滌綸以D5為介質的分散染料常壓高溫無水染色工藝研究

吳 浩, 劉今強

(浙江理工大學, a. 材料與紡織學院; b. 先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室, 杭州 310018)

滌綸以D5為介質的分散染料常壓高溫無水染色工藝研究

吳 浩a,b, 劉今強a,b

(浙江理工大學, a. 材料與紡織學院; b. 先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室, 杭州 310018)

基于D5沸點高的性質,以其作為介質進行分散染料染色時,無需高壓設備即可實現高溫染色,文章對此進行了研究。選取分散藍183與分散紅玉167兩種純染料,通過單因素及正交實驗得到最佳染色工藝為,分散藍183:染料用量0.8%(owf),浴比1∶10,膨化劑X相對D5用量5.0%,染色溫度150℃,恒溫時間45 min;分散紅玉167:染料用量0.8%(owf),浴比1∶10,膨化劑X相對D5用量5.0%,染色溫度150℃,恒溫時間60 min。在此工藝下,常壓條件下即可獲得超過常規水浴的染色效果。結果表明該染色方法可行,染色過程基本不用水、無需添加任何分散劑,達到減排、綠色環保的目的。

D5; 常壓高溫; 分散染料; 滌綸; 染色工藝

0 引 言

分散染料的水浴染色通常在高溫高壓下進行,染色過程中需要加入大量的分散劑,分散劑隨染色廢水排出造成很大的環境污染,同時高溫高壓染色耗水量大,直接導致廢水排放量的增加;該方法對設備的要求比較高,需要壓力設備方能達到所需要的染色高溫,從而帶來的設備投資比較大[1-2]。

為了解決常規水浴染色方法所存在的種種問題,人們對非水介質染色進行了大量的探索,如超臨界CO2流體染色,有機溶劑染色及真空升華染色等,但是這些染色方法在實際應用中都存在一些弊端和自身的局限性,如超臨界CO2流體染色對設備的要求比較高,染色過程中,很難控制染色工藝的操作,同時使用中存在一定的安全問題;有機溶劑染色存在上染率低、回收困難、費用高、有毒性,對防火、染料要求較高等一系列問題;真空升華染色方法染料品種少、升華速度難以控制、設備污染嚴重、設備要求高[3-6]。因此,這些染色方法在實際的工業生產中受到各方面的限制,從而無法得到廣泛有效的應用。

近年來,以D5為介質的染色技術研究引起了人們的關注。D5(十甲基環五硅氧烷)是一種環狀硅氧烷,基本理化性質為:外觀無色、無油性液體,無味易揮發,有較高的沸點(210℃)[7],且對人體和環境無毒無害。因此,D5在健康和美容產品中有較多的應用[8-9]。近年來,D5作為一種對生態友好的并具有獨特性質的物質,在干洗領域得到了成功應用,在生態染整領域的應用研究也取得了進展。D5作為染色介質在活性染料染棉、酸性染料染蠶絲、陽離子染料染腈綸和分散染料染滌綸等非水染色研究中,取得了一系列成果,體現了其在非水染色工藝中取代傳統水介質的潛力和優勢[10-13]。

李深正等[14]在分散染料染色研究中,以D5作為染色介質,應用不含分散劑的的純分散染料,探索出一種新的滌綸非水介質染色方法,通過初步的實驗,明確了滌綸纖維以D5為介質的染色方法的可行性,確立了基本的染色工藝。但是,此研究結果中,由于滌綸纖維以D5為介質的分散染料染色工藝溫度在120～130℃,該溫度下并沒有使滌綸纖維在D5中得到充分的膨化,使纖維大分子鏈發生充分的轉動,從而該方法僅能達到與傳統高溫高壓水浴染色相近的染色效果,并且對于在常壓高溫(130℃～160℃)條件下D5介質的染色效果尚未進行系統探究。

