家庭服裝洗滌中染料轉移的研究進展

張真真　梁帥童　孟明珠　張紅娟　王際平

摘要：染料轉移是家庭服裝洗滌中的常見問題，染料轉移的難易程度與染料結構、纖維種類等因素密切相關。為了更好地解決家庭服裝洗滌中染料轉移的難題，延長服裝的服用風格和服用時間，減少染料轉移帶來的環境污染問題，對染料轉移機制、影響因素及評價指標進行了總結，為染料轉移抑制劑的開發改進提供基礎信息。通過對近幾年相關文獻的研究，介紹了染料轉移機制與抑制過程，闡述了染料結構、纖維種類和洗滌工藝對染料轉移的影響，并分析了顏色評價和定量評價的優缺點，指出目前染料轉移的評價指標具有局限性，應根據研究目的選擇合適的評價指標。

關鍵詞：服裝洗滌;染料轉移;染料結構;纖維種類;洗滌工藝;評價指標

中圖分類號：TS941文獻標志碼：A文章編號：1009265X（2022）03003108

Research progress of dye transfer in household garment washing

ZHANG Zhenzhen ?LIANG Shuaitong MENG Mingzhu

ZHANG Hongjuan WANG Jiping

Abstract： Dye transfer is a common problem in home garment washing. The difficulty of dye transfer is closely related to dye structure， fiber types and other factors. In order to better solve the problem of dye transfer in household clothing washing， extend clothing style and life， and reduce the environmental pollution caused by dye transfer， the dye transfer mechanism， influencing factors and evaluation indexes are summarized. It provides basic information for the development and improvement of dye transfer inhibitors. Through the relevant research on the literature in recent years， the mechanism and inhibition process of dye transfer are introduced， the effects of dye structure， fiber types and washing process on dye transfer are described， the advantages and disadvantages of color evaluation and quantitative evaluation are analyzed， and it is pointed out that the current evaluation index of dye transfer has limitations， and the appropriate evaluation index should be selected according to the research purpose.

Key words： garment washing： dye transfer; dye structure; fiber type; washing process; evaluation index

在家庭服裝洗滌過程中，染料從有色衣物上脫落下來成為洗滌體系中的游離染料，染料可能會轉移到其他衣物表面，使深色布料褪色，淺色布料染色，這種現象稱為染料轉移或串染[12]。染料轉移迫使消費者頻繁地更換衣物并造成損失，丟棄的衣物主要通過填埋或焚燒的方法進行處理，對環境造成了嚴重的污染[3]。為了避免染料轉移帶來的影響，人們常常把淺色衣服和深色衣服分開洗，不僅浪費了時間和精力，還會直接導致用水量的上升和碳排放的增加，不能滿足紡織生態可持續發展的需求。由于中國家庭數目眾多，無論是從提升消費者體驗，還是從減輕環境壓力的角度，研究洗滌過程中的染料轉移都有其經濟和現實意義。本文綜述了有關家庭服裝洗滌中染料轉移的研究進展，詳細介紹了染料轉移的機制、影響因素和評價指標，為染料轉移抑制劑的開發提供理論指導。

1基于DLVO理論的染料轉移機制

與抑制過程為了解決洗滌過程中的染料轉移問題，必須要了解染料的轉移機制與抑制過程。在洗滌過程中，從織物上脫落下來的染料通過分子間弱相互作用力與織物結合[4]。DLVO（Derjaguin landau verwey overbeek）理論與染料轉移過程示意如圖1所示[5]，DLVO理論指出洗滌過程中染料轉移是否發生取決于染料分子和淺色織物之間的相互作用，即范德華引力和雙電層斥力的共同作用，這種共同作用產生的力稱為合力，其計算如式（1）[6]：

式中：VT為合力，VA為引力，VR為斥力。

當VA占主導地位時，合力VT<0，體系呈現相互吸引的狀態，染料分子與織物結合。需要指出的是，這種引力導致的結合可能出現1和2兩種結合狀態，如圖1所示。處于狀態1的結合方式較弱甚至可逆，但是狀態2穩定存在不可逆。當VR占主導時，合力VT>0，體系呈現相互排斥的狀態，染料分子不會吸附到織物表面。其中狀態3為體系的主峰斥力，狀態4為次級斥力。

