滌綸織物堿減量與染色一浴工藝的可行性研究

于家學(xué)， 王小艷， 唐敬淋， 杜金梅， 許長(zhǎng)海,

(1.江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122；2.蓬萊嘉信染料化工股份有限公司，山東 蓬萊 265600；3.青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266071)

滌綸的染整加工包括退漿、精練、堿減量、染色等環(huán)節(jié)。通常退漿、精練和堿減量在堿性浴中進(jìn)行，而染色在中性或弱酸性浴中進(jìn)行[1-2]。整個(gè)流程需要進(jìn)行反復(fù)的中和水洗，消耗的能源和水對(duì)環(huán)境而言是一個(gè)巨大的負(fù)擔(dān)[3-4]。因此需要開(kāi)發(fā)對(duì)環(huán)境友好的滌綸染整加工方法。

近些年關(guān)于滌綸染色的新工藝不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，例如超臨界二氧化碳染色[5-6]、堿性染色[7-8]、溶劑染色[9-10]等,其中，超臨界二氧化碳染色工藝對(duì)設(shè)備要求較高，溶劑染色存在環(huán)境污染問(wèn)題，而堿性染色優(yōu)點(diǎn)較多，因而成為研究熱點(diǎn)。

首先，堿性染色可以解決傳統(tǒng)染色過(guò)程中產(chǎn)生低聚物的問(wèn)題。低聚物不但會(huì)造成各種染色疵病，而且不利于設(shè)備的清洗。高溫堿性條件可使低聚物發(fā)生水解。Receu等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在對(duì)滌綸進(jìn)行堿性浴染色的過(guò)程中，二聚物和五聚物的含量大大減少。Yang等[12]研究發(fā)現(xiàn)堿性預(yù)處理和染色可以水解約90%的三聚體。其次，堿性染色可以解決預(yù)處理不足引起的色斑。如滌綸坯布上含有漿料和紡織油劑，這些雜質(zhì)在退漿精練過(guò)程中通常不能完全除去，易在染色過(guò)程中形成色斑等染色疵病，而堿性染色可以在堿性條件下進(jìn)一步去除漿料和油劑的殘留物，避免以上問(wèn)題的出現(xiàn)[13]。此外，由于堿性染色可以將染色與退漿、精練和堿減量同浴進(jìn)行，因此該工藝能大幅簡(jiǎn)化織物染色流程且降低印染廢水的排放量[14]。目前大部分關(guān)于堿性染色的研究重點(diǎn)是將染液pH值調(diào)整為堿性水平[15]，關(guān)于堿減量與染色一浴工藝的研究較少。曹機(jī)良等[16]研究HA(high alkali-resistant)型耐堿染料的低溫堿性染色，分析苯甲醇、碳酸鈉、分散劑和染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及染色溫度、時(shí)間等因素對(duì)滌綸織物染色性能的影響，結(jié)果表明，優(yōu)化后的工藝可以使染色織物獲得優(yōu)異的K/S值和色牢度,但引入苯甲醇載體進(jìn)行低溫堿性染色時(shí)，染料、載體、堿和纖維的相互作用未見(jiàn)深入研究,也未考慮高溫堿性條件下滌綸發(fā)生堿減量引起織物質(zhì)量變化時(shí)造成的K/S值變化。Li等[17]設(shè)計(jì)并合成了以2,6-二氯-4-硝基苯胺或2-氯-4-硝基苯胺為重氮組分、n-取代苯胺為偶聯(lián)組分的5種分散染料，并將其用于滌綸織物的一浴一步法堿性染色，其中兩種染料耐堿性能優(yōu)異，可以用于一浴一步法堿性染色,但是該研究也未考慮織物在堿性條件失重從而引起的顏色偏差。

本文研究滌綸織物堿減量與染色一浴工藝，使用高耐堿分散染料在強(qiáng)堿性條件下對(duì)滌綸織物進(jìn)行染色，分析堿減量與染色一浴工藝中影響織物顏色的主要因素。研究結(jié)果有望為滌綸織物染色生產(chǎn)實(shí)踐提供有價(jià)值的指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料和藥品