因此,本文以D5代替水為染色介質,在滌綸纖維以D5為介質染色方法可行的基礎上,基于D5沸點高的性質,在常壓高溫(130℃～160℃)條件下探究分散染料對滌綸的染色工藝。本文采用通過重結晶法[15]得到的分散藍183與分散紅玉167兩種純分散染料,對影響染色效果主要因素進行進一步優化,得到該工藝最佳染色條件,并與常規水浴染色效果進行比較,以實現進一步提高以D5為介質的分散染料染色效果,同時達到節水減排,降低設備要求的目的,進一步完善以D5為介質的分散染料染色體系。

1 試 驗

1.1 實驗材料與儀器

實驗材料:純滌綸機織物(經密94根/5 cm,緯密80根/5 cm,線密度為35 tex);十甲基環五硅氧烷(D5)(工業級),DMF(分析純),丙酮(分析純),無水碳酸鈉(分析純),保險粉(分析純)。

實驗儀器:RY-25016III紅外染色機(杭州三錦科技有限公司),DHG-9410A電熱恒溫鼓風干燥箱(上海一恒科技有限公司),22PC分光光度計(上海棱光技術有限公司),SF600X計算機測色配色儀(美國Datecolor公司),Y751L染色摩擦牢度儀(浙江溫州紡織儀器廠),AB104-N分析天平(梅特勒-托利多上海有限公司),YG026HInstron電子織物強力機(美國Instron公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 分散染料的提純

稱取分散染料10.0 g,放入濾紙斗,放入脂肪萃取器內,加入丙酮100 mL,萃取4 h,將所得萃取液靜置過夜,使萃取液內染料結晶。然后將萃取液過濾,再將濾餅用少量蒸餾水洗滌數次,將所得濾餅在真空干燥器內以15℃干燥,將所得純分散染料用于染色。

1.2.2 繪制純分散染料標準曲線的方法

以DMF為溶劑,分別配置一定濃度的純分散藍183及純分散紅玉167各100 mL于容量瓶中,然后每次取1 mL溶液,各取8次,每次將取出的分散染料溶液稀釋到不同的倍數并依次標號1至8，在分光光度計上測定最大吸收波長下的吸光度，繪制濃度—吸光度標準曲線。

1.2.3 以D5為介質的染色基本工藝條件及工藝 流程

染色基本工藝條件:織物1.0 g,分散染料0.8%(owf),染色溫度130～160℃,浴比1∶10～1∶20,恒溫時間40～60 min。

染色工藝流程如圖1所示。

1.2.4 染料吸附量的測定

采用DMF剝色法,即對染色后的布樣,還原清洗、烘干后,稱取1.000 0 g,置于一定量的DMF溶液不銹鋼染杯中,于紅外染色機中在溫度為120℃中充分剝色40 min,將剝色后染料溶液用DMF稀釋定容,然后測試定容后的染液的吸光度,根據吸光度值換算染液中染料的質量,該質量即為單位纖維的染料吸附量值。

1.2.5 測定K/S值

對染色后的織物進行表觀色深度的測定,即K/S值。測試儀器為測色配色儀;測試條件為D65光源,10°視角。為減小誤差,對染色織物進行4次測試,對測試結果取平均值。

1.3 織物強力及色牢度的測試

染色織物斷裂強力測試:參照GB/T 3923.1—1997《紡織品 織物拉伸性能 第1部分》標準方法進行測試。

染色織物色牢度測試:干濕摩擦牢度參照GB/T 3920—1997《紡織品 色牢度試驗 耐摩擦色牢度》測定;皂洗牢度參照GB/T 3921.3—1997《紡織品 色牢度試驗 耐洗色牢度:試驗3》所示標準方法進行測試。

2 結果與討論

2.1 純分散染料的標準曲線繪制

對1到8號溶液分別進行紫外可見光吸收測試,其中純分散藍183與純分散紅玉167吸收波長分別為590、522 nm。以縱坐標(染料濃度換算得到的染料質量)——橫坐標(最大吸收波長處的吸光度)作圖便得到染料標準曲線,結果如圖2、圖3所示。

