表面活性劑對靛藍上染棉織物的影響

劉幸樂，侯賀剛，姚繼明

(1.河北新大東紡織有限公司，河北 石家莊 052260； 2.河北省功能性牛仔布技術創新中心，河北 石家莊 052260；3.河北科技大學，河北 石家莊 050018)

靛藍染料不溶于水[1-2]，對纖維染色需經過還原和氧化過程。在靛藍染色時，要獲得良好的染色效果，染料顆粒必須由深到淺均勻地分布在紗線的表層附近[3]，并保持相對的“環染”效果[4]。目前染色時常采用在隱色體、染液、前處理液中加入表面活性以提升染色質量。在靛藍還原過程，表面活性劑可以促進染料顆粒的快速潤濕溶解，加速還原，有利于隱色體均勻分散，減少沉淀物的產生；在染色前處理過程中，表面活性劑可以快速潤濕紗線，防止染色不勻；染色時又起到緩染作用[5]，有利于紗線均勻吸色。表面活性劑對染色效果的影響，最直觀體現為液體表面張力，液體表面張力是液體表面層內分子力作用的結果[6]，可以反映溶質表面活性的強弱和潤濕能力。在生產過程中，為提高質量穩定性，表面活性劑的使用一般以簡化為原則。本文試驗使用不同表面活性劑進行染色對比，研究不同表面活性劑對靛藍染料上染棉織物性能的影響，從而優選出一款更有利于生產應用的表面活性劑。

1 試驗部分

1.1 材料、藥品和儀器

材料：3/1斜紋純棉漂白織物，紗線線密度58.31 tex×2，經向密度536根/(10 cm)，緯向密度320根/(10 cm)。

試劑：靛藍(江蘇泰豐化工有限公司)；滲透劑SRD(無錫大江中盛生物科技有限公司)；燒堿、保險粉、無水碳酸鈉均為化學純試劑；分散劑NNO、平平加O、皂粉為市售。

設備儀器：HJ-1磁力攪拌器(金壇市城東宏業實驗儀器廠)，SD-A立式氣動小軋車(上海一派印染技術有限公司)，JYW-200A微控自動界面張力儀(承德大華試驗機有限公司)，367 pH/ORP氧化還原電位儀(上海任氏電子有限公司)，Y(B)571B型染色牢度摩擦儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司)，Ci-5D自動測色配色儀(美國Data color公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 染液制備

在500 mL容量瓶中加入適量蒸餾水置于磁力攪拌器上，分別加入4 g表面活性劑、40 g燒堿和50 g靛藍，開啟攪拌約15 min；待溫度冷卻至40 ℃時，加入60 g保險粉，并繼續攪拌10 min使靛藍充分還原，定積并繼續攪拌、冷卻到室溫后作為隱色體溶液備用。

另取1 000 mL容量瓶加入適量蒸餾，用移液管移取50 mL隱色體溶液，加水定積并密封攪拌10 min，保持常溫并作為染液待用。

1.2.2 染 色

將5 g/L的染液轉移至500 mL燒杯，使20 cm×25 cm的純棉漂白織物在染液中浸泡1 min后取出軋干，氧化5 min后再用清水浸泡5 min，取出軋干并置于陰涼通風處自然晾干。整個過程采用常溫染色，染色浴比為1∶30，軋余率80 %。

1.2.3 皂 煮

在1 000 mL燒杯中加入蒸餾水、1 g皂粉和2 g無水碳酸鈉制備皂煮液，將染色后的織物在98 ℃的皂煮液中皂煮2 min，取出用清水洗滌后晾干。

1.3 性能測試

1.3.1 表面張力

將3種表面活性劑分別配成0.4 g/L的單體溶液，依次加入4 g/L燒堿和6 g/L保險粉制成復配液，并用JYW-200A微控自動界面張力儀測定和讀取數值。

1.3.2 沉降時間

把待染織物裁成直徑為1 cm的圓形布片。將200 mL制備的表面活性劑單體和復配溶液分別放入250 mL量筒中，水平放置布片，用秒表記錄布片沉降到量筒底部的時間。

1.3.3 還原電位

對稀釋到5 g/L的隱色體溶液使用氧化還原電位儀直接讀數。

1.3.4 上染百分率

參照色紗上染百分率測試[7]，在靛藍所處還原態的最大吸收波長408 nm下進行測試。

1.3.5 顏色特征值

染色后織物的L*、a*、b*和K/S值用Ci-5D自動測色配色儀測試讀數。

1.3.6 織物耐摩擦色牢度

參照GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗 耐摩擦色牢度》對皂煮前后的干、濕耐摩擦色牢度分別進行測試[8]。