以常用的陰離子表面活性劑和純棉纖維為例，在洗滌過程中，當表面活性劑加入到洗滌體系后，帶負電荷纖維表面的電勢能上升，與帶負電的染料分子之間的斥力增加，染料分子與纖維之間的合力處于狀態1或狀態2，但仍不足以阻止染料轉移的發生[5]。

為了減少洗滌過程中染料轉移的發生，洗滌劑廠家目前主要通過染料轉移抑制劑來解決洗滌過程中染料轉移問題[4]。染料轉移抑制劑是指洗滌過程中對脫落染料具有吸收或抑制其再次沉積作用的物質，其中，聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone，PVP）是出現最早、用量最大的染料轉移抑制劑[7]。PVP是非離子型染料轉移抑制劑的一種，由N乙烯基吡咯烷酮聚合而成，具有良好的絡合能力[8]。PVP分子結構中含有極性較大的內酰胺基，可以與染料分子中的氨基或羥基結合，在溶液中形成絡合物，減少染料分子對織物的沾染[9]。Boardman等[10]研究指出在染料轉移抑制劑的合成中，羥基的引入可以提高染料轉移抑制劑在水中的溶解能力和與染料分子形成氫鍵的能力，可以更好地抑制染料轉移。在洗滌系統中，染料轉移抑制劑與染料結合，可以改變染料與纖維之間的合力，使染料處于狀態3或狀態4，若處于狀態3，染料轉移抑制劑的抑制作用達到最大。當然DLVO理論不足以解釋所有染料轉移的機制，染料結構、纖維類型和洗滌工藝等的變化對染料轉移的影響很大。

2染料轉移的影響因素分析

有關染料轉移的研究主要集中于染料轉移抑制劑的合成[1011]與應用[9，12]，染料和纖維對染料轉移的影響較少有討論。染料轉移是一個復雜的物理化學過程，包括染料的解吸、脫落、吸附及擴散，在這個過程中，染料、纖維和洗滌工藝對染料轉移的影響很大[1317]。研究染料與纖維對染料轉移的影響機理，對抑制染料轉移技術的開發具有重要意義。

2.1活性染料結構對染料轉移的影響

在有關染料轉移的研究中，常常忽略染料結構對染料轉移的影響[1720]?；钚匀玖弦蚱渖V廣、色彩鮮艷、高的濕處理色牢度、適用性強等優點而被廣泛應用于棉織物的染色。Cotton等[3]通過洗滌實驗發現，與分散染料相比，由活性染料染色的衣服在洗滌過程中更容易掉色。Guo等[14]、Fergusson等[21]指出家庭洗滌中，深色纖維面料容易褪色，尤其是深藍色和黑色純棉服裝的掉色現象非常明顯。Cai等[22]使用高效液相色譜法對活性藍19染色織物的洗滌殘液進行測定，結果表明，在洗滌過程中，從織物上脫落下來的染料主要為水解染料和未固定染料。然而，染料轉移抑制劑的研究主要針對直接染料，Oakes等[23]研究發現，DTI聚合物可以有效抑制大部分直接染料對棉織物的吸附，但在抑制偶氮染料吸附方面不太有效。與直接染料相比，水解活性染料的平面性較差，其空間結構更為復雜[3]。此外，活性染料在市場上的占有份額遠高于直接染料，其用量大，用途更廣，因此，活性染料染色織物在家庭洗滌中的染料轉移問題不容忽視[24]。

1956年，英國卜內門公司生產的第一個商品號為Procion的棉用活性染料的結構如圖2所示[25]，圖2中標出了活性染料的4個組成部分：染料母體、活性基團、連接基和水溶性基團。紡織品中染料轉移能力的大小與染料的化學結構密切相關，任何一個部分的變化都會導致染料的空間結構和性能發生明顯變化，進而影響染料的轉移性能和染料轉移抑制劑的選擇[26]。

衣物上未固定及水解的染料在洗滌過程中會重新吸附到織物表面，吸附能力主要與染料母體有關。染料母體是活性染料的發色部分，與紡織品的顏色直接相關，對染料的沾色性有很大影響[27]。偶氮、蒽醌和酞菁是活性染料常見的染料母體。具有單偶氮和蒽醌結構的染料分子較小，其水解后的染料具有良好的易洗滌性能，對織物的沾染能力較弱。而具有雙偶氮和酞菁結構的染料分子偏大，親和力高，在溶液中容易聚集，如C.I.活性紅120和C.I.活性藍21這類分子量較大的活性染料，對織物的沾色效果十分明顯[28]。

