酸性染料D5介質對蠶絲織物的染色工藝研究

蒲冬潔，繆華麗，陳雅君，劉今強

(浙江理工大學a.材料與紡織學院;b.生態染整技術教育部工程研究中心;c.先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室，杭州310018)

十甲基環五硅氧烷(Decame thylcyclo pentasiloxane，簡稱D5)是一種無色無嗅易揮發無油性的液體環狀硅氧烷，可以作為基礎物質或者載體，化學結構如圖1所示[1-3]。研究表明，90%的D5會在使用中或者使用后逸散進入大氣，且很快分解成對環境無害的物質，目前已被廣泛用在化妝品和人體護理產品中[4-5]，并且在干洗領域作為洗滌介質得到應用[5]。

圖1 D5的化學結構Fig.1 Chemicalstructure of D5

近年來，繆華麗等[6-7]報道了活性染料、分散染料以D5為介質的染色技術研究，認為D5作為介質的染色，節水節能，減少污染，具有明顯的優點。本研究用D5為介質，進行了D5中酸性染料對蠶絲纖維染色的試驗。

傳統的蠶絲酸性染料染色工藝以水為介質，整個過程中產生大量染色廢水，對環境造成污染。采用D5染色技術，可顯著減少染色用水，達到有效減少廢水排放量、降低污染的目標。D5與水不相容，且易于回收。本試驗對染色中各種因素進行分析，并優化工藝參數，以期初步建立蠶絲的酸性染料/D5染色體系，開發新的染色技術。

1 試驗

1.1 材料與儀器

材料:真絲織物02雙縐(平方米質量65.72g/m2，浙江華泰絲綢有限公司)，弱酸性紅RS(成品染料，德國巴斯夫公司)，D5(工業級，GE Toshiba Silicones公司)，冰醋酸(分析純，杭州高晶精細化工有限公司)，去離子水。

儀器:RY-25016III型高溫高壓紅外染色機(杭州三錦科技有限公司)，Datacolor SF 600X電腦測色配色儀(美國 Datacolor公司)，AB104-N型分析天平(梅特勒—托利多上海有限公司)，22PC型紫外可見光分光光度計(上海棱光技術有限公司)，DSHZ-300A型旋轉式恒溫振蕩器(太倉市實驗設備廠)，QM-ISPO4型行星式球磨機(南京大學儀器廠)。

1.2 方 法

1.2.1 酸性染料/D5懸浮體系

酸性染料/D5懸浮體系的制備工藝:向球磨罐中加入弱酸性紅RS(1g)、D5介質(20mL)、分散劑油酸(15%，相對染料質量)、球磨珠(90g)，置于行星式球磨機中進行球磨，球磨速度600 r/min，球磨3 h，得高濃度酸性染料/D5懸浮漿;將球磨所得高濃度酸性染料/D5懸浮漿轉移至250 mL容量瓶，加D5介質進行定容，攪拌、搖勻形成染料/D5懸浮體系。

以D5代替傳統的水為介質進行非水介質染色。染色絲綢試樣質量(0.5g±0.01g)，浸軋清水，以一定帶液率入染，控制染料相對織物質量分數為2%，浴比(織物質量∶D5質量)為1︰10～1︰60，不加任何助劑，按圖2所示流程進行染色。染色時，染料通過與織物的頻繁碰撞而逐漸溶解于織物表面的水膜中而在纖維上發生吸附，進而通過擴散滲透完成上染過程[8]。

圖2 D5染色基本工藝流程Fig.2 Basic technological process of dyeing with D5

固色條件:固色劑(實驗室提供)4g/L，醋酸1mL/L，溫度60 ℃，時間10min，浴比1︰50。

1.2.2 常規水浴染色

為了對比，試驗中也同時進行常規水浴的染色實驗，其工藝條件和流程如圖3所示。

圖3 傳統水浴染色基本工藝流程Fig.3 Basic technological process of traditional dyeing with water bath

傳統酸性染料染色條件為:蠶絲織物0.5g，染料相對于織物質量分數2%，溫度90℃，保溫時間60min，36% 醋酸1mL/L，浴比1︰30，固色處理，水洗，晾干。

1.3 染色工藝的優選

1.3.1 帶液率的優選

懸浮體系染色時，織物須預先浸軋清水，這是本染色方法成功的關鍵。試驗采用浸軋方式，通過對織物稱重和調整壓輥壓力的方法，來獲得不同的帶液率。

選擇不同帶液率(100%、120%、140%、160%、180%、200%、220%、240%)進行染色，其他工藝參數初步定為:染料相對于織物質量分數2%、溫度90℃、保溫時間30min、浴比(對D5)1︰40，以染色后織物的勻染性和K/S值作為評價指標，優選出合適的帶液率。

