靛藍牛仔布增深染色工藝及機理研究

楊書偉 王榮 方小麗 余志成

摘 要：為提高靛藍牛仔布染色深度，通過增加牛仔布染色K/S值以減少染色工序，實現節能減排。研究了陽離子改性劑B的改性工藝及機理，探討了改性劑B質量濃度、改性溫度、改性時間對K/S值的影響，并測試了改性前后棉織物的紅外光譜和Zeta電位及改性染色后棉織物的染色牢度。結果表明：經過陽離子改性劑B處理后的棉織物再進行靛藍染色，相同染色條件下染色K/S值從10.90提高到20.13，改性棉織物浸軋2次便可與未改性棉織物浸軋5次染色深度相當，耐皂洗色牢度、耐摩擦色牢度及耐日曬色牢度良好。優化后的改性工藝參數為：改性劑B 6 g/L，改性溫度60℃，改性時間20 min。紅外光譜表明改性后棉織物帶有季銨基團，Zeta電位表明經改性劑B改性后棉織物表面Zeta電位由-22.10 mV轉為+8.70 mV。

關鍵詞：靛藍牛仔布;染色K/S值;陽離子改性;染色牢度;Zeta電位

中圖分類號：TS193.5

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2022）01-0146-05

Abstract： In order to enhance the dyeing depth of indigo denim， reduce the dyeing process by increasing theK/S value of denim and realize energy conservation and emissions reduction， this paper studies the modification process and mechanism of the cationic modifier B， discusses the effect of the mass concentration of modifier B， modification temperature， modification time onK/S value， and tests the infrared spectrum and Zeta potential of the cotton fabrics before and after modification， and the dyeing fastness of the cotton fabric after dyeing. The results indicated that the cotton fabric treated with the cationic modifier B was dyed with indigo. Under the same dyeing condition， the dyeingK/S value increased from 10.90 to 20.13. The dyeing depth of the modified cotton fabric after padding twice can be equal to that of the unmodified cotton fabric after padding for 5 times， and the color fastness to soap washing， friction and sunlight were good. The optimized modification process parameters were as follows： 6 g/L modifier B， a modification temperature of 60℃， and a modification time of 20 min. The infrared spectrum showed that the modified cotton fabric had a quaternary ammonium group， and the Zeta potential showed that the surface Zeta potential of the modified cotton fabric changed from-22.1 mV to +8.70 mV.

Key words： indigo denim; dyeing K/S value; cationic modification; dyeing fastness; Zeta potential

牛仔面料具有吸濕透氣、美觀舒適、耐磨耐穿等優點[1]，牛仔服飾因悠久的文化內涵和與時尚的易結合性使其經久不衰，始終占據著龐大的市場規模[2]。近年來，由于紡織技術的發展，牛仔布的風格也呈現多樣化的趨勢[3]。隨著對牛仔服裝功能性的開發，牛仔服飾的品質及競爭力也不斷提升[4]。在過去的一個世紀里，靛藍牛仔布的受歡迎程度迅速增長，預計到2025年，全球市場價值將達到850億美元[5]，前景十分廣闊。

然而，由于靛藍染料與棉纖維親和力低，在傳統的靛藍染色工藝中需要經過反復多次的浸漬、氧化才能達到理想的色澤。并且靛藍染浴成分多，還原劑性質不穩定，會在染色廢水中產生大量的副產物，加劇污水處理負擔[6]。故研究縮短染色工序、減少廢液排放尤為重要。目前已有文獻報道通過選擇對織物改性的方式增大上染率以達到增深效果[7-9]，但關于靛藍染色的陽離子改性劑研究較少，且棉織物改性劑多在堿性條件下改性，牛仔布實際生產過程中靛藍染色前改性處理的燒堿難以洗除，若水洗不凈則會影響染色面料的色光穩定性。