2.2 染色助劑的影響

在前期實驗中發現純D5中的染色效果并不理想,因此在染色過程中加入一些助劑進行試驗,本文選擇冰醋酸、丙酮、分散劑NNO、膨化劑X(自制)、有機硅表面活性劑(KY-1216七甲基三硅氧烷)幾種助劑進行試驗,并與純D5染色效果進行比較,其中染色條件為:織物1.0 g,分散染料0.8%(owf)，溫度130℃,浴比1∶20,試劑用量0.4 mL,恒溫時間60 min，結果如圖4所示。

由圖4所示結果可知,常壓高溫下以D5為介質的染色體系中,加入助劑后,纖維上染料的吸附量相比于純D5染色都有不同程度的提高,其中膨化劑X提高的效果最顯著。膨化劑X(自制)是一種無色、無味、無毒的小分子極性物質,其分子結構是這幾種試劑中最小的,在高溫作用下最容易進入纖維,具有很好的對纖維的增塑和膨化作用,能在染色時有效地增加和擴展滌綸纖維大分子間的瞬時空隙,使染料分子更加容易進入纖維內部,提高上染率。研究中,筆者也進行了膨化劑X與其它種類試劑的復配試驗,雖然復配助劑會進一步提高染料吸附量,然而增加幅度并不明顯,考慮到工藝成本以及染色廢液的排放問題,故選擇膨化劑X單種試劑加入更具實際意義。

2.3 膨化劑X用量的影響

在染色條件為:織物1.0 g,分散染料0.8%(owf),溫度140～150℃,浴比1∶20,恒溫時間60 min,針對純分散染料:分散紅玉167與分散藍183,不同的膨化劑X用量對其在滌綸織物以D5為介質染色效果的影響如圖5所示。

由圖5可知,針對分散藍183及分散紅玉167兩種不同染料,分別在140、145、150℃下,隨著膨化劑X用量的變化,滌綸纖維上染料的吸附量都是呈大致相同的變化趨勢,即滌綸纖維上的染料吸附量隨著D5介質中膨化劑X加入量從0.1 mL到0.5 mL范圍內逐漸增加而不斷增大,當膨化劑X用量達到0.5 mL時,隨著其用量的進一步增加,纖維上的染料吸附量基本達到平衡狀態,變化不明顯。膨化劑X的作用在于,在染色過程中對滌綸纖維產生膨化增塑作用,從而使染料分子更加容易進入纖維內部,然而過多的膨化劑X的加入并不能有效促進染料上染,因為膨化劑X本身在纖維中也會占據一定的空間位置,因此膨化劑X對染色效果的影響會呈現如圖中所示的情況。

2.4 常壓下不同溫度對染色效果的影響

在染色條件為:織物1.0 g,分散染料0.8%(owf),膨化劑X 0.5 mL，溫度130～160℃,浴比1∶20,恒溫時間60 min,針對純分散染料:分散紅玉167與分散藍183,不同的染色溫度對其在滌綸織物以D5為介質染色效果的影響如圖6所示。

由圖6可知,在130℃至160℃的溫度范圍內,分散紅玉167與分散藍183兩種染料在滌綸纖維上的吸附量都是隨溫度的升高而逐漸提高,這是由于隨著溫度的升高,滌綸纖維分子鏈的運動會加劇,從而會產生更多的瞬時分子間隙,使更多的染料分子能夠進入纖維內部。其中,分散紅玉167染色時,隨溫度的升高,在纖維上的吸附量增加幅度比較明顯,在溫度為150℃以上時,滌綸纖維上就獲得較高的吸附量,同時染料吸附量增加幅度逐漸減小,趨于平緩。而對于分散藍183,在此溫度范圍內,隨溫度升高,吸附量增加幅度相對較小,在溫度達到150℃時,滌綸纖維上染料的吸附量隨溫度的繼續升高基本達到平衡狀態。

2.5 染色浴比對染色效果的影響

在染色條件為:織物1.0 g,分散染料0.8%(owf),膨化劑X 0.5 mL，溫度140～150℃,浴比1∶10～1∶20,恒溫時間60 min,針對純分散染料:分散紅玉167與分散藍183,分別在140、145、150℃下,不同的染色浴比對其在滌綸織物以D5為介質染色效果的影響如圖7所示。

