二氧化硫脲還原靛藍(lán)染料工藝優(yōu)化研究

孫浪濤，張芳華，鄭高杰，魏艷超,董曉東

(1.閩南理工學(xué)院，福建石獅 362700；2.國(guó)家羊絨產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，河北石家莊 050031)

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二氧化硫脲還原靛藍(lán)染料工藝優(yōu)化研究

孫浪濤1，張芳華1，鄭高杰1，魏艷超1,董曉東2

(1.閩南理工學(xué)院，福建石獅 362700；2.國(guó)家羊絨產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，河北石家莊 050031)

介紹了常溫下靛藍(lán)染料還原工藝處方及曲線，對(duì)染料用量、強(qiáng)氧化納用量及二氧化硫脲用量進(jìn)行單因素分析，以還原后溶液的電位值為衡量指標(biāo)，通過正交試驗(yàn)確定了靛藍(lán)染料的最佳還原工藝，即染料用量為7g/L，氫氧化鈉用量15g/L，二氧化硫脲用量7g/L。

靛藍(lán)染料 二氧化硫脲 還原 工藝優(yōu)化

純棉牛仔織物染色時(shí)采用還原靛藍(lán)染料染色，其為含有多個(gè)羰基的不溶性多環(huán)芳香族化合物，當(dāng)其應(yīng)用于纖維素纖維染色時(shí)，在堿性溶液中被其還原劑還原成水溶性的氫醌體離子化的隱色體，纖維經(jīng)染色后，需經(jīng)過氧化使得隱色體變?yōu)樵瓉聿蝗苄缘娜玖瞎讨诶w維上[1-3]。而之前關(guān)于靛藍(lán)染料的還原染色法的研究主要是采用保險(xiǎn)粉-燒堿法，是在氫氧化鈉、保險(xiǎn)粉的條件下，把還原染料在染色之前還原成隱色體鈉鹽，然后進(jìn)行還原染料隱色體染色，此法的優(yōu)點(diǎn)是還原作用速率快，染色效率高，缺點(diǎn)是保險(xiǎn)粉性質(zhì)不穩(wěn)定，不易儲(chǔ)存，染色工藝流程復(fù)雜，另外染色過程中產(chǎn)生大量的含亞硫酸鈉鹽廢水，且廢水堿度較高，對(duì)環(huán)境危害大[2]。因此，采用環(huán)保型的還原劑來替代保險(xiǎn)粉進(jìn)行靛藍(lán)染料染色就顯得尤為重要。

本試驗(yàn)采用環(huán)保型的還原劑二氧化硫脲替代保險(xiǎn)粉來還原靛藍(lán)染料，二氧化硫脲無(wú)色無(wú)臭，純態(tài)性質(zhì)較保險(xiǎn)粉穩(wěn)定，既無(wú)還原性，又無(wú)氧化性，儲(chǔ)藏安全，但在堿性加熱條件下性質(zhì)活潑，顯示較強(qiáng)的還原性，分解成尿素和具有還原能力的次硫酸[3]，其反應(yīng)機(jī)理如下[4]：

NH2(:SO2)NH2→NH:(SO2H)NH2→NH2CONH2+H2SO2

H2SO2+2NaOH→Na2SO3+H2O+2[H]

選擇靛藍(lán)染料濃度、氫氧化鈉濃度及二氧化硫脲濃度作為試驗(yàn)參數(shù)，在常溫下進(jìn)行靛藍(lán)染料還原試驗(yàn)，測(cè)試還原一定時(shí)間后溶液的電位值來評(píng)判二氧化硫脲對(duì)靛藍(lán)染料的還原效果，以此來確定二氧化硫脲還原靛藍(lán)染料的最佳工藝。通過本試驗(yàn)的研究，可以為紡織、印染企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約染色成本，降低環(huán)境污染等方面提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器

藥品：靛藍(lán)染料(工業(yè)用)，氫氧化鈉(分析純，西隴化工股份有限公司)，二氧化硫脲(工業(yè)用，廣州穗欣化工有限公司)。

儀器：JA2003N電子天平(d=1mg)，八孔水浴鍋，筆式ORP-286型電位儀。

2 靛藍(lán)染料還原工藝試驗(yàn)

2.1 還原工藝曲線

二氧化硫脲還原靛藍(lán)染料的還原工藝曲線如圖1所示。

圖1 靛藍(lán)染料還原工藝曲線

2.2 還原工藝處方

2.2.1 染料用量對(duì)還原試驗(yàn)的影響

按照?qǐng)D1所示工藝曲線，依次加入染料、氫氧化鈉、二氧化硫脲。在氫氧化鈉濃度為10g/L，二氧化硫脲濃度為10g/L的條件下，分別加入染料的濃度為1g/L、2g/L、4g/L、7g/L、10 g/L、15g/L、20g/L，還原30min后測(cè)試溶液的電位值。

2.2.2 氫氧化鈉用量對(duì)還原試驗(yàn)的影響

按照?qǐng)D1所示工藝曲線，依次加入染料、氫氧化鈉、二氧化硫脲。在染料濃度為4g/L，二氧化硫脲濃度為10g/L的條件下，分別加入氫氧化鈉的濃度為1g/L、3g/L、5g/L、7g/L、10g/L、15g/L、25g/L，還原30min后測(cè)試溶液的電位值。

2.2.3 二氧化硫脲用量對(duì)還原試驗(yàn)的影響

按照?qǐng)D1所示工藝曲線，依次加入染料、氫氧化鈉、二氧化硫脲。在染料濃度為4g/L，氫氧化鈉濃度為10g/L的條件下，分別加入二氧化硫脲的濃度為1g/L、3g/L、5g/L、7g/L、10g/L、15g/L、25g/L，還原30min后測(cè)試溶液的電位值。

