酸性染料D5介質(zhì)對(duì)蠶絲織物的染色工藝研究

蒲冬潔，繆華麗，陳雅君，劉今強(qiáng)

(浙江理工大學(xué)a.材料與紡織學(xué)院;b.生態(tài)染整技術(shù)教育部工程研究中心;c.先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310018)

十甲基環(huán)五硅氧烷(Decame thylcyclo pentasiloxane，簡(jiǎn)稱D5)是一種無(wú)色無(wú)嗅易揮發(fā)無(wú)油性的液體環(huán)狀硅氧烷，可以作為基礎(chǔ)物質(zhì)或者載體，化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示[1-3]。研究表明，90%的D5會(huì)在使用中或者使用后逸散進(jìn)入大氣，且很快分解成對(duì)環(huán)境無(wú)害的物質(zhì)，目前已被廣泛用在化妝品和人體護(hù)理產(chǎn)品中[4-5]，并且在干洗領(lǐng)域作為洗滌介質(zhì)得到應(yīng)用[5]。

圖1 D5的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 Chemicalstructure of D5

近年來(lái)，繆華麗等[6-7]報(bào)道了活性染料、分散染料以D5為介質(zhì)的染色技術(shù)研究，認(rèn)為D5作為介質(zhì)的染色，節(jié)水節(jié)能，減少污染，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。本研究用D5為介質(zhì)，進(jìn)行了D5中酸性染料對(duì)蠶絲纖維染色的試驗(yàn)。

傳統(tǒng)的蠶絲酸性染料染色工藝以水為介質(zhì)，整個(gè)過程中產(chǎn)生大量染色廢水，對(duì)環(huán)境造成污染。采用D5染色技術(shù)，可顯著減少染色用水，達(dá)到有效減少?gòu)U水排放量、降低污染的目標(biāo)。D5與水不相容，且易于回收。本試驗(yàn)對(duì)染色中各種因素進(jìn)行分析，并優(yōu)化工藝參數(shù)，以期初步建立蠶絲的酸性染料/D5染色體系，開發(fā)新的染色技術(shù)。

1 試驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料:真絲織物02雙縐(平方米質(zhì)量65.72g/m2，浙江華泰絲綢有限公司)，弱酸性紅RS(成品染料，德國(guó)巴斯夫公司)，D5(工業(yè)級(jí)，GE Toshiba Silicones公司)，冰醋酸(分析純，杭州高晶精細(xì)化工有限公司)，去離子水。

儀器:RY-25016III型高溫高壓紅外染色機(jī)(杭州三錦科技有限公司)，Datacolor SF 600X電腦測(cè)色配色儀(美國(guó) Datacolor公司)，AB104-N型分析天平(梅特勒—托利多上海有限公司)，22PC型紫外可見光分光光度計(jì)(上海棱光技術(shù)有限公司)，DSHZ-300A型旋轉(zhuǎn)式恒溫振蕩器(太倉(cāng)市實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠)，QM-ISPO4型行星式球磨機(jī)(南京大學(xué)儀器廠)。

1.2 方 法

1.2.1 酸性染料/D5懸浮體系

酸性染料/D5懸浮體系的制備工藝:向球磨罐中加入弱酸性紅RS(1g)、D5介質(zhì)(20mL)、分散劑油酸(15%，相對(duì)染料質(zhì)量)、球磨珠(90g)，置于行星式球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，球磨速度600 r/min，球磨3 h，得高濃度酸性染料/D5懸浮漿;將球磨所得高濃度酸性染料/D5懸浮漿轉(zhuǎn)移至250 mL容量瓶，加D5介質(zhì)進(jìn)行定容，攪拌、搖勻形成染料/D5懸浮體系。

以D5代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水為介質(zhì)進(jìn)行非水介質(zhì)染色。染色絲綢試樣質(zhì)量(0.5g±0.01g)，浸軋清水，以一定帶液率入染，控制染料相對(duì)織物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，浴比(織物質(zhì)量∶D5質(zhì)量)為1︰10～1︰60，不加任何助劑，按圖2所示流程進(jìn)行染色。染色時(shí)，染料通過與織物的頻繁碰撞而逐漸溶解于織物表面的水膜中而在纖維上發(fā)生吸附，進(jìn)而通過擴(kuò)散滲透完成上染過程[8]。

