余 弘， 王元豐， 鐘 毅， 徐 紅， 張琳萍， 毛志平, 王興南

(1. 東華大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點實驗室， 上海 201620； 2. 上海譽輝化工有限公司， 上海 201100)

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泡沫技術(shù)染深色的可行性及其應(yīng)用

余 弘1， 王元豐1， 鐘 毅1， 徐 紅1， 張琳萍1， 毛志平1, 王興南2

(1. 東華大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點實驗室， 上海 201620； 2. 上海譽輝化工有限公司， 上海 201100)

為了探討泡沫染色對棉織物染深色的可行性，研究了活性艷紅KE-3B在棉織物泡沫染色中的提升力和染色性能；為了推廣泡沫染色在紡織加工中的應(yīng)用，研究了不同類型活性染料在對棉織物的泡沫染色淺、深色工藝中的固色速率和織物K/S值與固色時間的關(guān)系。研究結(jié)果表明：活性紅KE-3B在泡沫染色中具有良好的提升力，經(jīng)不同質(zhì)量濃度泡沫染色的織物勻染性好。在4種不同類型的活性染料泡沫染色中，染料的固色率均能達到70%～90%，KN型活性染料固色率最高，固色速率順序為活性黑KN-B>活性大紅K-2G>活性艷紅KE-3B>活性艷紅X-3B。

深色染色； 泡沫染色； 棉織物； 活性染料； 固色速率

紡織品印染工業(yè)不僅是用水量最多的工業(yè)之一，又是消耗能源較多的行業(yè)之一。印染濕加工過程中所消耗的能量大約占紡織工業(yè)總能量消耗的55%～60%，其中大部分用于織物烘燥過程中的水分升溫和蒸發(fā)。泡沫染色是將空氣代替大部分水作為染色介質(zhì)將染料輸送到織物上進行上染的一種技術(shù)。泡沫染色可將織物帶液率降至30%～40%，從而大大節(jié)約了水的用量，相應(yīng)地降低了后續(xù)烘燥過程中的能耗。同時泡沫染色還具有可降低蒸發(fā)過程中染料泳移，改善產(chǎn)品質(zhì)量，加快烘干速度和提高勞動生產(chǎn)率，以及節(jié)約染化料和減少廢水排放等特點[1]。

國外研究者對泡沫染色的研究始于20世紀70年代末[2-3]，在80年代出現(xiàn)了關(guān)于泡沫染色的大量研究和報道[4-6]，國內(nèi)學(xué)者也于20世紀80年代對此技術(shù)開展了一系列研究[7]。但是由于當(dāng)時技術(shù)水平的限制和“節(jié)能環(huán)保”意識的薄弱，一度處于研究熱潮的泡沫染色技術(shù)沒有得到進一步的發(fā)展[8]。進入21世紀以來，由于能源的短缺、環(huán)境問題日益嚴重，以及設(shè)備技術(shù)水平的提高，需要通過改進和創(chuàng)新加工技術(shù)以降低成本來贏得市場，于是又掀起了泡沫染色加工的熱潮。目前國內(nèi)已有多個課題組對泡沫染色進行研究，辛長征等[9-10]對水刺非織造布在線發(fā)泡體系和泡沫染色工藝進行了研究；賀志鵬等[11]研究了大豆分離蛋白在泡沫染色工藝中的應(yīng)用；張健飛等[12-14]針對棉織物活性染料泡沫染色進行了一系列研究，探討了泡沫染色工藝的影響因素，優(yōu)化了泡沫染色工藝。不同于其他課題組采用的涂敷-軋壓的泡沫施加方式，本文采用泡沫發(fā)生器和施加器，研究了活性染料泡沫染色液的起泡性和穩(wěn)定性[15]，成功地實現(xiàn)了棉機織物活性染料泡沫染色的連續(xù)加工過程，討論了各種因素對染色效果的影響[16]，并通過響應(yīng)面分析法優(yōu)化了染色工藝[17]。

