棉織物的活性染料浸軋/非水介質固著工藝

樊 杰，苗俊華，安 源，邵 敏，李美琪，胡敏干，邵建中

（1.浙江理工大學生態染整技術教育部工程研究中心，浙江杭州 310018；2.海寧綠盾紡織科技有限公司，浙江嘉興 314408）

活性染料色譜齊全、色澤鮮艷、濕牢度優良、應用簡便，得到廣泛應用，成為天然纖維染色用量最大的一類染料［1-2］。軋染是活性染料染色的常用方式，活性染料濕短蒸染色工藝因節能減排成為棉織物連續染色的研究熱點［3］，但也存在一些缺陷，如在汽蒸固著時需消耗大量熱量，對設備要求較高，染料利用率較低及染深色較差等［4-7］。為提高活性染料利用率，減少廢水排放，開發了非水介質染色技術［8］。棉織物活性染料非水介質染色技術是以既不能溶解染料，也不能和水相容的非極性介質替代傳統水浴，將染料、助劑分散或乳化在非水介質中的新型染色方法［9］。劉今強等［10-12］研究開發了活性染料和分散染料以D5 為非水介質染色的新技術，結果表明該技術能大幅提高活性染料的上染率和固著率，且完全不用鹽促染，可有效節水、節能，減少污染。邵建中等［13-16］進一步研究開發了棉織物的活性染料/液蠟染色技術，節水節能、高效環保，且液體石蠟價格低廉，安全性更好。已報道的活性染料非水介質染色主要研究浸染工藝，對軋染工藝研究鮮有報道。

本課題在活性染料/液蠟軋染工藝中應用新型非水介質固著方式，研究應用單因素變量法，通過改變織物軋液率、固著溫度和時間優化浸軋/非水介質固著工藝，比較優化工藝與常規浸軋/汽蒸固著工藝效果，大大減少能量與資源浪費，使用的液體石蠟經濟環保［15，17］，對實際生產具有一定的指導意義。

1 實驗

1.1 材料與儀器

試劑：十甲基環五硅氧烷（D5，5.951 mPa·s，試劑級），低黏度液體石蠟（21.9 mPa·s，試劑級），高黏度液體石蠟（41.0 mPa·s，試劑級），無水碳酸鈉（試劑級，天津永大化學試劑有限公司），標準皂片（上海制皂廠）；C.I.活性黑KN-B（KN 型，分子質量991.82）、C.I.活性黃3RS（M 型，分子質量1 026.20）、C.I.活性紅3BS（M 型，分子質量1 136.32）（不添加鹽，浙江龍盛集團股份有限公司）。

儀器：振蕩染色機、PB1-軋車（廈門Rapid 公司），恒溫加熱磁力攪拌器（滎陽市科瑞儀器廠），SF600X型計算機測色配色儀（美國Datacolor 公司）。

1.2 染色工藝

常規軋染工藝：一浸一軋（染料25 g/L，Na2CO350 g/L）→汽蒸（102 ℃，2 min）→冷水洗→皂煮（無水碳酸鈉3 g/L，標準皂片3 g/L，95 ℃，10 min）→溫水洗（40～50 ℃，2 min）→水洗（室溫，30 s）→晾干。非水介質固著軋染工藝：一浸一軋（染料25 g/L，Na2CO350 g/L）→浸入熱非水介質固著液→冷水洗→皂煮（無水碳酸鈉3 g/L，標準皂片3 g/L，95 ℃，10 min）→溫水洗（40～50 ℃，2 min）→水洗（室溫，30 s）→烘干。