不同的活性基對活性染料染色織物的耐洗牢度影響不同，常見的活性基有均三嗪活性基和乙烯砜活性基。乙烯砜活性基與纖維素纖維形成的染料纖維鍵在pH為6～7、60 ℃時可以穩定存在，而一氯均三嗪在85 ℃和pH 10～12的洗滌環境下仍然可以穩定存在。乙烯砜活性基對pH和溫度的變化更加敏感，在洗滌過程中更容易水解脫落，造成染料轉移[29]。為了提高紡織品的耐洗牢度，市場大量推廣異雙活性基活性染料，特別是具有一氯均三嗪和乙烯砜活性基的雙活性基染料，可以有效減少洗滌過程中染料的脫落[30]。

活性染料的連接基對染料分子的平面性有顯著影響，Suwanruji等[31]指出，活性染料的平面性越好，直接性越高，在洗滌過程中容易沾染到紡織品表面，不易去除。染料分子中存在由單雙鍵間隔相連的分子結構單元，即共軛體系，在共軛體系中，所有的原子處于同一平面[32]。共軛體系的增大使染料分子的能量趨于穩定，在這種分子中，任何一個原子受到外界試劑的作用，其他部分立即受到影響，其作用貫穿在整個體系中[33]。亞胺基（—NH—）是常見的連接基，當亞胺基上的氫被烷基取代時，可以降低均三嗪環和苯環間的共平面性，導致染料的平面性受到破壞，降低染料分子對纖維的直接性，使染料分子不容易吸附到纖維上[30]。

共軛體系大的染料對纖維的直接性更高，但是其直接性也同時受到染料結構中水溶性基團的影響。磺酸基團是活性染料中最常見的水溶性基團，隨著染料磺化程度的增加，染料和纖維之間的靜電排斥增加，可以減少染料分子對織物的沾染程度[34]。同時，水溶性基團多的染料更容易與水形成氫鍵，溶解在水中，對纖維的直接性降低，Suwanruji 等[31]指出低直接性的水解染料具有良好的洗去性能，不易沾染到紡織品表面。

2.2纖維類型對染料轉移的影響

衣物通常是在弱堿性環境下洗滌的，洗滌溶液的pH不能超過10.6[35]。部分纖維的zeta電位示意如圖3所示[5]，在堿性條件下，纖維表面所帶的負電荷數從大到小依次為：羊毛、尼龍、絲綢、棉、粘膠。水解染料是一種陰離子染料，纖維表面的負電荷越少，與水解染料之間的靜電斥力越小，因此，在洗滌過程中，纖維素纖維更容易串染。

纖維通過范德華力和氫鍵的形式與水解染料結合[36]，分子間作用力往往相對較弱且可逆，因此表現出較差的耐洗牢度[4]。纖維上的氨基和羥基能與染料分子中的氨基、羥基等極性基團形成氫鍵而相互吸引，提高了染料的直接性[27]。由于氧原子的電負性大，接納電荷能力強，含有氨基的纖維更容易吸附染料，面料的顏色變化更加明顯。

洗滌環境的變化對染料脫落也有很大的影響，活性染料與纖維素分子形成的染料纖維鍵在酸性和堿性條件下容易水解脫落[37]。蛋白質纖維在一般的洗滌條件下不易掉色，這是由于蛋白質纖維染色中的染料纖維鍵主要與氨基和巰基有關，這些鍵的鍵強度較大，對酸堿的依賴度低，在洗滌過程中不易斷裂[38]。尼龍的掉色、沾色問題是困擾人們多年的問題，其水洗牢度隨著洗滌溫度的升高急劇下降，即使較低的溫度（30～60 ℃）下，染料分子也可以從尼龍上脫落下來，經多次重復洗滌，尼龍的顏色強度逐漸減小;同時，脫落下來的染料分子也會對其他織物的顏色外觀造成破壞[39]。尼龍又稱錦綸，即聚酰胺纖維，是親水性最高的合成纖維，尼龍分子中含有大量的酰胺鍵，分子末端有羧基、氨基及少量乙酰胺基等極性基團，容易與染料分子形成氫鍵，因此，尼龍在洗滌過程中很容易沾色[4041]。在含有直接染料的洗滌體系中，直接紅對尼龍的沾染程度僅次于棉，而直接黑和直接藍對尼龍的沾染情況最為嚴重，尼龍的沾色問題不容忽視[15]。

