表面活性劑對(duì)靛藍(lán)上染棉織物的影響

劉幸樂(lè)，侯賀剛，姚繼明

(1.河北新大東紡織有限公司，河北 石家莊 052260； 2.河北省功能性牛仔布技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 052260；3.河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050018)

靛藍(lán)染料不溶于水[1-2]，對(duì)纖維染色需經(jīng)過(guò)還原和氧化過(guò)程。在靛藍(lán)染色時(shí)，要獲得良好的染色效果，染料顆粒必須由深到淺均勻地分布在紗線的表層附近[3]，并保持相對(duì)的“環(huán)染”效果[4]。目前染色時(shí)常采用在隱色體、染液、前處理液中加入表面活性以提升染色質(zhì)量。在靛藍(lán)還原過(guò)程，表面活性劑可以促進(jìn)染料顆粒的快速潤(rùn)濕溶解，加速還原，有利于隱色體均勻分散，減少沉淀物的產(chǎn)生；在染色前處理過(guò)程中，表面活性劑可以快速潤(rùn)濕紗線，防止染色不勻；染色時(shí)又起到緩染作用[5]，有利于紗線均勻吸色。表面活性劑對(duì)染色效果的影響，最直觀體現(xiàn)為液體表面張力，液體表面張力是液體表面層內(nèi)分子力作用的結(jié)果[6]，可以反映溶質(zhì)表面活性的強(qiáng)弱和潤(rùn)濕能力。在生產(chǎn)過(guò)程中，為提高質(zhì)量穩(wěn)定性，表面活性劑的使用一般以簡(jiǎn)化為原則。本文試驗(yàn)使用不同表面活性劑進(jìn)行染色對(duì)比，研究不同表面活性劑對(duì)靛藍(lán)染料上染棉織物性能的影響，從而優(yōu)選出一款更有利于生產(chǎn)應(yīng)用的表面活性劑。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料、藥品和儀器

材料：3/1斜紋純棉漂白織物，紗線線密度58.31 tex×2，經(jīng)向密度536根/(10 cm)，緯向密度320根/(10 cm)。

試劑：靛藍(lán)(江蘇泰豐化工有限公司)；滲透劑SRD(無(wú)錫大江中盛生物科技有限公司)；燒堿、保險(xiǎn)粉、無(wú)水碳酸鈉均為化學(xué)純?cè)噭?；分散劑NNO、平平加O、皂粉為市售。

設(shè)備儀器：HJ-1磁力攪拌器(金壇市城東宏業(yè)實(shí)驗(yàn)儀器廠)，SD-A立式氣動(dòng)小軋車(上海一派印染技術(shù)有限公司)，JYW-200A微控自動(dòng)界面張力儀(承德大華試驗(yàn)機(jī)有限公司)，367 pH/ORP氧化還原電位儀(上海任氏電子有限公司)，Y(B)571B型染色牢度摩擦儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司)，Ci-5D自動(dòng)測(cè)色配色儀(美國(guó)Data color公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 染液制備

在500 mL容量瓶中加入適量蒸餾水置于磁力攪拌器上，分別加入4 g表面活性劑、40 g燒堿和50 g靛藍(lán)，開(kāi)啟攪拌約15 min；待溫度冷卻至40 ℃時(shí)，加入60 g保險(xiǎn)粉，并繼續(xù)攪拌10 min使靛藍(lán)充分還原，定積并繼續(xù)攪拌、冷卻到室溫后作為隱色體溶液備用。

另取1 000 mL容量瓶加入適量蒸餾，用移液管移取50 mL隱色體溶液，加水定積并密封攪拌10 min，保持常溫并作為染液待用。

1.2.2 染 色

將5 g/L的染液轉(zhuǎn)移至500 mL燒杯，使20 cm×25 cm的純棉漂白織物在染液中浸泡1 min后取出軋干，氧化5 min后再用清水浸泡5 min，取出軋干并置于陰涼通風(fēng)處自然晾干。整個(gè)過(guò)程采用常溫染色，染色浴比為1∶30，軋余率80 %。

1.2.3 皂 煮

在1 000 mL燒杯中加入蒸餾水、1 g皂粉和2 g無(wú)水碳酸鈉制備皂煮液，將染色后的織物在98 ℃的皂煮液中皂煮2 min，取出用清水洗滌后晾干。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 表面張力

