯丙基氯化銨)=12∶8∶12，溶液pH值為9，保溫溫度80℃，保溫時(shí)間5 h。此時(shí)制備出的固色劑具有良好的固色效果。

2.3 固色劑ATD的紅外光譜圖

對(duì)固色劑ATD進(jìn)行紅外光譜鑒定，結(jié)果詳見圖1。

圖1 FT-IR紅外光譜圖

從圖1可知，光譜圖中在A處(即1633 cm-1)的波段左右，都出現(xiàn)了C-N伸縮振動(dòng)吸收峰，而在ATD光譜中的B處(966 cm-1)出現(xiàn)季銨鹽特征吸收峰，該結(jié)果表明，固色劑ATD具備季銨鹽陽(yáng)離子基團(tuán)。驗(yàn)證了ATD因具備季銨鹽陽(yáng)離子基團(tuán)而具有較好的固色效果。

3 結(jié)論

由化學(xué)計(jì)量學(xué)方法知，ATD最優(yōu)工藝條件為：m(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽)∶m(丙烯酸三氟乙脂)∶(二羥乙基二烯丙基氯化銨)=12∶8∶12，溶液pH值為9，保溫溫度80℃，保溫時(shí)間5h。此時(shí)制備出的固色劑具有良好的固色效果。同時(shí)結(jié)合紅外光譜對(duì)季銨鹽陽(yáng)離子基團(tuán)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明所制備的ATD因具備季銨鹽陽(yáng)離子基團(tuán)而具有較好的固色效果。本次研究為紡織品提供更好的固色產(chǎn)品。