滌綸針織坯布，面密度為160 g/m2；染料：分散紅HA-2G、分散黃HA-2RW、分散藍(lán)HA-2R(蓬萊嘉信染料化工股份有限公司)；高溫染色用分散勻染劑NICCA SUNSOLT 7000Z，分析純(日華化學(xué)中國(guó)有限公司)；NaOH、保險(xiǎn)粉、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、硫酸，分析純(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。

1.2 儀器

AHIBA IR型高溫高壓染色機(jī)(美國(guó)Datacolor公司)；HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋(江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司)；Datacolor 650型反射光分光光度計(jì)(美國(guó)Datacolor公司)；SW-12A型耐洗色牢度試驗(yàn)儀(無(wú)錫紡織儀器廠)；Y(B)571-Ⅱ型耐摩擦牢度試驗(yàn)機(jī)(溫州市大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 染料耐堿性

配制100 mL的堿性染浴，染料質(zhì)量濃度為0.5 g/L，勻染劑質(zhì)量濃度為2.5 g/L，NaOH質(zhì)量濃度分別為0、5、10、15和20 g/L。不添加織物，將染浴由室溫升溫至130 ℃，升溫速率為2 ℃/min，保溫40 min，再以4 ℃/min速率降溫至80 ℃，隨后自然冷卻至室溫后測(cè)試染液吸光度。

1.3.2 堿減量物質(zhì)量濃度對(duì)染色性能的影響

采用不同質(zhì)量濃度的NaOH溶液在高溫下對(duì)滌綸織物進(jìn)行堿減量處理，根據(jù)處理前后織物的質(zhì)量確定母液中堿減量物(水解產(chǎn)物)的含量，將此母液中和后用于染液的配制。配制含有不同堿減量物質(zhì)量濃度的染浴，分別為0、0.65、1.62、3.25、4.88和6.50 g/L，染浴中染料的質(zhì)量濃度為0.50 g/L，勻染劑質(zhì)量濃度為2.50 g/L，織物質(zhì)量為5 g，浴比為1∶20?？椢镉谑覝叵峦度肴驹。⒁? ℃/min的升溫速率升至130 ℃，保溫40 min，再以4 ℃/min速率降溫至80 ℃，取出織物并進(jìn)行充分水洗，烘干后測(cè)量織物顏色特征值。

1.3.3 先堿減量后染色的傳統(tǒng)工藝

(1)堿減量：配制質(zhì)量濃度分別為0、5、10、15和20 g/L的NaOH溶液各100 mL。分別將5 g滌綸織物加至溶液中，以2 ℃/min的升溫速率由室溫升至130 ℃，保溫40 min，再以4 ℃/min速率降溫至80 ℃，取出織物，充分水洗晾干后稱重。

(2)染色：分別配制染料與織物質(zhì)量百分比為0.5%、1.0%、2.0%和4.0%，勻染劑質(zhì)量濃度為2.5 g/L，浴比為1∶20的染浴。將堿減量處理后的織物在室溫下投入染浴，并以2 ℃/min的速率升溫至130 ℃，保溫40 min，再以4 ℃/min的速率降溫至80 ℃。將織物取出充分水洗，烘干后測(cè)量其顏色特征值。

1.3.4 堿減量與染色一浴工藝

分別配制含有NaOH質(zhì)量濃度為0、5、10、15和20 g/L，染料與織物質(zhì)量百分比為0.5%、1.0%、2.0%和4.0%，勻染劑質(zhì)量濃度為2.5 g/L，浴比為1∶20的染浴?？椢锛尤肷鲜鋈驹『螅瑴囟纫? ℃/min的速率由室溫升溫至130 ℃，保溫40 min，再以4 ℃/min的速率降溫至80 ℃。將織物取出充分水洗，烘干后測(cè)量其顏色特征值。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 紫外-可見(jiàn)吸收光譜測(cè)試