將3種表面活性劑分別配成0.4 g/L的單體溶液，依次加入4 g/L燒堿和6 g/L保險(xiǎn)粉制成復(fù)配液，并用JYW-200A微控自動(dòng)界面張力儀測(cè)定和讀取數(shù)值。

1.3.2 沉降時(shí)間

把待染織物裁成直徑為1 cm的圓形布片。將200 mL制備的表面活性劑單體和復(fù)配溶液分別放入250 mL量筒中，水平放置布片，用秒表記錄布片沉降到量筒底部的時(shí)間。

1.3.3 還原電位

對(duì)稀釋到5 g/L的隱色體溶液使用氧化還原電位儀直接讀數(shù)。

1.3.4 上染百分率

參照色紗上染百分率測(cè)試[7]，在靛藍(lán)所處還原態(tài)的最大吸收波長(zhǎng)408 nm下進(jìn)行測(cè)試。

1.3.5 顏色特征值

染色后織物的L*、a*、b*和K/S值用Ci-5D自動(dòng)測(cè)色配色儀測(cè)試讀數(shù)。

1.3.6 織物耐摩擦色牢度

參照GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐摩擦色牢度》對(duì)皂煮前后的干、濕耐摩擦色牢度分別進(jìn)行測(cè)試[8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面活性劑的潤(rùn)濕性和兼容性

為比較燒堿和保險(xiǎn)粉對(duì)3種表面活性劑潤(rùn)濕能力的影響，依次制備表面活性劑單體溶液、表面活性劑與燒堿的復(fù)配溶液、表面活性劑與燒堿、保險(xiǎn)粉的復(fù)配溶液，并分別測(cè)試液體表面張力，結(jié)果如圖1所示。

圖1 表面活性劑的潤(rùn)濕性和兼容性Fig.1 Wettability and compatibility of surfactants

由圖1可以看出，蒸餾水的表面張力最大，分別加入3種表面活性劑后，溶液的液體表面張力均發(fā)生明顯變化。其中SRD溶液的表面張力最小，潤(rùn)濕能力也最強(qiáng)。當(dāng)依次加入燒堿和保險(xiǎn)粉后，3種溶液的表面張力僅發(fā)生微弱變化，說(shuō)明3種表面活性劑耐堿和耐保險(xiǎn)粉能力相當(dāng)，無(wú)明顯差異。通過(guò)液體表面張力對(duì)比，滲透劑SRD以其相對(duì)較優(yōu)的潤(rùn)濕能力，最有利于生產(chǎn)應(yīng)用。

測(cè)試布片在蒸餾水、3種表面活性劑單體溶液及3種表面活性劑分別與燒堿、保險(xiǎn)粉的復(fù)配溶液沉降時(shí)間，結(jié)果如表1所示，其中布片在蒸餾水中的空白試驗(yàn)沉降時(shí)間為16.41 s。

表1 布片在不同表面活性劑中的沉降時(shí)間Tab.1 Settling time of different surfactants in different surfactants s

表1顯示，布片分別在分散劑NNO和平平加O的單體溶液沉降時(shí)間與在蒸餾水中的沉降時(shí)間差異不大，而布片在滲透劑SRD單體溶液中的沉降時(shí)間明顯降低。燒堿和保險(xiǎn)粉的加入，對(duì)3種表面活性劑的復(fù)配溶液沉降時(shí)間影響不大，表明3種表面活性劑的耐堿和耐保險(xiǎn)粉的能力較好。

2.2 表面活性劑對(duì)氧化還原電位的影響

在室溫下分別測(cè)試含不同表面活性劑的靛藍(lán)隱色體溶液，記錄12 h內(nèi)氧化還原電位值的變化，結(jié)果如圖2所示。

圖2 表面活性劑對(duì)氧化還原電位的影響Fig.2 Effect of surfactant on redox potential

由圖2可知，在12 h內(nèi)，4種靛藍(lán)隱色體溶液氧化還原電位值均發(fā)生不同規(guī)律的變化，并最終趨于穩(wěn)定。其中，在放置的前4 h，含平平加O的隱色體溶液氧化還原電位發(fā)生不規(guī)則波動(dòng)，而分散劑NNO的靛藍(lán)隱色體溶液氧化還原電位略有下降。在還原4 h后，3種隱色體溶液氧化還原電位值發(fā)生不同程度的提升。不加任何表面活性劑的隱色體溶液的氧化還原電位緩慢上升，在放置8 h后逐漸趨于穩(wěn)定。