2.3 測(cè)試指標(biāo)

采用筆式ORP-286型電位儀測(cè)試溶液還原后的電位值，將電位儀插入溶液中攪動(dòng)均勻后靜置，待顯示讀數(shù)穩(wěn)定后讀取還原電位值。

3 靛藍(lán)染料還原工藝參數(shù)對(duì)溶液電位值的影響

3.1 染料用量

染料用量對(duì)溶液還原電位值的影響結(jié)果如表1所示。

表1 染料用量對(duì)溶液還原電位值的影響

由表1可知，隨著染料用量的增加，溶液還原電位值逐漸增加，當(dāng)染料濃度達(dá)到10g/L時(shí)，溶液的還原電位值趨于平衡。分析原因是當(dāng)染料濃度低于10g/L時(shí)，溶液中染料用量較少，而二氧化硫脲用量相對(duì)較多，染料充分被還原成隱色體，使得溶液的還原電位值較高。

3.2 氫氧化鈉用量

氫氧化鈉用量對(duì)溶液還原電位值的影響如表2所示。

表2 氫氧化鈉用量對(duì)溶液還原電位值的影響

在此反應(yīng)中氫氧化鈉的作用主要有：(1)保證二氧化硫脲反應(yīng)成成甲脒亞磺酸，使還原液有一定的還原電位值；(2)使靛藍(lán)染料轉(zhuǎn)變?yōu)殡[色體鈉鹽的形式，保證染料的上染率；(3)中和二氧化硫脲分解產(chǎn)生的酸式鹽，保證溶液中的堿性，能夠使得反應(yīng)過程順利進(jìn)行[5]。

由表2可知，隨著溶液中氫氧化鈉含量的增加，溶液還原電位值逐漸增大，當(dāng)溶液中氫氧化鈉濃度超過10g/L時(shí)，溶液的還原電位值增長(zhǎng)放緩。表明氫氧化鈉濃度達(dá)到10g/L時(shí)已基本滿足還原劑所需的堿性環(huán)境，而通過二氧化硫脲還原靛藍(lán)染料的反應(yīng)機(jī)理可知1mol的二氧化硫脲分解需要1mol的氫氧化鈉，因此，氫氧化鈉不僅要促使二氧化硫脲分解，同時(shí)還要維持還原體系的堿性環(huán)境。

3.3 二氧化硫脲用量

二氧化硫脲用量對(duì)溶液還原電位值的影響如表3所示。

表3 二氧化硫脲用量對(duì)溶液還原電位值的影響

由表3可知，隨著二氧化硫脲用量的增加，溶液的還原電位值先增大后減小，在二氧化硫脲濃度為10g/L時(shí)達(dá)到最大還原電位值。分析原因是二氧化硫脲用量低于10g/L時(shí)，增加二氧化硫脲的濃度，有利于靛藍(lán)染料還原成隱色體，而當(dāng)二氧化硫脲濃度高于10g/L時(shí)，二氧化硫脲相對(duì)于靛藍(lán)染料屬于過量，使染料結(jié)構(gòu)發(fā)生過還原，電位值下降。

4 最優(yōu)還原工藝探討

4.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇靛藍(lán)染料用量、強(qiáng)氧化納用量及二氧化硫脲用量這3個(gè)工藝參數(shù)為正交試驗(yàn)因素，每個(gè)因素設(shè)計(jì)為4水平，依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果所確定的各水平值，如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)因素水平表

4.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表5所示。

表5 靛藍(lán)染料還原電位值結(jié)果

由表5可知，3個(gè)因素的極差大小順序?yàn)椋簭?qiáng)氧化納用量>染料用量>二氧化硫脲用量。靛藍(lán)染料的最優(yōu)還原工藝參數(shù)方案為A2B4C2，即染料用量為7g/L，氫氧化鈉用量15g/L，二氧化硫脲用量7g/L。

5 結(jié)論

靛藍(lán)染料在堿性條件下被二氧化硫脲還原為隱色體鈉鹽形式，其最佳還原條件為：染料用量為7g/L，氫氧化鈉用量15g/L，二氧化硫脲用量7g/L，通過本試驗(yàn)的探討可以為紡織印染行業(yè)提供參考。

[1] 閆麗君. 靛藍(lán)染料染色影響因素分析[D]. 石家莊： 河北科技大學(xué)， 2010.

[2] 鄭明遠(yuǎn). 硫化染料染色新型氧化還原體系的應(yīng)用[D]. 石家莊： 河北科技大學(xué)， 2014.

[3] 楊壁玲. 植物靛藍(lán)染色傳統(tǒng)工藝原理及應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 染整技術(shù)， 2008, 30(3): 13-15.

[4] 羅小勤， 樊增祿， 陳庭春， 等. 靛藍(lán)的電化學(xué)還原及其染色工藝的探討[J]. 印染助劑， 2008, 25(3)： 21-26.

[5] 閆麗君， 姚繼明. 靛藍(lán)染料染棉織物時(shí)還原劑的應(yīng)用研究[J]. 輕紡工業(yè)與技術(shù)， 2010,39(6)： 12-13.

2016-06-28

福建省教育廳科技項(xiàng)目(JA15592)

孫浪濤(1986-)，男，碩士，講師，研究方向：紡織材料改性技術(shù)。

TS193.2

A

1008-5580(2016)04-0081-03