沙拉菲尼爾直接大紅4GE對無塵原紙染色工藝研究

張素風(fēng)， 曹書苗， 萬　婧

(陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室， 陜西 西安　710021)

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沙拉菲尼爾直接大紅4GE對無塵原紙染色工藝研究

張素風(fēng)， 曹書苗， 萬婧

(陜西科技大學(xué) 輕工與能源學(xué)院 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室， 陜西 西安710021)

摘要：通過單因素試驗和正交試驗探討了不同因素對沙拉菲尼爾直接大紅4GE對無塵原紙染色的上染百分率的影響，并確定最佳染色工藝.結(jié)果表明，當(dāng)染料濃度為1%，溫度為80 ℃，NaCl用量為15 g/L，浴比為1∶50時，上染百分率最大為93.1%.對染色后的紙張纖維采用光學(xué)顯微鏡、傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀以及X射線衍射儀分析，發(fā)現(xiàn)染色后纖維形態(tài)保持完好，染色明顯，紅外光譜圖基團(tuán)沒有明顯變化，纖維結(jié)晶度有所下降.

關(guān)鍵詞：無塵原紙； 沙拉菲尼爾直接大紅4GE； 染色； 上染百分率

0引言

無塵紙也叫干法造紙非織造布(Air-Laid Pulp Nonwovens)，是干法非織造布的一種，是將絨毛漿或混合其他種類纖維原料按一定比例開松成單根纖維，經(jīng)氣流成網(wǎng)后加固而成，有時根據(jù)用途及性能會適當(dāng)加入膠乳、熱熔性纖維以及高吸水性樹脂SAP[1-5].無塵紙質(zhì)地柔軟，親膚性強(qiáng)，手感和垂感都非常好，具有優(yōu)異的吸水吸油性能，在使用中不留紙粉、清爽干凈，以其獨特的優(yōu)點而備受青睞，彩色無塵紙逐漸受到大家歡迎，應(yīng)用也越來越廣泛，需求量也越來越大[6-8].我國無塵紙生產(chǎn)廠家技術(shù)起步晚，與國外技術(shù)有一定的差距，彩色無塵紙的生產(chǎn)在我國還沒有得到充分發(fā)展，盡管存在少數(shù)彩色無塵紙生產(chǎn)廠家，但其染色技術(shù)不夠系統(tǒng)全面，缺乏理論探究實驗.

沙拉菲尼爾直接大紅4GE是現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用的染料之一，符合歐盟環(huán)保要求，能直接溶解于水，在造紙、皮革和印染工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，對纖維素纖維有很好的直接性，上染率高.許長海、 周青青和劉嘉等[9-11]分別進(jìn)行了竹纖維、紙漿纖維及蘆薈纖維的直接染料染色性能研究.Haoming Rong[12]研究了熱粘合棉花非織造布的粘合纖維分布和拉伸性能.N.A.Ibrhim和 Keng-Ming Chena[13,14]研究多功能陰離子的棉染色以及新型多功能陰離子表面活性劑對棉織物直接染料染色的影響.S.M.Burkinshaw[15]講述了非織造布的染色，為無塵紙的直接染料染色研究提供了參考.

本文用沙拉菲尼爾直接大紅4GE染料對無塵紙浸漬染色，研究染色溫度、染料濃度、NaCl用量、染色時間以及浴比對上染百分率的影響，以上染百分率為指標(biāo)設(shè)計正交試驗確定了最佳染色工藝，并使用光學(xué)顯微鏡、傅立葉轉(zhuǎn)換紅外線光譜分析儀(FTIR)、X射線衍射儀(XRD)分析染色后纖維形態(tài)、基團(tuán)結(jié)構(gòu)以及結(jié)晶度的變化.

1實驗部分

1.1原料與試劑

無塵原紙(上海可林紙業(yè)有限公司)；平平加O-25(江蘇省海安石油化工廠)；沙拉菲尼爾大紅4GE(上海萍波貿(mào)易有限公司)；NaCl(天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司，AR)；滲透劑JFC(河南騰輝化工有限公司)；中性皂洗劑(東莞本一化工紡織助劑有限公司).

1.2儀器與設(shè)備

SK Digital系列光學(xué)顯微鏡(麥克奧迪實業(yè)有限公司)；BSA224S電子天平(賽多利斯科學(xué)儀器北京有限公司)；THZ-82A恒溫震蕩水浴鍋(全壇市科析儀器有限公司)；752紫外可見分光光度計(上海佑科儀器儀表有限公司)； Lambda 25紫外可見分光光度計(PerkinElmer).