已知靛藍(lán)的氧化還原電位值是-760 mV[9-10]，在燒堿條件下用保險(xiǎn)粉還原，還原電位在-900～-890 mV。而在電化學(xué)中，還原染料隱色體電極電位愈高，還原染料愈易被還原，反之愈難還原[11]。因此，3種表面活性劑的使用，均對(duì)靛藍(lán)染料的還原產(chǎn)生影響。同時(shí)根據(jù)曲線對(duì)比，使用過(guò)滲透劑SRD的隱色體溶液還原速率最快，其還原過(guò)程也相對(duì)穩(wěn)定，更有利于生產(chǎn)使用。

2.3 表面活性劑對(duì)上染百分率的影響

加入不同表面活性劑的染液上染織物后，對(duì)色紗的上染百分率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 表面活性劑對(duì)靛藍(lán)上染百分率的影響Fig.3 Effect of surfactant on indigo dyeing rate

由圖3可以看出，不使用任何表面活性劑(空白樣)的染液上染百分率最高，使用分散劑NNO和滲透劑SRD的染液上染率百分相對(duì)較低，使用平平加O的染液上染百分率最低。這是因?yàn)楸砻婊钚詣┑木徣咀饔?，降低了初染階段靛藍(lán)染料的上染速率，從而降低了靛藍(lán)上染百分率。

2.4 表面活性劑對(duì)顏色的影響

用測(cè)色配色儀測(cè)試皂煮前后染色織物的L*、a*、b*值和K/S值。L*表示顏色的明暗度，數(shù)值越大顏色越明亮，反之越暗；a*表示偏紅光或偏綠光，正值偏紅，數(shù)值越大色光越紅，相反偏綠；b*表示偏黃或偏藍(lán)光，正值偏黃，且數(shù)值越大色光越黃，相反偏藍(lán)；K/S值越大，試樣表面顏色越深，染色效果越好，相反越淺，染色效果越差。皂煮前后的顏色特征值測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 表面活性劑對(duì)K/S值、L*、a*、b*值的影響Tab.2 Effects of surfactants on K/S, L*, a*, b* values

由表2可知，染色使用過(guò)平平加O和滲透劑SRD的織物皂煮前、后的L*值最高，而分散劑NNO的使用反而降低了染色織物的L*值。但相對(duì)皂煮前，皂煮后的4種染色織物被洗掉了浮色，亮度均得到了顯著提升。

空白試驗(yàn)、染色使用分散劑NNO和平平加O的織物a*值為正值，偏紅光；滲透劑SRD的使用，在染色織物的a*值體現(xiàn)為負(fù)數(shù)，說(shuō)明其顏色偏綠光。但通過(guò)對(duì)比染色織物皂煮前后的a*值變化，皂煮后染料在織物上體現(xiàn)的紅綠色光都得到削弱。3種表面活性劑對(duì)靛藍(lán)染色后的b*值有幾近相等的作用，而皂煮對(duì)黃藍(lán)光也未產(chǎn)生顯著影響。

數(shù)據(jù)顯示，織物經(jīng)皂煮去除浮色后，其K/S值都產(chǎn)生了明顯的降低。染色使用分散劑NNO的織物皂煮前K/S值最高，起到的染色增深效果最好，并且在皂煮去除浮色后仍保持較高優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明在靛藍(lán)染色過(guò)程中，染料向紗芯滲透較多。平平加O和滲透劑SRD的使用效果相當(dāng)，在皂煮前后顏色最淺，說(shuō)明在染色時(shí)產(chǎn)生了緩染，且染料向紗芯滲透較為遲緩。

