板栗殼色素對(duì)錦綸織物的染色動(dòng)力學(xué)

黃連香，王祥榮，2

（1.蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇蘇州 215021；2.紡織行業(yè)天然染料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州 215021）

合成染料污染問題越來越嚴(yán)重，天然染料能從可再生資源中獲取，還可生物降解，重新受到大眾青睞。天然染料是指從動(dòng)物、植物、微生物以及礦產(chǎn)資源中提取、幾乎沒有化學(xué)加工的染料［1］，染色的同時(shí)還能賦予紡織品其他功能，如抗菌、抗氧化、抗紫外線等［2］。板栗殼色素是指從板栗殼中提取，既具有植物多酚特有的吸收紫外線、抗菌等功能，又具有染色性能及特殊功能的天然染料［3］。板栗殼色素作為著色劑在食品及化妝品領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在紡織品中作為天然染料的研究也有一定基礎(chǔ)，主要集中在棉、蠶絲以及羊毛等天然纖維上［3-5］，在合成織物上的應(yīng)用較少。錦綸織物具有耐磨性、彈性等優(yōu)點(diǎn)，在絲襪、泳衣以及運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣中的應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)用市場(chǎng)和需求也在不斷擴(kuò)大。本文為驗(yàn)證板栗殼色素在錦綸織物上的應(yīng)用，研究了板栗殼色素的染色動(dòng)力學(xué)，探討了元明粉、平平加O 和媒染處理的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

織物：錦綸6 織物（36 g/m2，經(jīng)過前處理，盛虹集團(tuán)有限公司）。藥品：板栗殼色素（工業(yè)品，印度AMA Herbal Laboratories），無水硫酸鈉、醋酸、醋酸鈉、十八水合硫酸鋁、七水合硫酸亞鐵（分析純），平平加O（工業(yè)品，江蘇四新界面劑科技有限公司）。

1.2 儀器

Smartliquor 染色在線分析儀、Mathis 通用染色小樣機(jī)（SmartLab 有限公司）。

1.3 預(yù)媒染

配制含媒染劑5%(omf)的媒染液，置于紅外染色小樣機(jī)，升溫至40 ℃，投入潤濕錦綸織物（浴比1∶40），然后以2 ℃/min 升溫至80 ℃媒染30 min，再降溫至60 ℃，取出，水洗，脫水，待用。

1.4 染色動(dòng)力學(xué)

采用Mathis 通用染色小樣機(jī)和Smartliquor 染色在線分析儀測(cè)試。用pH 4.2 的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液配制含板栗殼色素0.3 g/L 的染液，加入Mathis 通用染色小樣機(jī)中，加熱至指定溫度，接通Smartliquor 染色在線分析儀，快速投入錦綸織物3 g（浴比1∶200），恒溫染色240 min，獲得恒溫上染速率曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 恒溫上染速率曲線

由圖1 可知，上染初期染料吸附較快，隨著時(shí)間延長，上染速率減緩直至染色平衡，錦綸織物對(duì)板栗殼色素的平衡吸附量隨溫度升高而增加。原因是開始染色時(shí)，染液中色素濃度大，染料上染快，隨著時(shí)間延長，色素濃度減小，上染逐漸達(dá)到平衡。

圖1 板栗殼色素對(duì)錦綸織物的上染速率曲線

2.2 擬合動(dòng)力學(xué)方程及參數(shù)計(jì)算

為了解板栗殼色素的染色動(dòng)力學(xué)特征，找到相應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，選用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)上染速率曲線進(jìn)行擬合。

準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附方程［6］如下：

式中，k1為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)，g/（mg·min）；C∞為染料在織物上的平衡上染量，mg/g；Ct為染色t時(shí)染料的上染量，mg/g。

由圖2 可知，在剛開始吸附時(shí)，吸附數(shù)據(jù)的點(diǎn)符合趨勢(shì)線，隨著時(shí)間延長，吸附數(shù)據(jù)慢慢偏離。由表1可知，回歸系數(shù)R2為0.849 7～0.967 9，擬合度偏低，且實(shí)際平衡吸附量C∞，exp與擬合結(jié)果計(jì)算值C∞，cal相差甚遠(yuǎn)，說明板栗殼色素在錦綸上的吸附過程僅在初期符合準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，后面的吸附過程有偏差，因而此模型不能用來表征板栗殼色素的染色動(dòng)力學(xué)。

圖2 板栗殼色素上染錦綸的準(zhǔn)一級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型擬合曲線

表1 準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)參數(shù)

