錦綸纖維酸性染料染色動力學對比研究

郝新敏，李岳玲，，王建明，郭亞飛，楊 元

(1.總后勤部軍需裝備研究所，北京 100082;2.北京服裝學院，北京 100029;3.優纖科技(丹東)有限公司，遼寧丹東 118000)

錦綸是現代工業最重要的材料之一，具有強力高、耐磨性好、懸垂性好、透氣吸濕等優點，是一種高附加值的纖維［1］。目前應用最普遍的是錦綸6和錦綸66，但是它們的原材料主要依賴于石油化工產品。就目前經濟和環境方面來看，用生物質資源來代替化工原料是大家主要關心的一個問題［2］，而生物基錦綸56其單體由生物法制備［3－5］，與錦綸6和錦綸66相比，在原料來源上具有很大的優勢。通過前期測試得知，錦綸56熱穩定性較好。

錦綸通常采用酸性染料進行染色［6］，也可采用中性(1∶2型金屬絡合染料)、分散和活性染料進行染色。本文主要通過酸性藍NHFS對錦綸56、錦綸6、錦綸663種纖維的染色動力學數據進行比較，從而為制定錦綸56合理的染色工藝奠定基礎。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器

長絲:166 dtex/72 f PA56長絲(總后勤部軍需裝備研究所);233 dtex PA6長絲(廣東新會美達錦綸股份有限公司);110 dtex/34 f PA66長絲(遼寧銀珠化紡集團有限公司)。染料:酸性藍NHFS。

儀器:XH-KG55B染色機電腦(佛山市航星自動化設備有限公司);JA2003精密電子天平(精確至0.0001);721分光光度計(上海第三分析儀器廠);烘箱;FE20 pH值計(梅特勒-托利多儀器有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 纖維半徑的測定

錦綸纖維的橫截面基本是圓形，平均半徑r可由下式［7］求得:

式中:T為纖維分特數;ρ為纖維平均密度;r為半徑。

1.2.2 上染百分率的測定方法

用721型分光光度計分別測定染前染液的吸光度A0、不同時間下染色殘液的吸光度Ai，則各個時間的染料上染百分率Ct可由下式［8］計算:

式中:Ct為上染百分率;A0為染前染液的吸光度;Ai為染色殘液的吸光度。

1.2.3 擴散系數計算

根據維克塔夫雙曲線吸收方程

式中:K為常數;t為時間;C∞為平衡上染百分率;Ct為時間為t時的上染百分率。

上式經一系列變形可得一直線:

1/Ct對1/t作圖可得到一條直線，此直線在y軸上的截距即為1/C∞，進而求得C∞。

由 Ct/C∞值，查表［9］可得 Dit/r2(r為纖維的平均半徑)之值，進而求出Di，即t時間染料的擴散系數。將某溫度下不同時間的Di值作平均值，得該溫度下的平均擴散系數D。

1.2.4 染色速率常數和半染時間

由初始吸光度A0、t時間的吸光度At和染后殘液吸光度Af，通過下式［10］可計算染色速率常數k:

式中:At為t時間的吸光度;Af為染后殘液吸光度;A0為染前染液吸光度，k為染色速率常數;t為時間。

根據染色速率常數可計算出半染時間:

式中:t1/2為半染時間;k為染色速率常數。

2 結果與討論

2.1 動力學結果分析

2.1.1 上染速率曲線的繪制

配制5.0 g/L的酸性藍NHFS標準溶液，按照表1所示參數配制一系列相同濃度的染浴，調節染浴的pH值為3.64，然后于恒溫(80、90℃、100℃)條件下放入錦綸纖維(PA6、PA66、PA56)，開始計時染色。根據表中的時間依次取出纖維。最后分別測染色前后染液的吸光度，計算上染百分率，做出3種纖維在不同情況下的上染速率曲線，如圖1所示。

表1 錦綸長絲的動力學實驗Tab.1 Kinetic experiments of acid blue NHFS

圖1中上染速率曲線提供了在一定染色條件下染料吸附速率的完整描述。曲線的斜率反映了染料在纖維上的上染速率。從圖中可看出，在上染初期(10 min內)纖維上染料濃度隨時間的增長變化較快，隨著時間的繼續增長，上染濃度變化越來越慢，最后纖維上的染料濃度不再隨染液濃度而增加，即達到了染色平衡。