使用島津UV-2600型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)試染料的光譜性能，溶劑選擇DMF，掃描范圍為360～700 nm。

1.4.2 顏色特征值測(cè)試

將織物折成4層，使用Datacolor 650型反射光分光光度儀，選用D65光源和10°視角在大孔徑為30 mm的條件下測(cè)量顏色的特征值，每個(gè)樣品隨機(jī)測(cè)10個(gè)不同位點(diǎn)，取平均值。

1.4.3 減量率的計(jì)算

將織物試樣分別加入質(zhì)量濃度為0、5、10、15和20 g/L的NaOH溶液(浴比為1∶20)中，溫度由室溫起，以2 ℃ /min的升溫速率升至130 ℃，保溫40 min，再以4 ℃/min速率降溫至80 ℃。取出織物充分水洗、烘干后獲得其質(zhì)量?？椢锏臏p量率W計(jì)算如式(1)所示。

(1)

式中：W為織物減量率；m為織物堿減量前質(zhì)量；m1為織物堿減量后質(zhì)量。

1.4.4 染色牢度測(cè)試

按照GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐皂洗色牢度》測(cè)定耐洗色牢度。將染色滌綸織物與毛、腈、滌、錦、棉和醋酯的纖維貼襯織物相接觸，沿一短邊縫合后進(jìn)行染色牢度測(cè)試，通過(guò)貼襯織物的沾色和染色織物的褪色評(píng)定織物的耐洗色牢度。耐摩擦色牢度按照GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐摩擦色牢度》進(jìn)行測(cè)試。

1.4.5 勻染性測(cè)試

染色織物的勻染性用織物上各點(diǎn)的K/S值對(duì)其平均值的偏差s來(lái)表示，偏差s越小說(shuō)明勻染性越好[18]。

1.4.6 纖維形貌測(cè)試

采用日立SU1510型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)織物堿減量前后的形貌進(jìn)行表征，SEM放大倍數(shù)為5 000倍。

1.4.7 斷裂強(qiáng)力測(cè)試

頂破強(qiáng)力按照GB/T 19976—2005《紡織品 頂破強(qiáng)力的測(cè)定 鋼球法》進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 染料的耐堿性

在滌綸的堿減量與染色一浴體系中，染料具有優(yōu)異的耐堿穩(wěn)定性是整個(gè)工藝實(shí)施的基礎(chǔ)。染料的耐堿穩(wěn)定性可以通過(guò)染料最大吸收波長(zhǎng)的變化進(jìn)行判定。經(jīng)不同質(zhì)量濃度NaOH堿減量處理后，以分散紅HA-2G為染料的滌綸的吸光度曲線如圖1所示。

圖1 不同質(zhì)量濃度NaOH堿減量處理下分散紅HA-2G染色滌綸的吸光度曲線Fig.1 Absorbance curve of disperse red HA-2G under alkali reduction treatment with different mass concentrations of NaOH

由圖1可知，染料在波長(zhǎng)400～700 nm區(qū)間只有一個(gè)吸收峰(533 nm)，并且隨著NaOH質(zhì)量濃度的增加，染料吸光度曲線中峰的形狀和位置都沒(méi)有改變。這表明在高溫濃堿的染色環(huán)境下該染料不會(huì)分解。

2.2 堿減量物對(duì)染色性能的影響

在堿減量與染色一浴工藝過(guò)程中，滌綸纖維在堿的作用下發(fā)生水解，水解產(chǎn)物(即堿減量物)在染液中不斷累積，為了分析這些堿減量物對(duì)分散染料上染滌綸織物產(chǎn)生的影響，以含有不同質(zhì)量濃度堿減量物的染液對(duì)滌綸進(jìn)行染色。不同堿減量物質(zhì)量濃度下染色的滌綸織物的顏色特征值如表1所示。