2 結果與討論

2.1 表面活性劑的潤濕性和兼容性

為比較燒堿和保險粉對3種表面活性劑潤濕能力的影響，依次制備表面活性劑單體溶液、表面活性劑與燒堿的復配溶液、表面活性劑與燒堿、保險粉的復配溶液，并分別測試液體表面張力，結果如圖1所示。

圖1 表面活性劑的潤濕性和兼容性Fig.1 Wettability and compatibility of surfactants

由圖1可以看出，蒸餾水的表面張力最大，分別加入3種表面活性劑后，溶液的液體表面張力均發生明顯變化。其中SRD溶液的表面張力最小，潤濕能力也最強。當依次加入燒堿和保險粉后，3種溶液的表面張力僅發生微弱變化，說明3種表面活性劑耐堿和耐保險粉能力相當，無明顯差異。通過液體表面張力對比，滲透劑SRD以其相對較優的潤濕能力，最有利于生產應用。

測試布片在蒸餾水、3種表面活性劑單體溶液及3種表面活性劑分別與燒堿、保險粉的復配溶液沉降時間，結果如表1所示，其中布片在蒸餾水中的空白試驗沉降時間為16.41 s。

表1 布片在不同表面活性劑中的沉降時間Tab.1 Settling time of different surfactants in different surfactants s

表1顯示，布片分別在分散劑NNO和平平加O的單體溶液沉降時間與在蒸餾水中的沉降時間差異不大，而布片在滲透劑SRD單體溶液中的沉降時間明顯降低。燒堿和保險粉的加入，對3種表面活性劑的復配溶液沉降時間影響不大，表明3種表面活性劑的耐堿和耐保險粉的能力較好。

2.2 表面活性劑對氧化還原電位的影響

在室溫下分別測試含不同表面活性劑的靛藍隱色體溶液，記錄12 h內氧化還原電位值的變化，結果如圖2所示。

圖2 表面活性劑對氧化還原電位的影響Fig.2 Effect of surfactant on redox potential

由圖2可知，在12 h內，4種靛藍隱色體溶液氧化還原電位值均發生不同規律的變化，并最終趨于穩定。其中，在放置的前4 h，含平平加O的隱色體溶液氧化還原電位發生不規則波動，而分散劑NNO的靛藍隱色體溶液氧化還原電位略有下降。在還原4 h后，3種隱色體溶液氧化還原電位值發生不同程度的提升。不加任何表面活性劑的隱色體溶液的氧化還原電位緩慢上升，在放置8 h后逐漸趨于穩定。

已知靛藍的氧化還原電位值是-760 mV[9-10]，在燒堿條件下用保險粉還原，還原電位在-900～-890 mV。而在電化學中，還原染料隱色體電極電位愈高，還原染料愈易被還原，反之愈難還原[11]。因此，3種表面活性劑的使用，均對靛藍染料的還原產生影響。同時根據曲線對比，使用過滲透劑SRD的隱色體溶液還原速率最快，其還原過程也相對穩定，更有利于生產使用。

2.3 表面活性劑對上染百分率的影響

加入不同表面活性劑的染液上染織物后，對色紗的上染百分率進行測試，結果如圖3所示。

圖3 表面活性劑對靛藍上染百分率的影響Fig.3 Effect of surfactant on indigo dyeing rate

由圖3可以看出，不使用任何表面活性劑(空白樣)的染液上染百分率最高，使用分散劑NNO和滲透劑SRD的染液上染率百分相對較低，使用平平加O的染液上染百分率最低。這是因為表面活性劑的緩染作用，降低了初染階段靛藍染料的上染速率，從而降低了靛藍上染百分率。

2.4 表面活性劑對顏色的影響

用測色配色儀測試皂煮前后染色織物的L*、a*、b*值和K/S值。L*表示顏色的明暗度，數值越大顏色越明亮，反之越暗；a*表示偏紅光或偏綠光，正值偏紅，數值越大色光越紅，相反偏綠；b*表示偏黃或偏藍光，正值偏黃，且數值越大色光越黃，相反偏藍；K/S值越大，試樣表面顏色越深，染色效果越好，相反越淺，染色效果越差。皂煮前后的顏色特征值測試結果如表2所示。

表2 表面活性劑對K/S值、L*、a*、b*值的影響Tab.2 Effects of surfactants on K/S, L*, a*, b* values

由表2可知，染色使用過平平加O和滲透劑SRD的織物皂煮前、后的L*值最高，而分散劑NNO的使用反而降低了染色織物的L*值。但相對皂煮前，皂煮后的4種染色織物被洗掉了浮色，亮度均得到了顯著提升。