在泡沫染色過程中，泡沫施加器將含有染料的泡沫均勻地施加在織物表面上，最后經(jīng)固色使織物得色。由于被涂敷有色泡沫的織物不經(jīng)過軋車直接固色且?guī)б郝瘦^低，因此泡沫染色被認為只是一種“表面染色”。此外，在泡沫染色研究報道中活性染料的使用濃度都較小，得到的有色織物均為淺色系，且僅局限于一種類型的活性染料。本文為了探討泡沫染色用于棉織物染深色的可行性，基于前期的研究成果，研究了活性紅KE-3B在棉織物泡沫染色中的提升力和染色性能，比較了其在淺、深色體系泡沫染色中的固色速率曲線和織物K/S值與固色時間的關(guān)系曲線；最后通過研究不同類型活性染料的泡沫染色，推廣泡沫染色在紡織加工中的應(yīng)用。

1 實驗部分

1.1 材料與藥品

純棉機織半漂白布，面密度為117 g/m2(華紡股份有限公司)?；钚约tKE-3B、活性大紅K-2G、活性艷紅X-3B和活性黑KN-B(江蘇振揚染料科技有限公司，商業(yè)級)，十二烷基硫酸鈉(SDS)、十二醇、無水碳酸鈉(上海國藥集團化學(xué)試劑有限公司，化學(xué)純)，瓜爾膠(鄭州市中原區(qū)豐和化工商行，工業(yè)級)。

1.2 設(shè)備與儀器

泡沫發(fā)生器和泡沫施加器(上海譽輝化工有限公司)，DHE 64001型Mathis汽蒸機(瑞士)，SW-12AⅡ型皂洗機(溫州大榮紡織儀器有限公司)，Datacolor 650測色儀(美國Datacolor公司)，U-3310型紫外分光光度儀(日本日立公司)，Y571B型摩擦牢度試驗機(溫州紡織儀器廠)。

1.3 實驗方法

1.3.1 泡沫染色方法

泡沫染色液配方：活性染料10.0～60.0 g/L，SDS 2.00 g/L，Na2CO315.0～24.0 g/L，穩(wěn)定劑0.28～0.70 g/L。穩(wěn)定劑為十二醇和瓜爾膠的混合，二者質(zhì)量比為3∶4。

泡沫染色工藝參數(shù)：泡比為8.00，帶液率為30.0%，汽蒸溫度為150 ℃，汽蒸時間為0～5.00 min。

泡沫染色工藝流程為：泡沫染色液起泡(泡沫發(fā)生器)→施加有色泡沫(泡沫施加器)→汽蒸固色(150 ℃，0～5 min，相對濕度65%)→皂洗(皂片2 g/L，Na2CO32 g/L，95 ℃，10 min)→水洗。

1.3.2 活性染料在泡沫染色中的提升力

為了探討泡沫技術(shù)染深色的可行性，通過逐步增加泡沫染色中活性紅KE-3B的質(zhì)量濃度(10、20、30、40、50、60 g/L)，保持其他條件一致，對棉機織物進行泡沫染色，觀察織物得色量上升的趨勢，即染料在泡沫染色中的提升力。相同條件的泡沫染色工藝重復(fù)3次。

1.3.3 不同類型活性染料的淺、深色泡沫染色

為了推廣泡沫染色在紡織加工中的應(yīng)用，觀察各種類型的活性染料是否均能適用于泡沫染色淺、深色工藝，進一步了解泡沫染色過程中染料上染棉織物的動態(tài)過程，分別使用活性艷紅KE-3B、活性大紅K-2G、活性艷紅X-3B和活性黑KN-B對棉機織物進行泡沫染色，通過逐步增加汽蒸固色時間(0、0.5、1、1.5、2、3、4、5 min)，保持其他條件一致，得到淺色(10 g/L)、深色(60 g/L)體系泡沫染色的固色速率曲線和織物K/S值與固色時間的關(guān)系曲線。

1.3.4 測試方法

固色率通過下式計算得到：

式中：W為皂洗、水洗前織物上的染料總量；W1為皂洗、水洗后織物上的染料總量；W2為殘液(包括皂洗液、水洗液)中的染料總量。殘液中的染料量由染料質(zhì)量濃度與吸光度的直線關(guān)系圖得出，吸光度由紫外分光光度儀測得。