1.3實驗方法

1.3.1直接大紅4GE最大波長的測定

配置一定濃度的染液，用Lambda 25紫外可見分光光度計測定連續(xù)波長范圍內(nèi)的吸光度，找出峰值點所對的波長，即為最大吸收波長.

1.3.2上染百分率的測定

上染百分率是指染料在無塵紙上染量與染料初始用量的比值.染色時配置標(biāo)準(zhǔn)溶液和染色液，標(biāo)準(zhǔn)溶液中不加無塵原紙，其余操作均與染色溶液操作過程相同.染色完畢，將標(biāo)準(zhǔn)液稀釋至500 mL，將無塵原紙用常溫清水充分沖洗，將洗滌后的殘夜全部收集起來，稀釋至500 mL，分別用752紫外可見分光光度計測定兩溶液的吸光度.

上染百分率的具體計算公式如下：

式中：A0—標(biāo)準(zhǔn)溶液吸光度；A1—染色后溶液吸光度.

1.3.3染色配方及方法

(1)配方

滲透劑JFC，2 g/L；平平加O-25,0.25 g/L;浴比,1∶N;溫度,X℃;NaCl,Yg/L;染料濃度,Z/%;

(2)染色方法

按照實驗所需的染料濃度配置染液，并放入水浴，待溫度達(dá)到40 ℃時，加入滲透劑JFC，隔 5 min后加入平平加并開啟震蕩模式，待水溫逐漸升到一定溫度時，加入無塵原紙，保持15 min后加入一半NaCl，20 min后將剩余NaCl全部加入，最后保溫25 min，取出所有紙用清水沖洗干凈，并將所有殘液體與清洗液全部收集起來待測.

1.4染色后纖維分析

1.4.1光學(xué)顯微鏡

利用SK200型光學(xué)顯微鏡對染色前后的無塵紙纖維形態(tài)及顏色進(jìn)行觀察，了解纖維形態(tài)及染料在纖維上的上染情況.

1.4.2紅外光譜

染色前后的無塵紙經(jīng)低溫干燥后采用VERTE70型傅立葉紅外光譜分析儀檢測，分析化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化.

1.4.3X射線衍射

采用日本理學(xué)D/max2200PC型，對染色前后纖維結(jié)晶度的測定，分析染色前后無塵紙纖維結(jié)晶度的變化.

2結(jié)果與討論

2.1直接大紅4GE最大吸收波長

圖1為直接大紅4GE在Lambda 25紫外分光光度計下的吸光度.從圖1中可知，當(dāng)波長在496 nm時出現(xiàn)最高峰，即最大吸收波長為496 nm.

圖1　直接大紅4GE最大吸收波長

2.2單因素實驗

2.2.1溫度對上染百分率的影響

依次選取溫度為50、60、70、80、90、100，在染料濃度為3%，浴比1∶50，NaCl用量為10 g/L下染色60 min，測定并計算染料在無塵原紙上的上染百分率.由圖2可知，隨著溫度從50 ℃～80 ℃不斷上升，上染百分率在不斷增加，當(dāng)溫度超過80 ℃時，上染百分率開始稍微有所下降，這是與染料本身分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，溫度對上染率有較大影響，在80 ℃時有較高的上染率.因此，染色時溫度選擇最好為80 ℃.

圖2　溫度對上染百分率的影響

2.2.2染料濃度對上染百分率的影響

注：染料濃度均為染料質(zhì)量與紙張質(zhì)量之比圖3　染料濃度對上染百分率的影響

依次選取染料濃度為1%、2%、3%、4%、5%、6%，在NaCl加入量為10 g/L，浴比1∶50，80 ℃下染色60 min，NaCl加入量為10 g/L，測定并計算染料在無塵原紙上的上染百分率.從圖3中可以看出，隨著染料濃度增加上染百分率呈現(xiàn)下降趨勢.由于染料濃度在1%以下，染色深度不足，所以染料濃度選擇1%.

2.2.3NaCl加入量對上染百分率的影響

依次選取NaCl加入量為5 g/L、10 g/L、15 g/L、20 g/L、25 g/L、30 g/L、35 g/L、40 g/L，在染料濃度為3%，浴比1∶50，80 ℃下染色60 min，測定并計算染料在無塵原紙上的上染百分率.由于無塵原紙中纖維和染料在水溶液中都呈負(fù)電性，在染色時會相互排斥，因此NaCl在染色時作為促染劑能夠有效地減小纖維與染料之間的電荷相互排斥，增加上染率.由圖4可知，隨著NaCl逐漸加入，上染百分率先迅速上升，在加入量為10～15 g/L時增加速率減慢，15 g/L之后上染百分率幾乎不再變化.因此染色時，最佳的NaCl用量為15 g/L.