空白試驗、染色使用分散劑NNO和平平加O的織物a*值為正值，偏紅光；滲透劑SRD的使用，在染色織物的a*值體現為負數，說明其顏色偏綠光。但通過對比染色織物皂煮前后的a*值變化，皂煮后染料在織物上體現的紅綠色光都得到削弱。3種表面活性劑對靛藍染色后的b*值有幾近相等的作用，而皂煮對黃藍光也未產生顯著影響。

數據顯示，織物經皂煮去除浮色后，其K/S值都產生了明顯的降低。染色使用分散劑NNO的織物皂煮前K/S值最高，起到的染色增深效果最好，并且在皂煮去除浮色后仍保持較高優勢，說明在靛藍染色過程中，染料向紗芯滲透較多。平平加O和滲透劑SRD的使用效果相當，在皂煮前后顏色最淺，說明在染色時產生了緩染，且染料向紗芯滲透較為遲緩。

2.5 表面活性劑對染料分布的影響

從皂煮過的染色織物拆取經紗制作切片，結果如圖4所示。可以看出，使用平平加O的色紗白芯最明顯，其大部分染料集中在紗線的表層。使用滲透劑SRD、空白試驗和分散劑NNO的色紗白芯度稍差。而靛藍紗產生白芯的原因，一方面是染料上染速率過快，大部分染料上染時在紗線表層發生聚集，難以進一步向紗芯滲透；另一方面是在織物皂煮時形成了染料解吸，染料從紗線內部擴散出來，顏色變淺產生白芯。

圖4 表面活性劑對色紗染料分布的影響Fig.4 Effect of surfactants on dye distribution of yarn.(a)Blank sample；(b)NNO；(c)Peregal O；(d)SRD

2.6 表面活性劑對耐摩擦色牢度的影響

對皂煮前后織物的干、濕耐摩擦色牢度進行測試，結果如表3所示。

表3 表面活性劑對織物耐摩擦色牢度的影響Tab.3 Effect of surfactant on rubbing fastness of fabric 級

可以看出，4塊織物經皂煮后干、濕耐摩擦色牢度均有所提升，這是由于織物經過皂煮去除了紗線表面的浮色，剩余染料與紗線結合相對緊密。其中使用平平加O的織物耐摩擦色牢度最高，使用SRD的染色織物次之，而使用分散劑NNO則對織物的耐摩擦色牢度未起提升作用。說明表面活性劑會影響到靛藍在棉織物上的固色牢度。

3 結 論

在靛藍染色生產過程中，好的表面活性劑可通過促進染料的快速溶解，加速氧化還原電位值的提升來提高生產效率；在染色前處理過程中可以使紗線快速潤濕，以避免染色不勻的產生；染色過程中既可以避免上染速率過快，染料在紗線表層聚集產生浮色，又能在增加染色次數時使染料緩慢向紗芯滲透，而不會令紗線染得太透芯；同時還能對織物耐摩擦色牢度起到一定的保護作用。經驗證，3種表面活性劑對靛藍染色性能的影響如下：

①分散劑NNO、勻染劑平平加O、滲透劑SRD分別與燒堿、保險粉制備的復配溶液兼容性相當，而滲透劑SRD的液體表面張力最小，布片的沉降時間最短，其滲透能力也最強。在較短時間內，滲透劑SRD可以加快靛藍隱色體溶液氧化還原電位值的提升，進而促進靛藍染料的快速還原。

②3種表面活性劑的介入，降低了靛藍染料的上染百分率，而平平加O對上染百分率的作用最為顯著。同時3種表面活性劑對染色織物的亮度、色光和K/S值都產生了不同程度的影響，織物經過皂煮后的L*值得到提升，K/S值不同程度降低。不同的表面活性劑影響了色紗的“環染”效果。

③由于上染百分率低，使用平平加O染色的織物干、濕耐摩擦色牢度在皂煮前和皂煮后最高，滲透劑SRD其次，分散劑NNO對靛藍染色織物的耐摩擦色牢度未起到提升作用。

④綜合分析，在3種表面活性劑中，滲透劑SRD耐堿和耐保險粉性能良好，氧化還原電位提升快，最有利于染料顆粒的快速還原和紗線的潤濕；初始上染百分率低，緩染效果良好；染色織物皂煮后L*值高，“環染”適中，同時有限提升了織物的干、濕耐摩擦色牢度。在生產時可通過增加染槽數量來解決上染百分率低的問題。相比分散劑NNO和平平加O，滲透劑SRD更有利于生產應用。