由圖7可知,對于分散藍183與分散紅玉167兩種染料,針對在同一溫度下,滌綸纖維上的染料吸附量隨著浴比的不斷減小呈現相同的變化趨勢。即對于分散藍183與分散紅玉167,在同一溫度下,隨著浴比的減小,染料在滌綸纖維上的吸附量都是呈不斷增加的趨勢。這是由于當浴比減小時,相當于增大了染液中染料的濃度,從而增大了染料在染液與纖維上的濃度差,有利于染液中的染料進入纖維內部。分別同常規水浴染色的比較中發現,兩種染料在D5介質中染色,當浴比為1∶10,溫度為150℃時,都已經可達到比常規水浴染色更高的染料吸附量。

2.6 染色恒溫時間對染色效果的影響

在染色條件為:織物1.0 g,分散染料0.8%(owf),膨化劑X 0.5 mL,溫度150℃,浴比1∶10,針對純分散染料:分散紅玉167與分散藍183,不同的染色恒溫時間對其在滌綸織物以D5為介質染色效果的影響如圖8。

由圖8可知,對于分散紅玉167與分散藍183兩種染料,當染色恒溫時間不斷增加,滌綸纖維上的染料吸附量都是呈現不斷增加的趨勢,染色恒溫時間之所以對染色效果產生影響是因為在染色過程中,染料不斷上染纖維的同時,纖維上的染料也不斷解析到染液中,整個染色是個動態過程,直到一定的時間后,染色才能達到平衡狀態。其中,分散藍183在染色恒溫時間為45 min時,滌綸纖維上染料的吸附量隨恒溫時間進一步增加趨于平緩并達到平衡狀態;分散紅玉167在染色恒溫時間為60 min時,染料在滌綸纖維上的吸附量增加減緩。

2.7 染色正交實驗

在確定作用效果較好的膨化劑X前提下,根據單因素實驗的結果分析,針對在染色過程中對染色效果及染色工藝影響作用較大的幾個因素:膨化劑X用量、染色溫度以及染色浴比進行正交實驗,染色效果以單位滌綸纖維上的染料吸附量為評價指標,系統地探究和分析染色結果,從而確定較佳的染色工藝。

分散藍183的實驗結果見表1,直觀分析表見表2。

表2是對表1分散藍183正交實驗數據進行分析得到的直觀分析表。由直觀分析表中不難發現,這三個因素對分散藍183在滌綸纖維上吸附量的影響程度由大到小的次序為:膨化劑X>浴比>溫度。由于選取的溫度范圍較小,因而相對來說溫度的影響在這幾個因素中作用相對較小,但同時說明了膨化劑X在分散藍183染色過程中對染料吸附量有比較大的影響效果,這是因為在較高的溫度下,膨化劑X將進一步促進滌綸纖維產生更大的孔隙,從而使染料分子進入纖維內部更加容易,進而提高滌綸纖維上的染料吸附量。相對于膨化劑X的作用,染色浴比也體現較大的作用效果,綜合這三個因素的總體影響效果,結合實驗數據分析結果,可確立在常壓高溫下,分散藍183最佳的染色工藝為:織物1.0 g,染料用量0.8%(owf),染色溫度150℃,浴比1∶10,膨化劑X用量0.5 mL,恒溫時間45 min。

分散紅玉167的實驗結果見表3，直觀分析表見表4。

表4是對表3分散紅玉167正交實驗數據進行分析得到的直觀分析表,由直觀分析表中可以看出,不同于分散藍183,這幾個因素對染料吸附量影響程度大小關系為:膨化劑X≈溫度>浴比。對于分散紅玉,在染色過程中,膨化劑X用量和染色溫度對于滌綸纖維上染料吸附量的影響相對于染色浴比較為明顯。說明在分散紅玉167染色過程中,溫度與膨化劑X對于滌綸纖維鏈段的運動以及纖維孔隙的增大都起著很大的作用,而染色浴比相對于這兩個因素影響作用不顯著,而較小的浴比能有效節省成本。綜合這三個因素的總體影響效果,結合實驗數據分析結果,可確立在常壓高溫下,分散紅玉167最佳的染色工藝為:織物1.0 g,染料用量0.8%(owf),染色溫度150℃,浴比1∶10,膨化劑X用量0.5 mL,恒溫時間60 min。