2.5 表面活性劑對(duì)染料分布的影響

從皂煮過(guò)的染色織物拆取經(jīng)紗制作切片，結(jié)果如圖4所示。可以看出，使用平平加O的色紗白芯最明顯，其大部分染料集中在紗線的表層。使用滲透劑SRD、空白試驗(yàn)和分散劑NNO的色紗白芯度稍差。而靛藍(lán)紗產(chǎn)生白芯的原因，一方面是染料上染速率過(guò)快，大部分染料上染時(shí)在紗線表層發(fā)生聚集，難以進(jìn)一步向紗芯滲透；另一方面是在織物皂煮時(shí)形成了染料解吸，染料從紗線內(nèi)部擴(kuò)散出來(lái)，顏色變淺產(chǎn)生白芯。

圖4 表面活性劑對(duì)色紗染料分布的影響Fig.4 Effect of surfactants on dye distribution of yarn.(a)Blank sample；(b)NNO；(c)Peregal O；(d)SRD

2.6 表面活性劑對(duì)耐摩擦色牢度的影響

對(duì)皂煮前后織物的干、濕耐摩擦色牢度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

表3 表面活性劑對(duì)織物耐摩擦色牢度的影響Tab.3 Effect of surfactant on rubbing fastness of fabric 級(jí)

可以看出，4塊織物經(jīng)皂煮后干、濕耐摩擦色牢度均有所提升，這是由于織物經(jīng)過(guò)皂煮去除了紗線表面的浮色，剩余染料與紗線結(jié)合相對(duì)緊密。其中使用平平加O的織物耐摩擦色牢度最高，使用SRD的染色織物次之，而使用分散劑NNO則對(duì)織物的耐摩擦色牢度未起提升作用。說(shuō)明表面活性劑會(huì)影響到靛藍(lán)在棉織物上的固色牢度。

3 結(jié) 論

在靛藍(lán)染色生產(chǎn)過(guò)程中，好的表面活性劑可通過(guò)促進(jìn)染料的快速溶解，加速氧化還原電位值的提升來(lái)提高生產(chǎn)效率；在染色前處理過(guò)程中可以使紗線快速潤(rùn)濕，以避免染色不勻的產(chǎn)生；染色過(guò)程中既可以避免上染速率過(guò)快，染料在紗線表層聚集產(chǎn)生浮色，又能在增加染色次數(shù)時(shí)使染料緩慢向紗芯滲透，而不會(huì)令紗線染得太透芯；同時(shí)還能對(duì)織物耐摩擦色牢度起到一定的保護(hù)作用。經(jīng)驗(yàn)證，3種表面活性劑對(duì)靛藍(lán)染色性能的影響如下：

①分散劑NNO、勻染劑平平加O、滲透劑SRD分別與燒堿、保險(xiǎn)粉制備的復(fù)配溶液兼容性相當(dāng)，而滲透劑SRD的液體表面張力最小，布片的沉降時(shí)間最短，其滲透能力也最強(qiáng)。在較短時(shí)間內(nèi)，滲透劑SRD可以加快靛藍(lán)隱色體溶液氧化還原電位值的提升，進(jìn)而促進(jìn)靛藍(lán)染料的快速還原。

②3種表面活性劑的介入，降低了靛藍(lán)染料的上染百分率，而平平加O對(duì)上染百分率的作用最為顯著。同時(shí)3種表面活性劑對(duì)染色織物的亮度、色光和K/S值都產(chǎn)生了不同程度的影響，織物經(jīng)過(guò)皂煮后的L*值得到提升，K/S值不同程度降低。不同的表面活性劑影響了色紗的“環(huán)染”效果。

③由于上染百分率低，使用平平加O染色的織物干、濕耐摩擦色牢度在皂煮前和皂煮后最高，滲透劑SRD其次，分散劑NNO對(duì)靛藍(lán)染色織物的耐摩擦色牢度未起到提升作用。

④綜合分析，在3種表面活性劑中，滲透劑SRD耐堿和耐保險(xiǎn)粉性能良好，氧化還原電位提升快，最有利于染料顆粒的快速還原和紗線的潤(rùn)濕；初始上染百分率低，緩染效果良好；染色織物皂煮后L*值高，“環(huán)染”適中，同時(shí)有限提升了織物的干、濕耐摩擦色牢度。在生產(chǎn)時(shí)可通過(guò)增加染槽數(shù)量來(lái)解決上染百分率低的問(wèn)題。相比分散劑NNO和平平加O，滲透劑SRD更有利于生產(chǎn)應(yīng)用。