圖4　NaCl用量對上染百分率的影響

2.2.4染色時間對上染百分率的影響

選擇染料濃度為3%，NaCl加入量15 g/L,浴比1∶50，在80 ℃條件下染色，NaCl分兩次加入，加入點分別為15 min和35 min，每隔5 min取樣一次，測定染色液與標(biāo)準(zhǔn)液的吸光度，并計算上染率.圖5中分別在15 min和35 min兩個時間點加入一半質(zhì)量的NaCl，可以明顯看出在這兩點的上染百分率都出現(xiàn)了不同程度的提高.第一次加入NaCl后上染速率從33.4%迅速升高到63.3%.之后隨著染色時間延長，上染百分率增加不大，當(dāng)?shù)诙渭尤隢aCl之后上染百分率從77.7%上升到79.2%，相較于第一次加入NaCl的上染百分率提高較小.之后隨著時間延長，上染百分率緩慢增加，直至60 min幾乎不再變化.說明，NaCl對上染百分率的促進(jìn)作用十分明顯，分兩次加入NaCl是為了使初始染色速率不至于過高，使得染色太快，染色不均勻,所以最佳染色時間選擇60 min.

圖5　浸染時間對上染百分率的影響

2.2.5浴比對上染百分率的影響

依次選擇1∶30、1∶40、1∶50、1∶60、1∶70、1∶80的浴比，在染料濃度為3%，NaCl加入量為15 g/L，溫度為80 ℃下染色60 min，測定并計算染料在無塵原紙上的上染百分率.從圖6中可以看出，過大和過小的浴比都不利于上染百分率的提高，浴比較小時，染料不能充分與纖維接觸并結(jié)合，最終不僅會導(dǎo)致染料上染纖維受阻，有時也會出現(xiàn)染色不均勻，出現(xiàn)色花或者色點；浴比過大時，染料分子自由移動的空間變大，與纖維碰撞接觸的機(jī)會變小，染料的利用率反而下降，最終導(dǎo)致上染百分率下降.當(dāng)浴比為1∶40、1∶50、1∶60時，上染百分率較高，且較為接近.

圖6　浴比對上染百分率的影響

2.3正交試驗

由于上染時間對上染百分率的影響顯而易見，染色60 min后的上染百分率基本保持不變，因此正交試驗時可以選擇染色時間為60 min，因而選擇溫度、NaCl用量、染液濃度以及浴比4個因素，以上染百分率為指標(biāo)，采用L9(34)正交試驗設(shè)計表對直接大紅4GE上染無塵紙工藝進(jìn)行研究.正交試驗因素水平表見表1.

表1　正交試驗因素水平表

2.4正交試驗結(jié)果分析

以上染百分率為指標(biāo)的正交試驗直觀分析表及極差分析如表2所示，方差分析如表3所示.

表2　正交試驗直觀分析表及極差分析

表3　正交試驗方差分析

由表2中的極差分析可知，上染百分率的因素影響程度為染液濃度>溫度>NaCl>浴比，即染料濃度的影響最大，染色溫度次之，NaCl影響較大，浴比的影響最小.

由表3可知，由于FA、FB、FD均大于F0.95(2,2)=19，也都大于F0.90(2,2)=9，因此因子A、B、D分別在顯著性水平0.05和0.10上是顯著的，因子C不顯著.對顯著性水平A、B、D應(yīng)該選擇最好水平，對不顯著水平C可以根據(jù)實際情況來選擇，為了使紙張在染浴中充分浸沒，又使得染料充分被吸盡，可以選擇C2.

綜上，最佳工藝為A2B2C2D1，即溫度為80 ℃，NaCl為15 g/L，浴比為1∶50，染料濃度1%時上染百分率最大.

2.5驗證實驗

經(jīng)驗證，當(dāng)染料濃度為1%，溫度為80 ℃，NaCl為15 g/L，浴比為1∶50時上染百分率為93.1%.

2.6染色后纖維變化

2.6.1光學(xué)顯微鏡

圖7(a)和(b)為染色前經(jīng)赫氏試劑處理后的無塵紙纖維形態(tài)，圖7(c)和(d)是經(jīng)濃度為3%的染料染色后的無塵紙纖維形態(tài)，纖維形態(tài)較完整，基本沒有發(fā)生變化，染料已經(jīng)與纖維發(fā)生結(jié)合，纖維明顯已被染上顏色，染色的深度和均勻程度均較好.

