应用活性蓝19的棉织物低含水率湿蒸染色工艺

张鑫卿， 张健飞, 2， 房宽峻， 舒大武， 巩继贤， 刘秀明

(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室， 天津 300387)

张鑫卿1， 张健飞1, 2， 房宽峻1， 舒大武1， 巩继贤1， 刘秀明1

(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室， 天津 300387)

为解决在传统轧-蒸(P-S)染色工艺中因轧余率高、湿织物升温缓慢而导致的活性染料水解的严重问题，提出了在汽蒸前增加真空脱水工序的棉织物浸轧-真空脱水-湿蒸固色工艺(以下称作低含水率-湿蒸(L-W-S)染色工艺)。以活性蓝19为例，研究了织物含水率、汽蒸时间和Na2CO3质量浓度对棉织物低含水率-湿蒸染色的影响，并对L-W-S工艺与传统轧-(烘)-蒸(P-(D)-S)工艺染色棉织物的表观色深(K/S值)和染料固色率进行了比较。结果表明，不同染色深度时，活性蓝19采用L-W-S工艺上染试样的K/S值和固色率始终高于经传统P-(D)-S工艺上染试样，可为提高活性染料轧-蒸染色工艺的固色效率提供有效途径。

活性蓝19； 棉织物； 湿蒸染色； 低含水率； 表观色深

轧染是活性染料重要的染色方式之一[1]，传统的轧-烘-蒸(P-D-S)、轧-烘-轧-蒸(P-D-P-S)工艺的染色过程一般都要经过中间烘干工序，能耗高[2]，且织物烘干过程易发生染化料泳移；干织物汽蒸时重新吸湿释放冷凝潜热会出现过热现象，不利于染料的上染和固色。因此，省去烘干工序的活性染料轧-蒸(P-S)染色工艺引起了染色工作者的极大兴趣[3]。但是轧余率较高的湿织物直接汽蒸时，由于水分蒸发吸热，湿织物升温较慢，活性染料水解严重，染深色时，活性染料的固色率和染色织物的色牢度均明显降低[4-5]，因此，若能采取有效措施降低棉织物的带液率，使其进入蒸箱后能够迅速升温，则可减少活性染料水解，提高固色效率。

采用泡沫染整技术[6]和真空抽提技术[7]均可获得低含水率织物，但是泡沫染色织物的匀染性较差[8]，且因施加到织物上的染液量有限，染深色困难；真空抽提技术降低棉织物带液率的程度有限[9]，经真空抽提得到的活性染料溶液(特别是一浴法染色时)也难以回收再利用[10]。

本文将可有效降低纺织材料含湿率的真空脱水技术引入棉织物轧-蒸染色过程。借助真空干燥箱在低温和负压条件下将浸轧活性蓝19染液的棉织物的含水率降至一定范围，然后在常压饱和蒸汽中湿蒸，藉此提高活性染料的湿蒸染色效果。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

材料：纯棉平纹漂白半制品(140 g/m2)，由山东滨州愉悦家纺有限公司提供；活性蓝19(分子结构式如图1所示)，由天津德凯化工股份有限公司提供；无水碳酸钠(AR，天津市科密欧化学试剂有限公司)，皂洗用标准皂片(上海市纺织科学研究院)，98%硫酸(AR，天津市风船化学试剂科技有限公司)。

图1 活性蓝19的分子结构式Fig.1 Molecular structure of C.I. reactive blue 19

仪器：JA5003型精密电子天平(天津天马衡基仪器有限公司)；NM- 450型立式两辊轧车(日本Daiei Kakuseiki Seisakusho公司)；DZF-6050型真空干燥箱(上海申贤恒温设备厂)；LTF-97885型焙烘机(瑞士Werner Mathis AG公司)；OP-03型汽蒸箱(天津华谱合力科技有限公司)；Datacolor SF-600 plus型测色配色仪(美国Datacolor公司)；V-1600型可见分光光度计(上海美谱达仪器有限公司)。

1.2 染色方法

1.2.1 棉织物低含水率-湿蒸染色

浸轧染液(二浸二轧，轧余率(75±3)%)的棉织物悬挂于真空干燥箱内，在-0.096 MPa和(29±0.5) ℃条件下脱水至不同含水率；将试样迅速裁分为大小接近的2份，一份置于大气中晾干，另一份送入(100 ± 1) ℃常压饱和蒸汽中湿蒸固色。