有色織物的表觀色深值(K/S值)由Datacolor 測色儀測得。每塊試樣任取1個點作為標準樣，任取其他8個點作為批次樣，測出8組批次樣與標準樣之間的色差，計算標準偏差。

著色織物的皂洗牢度依據(jù)GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗 耐皂洗色牢度》測定。

著色織物的干濕摩擦牢度依據(jù)GB/T 3820—2008《紡織品 色牢度試驗 耐摩擦色牢度》測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 泡沫技術(shù)染深色的可行性

在前期研究中比較了活性艷紅KE-3B分別在泡沫染色和常規(guī)軋染過程中的提升力[16]，其在泡沫染色中的提升力見圖1?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著染料質(zhì)量濃度從10 g/L遞增至60 g/L，著色織物的表觀色深逐漸增大，且曲線的斜率基本保持不變，上升趨勢明顯，表明活性艷紅KE-3B在泡沫染色中具有良好的提升力，從而說明泡沫技術(shù)用于染深色是可行的，且得到的有色織物勻染性很好。雖然泡沫染色過程中織物的帶液率僅有30%，但是高濃度的有色泡沫一旦被施加至織物表面時便立刻破滅，并快速地從表面向織物內(nèi)部擴散，最后通過汽蒸固著在織物上，部分聚集在織物表面未固著的染料在后續(xù)皂洗、水洗中被洗去。從圖中還可觀察到，當(dāng)染料質(zhì)量濃度相同時，多次實驗所得著色織物的表觀色深重現(xiàn)性好，K/S值變化幅度很小，其中深色工藝(50、60 g/L)時的偏差相對淺色工藝略大。

圖1 泡沫染色中活性紅KE-3B的提升力Fig.1 Build-up property of Reactive Red KE-3B in foam dyeing

此外，按照結(jié)構(gòu)來看，活性紅KE-3B是雙一氯均三嗪活性染料，具有2個可與纖維素纖維發(fā)生共價反應(yīng)的活性基團，因此相較于其他結(jié)構(gòu)的活性染料，其在固色過程中與棉織物的共價結(jié)合概率較大，這也可能是其能在泡沫染色中表現(xiàn)出良好提升力的原因之一。

著色織物經(jīng)不同質(zhì)量濃度活性紅KE-3B泡沫染色的皂洗牢度均能達到4～5級，干摩擦牢度均能達到5級[16]。表1示出著色織物的勻染性和濕摩擦牢度等級。可以看出，即使泡沫染色的染料質(zhì)量濃度較高時也能達到良好的勻染效果，濕摩擦牢度隨著質(zhì)量濃度的上升從4級降低至2～3級，這是由于織物的表觀色深增大，相應(yīng)地帶來了濕摩擦牢度的降低。

表1 不同質(zhì)量濃度活性紅KE-3B 泡沫染色的染色性能Tab.1 Dyeing properties of foam dyeing with Reactive Red KE-3B of different concentrations

2.2 不同類型活性染料的泡沫染色性能

在活性染料對棉織物的染色中，染料與纖維素纖維最終以共價鍵的形式結(jié)合，所得織物的色牢度高、色澤鮮艷。若采用上述的泡沫染色低給液技術(shù)，將大大減少紡織加工過程中的能源消耗。然而活性染料按照結(jié)構(gòu)可分為多種類型，且不同類型的活性染料其反應(yīng)活性各不相同。本文為了探討泡沫染色是否適用于多種類型活性染料對棉織物的染色，分別研究了KE型、K型、X型和KN型活性染料的泡沫染色淺、深色工藝，旨在推廣泡沫染色技術(shù)在紡織加工中的應(yīng)用。

圖2(a)、(b)分別示出泡沫染色淺色、深色工藝中不同類型活性染料的固色速率曲線；圖3(a)、(b)分別示出不同類型活性染料的泡沫染色淺色、深色工藝中織物K/S值與固色時間的關(guān)系曲線。