圖1 不同溫度下酸性藍NHFS在3種纖維的上染速率曲線Fig.1 Dyeing rate curves of acid blue NHFS on three fibers

從圖1還可看出:80℃染色時，生物基錦綸56需要20 min達到平衡，錦綸6和錦綸66需90 min才能達到平衡;90℃染色時，錦綸56需10 min達到平衡，錦綸6和錦綸66需60 min才能達到平衡;100℃染色時，錦綸56需5 min達到平衡，而錦綸6和錦綸66需50 min才能達到平衡。在相同的染色溫度下，染色時間相同時，錦綸56的上染百分率明顯的高于錦綸6和錦綸66。其主要原因為:錦綸56的結晶度低于錦綸6和錦綸66，而染色時染料主要進入纖維的無定形區;錦綸56的直徑最小，即比表面積最小，使其更易上染;錦綸56的分子質量較小，相同質量的錦綸56和錦綸6、錦綸66，錦綸56所含的氨基數量最多更易上染。

2.1.2 擴散系數

計算擴散系數首先需要知道纖維的規格及物理指標，之后根據Ct/C∞與Dit/a2的對應關系表，計算出某一時刻t所對應的擴散系數D。錦綸長絲的半徑可通過計算得到(見表2)，也可通過SEM觀察得到(見圖2)。

表2 錦綸長絲的半徑Tab.2 Radius of polyamide filaments

從圖2可以看出:生物基錦綸56的半徑為0.80×10－5m，錦綸6的半徑為1.35×10－5m，錦綸66的半徑為0.95×10－5m，與表2計算得到的數據一致。

3種錦綸纖維在不同實驗溫度下的平均擴散系數如圖3所示。從圖可看出，在相同的染色溫度下，錦綸56的擴散系數明顯高于錦綸6和錦綸66，其原因見2.1.1。

2.1.3 染色速率常數和半染時間

表3示出3種錦綸纖維在不同染色溫度下的染色速率曲線和半染時間。

圖2 3種纖維的SEM照片(×1500)Fig.2 SEM image of three fibers(×1500).(a)Cross section of polyamide 56;(b)Cross section of polyamide 6;(c)Cross section of polyamide 66

圖3 3種纖維的平均擴散系數Fig.3 Average diffusion coefficient of three fibers

表3 錦綸的染色速率常數和半染時間數據Tab.3 Data of dyeing rate constants and half dyeing time of polyamide

比較表3中的數據可看出:3種錦綸纖維的染色速率常數隨染色溫度的升高逐漸增大，半染時間隨溫度的升高逐漸減小;在相同的染色溫度下錦綸56的染色速率常數明顯高于錦綸6和錦綸66，且錦綸56的半染時間明顯小于錦綸6和錦綸66，其原因見2.1.1。

表4示出3種錦綸纖維在不同的染色溫度下，在各自對應的半染時間下染色后的K/S值。

表4 錦綸纖維的K/S值Tab.4 K/S values of polyamide fibers

從表4可看出:3種錦綸纖維在相同的染色溫度下，于各自的半染時間染色后，錦綸56染色后的K/S值明顯高于錦綸6、錦綸66;溫度升高對錦綸56 K/S值的影響較小;從不同染色溫度下錦綸66染色后的K/S值可看出，溫度升高，K/S值明顯的增大，說明溫度對其影響較大。

3 結論

1)在相同的染色溫度下，染色時間相同時，錦綸56的上染百分率明顯的高于錦綸6和錦綸66。

2)在相同的染色溫度下，錦綸56的擴散系數明顯高于錦綸6和錦綸66。

3)在相同的染色溫度下，生物基錦綸56的染色速率常數均高于錦綸6和錦綸66，且半染時間最短。

4)在相同染色溫度下，于各自所對應的半染時間進行染色后，錦綸56的K/S值明顯高于錦綸6、錦綸66;溫度升高對錦綸56 K/S值的影響較小;從不同染色溫度下錦綸66染色后的K/S值可看出，溫度升高，K/S值明顯的增大，說明溫度對其影響較大。

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