錦綸纖維酸性染料染色動(dòng)力學(xué)對(duì)比研究

郝新敏，李岳玲，，王建明，郭亞飛，楊 元

(1.總后勤部軍需裝備研究所，北京 100082;2.北京服裝學(xué)院，北京 100029;3.優(yōu)纖科技(丹東)有限公司，遼寧丹東 118000)

錦綸是現(xiàn)代工業(yè)最重要的材料之一，具有強(qiáng)力高、耐磨性好、懸垂性好、透氣吸濕等優(yōu)點(diǎn)，是一種高附加值的纖維［1］。目前應(yīng)用最普遍的是錦綸6和錦綸66，但是它們的原材料主要依賴于石油化工產(chǎn)品。就目前經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面來(lái)看，用生物質(zhì)資源來(lái)代替化工原料是大家主要關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題［2］，而生物基錦綸56其單體由生物法制備［3－5］，與錦綸6和錦綸66相比，在原料來(lái)源上具有很大的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)前期測(cè)試得知，錦綸56熱穩(wěn)定性較好。

錦綸通常采用酸性染料進(jìn)行染色［6］，也可采用中性(1∶2型金屬絡(luò)合染料)、分散和活性染料進(jìn)行染色。本文主要通過(guò)酸性藍(lán)NHFS對(duì)錦綸56、錦綸6、錦綸663種纖維的染色動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而為制定錦綸56合理的染色工藝奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

長(zhǎng)絲:166 dtex/72 f PA56長(zhǎng)絲(總后勤部軍需裝備研究所);233 dtex PA6長(zhǎng)絲(廣東新會(huì)美達(dá)錦綸股份有限公司);110 dtex/34 f PA66長(zhǎng)絲(遼寧銀珠化紡集團(tuán)有限公司)。染料:酸性藍(lán)NHFS。

儀器:XH-KG55B染色機(jī)電腦(佛山市航星自動(dòng)化設(shè)備有限公司);JA2003精密電子天平(精確至0.0001);721分光光度計(jì)(上海第三分析儀器廠);烘箱;FE20 pH值計(jì)(梅特勒-托利多儀器有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 纖維半徑的測(cè)定

錦綸纖維的橫截面基本是圓形，平均半徑r可由下式［7］求得:

式中:T為纖維分特?cái)?shù);ρ為纖維平均密度;r為半徑。

1.2.2 上染百分率的測(cè)定方法

用721型分光光度計(jì)分別測(cè)定染前染液的吸光度A0、不同時(shí)間下染色殘液的吸光度Ai，則各個(gè)時(shí)間的染料上染百分率Ct可由下式［8］計(jì)算:

式中:Ct為上染百分率;A0為染前染液的吸光度;Ai為染色殘液的吸光度。

1.2.3 擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算

根據(jù)維克塔夫雙曲線吸收方程

式中:K為常數(shù);t為時(shí)間;C∞為平衡上染百分率;Ct為時(shí)間為t時(shí)的上染百分率。

上式經(jīng)一系列變形可得一直線:

1/Ct對(duì)1/t作圖可得到一條直線，此直線在y軸上的截距即為1/C∞，進(jìn)而求得C∞。

由 Ct/C∞值，查表［9］可得 Dit/r2(r為纖維的平均半徑)之值，進(jìn)而求出Di，即t時(shí)間染料的擴(kuò)散系數(shù)。將某溫度下不同時(shí)間的Di值作平均值，得該溫度下的平均擴(kuò)散系數(shù)D。

1.2.4 染色速率常數(shù)和半染時(shí)間

由初始吸光度A0、t時(shí)間的吸光度At和染后殘液吸光度Af，通過(guò)下式［10］可計(jì)算染色速率常數(shù)k:

式中:At為t時(shí)間的吸光度;Af為染后殘液吸光度;A0為染前染液吸光度，k為染色速率常數(shù);t為時(shí)間。

根據(jù)染色速率常數(shù)可計(jì)算出半染時(shí)間:

式中:t1/2為半染時(shí)間;k為染色速率常數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)力學(xué)結(jié)果分析

2.1.1 上染速率曲線的繪制

配制5.0 g/L的酸性藍(lán)NHFS標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照表1所示參數(shù)配制一系列相同濃度的染浴，調(diào)節(jié)染浴的pH值為3.64，然后于恒溫(80、90℃、100℃)條件下放入錦綸纖維(PA6、PA66、PA56)，開始計(jì)時(shí)染色。根據(jù)表中的時(shí)間依次取出纖維。最后分別測(cè)染色前后染液的吸光度，計(jì)算上染百分率，做出3種纖維在不同情況下的上染速率曲線，如圖1所示。

表1 錦綸長(zhǎng)絲的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)Tab.1 Kinetic experiments of acid blue NHFS

圖1中上染速率曲線提供了在一定染色條件下染料吸附速率的完整描述。曲線的斜率反映了染料在纖維上的上染速率。從圖中可看出，在上染初期(10 min內(nèi))纖維上染料濃度隨時(shí)間的增長(zhǎng)變化較快，隨著時(shí)間的繼續(xù)增長(zhǎng)，上染濃度變化越來(lái)越慢，最后纖維上的染料濃度不再隨染液濃度而增加，即達(dá)到了染色平衡。

