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中国是丝绸的故乡,很早就掌握了丝绸的染色技术,这在明代科学家宋应星所著的《天工开物》一书中有详细的记载,包括如何提取植物染料,如何进行染色。近几十年我国纺织染整工业有了长足进步,已是世界纺织大国,从纤维生产,纺织染整加工到服装生产,其产能已处世界前列,并带动了染料、助剂和化学品的迅速发展。但是,纺织染整这个传统工业,也遇到许多问题,特别是生态环境压力愈来愈大,作为世界最大生产国的我国,尤为突出。 , B. ^, B6 {! i# q. p
支持纺织染整技术发展的要素很多,有“硬件”因素,也有“软件”因素,“硬件”因素主要指纤维材料、染化料、加工机械和配套设备等几方面,“软件”因素则主要指信息产品设计、加工工艺和管理技术等几方面。当然这些因素都支持纺织染整技术的发展,对我国来说,这些因素和世界先进水平相比,有很大差距。
' z/ Q$ P( P, d1 c: E纺织品染色的近代进展也是直接决定于这些因素的发展。本文主要分析染色技术的近代进展,特别是新纤维、多组分纤维纺织品染色和生态染色。 z$ J H- W: @
1.现代染色技术 % K# Y9 z$ d: B6 X' k' s( d
近代纺织品染色始于18世纪,它是随着化学纤维、染料和化学品、以及设备的发展逐步建立起来的,现在已成为独立的一个学科。
* o: i. l3 T" r' K促使现代染色技术发展的因素主要有以下一些: 9 J, p) {6 b! f9 v7 H; ]
(1)新纤维和新的组织结构纺织品的快速出现;
$ U, t1 S& K! g! j(2)新染料和化学品、加工设备的不断开发和应用;
( h& b3 A$ Z0 E3 A5 P(3)纺织品的生态要求不断严格和新的环保法规不断颁布和实施;
" x/ f9 l& v! u/ i. O(4)世界资源和劳动力供应不断紧张和加工成本不断上升; 5 X- ]5 D9 O! U+ J' a- _) X
(5)现代染色理论不断深入和近代科学技术成果不断应用于染色加工。 5 {; e7 l% F; ?: f
现对近代发展最快和最重要的因素和染色技术介绍于下: ) w* d. H) X h2 y, h D
1.1新纤维和多组分纤维纺织品染色
6 M1 a4 R! p# l W4 \0 x随着人们生活质量不断提高,也随着现代新材料的不断开发,新型纤维出现愈来愈快,品种愈来愈多,仅从我国生产的化纤来看,目前已有275大类之多。已经大量商品化的新合成纤维包括超细、PLA、PTT和PDT和相关的异形、差别化纤维等;新再生纤维包括Lyocell、竹原纤维等,以及各种多组分化学纤维,包括大豆蛋白、蚕蛹蛋白和牛奶蛋白纤维等。 7 D. n4 R+ ^8 }
纺织品的组成和组织结构也日新月异,特别是多种纤维的混纺、交织和复合纺织品愈来愈多。在这方面,目前我国和世界先进水平还存在较大差距,例如从最近统计的国内出口面料平均纤维组分仅为1.3种,而同时进口的国外面料平均纤维组分则为5.6种,个别面料多达7~8种纤维。 ( j9 T Q- H. t, d
正在开发的新纤维还有许多,包括各种转基因纤维。 - y" C* {9 X+ N- ]) C; B
纤维和纺织品的“新”和“多”对纺织品染色提出了新的要求,要求有新的染色技术相适应[3]。它们染色特点之一是为适应“新”特性,需要选用新的染料和采用新的工艺,例如涤纶超细纤维染色的分散染料,要求显色性、匀染性和色牢度特别好,配套的助剂和升温工艺也与常规纤维不同,其它新纤维染色适用的染料也都有新的要求,为此近年来国内外染料生产公司通过筛选和研发,有各种系列专用染料供应。特点之二是为了适应“多”组成,使多种组分都能染上颜色,而且不同组分间的同色性要好。因此,近年来开发了多种染料分浴或同浴染色的染料和工艺,例如分散/活性染料染色、分散/酸性染料染色、活性/酸性染料染色,以及分散/阳离子染料染色等,以适用于涤纶与纤维素纤维、锦纶和腈纶;纤维素纤维与锦纶、羊毛和蚕丝,以及它们与氨纶的多组分纤维纺织品染色,染色工艺有两浴法、一浴两步法和一浴法等。