圖2 泡沫染色的固色速率曲線Fig.2 Fixation rate curves of foam dyeing. (a) Light color dyeing; (b) Dark color dyeing

圖3 泡沫染色的織物K/S值與固色時間的關(guān)系曲線Fig.3 Relation curves between K/S value and fixation time in foam dyeing. (a) Light color dyeing; (b) Dark color dyeing

由圖2可知，泡沫染色不管是對棉織物染淺色還是染深色，其固色率均能達到70%以上，且固色速率的順序依次為：活性黑KN-B>活性大紅K-2G>活性艷紅KE-3B>活性艷紅X-3B。其中活性黑KN-B的固色率最高，達到90%左右，且固色速率最快，淺色、深色工藝的固色規(guī)律一致。這是因為活性黑KN-B是雙活性基的乙烯砜型活性染料，具有較高的反應(yīng)活性，迅速達到反應(yīng)平衡。

對于活性艷紅KE-3B(雙一氯均三嗪型)，淺色工藝泡沫染色的固色率能達到85%左右，深色工藝泡沫染色的固色率在75%左右。深色工藝的固色率比淺色工藝低，這是因為深色工藝中染料質(zhì)量濃度高，染料更容易聚集，而染料聚集體不易向纖維內(nèi)部擴散而形成表面著色，有些聚集體甚至不易發(fā)生固色反應(yīng)。淺色工藝的固色過程在3 min左右固色率趨于平衡，而K/S值在1 min左右就不再提升，這是由于淺色工藝染料初始質(zhì)量濃度低，染料向纖維內(nèi)部擴散速率較慢，因此表面固色先完成，后續(xù)固色過程中染料不斷向纖維內(nèi)部擴散還伴隨著內(nèi)部固色反應(yīng)的發(fā)生。深色工藝在1.5 min左右達到最大值并趨于平衡，且K/S值與固色率規(guī)律大體一致，這是由于深色工藝染料初始質(zhì)量濃度高，導(dǎo)致染料向纖維內(nèi)部擴散速率快，固色反應(yīng)幾乎在纖維表面和纖維內(nèi)部同時進行，這同時也解釋了深色工藝的固色速率比淺色工藝更快。

活性大紅K-2G(一氯均三嗪)淺色、深色工藝泡沫染色的固色率均達到75%左右。其中深色工藝在1 min左右完成固色，淺色工藝在1.5 min左右完成固色。與活性艷紅KE-3B相比，活性大紅K-2G在淺色、深色工藝中的固色速率均較快，這是由于染料結(jié)構(gòu)的不同：在相同的質(zhì)量濃度下，與含雙一氯均三嗪基的活性艷紅KE-3B相比，含單一氯均三嗪基的活性大紅K-2G分子質(zhì)量較小，團聚程度較低，在高溫固色過程中能較快速地與棉纖維發(fā)生共價結(jié)合。但活性艷紅KE-3B的淺色工藝固色率要高于活性大紅K-2G的淺色工藝，這是由于活性艷紅KE-3B分子中有2個一氯均三嗪活性基，固色更充分。相較于深色工藝，淺色工藝中的著色織物較早達到K/S值平衡。淺色工藝中，織物的表觀色深在1 min時已達到最大值，而此時固色率仍處于上升趨勢，此現(xiàn)象和活性艷紅KE-3B的淺色工藝泡沫染色情況一致，當(dāng)表面固色完成時，染料仍不斷向纖維內(nèi)部擴散和固色。深色工藝中的固色速率趨勢和織物K/S值與固色時間的關(guān)系趨勢基本一致。

當(dāng)固色時間為5 min時，活性艷紅X-3B(二氯均三嗪)在淺、深色工藝條件下的固色率也能達到70%左右。淺、深色工藝泡沫染色的固色趨勢基本一致，但固色速率緩慢，很難達到固色平衡，雖然織物表觀色深在1.5 min時已達到最大值，主要原因可能是二氯均三嗪類活性染料由于其反應(yīng)活潑性高，容易水解，比較適合低溫固色，在高溫條件下穩(wěn)定性差[18]。