在染料轉移中，纖維扮演著一個重要的角色，染料從纖維上解吸進入洗滌溶液中，在洗滌環境的影響下重新吸附到纖維表面，纖維即是染料的“供體”，又是染料的“受體”。然而，關于纖維種類對染料轉移的影響卻鮮少研究。哪種纖維容易掉色、沾色，以及在什么樣的洗滌條件下容易發生染料轉移都是需要研究的重點。只有充分了解纖維的性能，才能對紡織品的加工處理及洗滌用品的配制進行改進，降低染料轉移的可能性。

2.3洗滌工藝對染料轉移的影響

由于服用織物是由纖維構成的多級結構的多孔材料，洗滌過程中流體在其內部孔隙流動并同時伴有化學反應和染料的沉積及釋放，其基于孔隙率物質濃度的控制方程如式（2）所示[42]：

式中：φ為孔隙率，C為染料濃度，Dm為物質擴散系數，m為反應物的摩爾質量，n為反應階數，Aexp-ERT為阿倫尼烏斯項。

需要指出的是，由于織物內部空間尺度較小，一般認為織物內部對流加速度項v·ΔC由固液交界面的特性所決定，也就是由毛細動力所驅動[43]。同時洗滌過程中的染料沉積和脫離一般發生在固體纖維的表面，因此需要對局部對流項φCt，及阿倫尼烏斯項進行修正才能得到較好的預測效果[44]。

由式（2）可以看到，染料在織物中的脫離，沉積和轉移受到織物的結構（孔隙率）、織物內的流動速度，反應活化能和沉積速率、溫度的影響。其中織物內的流動速度還受到洗滌過程中織物外部水流初始動能、流體性質和邊界條件的影響，如洗滌用水量，筒壁的形態，洗滌流體的表面張力等。

洗滌過程中染料的脫落主要發生在洗滌階段，從衣物上脫落下來的染料大約是漂洗階段的3～4倍[45]，這是由于洗滌時間長和洗滌過程中較高濃度的表面活性劑造成的[20]。此外，洗滌劑中的氧化漂白劑（過硼酸鈉或過碳酸鈉）也會導致染料纖維鍵的水解，在洗滌和漂洗過程中引起染料的解吸[21]。水的硬度主要指水中鈣、鎂離子的含量，鈣、鎂等陽離子的存在會促進染料聚集，導致染料沉淀，在織物表面形成明顯的色斑[46]。

3染料轉移的評價指標

染料轉移的評價指標主要分為顏色評價和定量評價兩種方法。顏色評價以織物洗滌前后的顏色變化作為染料轉移的評價指標，主要使用測色配色儀對織物洗滌前后的顏色進行測量。顏色評價指標以色差ΔE為主，其他顏色評價指標還有色彩深度K/S[22]，明度（或亮度）L[47]和白度W[48]。定量評價以織物洗滌前后溶液中染料分子的數量變化作為評價指標，主要使用紫外可見分光光度計對洗滌前后的溶液進行測量，通過染料濃度的變化確定染料的量[49]。

3.1顏色評價

ΔE是最常用的顏色評價指標，對于人類來說，當ΔE在2.3左右時，人眼可以明顯察覺到織物顏色的變化[50]。在衡量染料轉移的程度時，可以用ΔE=2.3作為標準，ΔE<2.3時，可以忽略染料轉移帶來的影響。色差ΔE的計算方法如式（3）：

式中：L表示明度變化，a表示色光的紅綠變化，b表示色光的黃藍變化[51]。

ΔE越大，說明織物洗滌前后的顏色變化越明顯。值得注意的是，ΔE是一個絕對值，只能判斷織物洗滌前后顏色差距的大小，無法判斷織物顏色的深淺。

在紡織工業中，通常使用K/S值表示織物表面的顏色深度，一般來說，染料濃度越高，織物顏色越深[22]。由于染料結構的不同，染料顏色的深淺不同，對于同種染料而言，可以用K/S值表示染料轉移的程度。K/S值用庫貝爾卡蒙克（Kubelka Munk）方程計算如式（4）[45]：