0 k6 d- w- D$ [3 a/ T5 Y为了简化工艺节水节能,各大公司和一些研究单位还在研究用单种染料染多种组分的染料和染色工艺,这包括用单种分散染料染涤纶和羊毛,锦纶及蚕丝;用单种活性染料染纤维素纤维和羊毛、蚕丝和锦纶,也包括含多种组分的蚕蛹蛋白纤维、大豆白纤维等。近年来还在开发分散-活性、分散-阳离子-活性染料,以便适用于染多种组分。我们研究证明,在专用助剂存在时,分散染料可以充分上染羊毛、蚕丝、锦纶和氨纶[4,5],因而可以一浴染多种纤维的纺织品。
# A$ J- \/ A+ Q/ C2 |7 m4 x无论是用两种染料同浴染色,或是一种染料染多种组分,为了使染料对多种组分均衡上染,提高同色性和包牢度,需要制定新的染色工艺,特别是控制升温程序和调节染浴中的PH值,目前已有许多控制PH值的助剂供应,大多数是利用升温过程使PH值从碱性滑向中性和酸性,也有反向滑动的,这对PH值敏感的纤维和染料染色非常有效,不仅减少纤维和染料的损伤,还可以提高上染率、同色性、匀染性和色牢度。我们利用此原理,使活性染料与酸性染料可以同浴染棉/锦织物,并利用其水解染料具有酸性染料的性能,在酸性介质可上染锦纶,充分利用染料,并减少了污水中的水解染料[6]。 ) S/ }9 x0 h6 ^' k% q
1.2新染料、助剂和设备 9 P* _3 {2 b B1 P) T
为了适应染色需要,近年来新染料和助剂不断涌现[7],新染料和助剂的开发主要为了适应以下一些要求:
, |: v. q0 u$ @2 R# B$ x(1)替代禁用染料和助剂,开发环境友好的染料和助剂;
9 M p" u1 j0 K! V3 Y(2)适应新纤维和多组分纺织品染色的需要; " a# `4 e) q) f7 i9 ^
(3)适应新工艺、新设备加工的需要; 8 h. ]) ]% ~* x$ f
(4)适应高效、节水、节能加工的需要。
- j L' h. [6 D9 ?( [虽然各类染料和助剂都有了明显的发展,但发展最快和最重要的仍是活性和分散染料及相关助剂[7-8]。 " k! K7 _2 _# T* I$ u
活性染料的开发包括新的发色体、活性基及其在分子中的组合、连接基和不同染料的拼混,此外,商品染料的后加工也有了很大提高,新的活性染料性能主要表现在:
7 b! a* {- l% d(1)高发色强度、高直接性和固色性; $ M' {! Z) t" f/ j% [8 U
(2)高牢度,包括耐晒、摩擦、汗光、耐氯和皂洗牢度等;
# B9 y8 U+ v, k$ k! ^0 i' J(3)低盐、低碱或中性染色和固色; 0 u1 p0 q( S) y) w5 m
(4)环境友好,不含有害的芳胺,重金属和甲醛等物质; 6 ?4 k# n/ Q8 T" B$ G
(5)匀染性、重现性和配伍性好。 " v9 l: T* U7 S# ?+ q
除此之外,为了适应染色或印花新工艺的推广,还开发了许多专用活性染料,例如喷墨印花,小浴比,一浴法染色用的活性染料。
3 {7 t f# |$ A2 h) E7 m0 G必须强调的是,在这些改进中,开发多活性基,包括相同和相异的多活性基染料最为突出,不仅已有一大批双活性基染料问世,还开发了三或四活性基染料,这样可以大大提高活性染料的固色率和湿牢度。通常活性染料的母体结构是酸性染料,直接性不高,为了提高直接性,使活性染料分子线形结构特牲增强,少数芳环共平面性也很强,这些染料有较高的直接性。 " p; ^2 n$ }3 v0 E6 B' j