圖1 不同溫度下酸性藍(lán)NHFS在3種纖維的上染速率曲線Fig.1 Dyeing rate curves of acid blue NHFS on three fibers

從圖1還可看出:80℃染色時(shí)，生物基錦綸56需要20 min達(dá)到平衡，錦綸6和錦綸66需90 min才能達(dá)到平衡;90℃染色時(shí)，錦綸56需10 min達(dá)到平衡，錦綸6和錦綸66需60 min才能達(dá)到平衡;100℃染色時(shí)，錦綸56需5 min達(dá)到平衡，而錦綸6和錦綸66需50 min才能達(dá)到平衡。在相同的染色溫度下，染色時(shí)間相同時(shí)，錦綸56的上染百分率明顯的高于錦綸6和錦綸66。其主要原因?yàn)?錦綸56的結(jié)晶度低于錦綸6和錦綸66，而染色時(shí)染料主要進(jìn)入纖維的無(wú)定形區(qū);錦綸56的直徑最小，即比表面積最小，使其更易上染;錦綸56的分子質(zhì)量較小，相同質(zhì)量的錦綸56和錦綸6、錦綸66，錦綸56所含的氨基數(shù)量最多更易上染。

2.1.2 擴(kuò)散系數(shù)

計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)首先需要知道纖維的規(guī)格及物理指標(biāo)，之后根據(jù)Ct/C∞與Dit/a2的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，計(jì)算出某一時(shí)刻t所對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)D。錦綸長(zhǎng)絲的半徑可通過(guò)計(jì)算得到(見(jiàn)表2)，也可通過(guò)SEM觀察得到(見(jiàn)圖2)。

表2 錦綸長(zhǎng)絲的半徑Tab.2 Radius of polyamide filaments

從圖2可以看出:生物基錦綸56的半徑為0.80×10－5m，錦綸6的半徑為1.35×10－5m，錦綸66的半徑為0.95×10－5m，與表2計(jì)算得到的數(shù)據(jù)一致。

3種錦綸纖維在不同實(shí)驗(yàn)溫度下的平均擴(kuò)散系數(shù)如圖3所示。從圖可看出，在相同的染色溫度下，錦綸56的擴(kuò)散系數(shù)明顯高于錦綸6和錦綸66，其原因見(jiàn)2.1.1。

2.1.3 染色速率常數(shù)和半染時(shí)間

表3示出3種錦綸纖維在不同染色溫度下的染色速率曲線和半染時(shí)間。

圖2 3種纖維的SEM照片(×1500)Fig.2 SEM image of three fibers(×1500).(a)Cross section of polyamide 56;(b)Cross section of polyamide 6;(c)Cross section of polyamide 66

圖3 3種纖維的平均擴(kuò)散系數(shù)Fig.3 Average diffusion coefficient of three fibers

表3 錦綸的染色速率常數(shù)和半染時(shí)間數(shù)據(jù)Tab.3 Data of dyeing rate constants and half dyeing time of polyamide

比較表3中的數(shù)據(jù)可看出:3種錦綸纖維的染色速率常數(shù)隨染色溫度的升高逐漸增大，半染時(shí)間隨溫度的升高逐漸減小;在相同的染色溫度下錦綸56的染色速率常數(shù)明顯高于錦綸6和錦綸66，且錦綸56的半染時(shí)間明顯小于錦綸6和錦綸66，其原因見(jiàn)2.1.1。

表4示出3種錦綸纖維在不同的染色溫度下，在各自對(duì)應(yīng)的半染時(shí)間下染色后的K/S值。

表4 錦綸纖維的K/S值Tab.4 K/S values of polyamide fibers

從表4可看出:3種錦綸纖維在相同的染色溫度下，于各自的半染時(shí)間染色后，錦綸56染色后的K/S值明顯高于錦綸6、錦綸66;溫度升高對(duì)錦綸56 K/S值的影響較小;從不同染色溫度下錦綸66染色后的K/S值可看出，溫度升高，K/S值明顯的增大，說(shuō)明溫度對(duì)其影響較大。

3 結(jié)論

1)在相同的染色溫度下，染色時(shí)間相同時(shí)，錦綸56的上染百分率明顯的高于錦綸6和錦綸66。

2)在相同的染色溫度下，錦綸56的擴(kuò)散系數(shù)明顯高于錦綸6和錦綸66。

3)在相同的染色溫度下，生物基錦綸56的染色速率常數(shù)均高于錦綸6和錦綸66，且半染時(shí)間最短。

4)在相同染色溫度下，于各自所對(duì)應(yīng)的半染時(shí)間進(jìn)行染色后，錦綸56的K/S值明顯高于錦綸6、錦綸66;溫度升高對(duì)錦綸56 K/S值的影響較小;從不同染色溫度下錦綸66染色后的K/S值可看出，溫度升高，K/S值明顯的增大，說(shuō)明溫度對(duì)其影響較大。

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