棉织物化学改性及其染色工艺

棉织物化学改性及其染色工艺研究2006-10-17摘要：本文对棉织物利用纤维素纤维改性剂PECH-amine改善其染色性能进行了探讨。

优化了棉织物利用PECH-amine改性的方法和改性工艺。

确定了采用浸渍法和浸轧法进行棉织物改性的最佳工艺。

关键词：棉织物；化学改性；染色前言随着人们日益注重穿着健康和崇尚自然，棉纤维从众多的化学纤维中又重新确立了其重要地位。

然而，棉通常用活性染料和直接染料染色，由于其上染率不够高而需要应用大量的电解质（1），根据染料结构、颜色的不同，用盐量一般为30~150g/L(2)。

但大量电解质的使用会造成含有大量染料和盐的废水而严重污染环境。

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(如氯化钠、元明粉)还不能通过简单的物理化学及生化方法加以处理（3）。

高含盐量的废水的排放将直接改变江湖河水的水质，破坏水的生态环境，其次盐分的高渗透性将导致江湖及印染厂周边的土质盐碱化，降低农作物的产量。

因此，很久以来许多研究工作者一直致力于探求纤维的化学改性，以提高其染色性能。

本文选用东华大学研制的纤维素改性剂PECH-amine对纤维进行改性，通过改性，能提高棉纤维对染料的上染率，达到实质上的竭染，实现染色废水中基本无盐无染料的清洁染色的目的（4）。

1 实验1.1 实验材料1.1.1 织物21×21，108×58丝光棉纱卡半制品（新乡印染厂提供）。

1.1.2 药品PECH-amine改性剂（东华大学提供）；烧碱为分析纯；染料（工业品）1.1.3 仪器722型光栅分光光度计（上海精密科学仪器有限公司）；HH—S型恒温水浴（巩义市英峪仪器厂）；MSC—1多光源分光测色仪（日本须贺试验机株式会社）JA2003电子天平（上海精密仪器有限公司）1.2 实验方法和步骤浸渍法改性工艺过程：将织物浸入含有改性剂、烧碱的工作液中，在一定温度下浸渍一定时间后取出，然后水洗，自然凉干。

浸轧焙烘法改性工艺过程：织物在含有一定浓度的改性剂和烧碱的工作液中二浸二轧，轧余率为80%，在60~70℃下烘干，然后在规定温度下焙烘，水洗至中性，自然凉干。

室温堆置法：织物在含有一定浓度的改性剂和烧碱的工作液中二浸二轧，室温堆置24小时，取出水洗，自然凉干。

改性后染色：改性后染色工艺为50℃入染，升温至规定温度，染色40分钟取出水洗、（皂洗）、水洗。

1.3 实验测定上染百分率：使用722型光栅分光光度计，在所选用染料的最大吸收波长处测定染色前后染液的吸光度，按下式计算：上染百分率%=（1－×100式中：m、n —染色前、后染液稀释的倍数。

A、A0 —染色前、后染液稀释m、n倍后的吸光度活性染料固色率：按剥色法测定。

2 结果与讨论2.1 改性机理PECH-amine是一种弹性体，由环氧氯丙烷在四氯化碳中以醚合三氟化硼为催化剂先开环聚合，然后用二甲胺与氯甲基侧基进行取代反应实施胺化制备的。