除了纤维素纤维用活性染料外,还开发了不少毛用活性染料。
8 p5 B1 t8 R3 k/ s前面已经指出,一些新纤维和多组分纤维,例如蚕蛹蛋白纤维和竹纤维非常适合用活性染料染色,我国技术人员对此作了筛选,使活性染料对这些纤维有很好的效果。
0 ~, C) k7 Y( B8 z1 ? @分散染料也是近年来发展的重点之一,也出现了不少新品种,它们有的具有新的特别是一些新杂环结构发色体,有的在剂型上有了改进,使分散染料具有高上染率,深染性或提升性和高牢度,包括水洗、摩擦、耐热迁移和沾色牢度。
; ?8 |" `0 x" V7 j5 p q同理,新开发的分散染料是环保型的,不含有害芳胺、重金属等物质。为了适应碱性染色或与活性染料一浴染色,开发了一批耐碱性强的分散染料。
9 Q: N/ L: C+ ]- x3 M$ G. V为了适应超细涤伦、PLA、PTT和PDT新纤维染色开发了一系列新的分散染料。适合超细涤纶染色的分散染料显色性和提升性要好,匀染性、色牢度和重现性也好,各公司都有系列染料供应,适合PLA纤维染色的分散染料应具有染色温度低、上染率和提升性好,此外,还特别要求耐光和湿牢度好。适合PTT和PDT纤维染色的染料。为了适应超临界CO2流体染色,含氨纶纺织品染色和喷墨印花,也开发了或正在开发专用分散染料。 . m, l! Z5 q- j4 ^8 M, {( P
除了开发新的活性和分散染料外,为适应多组分纤维纺织品或新工艺染色,正在开发可染多种纤维的复合性染料,例如,分散-活性染料,分散-阳离子-活性染料等,不过它们目前还未能大量工业化生产和应用。
' }2 m& O: B8 A$ ^# l/ [( l5 x新的染色设备主要表现在缩短染色时间,减小浴比,例如降到3:1,甚至更低,降低化学品、水、能量消耗,提高自动化程度以求减少劳动力,甚至达到全自动控制,应用最多的喷射染色机采用气流喷射后,不仅减少了水耗,还可以大大提高能量转换、降低织物在湍流液体中的摩擦力,新设备还可在加料、升温、控时和在线监测等方面高度自动控制,使从小样到大样生产的误并得到控制,做到“一次正确”染色和“受控”染色[9]。 3 a ?) j+ x% V5 ]+ y! r! c7 U
1.3染色新技术
$ Z p0 ]' m, h( t2 ^8 K6 R近年来随着纤维、染料和助剂化学品的发展,也随着设备和计算机的发展和应用,染色技术也有了很大进步,特别表现在加工坚牢、环保的产品,提高加工效率,降低能耗,节约染化料,改善生态环境的一些新工艺。 1 i5 _+ W+ D% x+ h' e) [5 j/ a: E$ G
染色用的染料以活性和分散染料最重要,因此,许多染色新工艺也是属这两类染料。此外,其它染料,包括还原,硫化染料的染色新工艺也有出现。 2 M' z& g* D$ ^
1.3.1活性染料染色
% p D, t4 t% z7 R活性染料不仅用于染纤维素纤维纺织品,也开发用于蛋白质纤维和一些合成纤维,例如锦纶,还用于多组分纤维及其纺织品,例如蚕蛹蛋白和大豆蛋白纤维和各种混纺、交织物。
; A* Q% t5 w, f! N k6 y2 P1.3.1.1受控染色
$ Y9 y6 T1 }7 ^4 G0 I近年来一些染料生产公司,生产了许多配伍性能良好的活性染料,并应用染色特征值表示各染料的染色性能,供应用厂家选用,最重要的染色特征值有S、E、M1或LDF、T50或R和F值,它们分别表示活性染料浸染时第一次、第二次的上染率,移染或匀染性、固色速率和最后固色率,这些特征值反映了染料的直接性、移染性、固色速率和固色准备就绪等性能。当然,这些特征值是在一定染色条件下得到的,染色条件和工艺变化,它们会变化,但用推荐的染色工艺染棉纤维,这些特征值相近时,各染料有良好的配伍性或配伍因子RCM(Reactive dye Compatibility Matrix )。 7 A- h2 _( _3 F" [: U, x