式中：K為漫反射的吸光系數，S為散射系數，R為織物的反射率。

明度L表示織物的明暗程度，L值越小，表示明度越暗，轉移至織物表面的染料越多，染料轉移情況越嚴重[47]。

白度W表示織物表面的白色程度，白度值越小，表示織物的白色程度越低，織物表面的染料越多[48]。

3.2定量評價

目前主要采用紫外可見分光光度法（Ultravioletvisible spectrophotometry）對染料轉移進行定量研究。紫外可見分光光度法是通過物質的吸收光譜來研究物質的成分、結構及物質間相互作用。朗伯比爾（LambertBeer）定律是紫外可見分光光度法定量分析的基礎[52]。不同結構的染料分子對光的吸收性能不同，鄧旭山等[2]采用紫外可見分光光度法來定量研究洗滌過程中織物上染料掉落以及串色的量。使用郎伯特比爾定律可以計算洗滌過程中染料轉移的量如式（5）[27]：

式中：A為吸光度;ε為摩爾吸光系數;c為濃度，mol/L;l為光程長度，cm。

通過郎伯特比爾定律可以計算洗滌前后染料濃度的變化，確定洗滌過程中染料轉移的量[53]。但是，紫外可見分光光度法的使用有很大的限制，適合低濃度溶液的測量，洗滌劑的加入以及溫度的變化，都會對紫外光譜產生干擾[27]。洗滌劑中的主要成分表面活性劑可以通過分子間相互作用與染料結合，形成復合物，使染料呈聚集狀態[54];洗滌劑中的其他成分，如漂白劑，會導致染料發色團的氧化，使染料顏色發生變化，使吸收光譜產生偏移，不能對染料進行準確的定性及定量分析[22，54]。在制備染料樣品時，應盡可能保持樣品的純凈，避免其他雜質的影響。溶液的溫度對染料分子的聚集狀態有直接影響，在低溫下，溶液中的染料容易聚集在一起，染料分子之間的距離將縮小，染料分子的電荷分布會受到鄰近染料的干擾，從而影響染料的吸光能力，使吸收光譜發生改變[55]。因此，新制備的染料溶液的溫度應該保持在50 ℃左右，使染料分子分散在溶液中[56]，可以提高測試的準確性。

顏色變化是染料轉移最直觀的表達方式，卻忽略了染料分子自身性質的影響。染料的顏色有深淺之分，單單觀察織物的顏色變化很難比較染料轉移的程度。對于淺色染料來說，盡管有許多的染料分子沾染到織物表面，顏色外觀的變化可能不如少量的深色染料明顯。染料轉移抑制劑應盡可能多地去除洗滌體系中游離的染料分子，使用顏色評價和定量評價兩種方法，可以更好地評估染料轉移抑制劑的性能。從目前的情況來看，紫外可見分光光度法的使用有很多的局限性，并且很容易產生誤差。因此，開發新的定量評價的方法，對于抑制染料轉移技術的開發具有重要意義。

4結論與展望

本文回顧了染料轉移機制與抑制過程，指出了染料、纖維及洗滌工藝對染料轉移的影響，并對現有的染料轉移評價指標進行分析。有關染料轉移研究的相關結論及未來的研究方向如下：

a）文章從DLVO理論的角度出發，解決染料轉移問題的關鍵在于增大染料轉移抑制劑與染料分子之間的引力和染料分子與纖維之間的斥力，只有當引力大于斥力時，才能更好地起到抑制染料轉移的作用。

b）在研究家庭洗滌中染料轉移的相關問題時，應該注意染料、纖維和洗滌工藝三者之間的相互作用對染料轉移的影響。在此基礎上，后續研究可以針對用量較大、染料轉移嚴重的染料，有針對性地設計染料轉移抑制劑的結構，優化洗滌工藝和配套的織物后整理工藝，從而提升染料轉移抑制效果，減少洗滌次數和衣物廢棄，降低水耗和碳排放。

c）在染料轉移的評價指標方面，顏色評價指標的發展相對完善。色差可以比較織物洗滌前后顏色差距的大小，色彩深度可以準確分析同種染料對織物顏色的影響，明度可以判斷織物的明暗程度，白度適用于無彩色的分析。然而，染料轉移的定量評價方法仍存在很大的誤差，開發一種更敏感、更精確的測量方法，可以為染料轉移的研究提供有力支撐。

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收稿日期：20210610網絡出版日期：20211122

基金項目：國家自然科學基金項目（22108169）;上海市青年科技英才揚帆計劃（21YF1416000）;新疆生產建設兵團重大科技計劃（2019AA001）

作者簡介：張真真（1996-），女，河南平頂山人，碩士研究生，主要從事紡織品護理方面的研究。

通信作者：梁帥童，Email： liangst@sues.edu.cn