對于活性黑KN-B的泡沫染色，表觀色深值在1 min左右達到平衡后會有輕微下降，由于表面固色先完成，但染料-纖維共價鍵在高溫堿性條件下不穩(wěn)定，導(dǎo)致部分染料-纖維共價鍵斷裂，表觀色深值降低，因此，在使用KN-B型活性染料對棉織物進行泡沫染色時，固色時間需控制在1 min左右。

綜上所述，KE型、K型、X型和KN型活性染料的泡沫染色淺、深色工藝的固色率均能達到70%～90%，其中KN-B型活性染料固色率最高，固色速率最快，其次是K型和KE型活性染料，X型活性染料的固色速率最低。不同結(jié)構(gòu)活性染料具有不同的固色規(guī)律和不同的適用條件。實際生產(chǎn)應(yīng)根據(jù)染料結(jié)構(gòu)的不同制定不同的染色和固色條件，以在節(jié)約能源的同時達到最佳染色效果。

3 結(jié) 論

本文通過研究活性艷紅KE-3B在泡沫染色中的提升力，探討了泡沫技術(shù)染深色的可行性，并且通過改變固色時間，了解并比較了不同類型活性染料(活性艷紅KE-3B、活性大紅K-2G、活性艷紅X-3B和活性黑KN-B)在淺、深色工藝中與棉織物的固色過程和織物的得色過程。

泡沫染色成功地被應(yīng)用于活性染料對棉織物的深色工藝，并且具有良好的勻染性和重現(xiàn)性。著色織物皂洗牢度達4～5級，干摩擦牢度達5級，濕摩擦牢度隨染料質(zhì)量濃度上升從4級下降至2～3級。

在不同類型活性染料的泡沫染色中，活性艷紅KE-3B、活性大紅K-2G、活性艷紅X-3B和活性黑KN-B的泡沫染色固色率均能達到70%～90%，其中KN-B型活性染料固色率最高，且固色速率順序依次為活性黑KN-B>活性大紅K-2G>活性艷紅KE-3B>活性艷紅X-3B。深色工藝的泡沫染色固色速率普遍高于淺色工藝。各種類型的活性染料均能實現(xiàn)對棉織物的泡沫染色，且染色效果良好，說明泡沫染色技術(shù)可以真正地被應(yīng)用于紡織加工大生產(chǎn)中，從而節(jié)約更多的能源消耗。

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Feasibility study and application of deep color dyeing by foam technology

YU Hong1, WANG Yuanfeng1, ZHONG Yi1, XU Hong1, ZHANG Linping1,MAO Zhiping1, WANG Xingnan2

(1.KeyLaboratoryofScience&TechnologyofEco-Textile,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.NeowinChemicals(Shanghai)Co.,Ltd.,Shanghai201100,China)

In order to study the deep color dyeing by foam technology of cotton fabrics with reactive dye, the build-up property of Reactive Red KE-3B in foam dyeing was investigated. Aiming at promoting the application of foam dyeing in textile processing, fixation rate and relation betweenK/Svalue and fixation time in light color dyeing and deep color dyeing during foam dyeing of cotton fabric were studied with different types of reactive dyes. The results indicated that Reactive Red KE-3B had excellent build-up property in foam dying, and dyed fabric had great leveling properties. All dye fixations of foam dyeing with different types of reactive dyes could reach 70%-90%. The highest fixation could be obtained using KN reactive dye and the fixation rate order was Reactive Black KN-B>Reactive Red K-2G> Reactive Red KE-3B>Reactive Red X-3B.

deep color dyeing; foam dyeing; cotton fabric; reactive dye; fixation rate

2014-03-26

2014-12-06

國家科技支撐計劃項目(2011BAE07B08，2014BAE01B01)

余弘(1989—)，女，博士。主要研究方向為活性染料泡沫染色。毛志平，通信作者，E-mail：zhpmao@dhu.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20140305606

TS 193.5

A