1.3.2 染色保溫時間t、溫度T的優選

在1.3.1所優選出的帶液率的基礎上，選擇不同保溫時間(10、20、30、40、50、60 min)、不同染色溫度(60、70、80、90、100 ℃)進行染色，以染色后織物的勻染性和K/S值作為評價指標，優選出合適的保溫時間、溫度。

1.3.3 浴比的優選

在1.3.1、1.3.2 所優選出的帶液率、染色保溫時間、溫度的基礎上，選擇不同浴比(1︰10、1︰20、1︰30、1︰40、1︰50、1︰60)進行染色，以染色后織物的勻染性和K/S值作為評價指標，優選出合適的浴比。

染色工藝確定后，對織物選擇不同質量分數(1%～6%)的染料在紅外染色機中進行染色。

1.4 染色性能測試

1.4.1 上染率的測定

分別測定D5染色及常規水浴染色染色前后染液的吸光度，其中D5染色殘液中的染料用去離子水萃取，定容后測量其吸光度。根據式(1)計算上染率。

式中:A0為染色前染液的吸光度;A1為染色后殘液的吸光度。

1.4.2 K/S 值的測定

用Datacolor SF 600X電腦測色配色儀測試織物的K/S值。使用測配色儀時，采用D65光源，10°視角，織物折成4層進行測試，試樣至少測4次求平均值。

1.4.3 勻染性的測定

染色品勻染性通過人眼在D65光源下直接觀察測定，并對勻染性進行評級。

1.4.4 色牢度的測定

摩擦色牢度按GB/T 3920—1997《紡織品 色牢度試驗 耐摩擦色牢度》測定;耐洗色牢度按GB/T 3921.3—1997《紡織品 色牢度試驗 耐洗色牢度:試驗1》測定。

2 結果與討論

2.1 帶液率對染色試樣K/S值和勻染性的影響

采用1.3.1中所述方法，對具有不同的帶液率的試樣進行染色試驗，測定所染布樣的K/S值及染色均勻性，結果見圖4和表1。

圖4 帶液率對D5染色真絲織物K/S值的影響Fig.4 Effect of liquid rate on K/S value ofsilk fabrics dyed with D5

表1 帶液率對D5染色真絲織物勻染性的影響Tab.1 Effect of liquid rate on levelling property ofsilk fabrics dyed with D5

從圖4數據和表1結果可以看出，隨著帶液率的增大，織物K/S值逐漸增大，勻染性提高;帶液率達到160% 時，K/S值和染色勻染情況都趨于穩定，隨著帶液率的增加，K/S值基本不再增加，染色均勻性已經很好。分析表明，在D5染色體系中，帶液率對K/S值的影響較小，而對勻染性則有重要意義。帶液率越高，勻染性越好，但綜合考慮勻染性和K/S值，并盡量減少水的用量，將最佳帶液率確定為160%。

2.2 染色時間對染色試樣K/S值的影響

采用1.2中所述方法，選擇不同染色時間對試樣進行染色實驗，其他相同染色條件為:帶液率160%，浴比1︰40，染料質量分數2%，染色溫度90℃;測定所染布樣的K/S值，結果見圖5。

圖5 染色時間對D5染色真絲織物K/S值的影響Fig.5 Effect of dyeing time on K/S value ofsilk fabrics dyed with D5

從圖5可以看出，在其他染色條件相同情況下，真絲織物染色樣的K/S值隨染色時間的延長而增大，染色保溫時間達到30 min后，K/S值基本保持穩定。本試驗中，織物入染時會帶入少量的水，由于水與D5不相容，故會在織物表面形成一層薄薄的水膜;酸性染料為水溶性染料，幾乎不溶解于D5，故在染液循環過程中，懸浮體系中的染料顆粒不斷與織物發生碰撞，每次碰撞都有單分子染料脫離染料顆粒而溶解進入織物表面的水膜中，最終，絕大多數的染料都會從D5中轉移到織物表面。這種染料從D5介質向織物表面水膜的運動是單向的(類似于萃取過程)，也是此染色方法在不加醋酸情況下就可以獲得很高上染率的關鍵。當染料溶解于織物表面的水膜后，通過擴散滲透，上染蠶絲纖維，此階段上染機理與水浴相同。綜合考慮染色效率和K/S值，染色保溫時間選30min為佳。

2.3 染色溫度對染色試樣K/S值的影響

采用1.2中所述方法，選擇不同染色溫度對試樣進行染色試驗，其他相同染色條件為:帶液率160%，浴比 1︰40，染料質量分數 2%，染色時間30min;測定所染布樣的K/S值，結果見圖6。

圖6 染色溫度對D5染色真絲織物K/S值的影響Fig.6 Effect of dyeing temperature on K/S value ofsilk fabrics dyed with D5

由圖6可知，染色初始階段，所染布樣的K/S值隨染色溫度的升高而逐漸增大;但達到一定溫度后K/S值有所降低，這可能是因為溫度較高時，水分子運動加劇，少量的水從織物表面脫離進入到懸浮體系中，同時將少量的染料帶離織物表面，使染料利用率下降，宏觀表現為染色楊K/S值稍有降低。而且100℃下溫度過高，長時間染色會使蠶絲受損傷，影響絲綢的光澤。綜上所述，染色溫度應選為90℃左右。