各染料公司生产的染料,染色特征值相同或相近时,有很好的染色效果,这些染料包括ProcionH-EXL、 Procion XL Remazol RR、 IntracronCDX和Sumifix HF等。
2 q4 G' h! Y) ]! K$ ]0 ]应用上述染料,结合应用电脑技术,建立严格的染色监测系统和质量控制和修正系统后,就可以进行受控染色,大大提高染色一次成功率(RFT),降低成本,提高效率,减少污水,节约染化料和能源[8]。 * ^2 J3 \; ^1 G0 Q5 I2 Z) u
1.3.1.2湿短蒸染色 ) W; w4 R# f# `
活性染料轧染工艺有多种,最常见的是轧-烘-蒸工艺,此工艺常需用尿素,带来不少环保问题。此外,染料泳移,染料固色率低和耗能高也影响它的应用。根据此工艺染料上染、固着与织物的湿度及含水率存在紧密关系,特别是织物经过浸轧,烘干后,进入蒸箱时,升温快,并会发生过热(即超过蒸汽温度)的现象,大大降低了染料的上染速度,降低了固色率,透染和匀染性也不高,为此近年来开发了多种加热载体的湿短蒸工艺。 5 a! \ p3 o6 y; V4 C1 m5 Y; n3 G
通常干织物进入蒸箱,即使是饱和蒸汽蒸箱,也会出现以下四个过程,即预热升温-过热-降温-与蒸汽温度平衡。第一阶段预热升温是通过和蒸汽发生汽热交换,当达到蒸汽温度(100℃)后,不仅由于水分子与纤维素分子发生化学吸附(氢键)放热,迅速使织物过热,这样减少了纤维溶胀和染料的溶解,并加快了染料的水解,对活性染料上染和固色极为不利。湿布进入蒸箱不仅可以延缓升温速度,使纤维保持较多的水分,并可防止发生过热现象,有利于染料上染和固色,只要织物含温率控制适应还可减少染料水解。当然,织物带水量过多,不但升温太慢,水解速度反而会加快,对棉织物来说,含水率25-30%较合适。
, `$ @/ o: K2 t5 a3 z1 w( N近年来开发的湿短蒸工艺,虽然设备不同,但都是湿蒸,特别是通过电脑进行严格精确的控制,使温度和染料的上染和固着速度相适应,可以达到最佳的上染和固色,例如Monforts和BASF联合开发的Econtrol的轧染湿蒸联合机,不仅可适用于机织物,也可适用于针织物的湿短蒸染色加工。国产也有类似的设备,并对染色工艺进行了研究。 2 M+ S2 A. T0 x# q: i. V
应用这种工艺的最大特点是流程短,固色率高,节能和化学品,可以不用尿素,减少了污染,匀染和透染性也好,由于这种工艺需精确调节温度和湿度,这两个参数又是相关的,并直接影响染料的上染(扩散)和固色速度,因此对设备要求高,对不同的染料(反应性和扩散速度)、纤维(吸湿性、微结构)和染色深度(染料浓度和提升性),染色条件应不同。虽然可以不用尿素,但并不是说,助剂对它不起作用,适当的助剂可以提高固色率,或降低固色温度,减少碱剂用量,我们研发的中性固色剂NF原来是为了分散/活性染料中性一浴固色用的,配套助剂是双氰胺,固色温度为200-210℃。一些单位将它应用于湿短蒸染色,由于湿短蒸工艺固色温度相对较低,织物含湿率较高(25-30%), 应用这只助剂虽然有一定的效果,但不是非常理想。应该研发对应的染色助剂,对不同类别的活性染料和织物,染色工艺也应不同,这些都有待今后继续研究。 ' k& J- x; Q8 D$ @$ F. A7 u
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