1.2.2 棉织物传统轧-(烘)-蒸染色

采用P-D-S工艺染色时，浸轧染液的棉织物首先在80 ℃热空气中预烘3 min，然后再汽蒸固色；而采用P-S工艺染色时，浸轧染液的棉织物不作其它处理，直接进行湿蒸固色。其他操作同1.2.1。

1.2.3 水洗后处理

按照冷水淋洗→热水洗(50～60 ℃，3 min)→皂洗(标准皂片3 g/L，沸煮15 min，浴比1∶50)→热水洗(70～80 ℃，3 min)→冷水淋洗的工艺流程对汽蒸试样进行水洗后处理，然后置于大气中晾干。

1.3 测试方法

1.3.1 颜色指标

用Datacolor SF-600 plus测色配色仪，在D65光源、10°视角、9 mm测色孔径、镜面光包含和100%紫外光滤除的条件下，测定染色试样的K/S值和CIEL*、a*、b*、C*、h°等颜色指标。每个染色试样折叠成8层，任意选取试样上8个不同部位进行测试，结果取平均值。

1.3.2 固色率

轧染固色率测试参照GB/T 27592—2011《反应染料 轧染固色率的测定》，由下式计算得到：

式中：F为固色率，%；A1、A2分别为未汽蒸试样和汽蒸固色试样用硫酸(质量分数75%)溶解所得溶液的吸光度值；m1、m2分别为溶解的未汽蒸试样和汽蒸固色试样的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 棉织物含水率的影响

棉织物在室温下浸轧含10 g/L活性蓝19和15 g/L Na2CO3的染液，采用真空脱水的方法将其含水率降至不同范围，然后在(100 ± 1) ℃常压饱和蒸汽中湿蒸5 min。图2示出棉织物含水率与湿蒸固色试样的K/S值和染料固色率之间的关系。由图可看出，活性蓝19染色试样的K/S值和染料固色率随着湿蒸固色棉织物含水率的降低呈现先增大后减小的趋势，在棉织物含水率为30%左右时，固色试样的K/S值和染料固色率相对较大。

图2 棉织物含水率对活性蓝19染色试样的K/S值和染料固色率的影响Fig.2 K/S values and dye fixation rates of water contents of cotton fabrics padded with reactive blue 19

棉织物含水率为30%左右时，纤维溶胀相对充分，染料向纤维内扩散较为容易，对固色反应有利；同时，棉织物上所含水分大部分与纤维素羟基形成氢键结合或者吸附在纤维内部的孔道壁上，可随意流动的水分含量较少，活性染料水解量减少[11]。当棉织物含水率过高，湿蒸过程大量蒸汽冷凝在织物表面[3]，纤维周围液膜的体积增大，染料对纤维的亲和力降低，吸附到纤维表面的染料量减少[2]；随着汽蒸过程的进行，湿织物温度升高，大量未吸附到纤维表面的染料在液膜内发生水解。当棉织物含水率过低，纤维溶胀不充分，染料向纤维内部扩散困难[12]，大部分染料聚集在纤维表面，因为低含水率织物升温迅速，可以很快达到棉纤维与活性染料发生固色反应的适宜温度，活性染料的成键反应大多发生在棉纤维的浅表层；由于静电斥力作用，已经固着在纤维浅表层的染料会抑制纤维周围液膜内染料的吸附和向纤维内扩散，湿蒸固色时未能扩散进纤维内部的染料发生水解反应。因此，浸轧活性染料溶液的棉织物，其含水率过高或过低均会对活性染料的固色反应产生不利影响。

表1示出棉织物含水率与湿蒸固色试样的色度学指标间的关系。由表可知，随着棉织物含水率的增加，湿蒸固色试样的L*呈现先减小后增大的趋势，在含水率为30.0%时L*最小，意味着此时固色棉织物的颜色深度最深，这与图1以K/S值表征的色深结果一致。a*和b*均为负值，表明固色试样显绿光和蓝光；含水率为9.4%的试样C*值最小，即试样的鲜艳度最差，这可能与染料在含水率过低的棉织物纤维内透染性较差有关。