準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型是在吸附速率由織物表面未被占據(jù)的吸附空位數(shù)目的平方值決定的基礎(chǔ)上給出［7-8］，公式［6］如下：

式中，k2為準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)，g/（mg?min）；C∞為染料的平衡上染量，mg/g；Ct為染色t時(shí)染料的上染量，mg/g。積分后如下：

半染時(shí)間反映染色達(dá)到平衡的速率［9］，指染料吸附量達(dá)到平衡上染吸附量1/2 所需時(shí)間，用t1/2表示。當(dāng)t=t1/2時(shí)，計(jì)算式如下：

由圖3 可知，板栗殼色素上染錦綸織物的擬合曲線在各溫度下均顯示良好的線性關(guān)系，運(yùn)用線性回歸法可算出回歸直線的斜率1/C∞、截距。板栗殼色素在錦綸上染色的準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)參數(shù)見表2。

圖3 板栗殼色素上染錦綸的準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型擬合曲線

由表2 可以看出，回歸系數(shù)R2均在0.99 以上，說明擬合度較高，且實(shí)際平衡吸附量C∞，exp與擬合結(jié)果計(jì)算值C∞，cal相差不大，說明準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程能很好地描述吸附過程。影響準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附作用的主要因素是化學(xué)鍵的形成，由此可知吸附過程主要是化學(xué)吸附［11］。由于準(zhǔn)二級(jí)模型包含織物吸附色素的所有過程，所以此模型可以很好地體現(xiàn)板栗殼色素上染錦綸的動(dòng)力學(xué)機(jī)理。平衡上染量隨溫度升高而增加，反應(yīng)速率常數(shù)則減小。這是由于溫度升高，纖維膨脹程度增加，纖維間隙也增大，染料分子熱運(yùn)動(dòng)加快，使其擴(kuò)散和吸附加快，更容易進(jìn)入纖維內(nèi)部，加快了上染速率，增加了上染量［12］。

表2 準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)參數(shù)

2.3 助劑對(duì)錦綸染色的影響

由圖4 可知，中性鹽能明顯降低板栗殼色素對(duì)錦綸的平衡上染量。這是由于色素對(duì)錦綸的上染以離子鍵形式結(jié)合，中性鹽中的SO42-可中和錦綸所帶的正電荷，減緩色素上染速率，提高板栗殼色素染色的均勻性；而平平加O 基本沒有改變平衡上染量，說明平平加O 對(duì)板栗殼色素上染錦綸織物作用不大。

圖4 添加助劑時(shí)板栗殼色素的上染速率曲線

由圖5 和表3 可知，加入元明粉和平平加O 后，板栗殼色素的吸附動(dòng)力學(xué)仍符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)吸附模型，R2均大于0.99。加入元明粉后平衡吸附量下降，半染時(shí)間變長；加入平平加O 后平衡吸附量基本不變，半染時(shí)間延長，說明具有一定的緩染作用。

圖5 添加助劑時(shí)板栗殼色素上染錦綸的準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型擬合曲線

表3 添加助劑時(shí)準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)參數(shù)

2.4 媒染對(duì)錦綸染色的影響

分別采用十八水合硫酸鋁、七水合硫酸亞鐵對(duì)錦綸織物進(jìn)行預(yù)媒染。由圖6 可以看出，經(jīng)過預(yù)媒染后板栗殼色素對(duì)錦綸織物的上染率略下降。

圖6 預(yù)媒染后板栗殼色素對(duì)錦綸織物的上染速率曲線

由圖7 和表4 可知，預(yù)媒染后，板栗殼色素的吸附動(dòng)力學(xué)仍符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，且平衡吸附量比未媒染低，半染時(shí)間均延長。

圖7 預(yù)媒染后板栗殼色素上染錦綸的準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型擬合曲線

表4 預(yù)媒染后準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)論

（1）在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，板栗殼色素上染錦綸織物的平衡吸附量增加，染色速率常數(shù)減?。蝗旧珓?dòng)力學(xué)符合準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型，R2可達(dá)0.99 以上，色素在錦綸織物上的吸附過程主要是化學(xué)吸附。

（2）加入元明粉或平平加O 后，板栗殼色素的染色動(dòng)力學(xué)仍然符合準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型，加入元明粉后平衡吸附量有所下降（11.034 mg/g），加入平平加O 后沒有明顯變化。

（3）經(jīng)過硫酸鋁和硫酸亞鐵預(yù)媒染后，板栗殼色素的染色動(dòng)力學(xué)仍然符合準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型，平衡吸附量略下降，分別為8.722、10.308 mg/g，半染時(shí)間均延長。