低分子量殼聚糖改性棉織物染色動(dòng)力學(xué)研究*

何曉霞，李竹君，梁詩(shī)敏，成少萍

（廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山528531）

殼聚糖屬于天然多糖類高分子，廣泛存在于自然界當(dāng)中。殼聚糖具有無毒、生物降解等優(yōu)良性能，在紡織、高分子科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。此外，由于殼聚糖含有大量氨基[3-4]，用其對(duì)織物改性后，織物對(duì)陰離子性染料（如活性染料、直接染料等）的親和力增大，進(jìn)而可提高染料利用率，降低染色廢水中有色物質(zhì)的濃度，緩解污水處理難度[5-7]。本課題組前期研究了高分子量殼聚糖對(duì)棉織物染色性能的影響[8]，本文根據(jù)染色動(dòng)力學(xué)理論，研究了低分子質(zhì)量殼聚糖對(duì)棉織物染色性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料、藥品及儀器

織物： 19.4 tex × 19.4 tex、268 根/10 cm ×268 根/10 cm，純棉平紋織物；

藥品： 氯化鈉和碳酸鈉均為工業(yè)品；冰乙酸（分析純，廣州化學(xué)試劑廠）；殼聚糖(5 萬分子質(zhì)量，工業(yè)品，浙江澳興生物科技)；活性黑染料（Novacron black W-NN，Huntsman）；

儀器： V-5000 型可見光光度計(jì)（上海分析儀器有限公司）；常溫小樣振蕩染色機(jī)（鶴山精湛染整設(shè)備廠有限公司）；氣壓電動(dòng)染色小軋車（鶴山精湛染整設(shè)備廠有限公司）；Data 精密分光光度測(cè)試儀（上海第三分析儀器廠）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 殼聚糖改性處理

用1%醋酸溶液溶解殼聚糖，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的殼聚糖溶液，將織物浸漬于溶液中，經(jīng)過二浸二軋(軋余率100%)，在80 ℃烘干3 min。

1.2.2 染色

將經(jīng)過殼聚糖改性處理的棉織物，用活性黑在不同的染色時(shí)間和溫度下分別進(jìn)行染色。染色工藝條件為： 活性黑用量為1% owf，碳酸鈉36 g/L，氯化鈉24 g/L，浴比1 : 30。染色后的布樣經(jīng)水洗和皂洗（皂洗劑質(zhì)量濃度2 g/L，95 ℃，皂洗10 min）。

1.3 性能測(cè)定

1.3.1 平衡上染百分率

用V-5000 型可見光光度計(jì)分別測(cè)定染料在最大吸收波長(zhǎng)處染色前后的吸光度A0、Ai，按公式（1）可算出染料的上染百分率Ct[9]：

式中：V0— 染色原液的體積，mL；

Vi— 染色殘液的體積，mL。

再由維克斯塔夫雙曲線吸收方程（2）[10]，求出該染料的平衡上染百分率C∞：

式中：t— 染色時(shí)間，min；

T— 染色溫度，K。

1.3.2 擴(kuò)散系數(shù)

根據(jù)希爾公式（3）可求得表觀擴(kuò)散系數(shù)D[11-12]

式中：d— 纖維直徑，m（本文中d≈1.0×10-5m）。

1.3.3 色度參數(shù)值及K/S 值

利用Data 精密分光光度儀測(cè)試布樣的色度參數(shù)值及K/S 值（D65 光源，10o 視場(chǎng)）。

2 結(jié)果與討論

2.1 平衡上染百分率

用活性黑染料在改性染色和常規(guī)染色中的對(duì)t-1作圖（圖1 和圖2），根據(jù)維克斯塔夫雙曲線吸收方程（2），作擬合曲線，可得各直線在y軸上的截距C∞-1，從而求出該染料在不同溫度下的平衡上染百分率C∞，如圖3 所示。