2.8 染色織物斷裂強力測試及色牢度測試

2.8.1 染色織物斷裂強力測試

分別對常規水浴染色、常壓高溫D5介質染色、滌綸織物原樣進行織物斷裂強力的測試,測試結果如表5所示。

由表5染色織物斷裂強力測試的結果比較可知,常壓高溫下D5介質染色后織物的斷裂強力與常規水浴染色后的織物及滌綸織物原樣的斷裂強力相差很小,由此說明常壓高溫下D5介質的染色對滌綸織物的斷裂強力影響不大,不會影響其相關機械性能。

2.8.2 染色織物色牢度測試

對常壓高溫下D5介質最佳工藝染色后布樣進行摩擦牢度及皂洗牢度測試,并與常規水浴染色布樣牢度等級進行比較,結果如表6、表7所示。

注:常規水浴染色條件為:溫度130℃,浴比1∶20,染料用量0.8%(owf),分散劑NNO用量2 g/L。

注:常規水浴染色條件為:溫度130℃,浴比1∶20,染料用量0.8%(owf),分散劑NNO用量2 g/L。

由表6及表7所示結果分析可知,常壓高溫下以D5為介質分散染料染色后滌綸織物的干、濕摩擦牢度以及皂洗牢度與常規水浴染色色牢度相近,色牢度等級均在4級以上,說明常壓高溫下以D5為介質所染色得到的織物具有較好的色牢度。

3 結 論

a) 在常壓高溫條件下,以D5為染色介質,可實現滌綸織物分散染料非水染色。

b) 常壓高溫下滌綸以D5為介質染色無需加入分散劑,對設備要求低,常壓設備即可。

c) 在D5染色體系中加入膨化劑X可很大程度提高上染率,對滌綸纖維進行膨化將有助于提高染色效果,提高染料利用率。

d) 常壓高溫下D5介質染色優化后的最佳工藝為,分散藍183:染料用量0.8%(owf),浴比1∶10,膨化劑X相對D5用量5.0%,染色溫度150℃,恒溫時間45 min;分散紅玉167:染料用量0.8%(owf),浴比1∶10,膨化劑X相對D5用量5.0%,染色溫度150℃,恒溫時間60 min。

e) 常壓高溫下以D5為介質最佳工藝染色,可獲得超過常規水浴的染色效果,不影響織物的機械性能,并且能達到與常規水浴基本一致的色牢度。

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(責任編輯： 許惠兒)

Study on Waterless Dyeing Process of Polyester with Disperse Dyesin D5 under Normal Pressure and High Temperature

WU Haoa,b, LIU Jin-qianga,b

(Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology, Ministry of Education,Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

High-temperature dyeing can be realized without high-pressure apparatus during dyeing with disperse dyes in D5 based on its property of high boiling point. This paper conducts a study on this aspect. This study uses disperse blue 183 and disperse rubine 167 pure dyes and obtains the optimal dyeing process through single factor and orthogonal test, i. e. disperse blue 183:dosage 0.8%(o.w.f), bath ratio 1∶10, swelling agent X 5.0% (o.w.D5), dyeing temperature 150℃ and time of constant temperature 60 min. A dyeing effect better than that of conventional water bath can be obtained under normal pressure with this process. The result shows that this dyeing method is feasible and it is unnecessary to use water and add any dispersant in the dyeing process. The purpose of emission reduction and green and environmental protection can be achieved.

D5; normal pressure and high temperature; disperse dyes; polyester; dyeing process

1673- 3851 (2015) 05- 0584- 07

2014-12-15

吳 浩(1989-),男,河南信陽人,碩士研究生,主要從事生態染整技術及染整污染控制方面的研究。

劉今強,E-mail:jqliu@zstu.edu.cn

TS193.638

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