選用陽離子改性劑B，探討其在中性條件下的改性效果、機理及改性織物的染色效果，對靛藍牛仔布染色節能減排、降低染色成本具有一定的指導意義。

1 實 驗

1.1 實驗材料與儀器

實驗材料：純棉針織物（200 g/m2）;靛藍;保險粉、氫氧化鈉（均為分析純，杭州高精細化工有限公司）;二氧化硫脲（98%，杭州高精細化工有限公司）;陽離子改性劑B（長鏈季銨鹽類化合物，南通大遙化學品有限公司）;滲透劑WET（工業級）。

實驗儀器：SHA-B型數顯恒溫振蕩器（常州國華電器有限公司）;P-AO/BO型立式/臥式氣壓電動小軋車（佛山市亞諾精密機械制造有限公司）;TP Color-Tech型紅外線染色試樣機;SF600 PLUS型計算機測色配色儀（美國Data color公司）;Brook haven PLAS型Zeta電位儀;FTIR-850型傅里葉變換紅外光譜儀（天津港東科技股份有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 改性工藝

改性劑B 2～10 g/L，改性溫度40～80℃，改性時間5～25 min，浴比1∶50。

1.2.2 染色工藝

靛藍隱色體溶液制備：采用全浴還原法，分別加入規定量的靛藍、NaOH、保險粉、二氧化硫脲和滲透劑WET，50℃還原10 min，溶液呈透明黃綠色，即得到靛藍隱色體溶液。

染色配方：靛藍1.2 g/L、NaOH 6 g/L，保險粉18 g/L，二氧化硫脲1 g/L，滲透劑WET 5 g/L。

靛藍隱色體染色及皂煮：浸軋隱色體溶液（室溫下浸漬2 min、軋液率90%）→氧化（室溫下5 min，此為1次，反復浸軋多次）→水洗→皂煮（皂粉2 g/L，95℃皂煮20 min）→水洗→烘干。

1.3 測試方法

1.3.1 K/S值測試

使用SF600 PLUS型測色配色儀測定染色織物的K/S值。每塊面料取不同位置的3處測試，取其平均值。測試條件：D65光源，10°視角。

1.3.2 染色牢度測試

參照GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗 耐皂洗色牢度》測定試樣的耐皂洗色牢度，參照GB/T 3920—2008《紡織品色牢度試驗 耐摩擦色牢度》測定試樣的耐摩擦色牢度，按 GB/T 8427—2008《紡織品色牢度試驗耐人造光色牢度氙弧》的有關規定測定試樣的耐日曬色牢度。

1.3.3 紅外光譜測試

將改性前后棉織物碾成粉末，與KBr混合壓片，利用紅外光譜儀測定樣品紅外光譜。

1.3.4 Zeta電位測試

稱取改性前后棉織物0.5 g，剪成細小纖維。配制0.001 mol/L的KCl溶液，將纖維均勻地分散在該溶液中。然后取纖維分散液，調節pH值，用超聲波分散10 min，最后用電位儀測試纖維分散液的Zeta電位。

2 結果與討論

2.1 陽離子改性劑B改性工藝對K/S值影響

2.1.1 改性劑B質量濃度對靛藍染色K/S值影響

分別用2、4、6、8、10 g/L改性劑B對棉織物進行改性，然后用1.2.2中染色工藝進行染色，測得染色織物K/S值及改性織物Zeta電位，結果如圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可知，隨著改性劑用量的增大，靛藍染色棉織物K/S值也隨之增加，這是因為棉織物改性后表面Zeta電位由負變正，使靛藍隱色體陰離子更容易上染棉織物。當改性劑用量為6 g/L時，染色K/S值趨向平衡，棉織物表面Zeta電位在6 g/L時也趨于平緩，因為棉纖維能夠結合的改性劑是一定的，當改性劑與棉織物結合達到飽和時，繼續增大改性劑用量，棉織物Zeta電位和K/S值不會發生明顯變化。因此，靛藍染色棉織物的改性劑質量濃度應選擇6 g/L。

2.1.2 改性溫度對染色K/S值的影響

選擇改性劑B質量濃度6 g/L，分別在40、50、60、70、80℃下對棉織物改性30 min。對改性后棉織物染色，測得染色織物K/S值如圖3所示。

從圖3可以得出，隨著改性溫度升高，靛藍染色棉織物的K/S值增高。升高溫度有利于改性劑分子與棉織物發生結合，因此染色K/S值增加。當改性溫度高于60℃時，染色K/S值不再增加，說明60℃時改性劑與棉織物的結合就已經達到平衡。因此，改性溫度應選擇60℃。