表1 湿蒸固色棉织物的色度学指标Tab.1 Colorimetric parameters of dyed cotton fabrics

2.2 汽蒸时间的影响

浸轧含10 g/L活性蓝19和15 g/L Na2CO3染液的棉织物，经真空脱水将其含水率降至31.1%，然后迅速裁分成4等份，分别汽蒸1～4 min，所得染色试样的K/S值和染料固色率如图3所示。

图3 汽蒸时间对活性蓝19染色试样的K/S值和染料固色率的影响Fig.3 K/S values and fixation rates of reactive blue 19 dyed cotton fabrics of steaming time

由图3可看出，棉织物以低含水率状态湿蒸染色时，固色试样的K/S值和染料固色率随汽蒸时间的延长呈先增大后减小的趋势，在汽蒸时间为2 min时，K/S值和染料固色率相对最大；进一步延长汽蒸时间，K/S值和染料固色率均明显减小。

汽蒸过程是吸附在棉纤维上的活性染料进一步向纤维内扩散并与纤维素羟基发生成键固着的综合过程，在其他条件一定时，固色效果主要取决于汽蒸温度和时间。汽蒸时间太短，织物上的绝大部分染料未能与纤维成键固着，经水洗后处理易从织物上除去，固色织物的K/S值和染料固色率较低。汽蒸时间过长，随着汽蒸过程的进行，湿织物温度升高，活性染料的水解反应速率加快；另外，活性蓝19的乙烯砜活性基与棉纤维羟基形成的醚键耐碱稳定性差，在碱性、湿热汽蒸环境中易发生断键水解[13]，同样会降低固色织物的K/S值和染料固色率。2.3 碳酸钠质量浓度的影响

浸轧由10 g/L活性蓝19和不同质量浓度Na2CO3组成的染液的棉织物，经真空脱水将其含水率降至30%左右，然后汽蒸2 min，Na2CO3质量浓度对湿蒸固色棉织物的K/S值和染料固色率的影响如图4所示。

图4 碳酸钠质量浓度对活性蓝19染色试样的K/S值和染料固色率的影响Fig.4 K/S values and fixation rates of reactive blue 19 dyed cotton fabrics of Na2CO3 concentration

由图4可看出，固色试样的K/S值和染料固色率随Na2CO3质量浓度的增加呈先增大后减小的趋势，Na2CO3质量浓度为15 g/L时，固色试样的K/S值和染料固色率相对最大；进一步增大Na2CO3质量浓度，染色试样的K/S值和染料固色率均出现降低的趋势。

图5示出羟乙基砜硫酸酯型活性染料的活化及其固色与水解反应[14-15]。众所周知，纤维素羟基(Cell—OH)的离子化对温度和染液pH值的依赖性较强，在温度一定时，随着碱剂用量的增加，染液pH值增大，生成更多的Cell—O-，通过亲核加成反应与乙烯砜活性基形成共价结合(见图5中的b)。由图5中的a可知，活性染料的乙烯砜硫酸酯基转化成活泼的乙烯砜活性基也需要在碱性条件下完成。当碱剂用量不足时，纤维素羟基的离子化和活性染料的活化均不充分，染料与纤维素纤维的固色反应不完全。另外，活性染料的水解(见图5中的c)遵从二级反应，染料的水解速率与染液中[OH]-浓度成正比[16]，碱剂用量过大时，活性染料水解严重[17]；碱剂用量过高还可能引起活性蓝19的乙烯砜活性基与棉纤维羟基形成的醚键水解断键，进一步导致K/S值和染料固色率的下降。

图5 羟乙基砜硫酸酯型活性染料的活化及其固色与水解反应Fig.5 Activation, fixation and hydrolyzation reactions of sulfato ethyl sulfone reactive dyes

2.4 不同工艺的染色效果比较

表2示出浸轧3种不同质量浓度活性蓝19染液的棉织物，经低含水率-湿蒸(L-W-S)工艺与传统轧-烘-蒸(P-D-S)、轧-蒸(P-S)工艺染色试样的K/S值和染料固色率。不同染色深度时，经L-W-S工艺染色织物的K/S值和染料固色率比传统P-D-S工艺、P-S工艺染色织物的K/S值和染料固色率高。

表2 用活性蓝19经不同工艺染色棉织物的K/S值和染料固色率Tab.2 K/S values and dye fixation rates of cotton fabrics dyed with reactive blue 19 using different dyeing processes

