活性染料对棉织物低盐染色的工艺探讨

活性染料对棉织物低盐染色的工艺探讨

摘要：在传统的染色工艺中，活性染料染棉织物需加入大量的中性盐，以提高染料的上染率和固色率，然而盐的加入不仅导致水质恶化，破坏生态环境，而且也造成了资源的浪费，因此活性染料的低盐染色研究成为印染生产着重解决的热点问题之一。本研究通过改变盐用量、染色温度、染色固色时间三方面来分析活性染料对棉织物低盐染色的工艺，从而达到环保低盐染色的目的。

关键词：棉织物活性染料低盐染色固色率

前言

我国纺织行业年耗水量超过100亿吨，废水排放量占全国各行业的第六位。其中印染行业又是纺织行业中的排放大户，每天大约有400百万吨的废水排放，政府每年需花费大量的资金进行污水处理。推动节能减排政策是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择。印染行业的低盐染色、冷轧堆染色及湿短蒸染色等促进了节能减排的实现[1]。

近年来，棉纤维因为绿色环保生态的特性，符合了人们回归自然、追求绿色的心理而迅速发展。活性染料由于色泽鲜艳、湿牢度优异、使用方便、适用性强等优点发展很快，然而传统活性染料染色需加入大量盐，如元明粉和氯化钠。电解质盐的应用，虽然减少了染色本身的污染，但对水源造成污染，使淡水盐化，破坏生态平衡，对水生物和土壤都有很大的伤害，且污水中的可溶性盐的处理也较难[2]。目前，对印染废水中有机化合物的处理取得了很大的成就，但对染色过程中大量加入或生成的无机盐还不能通过简单的物理化学及生化方法加以处理[3]。为此，近年来国内外大力研究如何减少盐用量，活性染料低盐染色已成为一个重要的发展趋势。

为了解决这些问题，除了开发新型染料、染色设备和应用新的染色助剂外，有必要在染色技术和生产控制方面进行改进。如选择对纤维亲和力高的活性染料，制定合适的低盐染色工艺，降低生产中的盐用量，并提高上染率和固色率，减少环境污染[4]。

本文通过改变活性染料染色温度以及时间进行低盐染色工艺的研究，探讨活性染料的染色性能，为活性染料低盐染色工艺研究提供了较为准确的数据。

1 文献综述

1．1活性染料

活性染料是一类在化学结构上带有反应性基团的水溶性染料，该反应性基团通常称为活性基团。在染色过程中，染料结构上的活性基团能与纤维素纤维上的羟基、蛋白质纤维及聚酰胺纤维上的氨基等发生化学反应，形成共价键结合，使染料成为纤维大分子上的一部分，故活性染料也称为反应性染料。

活性染料的上染是指活性染料从染液中被吸附到纤维上，并在纤维上均匀扩散的过程。染料吸附到纤维表面后，在纤维内外形成一个浓度差，因而纤维表面的染料可以向纤维内部扩散。染料的扩散是在固态相介质中进行的，比在溶液中扩散更慢，这是决定上染速率快慢的主要阶段。这种扩散直到纤维和溶液间的染料浓度达到平衡，纤维内外染料浓度相等即染透为止。纤维中的染料分子分布在无定形区域，有的呈单分子状态吸附在纤维的分子链上，少量的染料分子也可能成多分子层吸附在纤维分子链上，有的则分布在纤维内孔道的溶液中。活性染料由于相对分子质量一般较小，且水溶性较高，因此具有亲和力低、扩散性高、匀染性好、上染率较低、趋向上染平衡时间短等上染特点[5]。

1．2活性染料的染色

1．2．1活性染料对棉织物的染色原理

棉纤维在世界范围内的纺织工业中占有重要的地位，目前应用在棉纤维染色方面的最重要、最有潜力的染料是活性染料，因为活性染料染棉的颜色鲜艳度和耐湿处理牢度都较好。活性染料的化学结构通式为：W—D—B—Re—X，式中W—水溶性集团，一般为磺酸基，D—染料发色体或母体，B—活性基与染料母体的连接基，Re—活性基团，可与纤维反应形成共价结合，X—离去基。

染料母体是染料的发色体系，决定染料的颜色。染料母体主要是偶氮、蒽醌、酞菁等结构，其中以偶氮类特别是单偶氮类居多。母体染料不仅要求色泽鲜艳，色牢度优良，而且要有较好的扩散性和较低的直接性，使活性染料有良好的匀染、透染性能，未与纤维共价结合的染料也易于洗除。活性染料染色中存在着以下三个平衡过程：

染料的离解平衡如式（1）所示：

纤维素纤维的离解平衡如式（2）（3）所示：

钠离子在纤维表面的吸附平衡如图1所示：

图1. 钠离子在纤维表面的吸附平衡图

活性染料上染时，在染液中电离成染料阴离子及钠离子。纤维素是β-D-葡萄糖剩基通过1，4-甙键连接而成的多糖化合物，纤维素分子能发生电离形成纤维素阴离子Cell-O-。染料阴离子及纤维素阴离子之间存在着库仑斥力，钠正离子与Cell-O-结合，降低了染液中钠离子浓度。纤维表面与染液之间因钠离子浓度差形成能垒，阻碍染料阴离子在纤维界面的吸附，使染色过程难以进行[6]。

随着无机盐的加入，钠正离子浓度增加，染液中染料浓度增加，使钠离子克服由浓度差形成的能垒，而进入到纤维内，从而带入染料分子上染纤维。实际染色中，染料是一边上染一边反应的。由于纤维素和水都可作为亲核试剂与染料发生反应，而染色一般是以水为介质进行的，因此染色时有些染料会与水发生反应形成水解染料失去与纤维反应的能力。