2.1.3 改性時間對染色K/S值的影響

選擇改性劑B質量濃度6 g/L，在60℃下對棉織物分別改性5、10、15、20、25 min，對改性后棉織物進行染色，測得染色織物K/S值如圖4所示。

由圖4可知，隨著改性時間的增加，染色織物K/S值逐漸增加，當棉織物改性20 min時，靛藍染色的K/S值達到最高值，繼續延長改性時間，K/S值也沒有明顯提升。因為延長時間會使改性劑與棉結合更充分，當改性時間為20 min時，改性劑分子與棉纖維的結合基本達到飽和，染色K/S值也無明顯增加。因此，改性時間應選擇20 min。

2.2 改性機理分析

2.2.1 紅外光譜

為了表征改性劑B結構類型及其對棉織物的改性效果，測試了改性劑B及改性前后棉織物的紅外光譜，結果如圖5、圖6所示。

由圖5可知，2916cm-1與2849cm-1為烷烴鏈中—CH3與—CH2的伸縮振動峰，1487cm-1處是季銨鹽中C—N的伸縮振動吸收，故陽離子改性劑B為長鏈烷烴季銨鹽類化合物。如圖6所示，改性后，棉織物出現新峰，均為圖5中改性劑B特征吸收峰，由此可知，改性后棉織物已結合了改性劑B。分析圖5中改性劑結構，改性劑B無與棉織物反應性基團，故改性劑B與棉為結合方式物理吸附結合。

2.2.2 Zeta電位

由圖2可知，棉織物改性后Zeta電位由-22.1 mV變為+8.70 mV，表明改性后棉織物表面帶正電荷，可使棉織物與靛藍隱色體陰離子之間原有的斥力變為引力，增強靛藍隱色體與棉織物之間的吸附，使上染率提高，從而大幅度提高染色K/S值。

2.3 改性棉織物的染色K/S值及染色牢度

將改性前后棉織物用1.2.2中染色工藝進行染色，測得染色織物K/S值如圖7所示，測得織物染色牢度如表2 所示。

由圖7可知，改性后棉織物K/S值有大幅提升，浸軋兩次時染色K/S值就可達16.04，而未改性棉織物浸軋5次K/S值為15.98，改性棉織物浸軋2次便可與未改性棉織物浸軋5次染色深度相當，說明改性劑B改性后染色可減少多道染色工序，節約染色成本，實現節能減排;由表2可以看出，經改性劑B改性后靛藍染色棉織物原樣變色牢度達到 4～5級，棉及羊毛沾色牢度均達到 4 級，干摩擦色牢度達到 4～5 級，濕摩擦色牢度達到 3 級，耐日曬色牢度為3級，各項色牢度均較好，達到服用要求。

3 結 論

選用陽離子改性劑B對棉織物進行改性研究，探討了陽離子改性劑B在中性條件下的改性效果、機理及對靛藍染色效果的影響，結論如下：

a） 經過陽離子改性劑B處理后的棉織物再進行靛藍染色，染色K/S值從10.90提高到20.13，各項染色牢度良好，改性棉織物浸軋2次便可與未改性棉織物浸軋5次染色深度相當。可達到減少染色工序、實現節能減排的目的。優化后的改性工藝參數：改性劑 6 g/L，改性溫度60℃，改性時間20 min，工藝簡便，相較于市面常用改性劑無需堿洗，無需改變生產設備及工藝流程，易于實際生產操作。

b） 紅外光譜表明改性后棉織物帶有季銨基團，Zeta電位表明經改性劑B改性后棉織物表面Zeta電位由-22.1 mV轉為+8.70 mV，說明改性劑中季銨基團使纖維表面電荷從負電荷變為正電荷，使靛藍隱色體陰離子更易上染帶正電的棉織物，從而大幅提高染色K/S值。

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