圖2 D5染色基本工藝流程Fig.2 Basic technological process of dyeing with D5

固色條件:固色劑(實(shí)驗(yàn)室提供)4g/L，醋酸1mL/L，溫度60 ℃，時(shí)間10min，浴比1︰50。

1.2.2 常規(guī)水浴染色

為了對(duì)比，試驗(yàn)中也同時(shí)進(jìn)行常規(guī)水浴的染色實(shí)驗(yàn)，其工藝條件和流程如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)水浴染色基本工藝流程Fig.3 Basic technological process of traditional dyeing with water bath

傳統(tǒng)酸性染料染色條件為:蠶絲織物0.5g，染料相對(duì)于織物質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，溫度90℃，保溫時(shí)間60min，36% 醋酸1mL/L，浴比1︰30，固色處理，水洗，晾干。

1.3 染色工藝的優(yōu)選

1.3.1 帶液率的優(yōu)選

懸浮體系染色時(shí)，織物須預(yù)先浸軋清水，這是本染色方法成功的關(guān)鍵。試驗(yàn)采用浸軋方式，通過對(duì)織物稱重和調(diào)整壓輥壓力的方法，來(lái)獲得不同的帶液率。

選擇不同帶液率(100%、120%、140%、160%、180%、200%、220%、240%)進(jìn)行染色，其他工藝參數(shù)初步定為:染料相對(duì)于織物質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、溫度90℃、保溫時(shí)間30min、浴比(對(duì)D5)1︰40，以染色后織物的勻染性和K/S值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)選出合適的帶液率。

1.3.2 染色保溫時(shí)間t、溫度T的優(yōu)選

在1.3.1所優(yōu)選出的帶液率的基礎(chǔ)上，選擇不同保溫時(shí)間(10、20、30、40、50、60 min)、不同染色溫度(60、70、80、90、100 ℃)進(jìn)行染色，以染色后織物的勻染性和K/S值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)選出合適的保溫時(shí)間、溫度。

1.3.3 浴比的優(yōu)選

在1.3.1、1.3.2 所優(yōu)選出的帶液率、染色保溫時(shí)間、溫度的基礎(chǔ)上，選擇不同浴比(1︰10、1︰20、1︰30、1︰40、1︰50、1︰60)進(jìn)行染色，以染色后織物的勻染性和K/S值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)選出合適的浴比。

染色工藝確定后，對(duì)織物選擇不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1%～6%)的染料在紅外染色機(jī)中進(jìn)行染色。

1.4 染色性能測(cè)試

1.4.1 上染率的測(cè)定

分別測(cè)定D5染色及常規(guī)水浴染色染色前后染液的吸光度，其中D5染色殘液中的染料用去離子水萃取，定容后測(cè)量其吸光度。根據(jù)式(1)計(jì)算上染率。

式中:A0為染色前染液的吸光度;A1為染色后殘液的吸光度。

1.4.2 K/S 值的測(cè)定

用Datacolor SF 600X電腦測(cè)色配色儀測(cè)試織物的K/S值。使用測(cè)配色儀時(shí)，采用D65光源，10°視角，織物折成4層進(jìn)行測(cè)試，試樣至少測(cè)4次求平均值。

1.4.3 勻染性的測(cè)定

染色品勻染性通過人眼在D65光源下直接觀察測(cè)定，并對(duì)勻染性進(jìn)行評(píng)級(jí)。

1.4.4 色牢度的測(cè)定

摩擦色牢度按GB/T 3920—1997《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐摩擦色牢度》測(cè)定;耐洗色牢度按GB/T 3921.3—1997《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐洗色牢度:試驗(yàn)1》測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 帶液率對(duì)染色試樣K/S值和勻染性的影響

采用1.3.1中所述方法，對(duì)具有不同的帶液率的試樣進(jìn)行染色試驗(yàn)，測(cè)定所染布樣的K/S值及染色均勻性，結(jié)果見圖4和表1。

圖4 帶液率對(duì)D5染色真絲織物K/S值的影響Fig.4 Effect of liquid rate on K/S value ofsilk fabrics dyed with D5

表1 帶液率對(duì)D5染色真絲織物勻染性的影響Tab.1 Effect of liquid rate on levelling property ofsilk fabrics dyed with D5

從圖4數(shù)據(jù)和表1結(jié)果可以看出，隨著帶液率的增大，織物K/S值逐漸增大，勻染性提高;帶液率達(dá)到160% 時(shí)，K/S值和染色勻染情況都趨于穩(wěn)定，隨著帶液率的增加，K/S值基本不再增加，染色均勻性已經(jīng)很好。分析表明，在D5染色體系中，帶液率對(duì)K/S值的影響較小，而對(duì)勻染性則有重要意義。帶液率越高，勻染性越好，但綜合考慮勻染性和K/S值，并盡量減少水的用量，將最佳帶液率確定為160%。