表1 不同堿減量物質(zhì)量濃度下染色滌綸織物的顏色特征值

由表1可知:隨染浴中堿減量物質(zhì)量濃度的升高，織物的L，a，b，C和h值沒(méi)有發(fā)生明顯變化，表明染色織物的顏色是穩(wěn)定的；染色滌綸織物的K/S值也沒(méi)有明顯的波動(dòng)，表明在不同堿減量物質(zhì)量濃度下染色所得滌綸織物的表觀色深相同。因此，可以認(rèn)為在堿減量與染色一浴工藝中，不斷累積的堿減量物對(duì)染色滌綸織物的顏色不產(chǎn)生影響。

為了進(jìn)一步分析堿減量物對(duì)分散染料上染滌綸織物的影響，探究了滌綸織物經(jīng)含有堿減量物的染液處理后染色滌綸織物的勻染性和耐洗、耐摩擦色牢度。滌綸織物經(jīng)堿減量物質(zhì)量濃度為6.50 g/L的染液處理后，染色滌綸織物的耐洗色牢度如表2所示，其耐摩擦色牢度如表3所示。

表2 染色滌綸織物的耐洗色牢度Table 2 Color fastness to washing of PET dyed fabrics

從表2可以看出，在含有堿減量物的染液中，3種染料染色后的滌綸織物的耐洗色牢度均較高(按照GB/T 3921—2008，紡織品最高色牢度為5級(jí))。

表3 染色滌綸織物的耐摩擦色牢度Table 3 Color fastness to rubbing of PET dyed fabrics

耐沾色牢度高，說(shuō)明已經(jīng)上染到滌綸上的染料不會(huì)在洗滌過(guò)程中黏附到其他材質(zhì)的織物上；耐褪色牢度高，表明染料不會(huì)脫離滌綸織物，織物顏色不發(fā)生改變。從表3可以看出,經(jīng)3種染料染色后的滌綸織物的耐摩擦色牢度均較高(按照GB/T 3920—2008，紡織品最高色牢度為5級(jí))，說(shuō)明織物在摩擦作用下不變色?？椢锏哪拖瓷味群湍湍Σ辽味染^高，說(shuō)明在堿減量與染色一浴的染色過(guò)程中堿減量物的累積對(duì)染色滌綸織物的耐洗和耐摩擦色牢度不產(chǎn)生影響。

以織物上各點(diǎn)的K/S值對(duì)其平均值的偏差s來(lái)表示織物的勻染性，測(cè)試了不同堿減量物質(zhì)量濃度下處理的染色滌綸織物的勻染性，結(jié)果如表4所示。

表4 不同堿減量物質(zhì)量濃度下染料染色的偏差

由表4可知，在含有不同堿減量物的染液中，3種染料染色后的滌綸織物上各點(diǎn)的K/S值對(duì)其平均值的偏差s值均較小。這表明染色滌綸織物的勻染性較好，因此，可以認(rèn)為堿減量物的累積對(duì)染色織物的勻染性不產(chǎn)生影響。

2.3 纖維變化對(duì)染色的影響

圖2為染料用量相同(染料與織物的質(zhì)量百分比為0.5%)但NaOH質(zhì)量濃度不同的堿減量與染色一浴工藝處理的滌綸織物的K/S值。由圖2可以看出，染色滌綸織物的K/S值隨NaOH的質(zhì)量濃度的增加有明顯的升高趨勢(shì)。由于染色結(jié)束后染料殘液基本無(wú)色，因此推測(cè)形成圖2織物顏色變深的主要原因是：不同NaOH的質(zhì)量濃度下織物的減量率不同，而染料的用量是按照未堿減量織物的質(zhì)量計(jì)算的，即減量率越大，織物上染染料的濃度越高，染色織物的顏色就越深。因此，要準(zhǔn)確控制堿減量與染色一浴工藝加工的滌綸織物的顏色，需要掌握此條件下滌綸織物的堿減量規(guī)律。