1.3 測試

K/S值：用測色配色儀測試，每個樣品選8 個不同的點測試，取平均值。

勻染性：將織物放在標準照明箱中，在模擬日光模式下用數碼相機拍照后進行主觀評定，無色花以△表示，輕微色花以○表示，明顯色花以□表示。

耐摩擦色牢度：按照GB/T 3920—2008《紡織品色牢度試驗耐摩擦色牢度》測試。

耐皂洗色牢度：按照GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗耐皂洗色牢度》測試。

2 結果與討論

2.1 非水介質固著軋染效果影響因素

2.1.1 軋液率

② 方案實施：總經理領導績效考核小組，以業績考核為重點，各部門領導在每月的月初提交月度考核報告，分析問題和及時糾正。在年末責任部門將報告匯總，明確各部門全年績效指標實施結果，將其作為各種管理決策的依據。

由表1 可知，軋液率較低（低于100%）時，K/S值隨軋液率增加明顯增大，原因是軋到織物上的染料增加；超過100%時，K/S值沒有明顯增加，可能有部分水攜帶染料脫離織物。軋到織物上的染液分為3類［18-19］：（1）被纖維吸收，即進入纖維無定形區內部和緊密吸附在纖維表面，由于被纖維束縛而不能自由流動；（2）留在織物組織的毛細管空隙，處在纖維間的毛細管網絡中，在織物中較難流動；（3）分布在纖維表面或織物組織結構空隙，在自身重力作用下容易流動。在非水介質固著軋染工藝中，軋液率超過100%，K/S值相對降低（絕對值略提高，但與軋液率的提高不成正比），推測是織物上易流動的染液因重力和機械振蕩等作用力攜帶染料脫離織物。軋液率為70%～90%時勻染性較好，沒有色花；大于等于100%時勻染性降低。對軋染工藝而言，在適當的軋液率下，勻染性主要取決于軋輥的軋液均勻性。對浸軋/非水介質固著軋染工藝而言，軋液率的影響具有獨特性，非水介質固色液可使棉織物受熱均勻，避免接觸式加熱或熱風加熱使染料隨水分子移動而“泳移”，也可避免汽蒸固著時因蒸汽冷凝等原因而受熱不均勻，因而具有優越的勻染性。在合理的軋液率范圍內，疏水性的非水介質還會抑制水分子從織物上脫落，有利于活性染料與棉纖維反應。當軋液率超過100%，尤其是超過120%時，織物上的部分自由水可能有局部移動，勻染性下降。因此優選軋液率為90%。

表1 軋液率對活性紅3BS 染色織物K/S 值和勻染性的影響

2.1.2 固著溫度

由圖1可知，活性黑KN-B 和活性紅3BS 的溫度-K/S值曲線都先上升后降低，90 ℃時，K/S值基本達到最大值。活性黃3RS 的溫度-K/S值曲線與活性黑KN-B 和活性紅3BS 不同，都呈現先升高后逐漸平緩的趨勢，原因可能是染料所帶基團不同［20-21］。C.I.活性黑KN-B在染料母體兩側攜帶2個乙烯砜基團，C.I.活性黃3RS 和C.I.活性紅3BS 均在染料母體同側攜帶一個一氯均三嗪基團和一個乙烯砜基團。在堿性條件下，C.I.活性黑KN-B 帶有2 個強水溶性基團磺酸基，C.I.活性黃3RS 和C.I.活性紅3BS 分別帶有3個、4 個磺酸基團。由于乙烯砜基團反應活性高于一氯均三嗪基團［22］，C.I.活性黑KN-B 與棉織物的反應性較強，在溫度較低時水解較少，固著率較高，100 ℃后上染棉織物的染料水解加快，固著率下降。C.I.活性紅3BS 比C.I.活性黃3RS 多1 個磺酸基，且磺酸基團距離反應性基團（乙烯砜基）較近，磺酸基團的強吸電子誘導效應使鄰近的反應性基團活性提高，升溫時染料水解加快，K/S值隨之降低。相比另外兩只染料，C.I.活性黃3RS 與纖維的反應性較弱，穩定性較好，100～120 ℃時仍能保持良好的固著率，K/S值基本不變。綜合考慮，優選非水介質固著溫度為90 ℃。