2.2 染色時(shí)間對(duì)染色試樣K/S值的影響

采用1.2中所述方法，選擇不同染色時(shí)間對(duì)試樣進(jìn)行染色實(shí)驗(yàn)，其他相同染色條件為:帶液率160%，浴比1︰40，染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，染色溫度90℃;測(cè)定所染布樣的K/S值，結(jié)果見圖5。

圖5 染色時(shí)間對(duì)D5染色真絲織物K/S值的影響Fig.5 Effect of dyeing time on K/S value ofsilk fabrics dyed with D5

從圖5可以看出，在其他染色條件相同情況下，真絲織物染色樣的K/S值隨染色時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，染色保溫時(shí)間達(dá)到30 min后，K/S值基本保持穩(wěn)定。本試驗(yàn)中，織物入染時(shí)會(huì)帶入少量的水，由于水與D5不相容，故會(huì)在織物表面形成一層薄薄的水膜;酸性染料為水溶性染料，幾乎不溶解于D5，故在染液循環(huán)過程中，懸浮體系中的染料顆粒不斷與織物發(fā)生碰撞，每次碰撞都有單分子染料脫離染料顆粒而溶解進(jìn)入織物表面的水膜中，最終，絕大多數(shù)的染料都會(huì)從D5中轉(zhuǎn)移到織物表面。這種染料從D5介質(zhì)向織物表面水膜的運(yùn)動(dòng)是單向的(類似于萃取過程)，也是此染色方法在不加醋酸情況下就可以獲得很高上染率的關(guān)鍵。當(dāng)染料溶解于織物表面的水膜后，通過擴(kuò)散滲透，上染蠶絲纖維，此階段上染機(jī)理與水浴相同。綜合考慮染色效率和K/S值，染色保溫時(shí)間選30min為佳。

2.3 染色溫度對(duì)染色試樣K/S值的影響

采用1.2中所述方法，選擇不同染色溫度對(duì)試樣進(jìn)行染色試驗(yàn)，其他相同染色條件為:帶液率160%，浴比 1︰40，染料質(zhì)量分?jǐn)?shù) 2%，染色時(shí)間30min;測(cè)定所染布樣的K/S值，結(jié)果見圖6。

圖6 染色溫度對(duì)D5染色真絲織物K/S值的影響Fig.6 Effect of dyeing temperature on K/S value ofsilk fabrics dyed with D5

由圖6可知，染色初始階段，所染布樣的K/S值隨染色溫度的升高而逐漸增大;但達(dá)到一定溫度后K/S值有所降低，這可能是因?yàn)闇囟容^高時(shí)，水分子運(yùn)動(dòng)加劇，少量的水從織物表面脫離進(jìn)入到懸浮體系中，同時(shí)將少量的染料帶離織物表面，使染料利用率下降，宏觀表現(xiàn)為染色楊K/S值稍有降低。而且100℃下溫度過高，長(zhǎng)時(shí)間染色會(huì)使蠶絲受損傷，影響絲綢的光澤。綜上所述，染色溫度應(yīng)選為90℃左右。

2.4 浴比對(duì)染色試樣勻染性的影響

采用1.3.3中所述方法，選擇不同浴比對(duì)試樣進(jìn)行染色試驗(yàn)，其他染色條件為:帶液率160%，染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，染色時(shí)間30 min，染色溫度90℃;在只改變?cè)”鹊那闆r下，染色織物勻染性與染色溫度的關(guān)系，評(píng)價(jià)所染布樣的勻染性，結(jié)果見表2。

表2 浴比對(duì)D5染色真絲織物勻染性的影響Tab.2 Effect of bath ratio on levelling property ofsilk fabrics dyed with D5

由表2可以看出，當(dāng)浴比小于1︰40時(shí)，染色試樣勻染性不高，浴比大于1︰40時(shí)，試樣勻染情況顯著改善。在本研究中，染色介質(zhì)為D5，浴比直接由織物和D5的量決定。由于蠶絲織物質(zhì)地輕薄，當(dāng)染色浴比過小時(shí)，染液不易將被染織物均勻浸沒，在染液循環(huán)過程中部分織物會(huì)漂浮在染液液面上，造成染料吸附速率或上染速率不均勻，導(dǎo)致染色不勻。綜合考慮勻染性等因素，將最佳染色浴比確定為1︰40。