圖2 不同NaOH質(zhì)量濃度進(jìn)行堿減量與染色一浴工藝所得滌綸織物的K/S值Fig.2 K/S value of PET fabrics dyed with different alkaline mass concentration via one bath process

圖3為滌綸堿減量率標(biāo)準(zhǔn)曲線。由圖3可以看出，滌綸減量率與NaOH質(zhì)量濃度呈線性關(guān)系，R2為0.997，表明相關(guān)性較好。因此可以根據(jù)NaOH的質(zhì)量濃度計(jì)算相應(yīng)的減量率，從而推算染色后織物的質(zhì)量。

圖3 減量率標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.3 Standard curve of reduction rate

將滌綸織物分別進(jìn)行先堿減量后染色的傳統(tǒng)工藝和堿減量與染色一浴工藝處理，其中一浴工藝需要先根據(jù)滌綸堿減量率標(biāo)準(zhǔn)曲線預(yù)判處理后滌綸織物的質(zhì)量，并以此質(zhì)量確定染料用量，以確保兩種工藝的染料用量(相對(duì)織物質(zhì)量)是相同的。傳統(tǒng)工藝和一浴工藝處理所得染色織物的K/S值與對(duì)應(yīng)處理所用NaOH質(zhì)量濃度的關(guān)系如圖4～6所示。

圖4 采用分散紅HA-2G染色的織物的 K/S值與NaOH質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig.4 Relationship between NaOH mass concentration and K/S value of fabric dyed with disperse red HA-2G

圖5 采用分散黃HA-2RW染色的織物的K/S值與NaOH質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig.5 Relationship between NaOH mass concentration and K/S value of fabric dyed with disperse yellow HA-2RW

圖6 采用分散藍(lán)HA-2R染色的織物的 K/S值與NaOH質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig.6 Relationship between NaOH mass concentration and K/S value of fabric dyed with disperse blue HA-2R

由圖4～6可知，傳統(tǒng)工藝和一浴工藝的染色結(jié)果的一致性較高。在不考慮未經(jīng)堿減量處理的織物的情況下，除染深色織物(染料與織物的質(zhì)量百分比為4.0%)外，隨著堿減量過(guò)程中堿質(zhì)量濃度的增大，纖維減量程度不斷增大，織物的K/S值均呈減小趨勢(shì)。產(chǎn)生這一結(jié)果的主要原因，可能是堿減量后織物纖維因受到堿蝕刻，纖維形貌發(fā)生變化，表面產(chǎn)生溝槽和凹坑，并且纖維細(xì)度減小，從而導(dǎo)致織物顏色的不同，而細(xì)度是影響堿減量后織物顏色深度變化的主要因素。

根據(jù)Kubelka-Munk理論，染色樣品的吸收、散射和反射率之間的定量關(guān)系如式(2)所示。由式(2)可知，織物對(duì)可見(jiàn)光的反射率與其顏色深度K/S值成負(fù)相關(guān)。

(2)

式中：R為可見(jiàn)光的反射率。

堿減量過(guò)程中滌綸纖維受到堿化作用發(fā)生酯鍵水解、斷鏈(堿蝕刻)，纖維表面出現(xiàn)溝槽和凹坑且纖維變細(xì)。溝槽和凹坑會(huì)輕微增加纖維的比表面積，進(jìn)而增加纖維的飽和吸附量，導(dǎo)致織物K/S值增大，織物顏色增深(這種變化趨勢(shì)僅僅體現(xiàn)在堿減量與未減量織物之間)；纖維變細(xì)，比表面積增大，纖維的反射光增多，致使K/S值減小，織物的顏色變淺。因此，纖維表面的刻蝕和纖維變細(xì)對(duì)織物染色深淺的影響是相反的，表面的刻蝕使K/S值有增大趨勢(shì)，纖維細(xì)度的減小使K/S值有減小趨勢(shì)。對(duì)于減量織物，纖維細(xì)度變化是影響織物色深的主導(dǎo)因素。