反应式如下：该试剂具有良好的热稳定性，易溶于水，在水中无明显的阳离子性。

分子量较低，在预处理棉时易渗透纤维，含氮量适中，留有较多氯甲基反应性基团，在碱性条件下有很好的反应性，可以和纤维素纤维发生共价键结合，有很好的牢度。

同时，改性前，纤维素纤维带负电荷，改性后纤维有瞬时正电荷产生，纤维素纤维与阴离子染料的电荷斥力降低，大大提高了织物与染料的亲和力。

2.2 浸渍法改性工艺的确定影响改性效果的主要因素有改性剂的用量、改性时烧碱的用量、浴比、改性时的温度和时间等。

在这里利用染料的上染率来表征改性效果。

2.2.1 改性剂用量对改性效果的影响固定烧碱用量为8 g/L，改性工艺为40℃开始，以2℃/分升温至95℃，处理50分钟，取出水洗至中性。

改性棉织物用2%的活性红K-3B，活性黄K-4G，活性蓝K-R染色，染色工艺为50℃入染，升温至95℃，染色40分钟取出后处理，测定上染百分率，结果见图1：图1 改性剂用量对改性效果的影响从图1可以看出，改性程度随改性剂用量的增加而提高，当改性剂用量低于6g/L时，平衡上染率上升趋势较大，当改性剂用量高于6g/L时，上升趋势平缓，当改性剂用量为8g/L,上染百分率最高，超过9g/L时，上染百分率反而稍有下降。

这是因为在一定浓度的碱液中，纤维素上的羟基发生离解生成一定量的Cell—O—，当Cell—O—的数量一定时，反应达到平衡时所消耗的改性剂的量也是一定的。

而当改性剂用量过多时，聚合物分子大量堵塞在纤维素纤维表面，染料分子无法渗入纤维内部会使上染百分率下降，因此改性剂用量选用6~8g/L。

2.2.2 烧碱用量对改性效果的影响棉需要在碱性条件下改性，原因是在中性条件下纤维素的介电常数比水低而带负电荷，因而棉只靠瞬时静电引力和范德华力吸附改性剂，吸附和反应的量不足。

而在碱性条件下，改性剂靠亲核取代其氯甲基侧基与纤维素的高度亲质子的纤维素负离子反应，而且，在碱性条件下改性剂的端基也转化成一个能与纤维素反应的环氧基，从而吸附和反应的量要比中性条件下高得多（5）。

对改性剂用量为4g/L、8g/L、12 g/L时进行三组改变烧碱用量（2~10g/L）的实验，浴比1：50，温度95℃，50分钟，结果见图2。

图2 烧碱用量对改性效果的影响从图2可以看出，烧碱在改性中起催化作用，它能促进改性剂与纤维素反应，在较低浓度范围内，改性效果随烧碱用量而显著提高，但超过一定值时，烧碱继续增加，改性效果增加不明显，有的反而有所降低。

因此，可确定烧碱用量为6~8 g/L。

2.2.3 浴比对改性效果的影响考虑污水处理等问题，浴比不应太大。

固定改性浴中改性剂用量为8 g/L，烧碱用量为8 g/L，改性工艺为95℃、50分钟。

改变浴比1：10~1：50进行改性，用活性红K-3B染色，测上染百分率，结果见图3。

图3 浴比对改性效果的影响实验发现，浴比对改性效果有一定影响，浴比太小，改性液与织物不能充分接触反应，浴比太大，上染率无明显增大，反而增加了污水处理的负担。

可确定改性时浴比为1：20。

2.2.4 改性温度和时间对改性效果的影响在改性剂用量为8 g/L，烧碱用量为8 g/L，浴比1：20条件下，在40℃、60℃、80℃、95℃条件分别处理30、45、60、75、90分钟，用活性红K-3B染色，测上染百分率，如果如图4。

图4 改性时间和温度对改性效果的影响从图4中可以看出，时间和温度对改性效果的影响是相互联系的，温度越高，时间越长越有利于改性反应的进行。

当温度高时，达到较高上染率所需的改性时间就短，而温度低，达到较高上染率所需的改性时间就较长。

当改性温度为40℃时，随着时间的延长，上染率增加很慢，改性90分钟左右上染率才达到44%，说明改性反应需要一定的温度。

改性温度为60℃时，75分钟后，上染率才能达到90%以上，而改性温度为80℃、95℃时，改性30分钟，就可达到较高的上染率，并且随着改性时间的进一步增大，上染百分率变化不大，因此，改性条件可选用80℃，30分钟。