圖1 固著溫度對非水介質中固著織物K/S 值的影響

固著溫度對非水介質中固著織物勻染性的影響見表2。

表2 固著溫度對非水介質中固著織物勻染性的影響

由表2 可以看出，低于100 ℃時，染料的勻染性均較好，高于100 ℃時，勻染性均較差。70、80 ℃時，溫度太低不利于染料在纖維內部擴散，達不到染料固著所需溫度，織物得色較淺，但對勻染性影響不大；100、110、120 ℃時，織物上的水分迅速蒸發，溶于水的染料可能隨水分蒸發而移動，類似“泳移”，導致染色不勻，且溫度太高，染料水解加快，K/S值降低［4］。

2.1.3 固著時間

由圖2 和表3 可知，時間-K/S值曲線整體呈現先上升后趨于平衡的趨勢，3 min 時，K/S值基本達到最大值，延長時間，K/S值基本不變。這是由于固著處理3 min 即達到染料固著纖維的良好狀態。固著時間太短，染料在纖維中擴散不夠，固著在纖維上的染料相應較少。在固著時間內，固著染料尚未水解斷鍵［23］，在后續延長時間段內，K/S值基本保持不變，勻染性也基本不變。綜合考慮，優選固著時間為3 min。

圖2 固著時間對非水介質中固著織物K/S 值的影響

表3 固著時間對非水介質中固著織物勻染性的影響

2.2 染色性能比較

2.2.1 K/S值和勻染性

由圖3 和表4 可以看出，在3 種非水介質中固著3 min 后，K/S值從大到小依次為高黏度液體石蠟、低黏度液體石蠟、D5、常規汽蒸，勻染性相仿。在常規汽蒸條件下，由于蒸汽箱中熱濕度較大，與纖維以共價鍵結合的染料可能會因堿、水、溫度的共同作用發生斷鍵，固著率降低［24，19］。非水介質固著可有效減少活性染料水解，由于染料與非水介質互不相容，非水介質可推動染料上染纖維。D5 與液體石蠟均為非極性、疏水性物質，疏水性能由高到低為高黏度液體石蠟、低黏度液體石蠟、D5。D5 最外層（結構式如下）是由10 個甲基組成的疏水層結構，內部是環狀的硅-氧結構，高度對稱的分子結構使單一硅氧鍵極性相互抵消，整體顯示非極性；液體石蠟（結構式如下）則是鏈狀的碳氫化合物，無親水性基團和極性基團，在有機概念圖上的I/O值為0，與水的I/O值成90°夾角［25］，因此液體石蠟疏水性很強，且黏度越高，分子質量越大，疏水性越強。由此可知，高黏度液體石蠟與纖維表面水膜間的界面能最大，更易推動水膜中的染料分子趨向于纖維，染料分子更易從纖維表面向內部擴散，在相同堿量條件下，染料和纖維發生共價鍵結合的數量更多，固著率更高。

圖3 染料在不同固著介質中的K/S 值

表4 染料在不同固著介質中的勻染性

2.2.2 色牢度

由表5 可以看出，兩種工藝耐干摩擦色牢度均為4 級，耐濕摩擦色牢度均為3～4 級，耐皂洗色牢度均為4～5 級，表明非水介質固著工藝在保證高固著率前提下色牢度良好。

表5 兩種染色工藝的色牢度比較

3 結論

（1）棉織物的活性染料浸軋/非水介質固著軋染優化工藝：一浸一軋（軋液率90%），90 ℃固著3 min。

（2）相比常規浸軋/汽蒸固著工藝，浸軋/非水介質固著工藝能提升織物得色量和勻染性，耐皂洗、耐摩擦色牢度相仿，節水、節能優勢顯著。

（3）3 種非水介質中固著的軋染織物K/S值從大到小為高黏度液體石蠟、低黏度液體石蠟、D5。非水介質疏水性越強，越易推動親水性染料分子趨向于已溶脹的親水性纖維，獲得較高的固著率和得色量。