2.5 D5染色和常規(guī)水浴染色的比較

2.5.1 不同染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)、上染率的比較

為更全面地了解懸浮體系染色這種全新的染色方法，在優(yōu)選的最佳工藝基礎(chǔ)上，對(duì)織物選擇不同染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1% ～6%，相對(duì)于織物)在紅外染色機(jī)中進(jìn)行染色，并與常規(guī)水浴染色加以比較，結(jié)果如圖7所示。

圖7 D5染色、常規(guī)水浴染色上染百分率和染色K/S值的比較Fig.7 Comparison of dye uptake and K/S value of dyeing with D5 and conventional dyeing with water bath

從圖7可以看出，不同染料濃度下，D5染色與傳統(tǒng)水浴染色染料的上染百分率均很高，且兩者總體相差很小。以上結(jié)果說(shuō)明，以D5為介質(zhì)的弱酸性染料在不加醋酸的情況下對(duì)真絲染色30 min的染色效果已基本達(dá)到常規(guī)水浴加醋酸染色60min的染色效果。D5染色優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)了酸性染料的少水染色，并且在不加醋酸的條件下就達(dá)到了傳統(tǒng)水浴染色添加醋酸時(shí)的上染率(醋酸起促染作用)。

試驗(yàn)結(jié)果還表明，在較高染料濃度染色時(shí)，相比于常規(guī)水浴染色，D5染色中染料利用率更大，上染百分率也更高，更有優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)镈5染色過程中，染料從D5介質(zhì)向織物表面水膜的運(yùn)動(dòng)是單向的，染料在D5與水中并不存在分配關(guān)系，無(wú)分配平衡問題，這是此染色方法在不加醋酸情況下就可以獲得很高上染率的關(guān)鍵;而常規(guī)水浴染色則存在染料在介質(zhì)(水)與纖維之間的分配問題，致使高染料濃度時(shí)，染料利用率降低，殘留染料量增加。

2.5.2 染色試樣的K/S值比較

由圖7可以看出，D5染色、常規(guī)水浴染色所染織物K/S值均隨著染料濃度的增加而增大，而且K/S值相差很小，基本一致。以上結(jié)果說(shuō)明，以D5為介質(zhì)的弱酸性染料對(duì)真絲織物染色30min的染色效果已基本達(dá)到常規(guī)水浴染色60min的染色效果。

2.6 染色試樣色牢度評(píng)價(jià)

將D5染色與常規(guī)水浴染色織物干、濕摩擦色牢度、耐水洗色牢度比較，結(jié)果如表3所示。

表3 D5染色與常規(guī)水浴染色織物干、濕摩擦色牢度、耐水洗色牢度比較Tab.3 Comparison of color fastness to dry friction，wet friction and washing of fabrics dyed with D5 and conventional water bath

表3表明，在染料濃度、固色處理?xiàng)l件相同的情況下，D5染色織物各項(xiàng)牢度均較好，與常規(guī)水浴染色效果相差不大。說(shuō)明，以D5為介質(zhì)的弱酸性染料在不加醋酸的條件下對(duì)真絲染色30min的染色效果已基本達(dá)到常規(guī)水浴加醋酸染色60min的染色效果。此外，D5染色體系染色過程中用水量非常少，極大地節(jié)約了水資源，減少了廢液排放，且D5可以循環(huán)使用，因此D5非水介質(zhì)染色更為環(huán)保，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 結(jié)論

1)采用十甲基環(huán)五硅氧烷(D5)代替水作為染色介質(zhì)對(duì)蠶絲纖維進(jìn)行弱酸性染料染色，在不加醋酸的條件下保溫30min的染色效果已基本達(dá)到常規(guī)水浴加醋酸染色60 min的染色效果;較高染料濃度染色時(shí)，D5染色對(duì)染料的利用率更高，即獲得相同的上染百分率D5染色而節(jié)約染料用量。

2)D5染色體系中，織物只需以一定的帶液率入染，節(jié)約了大量水資源，并極大地降低了污水排放。

3)縮短了染色保溫時(shí)間，在一定程度上提高了染色效率，并降低了能耗，符合生態(tài)染整節(jié)能減排的要求。

4)前期試驗(yàn)優(yōu)化的D5染色體系工藝為:弱酸性染料相對(duì)于織物質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，浴比1︰40，帶液率160%，溫度90℃，染色時(shí)間30min。

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