综合以上结果，浸渍法改性的工艺条件可确定为：改性剂浓度6~8 g/L、烧碱用量为6~8 g/L，浴比1：20，40℃开始，以2℃/分的速度升温至80℃，处理30分钟后水洗至中性。

2.3 浸轧焙烘法改性工艺的确定影响浸轧法改性效果的主要因素是改性剂浓度、烧碱用量、焙烘温度和焙烘时间。

通过正交设计L9（34）对以上四个因素选择三个水平实验，即改性剂浓度（10、30、50 g/L），碱浓度（10、30、50 g/L），焙烘温度（110、130、150℃），焙烘时间（1、3、5分钟）进行正交实验。

结果表明对改性效果的影响顺序为：改性剂用量＞碱剂用量＞焙烘温度＞焙烘时间。

确定改性条件为：改性剂用量10 g/L，碱剂用量10 g/ L，焙烘温度130℃，焙烘时间1分钟。

2.4 冷轧堆改性工艺织物分别在浓度为10 g/L、30 g/L、50 g/L的改性剂和烧碱的工作液中二浸二轧，室温堆置24小时，取出水洗，自然凉干。

随后进行活性染料K-2G的无盐无碱染色。

结果为：改性剂和碱剂为10 g/L时，上染率为49.3%；改性剂和碱剂为30 g/L时，上染率为55.3%；改性剂和碱剂为50 g/L时，上染率为60.9%。

结果表明，改性剂和碱剂用量越大，改性效果越好。

但达不浸渍改性和浸轧改性的效果。

通过上述三种改性工艺的比较表明，浸渍法改性效果最好，浸轧法改性效果次之，冷轧堆改性效果最差，说明PECH-amine和纤维之间的反应需要在一定的温度下，但温度也不需要太高。

2.5 改性后染色工艺条件优化改性后纤维的性能发生了很大的变化，用酸性、直接染料、活性染料染色不需要加盐促染，活性染料固色不需要加碱剂，所以改性后影响染色的工艺条件主要是染色温度和时间。

经大量实验，综合各项指标，确定以下结果：X型活性染料染色：40℃入染，升温至50℃无盐中性条件下染色30分钟。

B型活性染料染色：40℃入染，升温至70℃无盐中性条件下染色30分钟。

K型活性染料、酸性染料和直接染料：40℃入染，升温至95℃无盐中性条件下染色30分钟。

采用以上染色条件对改性后棉织物染色，结果如表1：表1 改性棉织物染色结果染料上染率%固色率%未改性（常规加盐）改性直接红4BE90.299.8直接橙Ｓ91.399.2直接湖蓝５Ｂ72.699.6直接宝蓝FFRL 71.496.6活性红K-2G 30.193.790.6活性红K3B 34.899.695.4活性黄K-6G 43.299.596.2活性黄K-4G 39.496.292.9活性黄K-RN 58.898.694.6活性蓝K-GR 38.699.696.4活性艳蓝K-3R 38.699.895.5活性红BF-D4B 72.396.192.3活性红B-2BF 32.599.194.2活性黄B-4RFN 54.698.994.5活性兰B-2GLN 54.999.296.6活性红BF-3BN 42.596.691.2活性黄B-6GLN 31.197.293.1活性红BF-D3R 52.598.193.2活性蓝BFG 50.299.896.9活性蓝BF-2G 55.993.290.5活性红X-3B 33.696.791.2活性艳橙X-GN 36.793.690.6活性蓝X-BR 42.699.896.4酸性红E98.3酸性红A-3B 99.6酸性黄A-R98.3酸性蓝A-R98.7酸性棕EST 96.8依利尼尔红A-3G 98.2依利尼尔黄A-4 G92.5依利尼尔蓝A-3G97.6从表1可以看出，棉织物采用浸渍法改性，能使直接、酸性、活性等阴离子型染料达到较好的改性效果，改性后染色平衡上染百分率均能达到90%以上。