圖7為滌綸織物以不同NaOH質(zhì)量濃度進(jìn)行堿減量與染色一浴工藝處理后的SEM圖。

圖7 經(jīng)不同質(zhì)量濃度NaOH堿減量后的滌綸纖維SEM圖Fig.7 SEM images of polyester fiber after alkali reduction with different NaOH mass concentrations

從圖7可以看出，堿減量后滌綸織物表面出現(xiàn)許多被堿刻蝕的痕跡(凹坑和溝槽)，但滌綸纖維凹坑和溝槽的數(shù)量不多，且未隨著NaOH質(zhì)量濃度的增大而發(fā)生較大變化。雖然滌綸織物發(fā)生了堿減量，但是無(wú)法觀察到單根纖維細(xì)度發(fā)生明顯改變。這是因?yàn)闇炀]纖維成型方法(熔融紡絲)決定了在較小長(zhǎng)度范圍內(nèi)的纖維細(xì)度不是一個(gè)定值(存在一定波動(dòng))，在此基礎(chǔ)上，堿減量導(dǎo)致的纖維細(xì)度改變難從局部單根纖維的SEM圖中看出。由圖3可知：NaOH質(zhì)量濃度為5 g/L時(shí)，經(jīng)堿減量處理的滌綸纖維失重7.5%；NaOH質(zhì)量濃度為20 g/L時(shí)，經(jīng)堿減量處理后滌綸纖維失重25.0%。由于滌綸纖維的堿減量是一層一層的堿剝皮，可以宏觀上認(rèn)為纖維雖變細(xì)，但依舊保持圓形橫截面且長(zhǎng)度無(wú)變化，由此推算出NaOH質(zhì)量濃度為5和20 g/L時(shí)，堿減量處理后的滌綸纖維細(xì)度分別約減小4.0%和13.4%，可見(jiàn)纖維細(xì)度變化較大。由不同質(zhì)量濃度的NaOH堿減量后滌綸織物SEM圖(見(jiàn)圖7)及纖維細(xì)度(減量率計(jì)算所得)可以確認(rèn)，堿減量后纖維表面產(chǎn)生的溝槽和凹坑以及纖維細(xì)度的減小導(dǎo)致了織物顏色的不同(見(jiàn)圖4～6)，而細(xì)度變化是影響堿減量織物顏色深度變化的主要因素。

為了探究堿減量過(guò)程造成的纖維表面刻蝕和細(xì)度變化對(duì)滌綸織物強(qiáng)力產(chǎn)生的影響，分別測(cè)試了傳統(tǒng)工藝和堿減量與染色一浴工藝在不同質(zhì)量濃度NaOH堿減量處理后的滌綸織物的頂破強(qiáng)力，結(jié)果如表5所示。

表5 不同工藝處理滌綸織物的頂破強(qiáng)力

從表5可以看出:在不同質(zhì)量濃度的NaOH下分別采用堿減量與染色一浴工藝和傳統(tǒng)工藝處理的織物的頂破強(qiáng)力并無(wú)明顯差異；隨著NaOH質(zhì)量濃度的增大,織物的頂破強(qiáng)力減小。

3 結(jié) 論

(1)HA系列耐堿分散染料在高溫強(qiáng)堿的條件下穩(wěn)定性高，可以用于滌綸織物高溫高壓減量染色體系。

(2)堿減量染色一浴體系下減量物的不斷累積對(duì)織物的顏色特征值、耐洗色牢度、耐摩擦色牢度、勻染性均無(wú)影響。

(3)滌綸減量率與NaOH質(zhì)量濃度呈線性關(guān)系，相關(guān)性較好，可以根據(jù)NaOH用量計(jì)算相應(yīng)的減量率，從而推算出染色前織物的質(zhì)量。

(4)染料用量相同時(shí)，采用傳統(tǒng)工藝和堿減量與染色一浴工藝所得織物的染色結(jié)果呈現(xiàn)較高的一致性，可見(jiàn)滌綸織物的堿減量與染色一浴工藝是可行的。