從圖1 和圖2 知，Ct-1與t-1基本成線性關(guān)系，經(jīng)殼聚糖改性前后棉織物染色都符合維克斯塔夫雙曲線方程，進(jìn)而可求出C∞。由圖3 知，在改性染色中，隨著染色溫度的上升，染料的平衡上染百分率呈下降的趨勢(shì)；與未改性染色棉織物對(duì)比，經(jīng)殼聚糖改性棉織物的平衡上染百分率在不同的染色溫度都有不同程度的提高，對(duì)應(yīng)323 K 到353 K 分別提高了3.12%到7.89%?？梢?，殼聚糖改性可提高活性染料的平衡上染百分率，進(jìn)而提高染料的利用率。

圖1 在改性染色中Ct-1 對(duì)t-1 的關(guān)系圖

圖2 在常規(guī)染色中Ct-1 對(duì)t-1 的關(guān)系圖

圖3 平衡上染率C∞與染色溫度T 的關(guān)系

2.2 擴(kuò)散系數(shù)

由圖1 和圖2 可得到Ct/C∞，代入希爾公式（3）求得擴(kuò)散系數(shù)Di，如表1 所示。

表1 為不同溫度下不同染色時(shí)間染料在織物的表觀擴(kuò)散系數(shù)。從表1 知，相對(duì)未處理棉織物，經(jīng)殼聚糖改性棉織物的表觀擴(kuò)散系數(shù)總體上有所增大，平均可至少提高了8.2%，說明殼聚糖改性有利于染料在棉織物內(nèi)部的擴(kuò)散，能夠加快染料的上染。另由表1 也可得，隨著染色時(shí)間的增加，染料在棉織物上的擴(kuò)散系數(shù)呈下降趨勢(shì)，這表明，在染色初始階段殼聚糖改性對(duì)活性黑染料的促染作用更加明顯。

表1 不同溫度下不同染色時(shí)間染料在織物的表觀擴(kuò)散系數(shù)Di

2.3 擴(kuò)散活化能

將表1 中的擴(kuò)散系數(shù)Di對(duì)應(yīng)的同一染色溫度在不同染色時(shí)間范圍內(nèi)取平均值DT[13]，根據(jù)Arrhenius 方程[14-15]，以InDT對(duì)T-1作圖，如圖4 所示。由圖4 知，InDT與T-1基本成線性關(guān)系。

圖4 InDT 對(duì)T-1 的擬合曲線圖

由圖4 知，在殼聚糖改性染色中，斜率-E改/(R×1000)=-0.457，代入氣體常數(shù)R (8.314 J/mol·K)，求得E改= 3.80 kJ/mol，即該活性黑在改性染色過程向棉織物擴(kuò)散的活化能為3.31 kJ/mol；同理，在未改性染色中，斜率-E未/ (R ×1000)=-0.945，求得到E未= 7.43 kJ/mol?？梢?，相比常規(guī)染色，活性黑在改性染色過程的活化能大幅度下降，降低了約48.9%。上述結(jié)果表明，在改性棉織物中的活性黑染色能阻比在常規(guī)染色中的小，即染料更容易擴(kuò)散上染[16]。

2.4 色度參數(shù)值及K/S 值

為了研究殼聚糖改性對(duì)棉織物染色深度和色相的影響，分別測(cè)試了染色棉織物的色度參數(shù)值和K/S 值，由表2 知，改性棉的K/S 值比未改性棉的大，表明改性棉的得色深度比未改性棉的深。兩者的色相角(h 值)都在273 左右，表明殼聚糖改性對(duì)色相角也影響不大。即殼聚糖改性可提高活性黑染料在棉織物上的得色量，而對(duì)染色織物的色相影響較小。

表2 改性和未改性棉染色色度參數(shù)值及K/S 值

3 結(jié)論

本文研究了低分子量殼聚糖改性對(duì)棉織物在活性黑中染色性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：

(1)殼聚糖改性處理有利于提高棉織物的平衡上染百分率，可提高達(dá)7.89%；

(2)經(jīng)過殼聚糖改性后，活性黑在棉織物上的擴(kuò)散系數(shù)得到提高（平均可至少提高了8.2%），而擴(kuò)散活化能降低了約48.9%，表明殼聚糖對(duì)活性黑染料的上染有促進(jìn)作用，而在染色初始階段的促染效果最明顯；

(3)改性棉織物的K/S 值增大，而h 值基本保持不變，可見殼聚糖改性可提高活性黑的染色性能，增深效果明顯，但對(duì)色相影響不大。

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