在活性染料染色时，加入中性电解质将显著改变上述三个平衡过程，使平衡反应向着有利于阴离子染料上染纤维的方向移动，并可提高染料的吸附速率、平衡吸附量及纤维上的吸附密度[7]。

pH值对染料与纤维的反应起决定性作用。染色过程中使用的碱剂能够促使纤维素的羟基电离成纤维素阴离子，使染料与纤维能够牢固结合；还能中和活性染料与纤维素反应时生成的H+，促进反应的正向进行。由于碱性太弱，纤维素阴离子的生成量不够，造成染料阴离子缺乏结合对象，因此固色率较低。但如果碱性太强，pH值过高，则染料就会连续阴离子化大量水解，降低反应性；而且，当pH值高到一定程度后，纤维素电离程度增加，纤维素离解的羟基变多，带负

电荷增多，增加纤维与染料阴离子的斥力，另外，纤维素阴离子和氢氧根离子的浓度比会减小，这些都会降低固色速率和固色率。因此固色必须在碱性条件下进行，且固色时的pH值必须适当，不能太低也不能太高，且随着染料种类的不同有一定的变化。

1．2．2活性染料染色现状

我国纺织行业年耗水量超过100亿吨，废水排放量占全国各行业的第六位。其中印染行业又是纺织行业中的废水排放大户，每天大约有400万吨的废水排放，政府每年需要花费大量的资金进行污水处理。我国“十一五”规划纲要指出，“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20%左右，主要污染物排放总量减少10%。推动节能减排政策是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择。印染行业的低盐染色、冷轧堆染色以及湿短蒸染色等促进了节能减排的实现。

活性染料以分子结构简单、色泽鲜艳、色谱齐全、使用方便、成本较低等优点而著称。自1956年合成染料推向市场以来，经过半个世纪的发展，活性染料在我国已成为仅次于分散染料的第二大类染料，成为在纤维素纤维上应用最广泛的一类染料。目前世界上纤维素纤维用活性染料的年产量达到25万吨左右，约占世界染料总年产量的20%，另外，活性染料新品种的开发速度在各类染料中名列前茅。

活性染料染色目前存在的突出问题是竭染率和固色率较低，如单活性基的活性染料固色率只有50%～60%，双活性基及多活性基的活性染料固色率有较大提高，最高达90%左右，但实际应用时大部分在80%左右，这是因为活性染料与纤维共价键结合的同时发生水解反应。另外，活性染料中含有的水溶性基团，在水中能电离成染料阴离子，而纤维素纤维在染浴中一般带有负电荷，所以染色过程中染料与纤维之间存在着静电斥力，这将大大影响上染率。为此，染色时需加入大量无机盐（氯化钠或硫酸钠），用来起到抑制棉纤维表面负电荷聚集和促进染料的吸附作用。

随着活性染料染色的发展，所带来的废水排放问题也受到越来越多的关注。活性染料染色废水主要有两大来源，一是活性染料与纤维反应的同时，还能与水发生水解反应，水解产物一般不能再与纤维发生反应，从而降低染料的利用率，染色后水洗液中有较多的染料，造成水资源的污染。另一方面从生态角度来讲，大量无机盐的加入，不能通过简单的物理化学及生化方法加以处理。高含盐量的印染废水排放直接改变了江河湖泊的水质，破坏了水的生态环境，而盐分的高渗透性将导致江湖周围的土质盐碱化，降低农作物的产量。工业污水处理当中，含盐废水的处理难度要远远高于水解的染料。

在传统的活性染料染棉工艺中，存在染料利用率低，用盐量大，染色废水处

理负担重等一系列问题。为此，近年来国内外大力研究如何减少盐用量，进行低盐甚至无盐染色研究。

1．3活性染料低盐染色的发展状况

目前国内外市场上涌现了适用于低盐或无盐染色工艺的活性染料。这些染料在结构上都具有高空间位阻效应，可显著改变活性染料活性基的反应活性和染色用盐量等性能。

活性染料由活性基团、亲水基团及染料母体三部分组成。从染料的化学结构看，要实现低盐或无盐染色，应减少活性染料的离子基数目或者增加活性染料与纤维素纤维的反应性[4]。这就与染料的疏水和亲水基团的结构和比例有关，尤其是与分子中阴离子基(磺酸基)的数目和位置有关，阴离子基愈多，与纤维的电荷斥力就愈大。相反，染料上的疏水基越多，芳环平面排列性越强，染料直接性就越高，盐用量就会越低[8]。近年来已开发直接性高和对盐依存性低的低盐染色用活性染料，这些染料在结构上都具有高空间位阻效应，且大多有较高的直接性，在保证染料溶解性和匀染性的前提下，磺酸基的数目较少，而且很少处于染料分子的中央位置。

活性染料的无盐染色技术涉及到高效、环保的染色助剂的开发及相应无盐染色工艺的研究。开发阳离子化助剂预处理棉纤维，使其阳离子化，负电性的染料和正电性纤维可以以库仑力吸附，也可以以离子键结合，从而克服了棉纤维对活性染料吸附弱的缺点，在无盐条件下，实现活性染料上染，一方面杜绝染色工艺中大量无机盐加入所造成的严重的盐污染，另一方面，又可提高染料利用率，减少染色废水中染料的含量。因此，在世界范围内，率先开发活性染料的无盐、环保清洁染色助剂及相应染色工艺，是促进纺织业走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的、可持续发展的新型工业化道路的非常重要而又紧迫的大事。