注：活性蓝19质量浓度为10、20和30 g/L时，染液内碳酸钠质量浓度分别为15、30和30 g/L；织物轧余率为(75 ± 3)%，L-W-S工艺的织物含水率为25%～30%；(100 ± 1) ℃汽蒸2 min。

采用P-S工艺染色时，浸轧染液的高轧余率织物直接进入蒸箱湿蒸固色，大量蒸汽冷凝在织物上，湿织物升温缓慢，湿热、强碱环境下，活性染料水解严重。采用P-D-S工艺染色时，因织物含水率较低，汽蒸时，在织物上产生的冷凝水量较少，纤维溶胀不充分，染料向纤维内扩散困难[18]；且干织物汽蒸时由于蒸汽冷凝释放大量潜热，易产生过热现象，不利于染料的上染和固色。采用L-W-S工艺染色时，因织物含水率在30%左右，棉纤维溶胀充分，染料向纤维内部扩散相对容易；汽蒸时，L-W-S工艺织物上产生的冷凝水量也小于P-S工艺棉织物上产生的冷凝水量，在染料施加量一致的情况下，L-W-S工艺纤维周围液膜内的染料浓度高于P-S工艺纤维周围液膜内的染料浓度，故吸附平衡时，L-W-S工艺纤维上吸附的染料量大于P-S工艺纤维上吸附的染料量，对染料向纤维内扩散有促进作用[18]；同时低含水率织物升温迅速，可及早达到活性染料与棉纤维的适宜固色温度，从而减少湿织物升温过程中活性染料的水解。

3 结 论

本文基于在负压环境中水在较低温度下即可快速蒸发的原理，将真空脱水技术引入棉织物轧-蒸染色过程，提出了棉织物低含水率-湿蒸(L-W-S)染色工艺，研究了棉织物含水率、汽蒸时间和碳酸钠用量对浸轧活性蓝19染液的棉织物L-W-S染色的影响，得出如下结论：染料质量浓度为10 g/L，采用L-W-S工艺染色时，适宜的棉织物含水率为30%左右，适宜的汽蒸时间和碳酸钠质量浓度分别为2 min和15 g/L；活性蓝19经L-W-S工艺染色棉织物的K/S值和染料固色率比经P-D-S工艺与P-S工艺染色棉织物的均高。在汽蒸前增加真空脱水工序的棉织物低含水率-湿蒸染色工艺，为提高活性染料轧-蒸染色工艺的固色效果提供了一条有效途径。

FZXB

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Low-water content wet-steaming fixation of cotton fabric padded with reactive blue 19

ZHANG Xinqing1, ZHANG Jianfei1, 2, FANG Kuanjun1， SHU Dawu1, GONG Jixian1, LIU Xiuming1

(1.SchoolofTextiles，TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.KeyLaboratoryofAdvancedTextileComposites，MinistryofEducation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to reduce the serious reactive dye hydrolysis ascribed to high pick-up and slowly heating of the wet fabric in the conventional pad-steam (P-S) dyeing process, a vacuum-dehydration procedure was employed for the padded cotton fabric prior to steaming (low-water content-wet steaming (L-W-S) dyeing process). Reactive blue 19 was adopted as an example to investigate the influence of fabric water content, steaming time and Na2CO3concentration on the steaming fixation of padded fabric with low water content. Comparison of the color strength (K/Svalue) and dye fixation rate (F) of the cotton fabrics dyed with the L-W-S dyeing process and the conventional pad-(dry)-steam [P-(D)-S] dyeing process was made. The results show that bothK/Svalue andFof the dyed cotton fabric obtained from the former process are higher than those from the later process. Incorporating vacuum-dehydration procedure in the P-S dyeing process offers a potential way to improve reactive dye fixation.

reactive blue 19; cotton fabric; wet-steaming fixation; low water content; color strength

10.13475/j.fzxb.20161002805

2016-10-13

2016-11-21

国家科技支撑计划资助项目(2014BAC13B02，2014BAE01B01)；山东省自主创新成果转化重大专项资助项目(2012ZHZX1A0914)；天津市应用基础与前沿技术研究计划资助项目(14JCZDJC37200)

张鑫卿(1986—)，男，博士生。研究方向为纺织品清洁染整技术。张健飞，通信作者，E-mail：zhangjianfei1960@126.com。

TS 193.5

A

获奖说明：本文荣获中国纺织工程学会颁发的第17届陈维稷优秀论文奖