2.4 浴比對染色試樣勻染性的影響

采用1.3.3中所述方法，選擇不同浴比對試樣進行染色試驗，其他染色條件為:帶液率160%，染料質量分數2%，染色時間30 min，染色溫度90℃;在只改變浴比的情況下，染色織物勻染性與染色溫度的關系，評價所染布樣的勻染性，結果見表2。

表2 浴比對D5染色真絲織物勻染性的影響Tab.2 Effect of bath ratio on levelling property ofsilk fabrics dyed with D5

由表2可以看出，當浴比小于1︰40時，染色試樣勻染性不高，浴比大于1︰40時，試樣勻染情況顯著改善。在本研究中，染色介質為D5，浴比直接由織物和D5的量決定。由于蠶絲織物質地輕薄，當染色浴比過小時，染液不易將被染織物均勻浸沒，在染液循環過程中部分織物會漂浮在染液液面上，造成染料吸附速率或上染速率不均勻，導致染色不勻。綜合考慮勻染性等因素，將最佳染色浴比確定為1︰40。

2.5 D5染色和常規水浴染色的比較

2.5.1 不同染料質量分數、上染率的比較

為更全面地了解懸浮體系染色這種全新的染色方法，在優選的最佳工藝基礎上，對織物選擇不同染料質量分數(1% ～6%，相對于織物)在紅外染色機中進行染色，并與常規水浴染色加以比較，結果如圖7所示。

圖7 D5染色、常規水浴染色上染百分率和染色K/S值的比較Fig.7 Comparison of dye uptake and K/S value of dyeing with D5 and conventional dyeing with water bath

從圖7可以看出，不同染料濃度下，D5染色與傳統水浴染色染料的上染百分率均很高，且兩者總體相差很小。以上結果說明，以D5為介質的弱酸性染料在不加醋酸的情況下對真絲染色30 min的染色效果已基本達到常規水浴加醋酸染色60min的染色效果。D5染色優勢在于實現了酸性染料的少水染色，并且在不加醋酸的條件下就達到了傳統水浴染色添加醋酸時的上染率(醋酸起促染作用)。

試驗結果還表明，在較高染料濃度染色時，相比于常規水浴染色，D5染色中染料利用率更大，上染百分率也更高，更有優勢。這是因為D5染色過程中，染料從D5介質向織物表面水膜的運動是單向的，染料在D5與水中并不存在分配關系，無分配平衡問題，這是此染色方法在不加醋酸情況下就可以獲得很高上染率的關鍵;而常規水浴染色則存在染料在介質(水)與纖維之間的分配問題，致使高染料濃度時，染料利用率降低，殘留染料量增加。

2.5.2 染色試樣的K/S值比較

由圖7可以看出，D5染色、常規水浴染色所染織物K/S值均隨著染料濃度的增加而增大，而且K/S值相差很小，基本一致。以上結果說明，以D5為介質的弱酸性染料對真絲織物染色30min的染色效果已基本達到常規水浴染色60min的染色效果。

2.6 染色試樣色牢度評價

將D5染色與常規水浴染色織物干、濕摩擦色牢度、耐水洗色牢度比較，結果如表3所示。

表3 D5染色與常規水浴染色織物干、濕摩擦色牢度、耐水洗色牢度比較Tab.3 Comparison of color fastness to dry friction，wet friction and washing of fabrics dyed with D5 and conventional water bath

表3表明，在染料濃度、固色處理條件相同的情況下，D5染色織物各項牢度均較好，與常規水浴染色效果相差不大。說明，以D5為介質的弱酸性染料在不加醋酸的條件下對真絲染色30min的染色效果已基本達到常規水浴加醋酸染色60min的染色效果。此外，D5染色體系染色過程中用水量非常少，極大地節約了水資源，減少了廢液排放，且D5可以循環使用，因此D5非水介質染色更為環保，具有很大的發展潛力。

3 結論

1)采用十甲基環五硅氧烷(D5)代替水作為染色介質對蠶絲纖維進行弱酸性染料染色，在不加醋酸的條件下保溫30min的染色效果已基本達到常規水浴加醋酸染色60 min的染色效果;較高染料濃度染色時，D5染色對染料的利用率更高，即獲得相同的上染百分率D5染色而節約染料用量。

2)D5染色體系中，織物只需以一定的帶液率入染，節約了大量水資源，并極大地降低了污水排放。

3)縮短了染色保溫時間，在一定程度上提高了染色效率，并降低了能耗，符合生態染整節能減排的要求。

4)前期試驗優化的D5染色體系工藝為:弱酸性染料相對于織物質量分數2%，浴比1︰40，帶液率160%，溫度90℃，染色時間30min。

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