(a) ×100　　　　　(b) ×400

(c) ×100　　　　　(d) ×400圖7　染色前后無塵原紙的纖維形態(tài)

2.6.2紅外光譜

從圖8 可以看出，染色前后紙張紅外譜圖中的特征吸收峰變化不大，只在1 587 cm-1處出現(xiàn)了一個新的吸收峰，但峰強(qiáng)度較小，這個是由于染料與纖維結(jié)合的影響，引入了染料的特征吸收峰.對染料進(jìn)行了紅外分析后發(fā)現(xiàn)，染料與染色前的原紙的特征吸收峰很大一部分發(fā)生了重合，而且直接染料與紙張纖維的共價鍵結(jié)合很少，基本是以氫鍵和范德華力作用，所以染色后紙張的特征吸收峰并沒有發(fā)生較大改變，只是透光率在一定程度上有所減小.

圖8　染色前后無塵原紙的紅外光譜圖

2.6.3X射線衍射

從圖9中可以看出，染色后的紙張在21.5 °出現(xiàn)了新峰，在26.7°處明顯增強(qiáng)，又對染料單獨進(jìn)行XRD分析發(fā)現(xiàn)，染色后紙張在21.5 °出現(xiàn)的新峰可能是受到了染料在19.1 °和23.4 °處的影響，在26.7 °處峰的增強(qiáng)是由于染料在28.2 °左右的三個強(qiáng)度峰的影響.總之，染色后紙張峰強(qiáng)度的變化是由于染料與紙張纖維結(jié)合而發(fā)生變化.最后對染色前后紙張纖維結(jié)晶度進(jìn)行計算，結(jié)果分別為68.7%和63.1%，說明染色后紙張纖維結(jié)晶度有了一定程度下降.這是由于染色時染料首先對纖維的無定形區(qū)作用之后，有一部分染料繼續(xù)對纖維結(jié)晶區(qū)產(chǎn)生了一定的作用，這種作用一方面可能是與結(jié)晶的一部分發(fā)生結(jié)合反應(yīng)，一方面可能對結(jié)晶區(qū)有一定程度的破壞.

圖9　染色前后無塵原紙的X射線衍射圖

3結(jié)論

本實驗用沙拉菲尼爾直接大紅4GE對無塵原紙染色工藝進(jìn)行了研究，實驗結(jié)果表明：各因素的影響程度為染液濃度>溫度>NaCl用量>浴比，得到的最佳工藝為：染料濃度為1%，溫度為80 ℃，NaCl為15 g/L，浴比為1∶50，上染百分率為93.1%.染色后紙張纖維形態(tài)較好，紅外光譜圖中沒有基團(tuán)基本沒有發(fā)生變化，纖維結(jié)晶度有所下降.本實驗為特種紙張染色提供了研究方法和分析依據(jù).

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Dyeing performance of solophenyl direct scarlet 4GE on air-laid paper

ZHANG Su-feng， CAO Shu-miao， WAN Jing

(College of Light Industry and Energy, Shaanxi Province Key Laboratory of Papermaking Technology and Specialty Paper, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:The paper discussed the influence of different factors on the dyeing rate of solophenyl scarlet 4GE to air-laid paper by single-factor and orthogonal designed experiments to determine the optimal dyeing process.The result showed that the maximal dyeing rate is 93.1% when the dye concentration was 1%, the temperature was 80 ℃, NaCl was 15 g/L, and the liquor ratio was 1∶50.Then the dyed paper fiber was analyzed by optical microscopy，F(xiàn)TIR and XRD，suggesting that fiber morphology stained well, the fiber had been dyed obviously，there were small changes and the crystallinity of the fiber declined after being dyed.

Key words:air-laid paper; solophenyl scarlet 4GE; dyeing; dyeing rate

中圖分類號：TS193.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-5811(2015)05-0024-06

作者簡介:張素風(fēng)(1972-)，女，山西洪洞人，教授，博士，研究方向：纖維資源高值利用及功能紙基材料

基金項目：陜西省科技廳科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(2015KTCQ01-44)； 陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室訪問學(xué)者項目(12JS024); 陜西科技大學(xué)學(xué)術(shù)帶頭人培育計劃項目(2013XSD24)

收稿日期:*2015-05-20