化學計量學方法結合紅外光譜用于ATD固色劑合成研究

傅美緣

(石獅市質量計量檢測所，福建 石獅 362700)

隨著社會的進步，紡織品的發展，人們越來越重視紡織品的安全環保，對于紡織品色牢度也給予了越來越多的關注[1]。色牢度差的紡織品有染料易脫落、易褪色等特點[2-4]。在穿著過程中，因摩擦脫落的染料會部分被皮膚吸收而進入人體，在體內分解還原成有害物質，危害人體健康[5-7]。

季銨型固色劑是活性染料染色棉織物常用固色劑，其陽離子基團能與染料結構中的陰離子基團以離子鍵結合，染物可獲得較高的色牢度。本次研究通過正交實驗、單因素實驗等化學計量學方法討論固色劑ATD制備的最優工藝條件，該固色劑因具備季銨鹽陽離子基團而具有較好的固色效果，同時結合紅外光譜對固色機理進行探討、驗證，進而制備出綠色環保的固色劑，為紡織品提供更好的固色產品。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

傅利葉紅外變換光譜儀(FT-IR)(掃描范圍：4000～400 cm-1，分辨率：4 cm-1，Nicolet iS10，美國賽默飛世爾公司)；YP-2型壓片機，1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽、丙烯酸三氟乙脂、二羥乙基二烯丙基氯化銨均為化學純。

1.2 固色劑ATD的制備

在裝有溫度計、攪拌器、回流冷凝器的反應釜中，依次加入1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽、丙烯酸三氟乙脂、二羥乙基二烯丙基氯化銨、pH調節劑、去離子水后，開啟冷凝、攪拌、加熱；升至一定溫度后，滴加過硫酸銨溶液，并控制滴加時間及溫度；接著進行保溫、加水、攪拌、出料，制得固色劑ATD。

1.3 固色劑ATD性能的測定

將制得的固色劑ATD用于處理活性大紅3g染色后的棉織物，采用浸固工藝，固色劑用量是2%(o.w.f)，測固色處理后的干摩擦牢度、濕摩擦牢度等性能指標。

1.4 紅外光譜的采集

使用Nicolet iS10型傅里葉紅外光譜對該固色劑的結構進行分析，操作方法：將少量合成好的固色劑涂抹在聚四氟乙烯板上，置于干燥的空氣中成膜后，將該樣品放置在紅外光譜儀內進行全波段掃描(400～4000 cm-1)。

2 結果與討論

2.1 正交實驗

在ATD的制備過程中，反應條件對產物的性能影響較大，因此，實驗以固色劑對活性大紅3 g染色后的棉織物的干摩擦牢度、濕摩擦牢度為評價指標，固色劑用量2%(o.w.f)時，設計了四因素三水平的正交試驗。

根據一定的合成條件，以m(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽)∶m(丙烯酸三氟乙脂)∶m(二羥乙基二烯丙基氯化銨)、固色液pH值、保溫溫度、保溫時間為因素，每個因素取三個不同的水平，使用活性大紅染色后的棉織物的干摩擦牢度、濕摩擦牢度為評價指標，設計了四因素三水平L9(34)正交實驗。各個因素和對應的水平見表1，正交實驗結果以及分析表2和表3。

表1 因數與水平表

表2 正交實驗表

表3 極差分析結果

注：A表示m(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽)∶m(丙烯酸三氟乙脂)∶(二羥乙基二烯丙基氯化銨)；B表示pH，mL；C表示保溫溫度，℃；D表示保溫時間，h。

由正交實驗的結果和極差分析可以得出結論為：主次因素的順序為m(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽)∶m(丙烯酸三氟乙脂)∶(二羥乙基二烯丙基氯化銨)-保溫溫度-pH-保溫時間。最優方案是m(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽)∶m(丙烯酸三氟乙脂)∶(二羥乙基二烯丙基氯化銨)=12∶8∶12，溶液pH值為9，保溫溫度80℃，保溫時間4 h。

以濕摩擦牢度為評價指標，進行正交實驗的結果與干摩擦牢度的實驗結果一致。

2.2 單因素實驗

為了進一步優化固色劑的反應參數，在正交實驗的基礎上，對m(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽)∶m(丙烯酸三氟乙脂)∶(二羥乙基二烯丙基氯化銨)、溶液pH值、保溫溫度、保溫時間四個因素進行不同水平的單因素實驗，并綜合考察了單因素對固色劑固色效果的影響。

(1)摩擦牢度隨著m(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽)∶m(丙烯酸三氟乙脂)∶(二羥乙基二烯丙基氯化銨)的變化而變化(見表4)，當m(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽)∶m(丙烯酸三氟乙脂)∶(二羥乙基二烯丙基氯化銨)為12∶8∶12，摩擦牢度達到最佳值。二羥乙基二烯丙基氯化銨的質量比較小時，與活性染料接觸和碰撞的幾率小，不利于反應的進行；二羥乙基二烯丙基氯化銨的用量增加，則季銨鹽陽離子基團也隨之增加，通過陽離子基與活性染料的磺酸基等陰離子，發生庫侖引力作用，中和其電荷，減少染料的水溶性。

表 4 m(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽)∶m(丙烯酸三氟乙脂)∶(二羥乙基二烯丙基氯化銨)對固色效果影響

(2)由表5知，pH值小于9時，摩擦牢度隨著pH值增加而增加；當pH值達9時，固色效果最佳；繼續增大pH值時，固色效果降低，可能是固色劑分子的解吸速率大于吸附速率，造成染料重新溶解，固色效果下降。

表5 pH值對固色效果影響

(3)隨著溫度的增加，摩擦牢度隨之增加，從表6知，在溫度達80℃時，效果最佳。保溫溫度過低，造成分子運動緩慢，沒有足夠能量引發各種反應基團發生反應；當溫度過高時，反應體系易形成凝膠，影響固色效果。

表6 保溫溫度對固色效果影響

(4)保溫時間決定了單體之間的反應程度，由表7知，延長保溫時間，摩擦牢度有所提高，當保溫時間達5 h左右，單體之間的反應基本完成，繼續增加保溫時間對固色效果影響不大。

表7 保溫時間對固色效果影響

上述實驗表明：最優方案是m(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽)∶m(丙烯酸三氟乙脂)∶(二羥乙基二烯丙基氯化銨)=12∶8∶12，溶液pH值為9，保溫溫度80℃，保溫時間5 h。此時制備出的固色劑具有良好的固色效果。

2.3 固色劑ATD的紅外光譜圖

對固色劑ATD進行紅外光譜鑒定，結果詳見圖1。

圖1 FT-IR紅外光譜圖

從圖1可知，光譜圖中在A處(即1633 cm-1)的波段左右，都出現了C-N伸縮振動吸收峰，而在ATD光譜中的B處(966 cm-1)出現季銨鹽特征吸收峰，該結果表明，固色劑ATD具備季銨鹽陽離子基團。驗證了ATD因具備季銨鹽陽離子基團而具有較好的固色效果。

3 結論

由化學計量學方法知，ATD最優工藝條件為：m(1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽)∶m(丙烯酸三氟乙脂)∶(二羥乙基二烯丙基氯化銨)=12∶8∶12，溶液pH值為9，保溫溫度80℃，保溫時間5h。此時制備出的固色劑具有良好的固色效果。同時結合紅外光譜對季銨鹽陽離子基團進行驗證。結果表明所制備的ATD因具備季銨鹽陽離子基團而具有較好的固色效果。本次研究為紡織品提供更好的固色產品。