羊毛染色技术的研究

羊毛染色技术的研究摘要：羊毛染色存在温度高、耗能大、环境污染等缺点。文章主要从生态角度介绍了一些染色技术——低温等离子体、助剂增溶、超声波、超临界二氧化碳流体、紫外线辐射、电化学、微胶囊、微波技术等在羊毛染色技术中的作用机理及应用。可改善羊毛纤维或染色体系的染色性能，提高羊毛的加工质量，减少染色污水的排放，实现无水或非水染色，节约能源，有利于环保。关键词：羊毛染色技术助溶生态羊毛是一种优良的天然蛋白质纤维,以其丰满的手感,优良的吸湿性、弹性、透气性、保暖性、舒适性以及独特的成衣效果而深受人们的喜爱。羊毛表面被有定向摩擦效应的鳞片层覆盖,呈疏水性质,染液不易润湿,阻碍了染料的吸附和扩散,难以上染。特别是一些亲和力不高的染料,残液中染料浓度含量高,污水处理较难。羊毛染色一般采用较高温度,染色时间较长,能耗高,纤维损伤大,尤其在羊毛等电点之外染色时,羊毛纤维损伤更大,手感粗糙,色泽泛黄。此外，羊毛纤维疏水性外表皮层和致密的鳞片层的存在以及羊毛本身的差异性,极易造成羊毛的染色不匀及毛尖毛根的色差问题。目前较常用的羊毛低温染色方法有甲酸法、尿素法、溶剂助剂法、低温染色助剂法、生物酶处理法、前处理法等,虽有一定成效,但均有成本高、污染严重等弊端。随着各个学科之间相互交叉、相互渗透的日益广泛,一些高新技术作为一种辅助工具,用于羊毛纤维染色可以改善纤维或染色体系的染色性能,提高羊毛的加工质量;减少染整污水的排放,实现无水或非水染色。现阶段可用于羊毛染色的染整技术主要有低温等离子体、超声波、助剂增溶、超临界CO2流体、紫外线辐射、电化学、微胶囊、微波、微悬浮体染色等。1.低温等离子体技术低温等离子体处理技术以其清洁、快速和对羊毛损伤少而倍受关注。等离子体处理只作用于羊毛纤维表面极浅的一层(30~50nm),从而使纤维原有的优点几乎不变。低温等离子体处理羊毛，可改变羊毛表面的化学组分．在羊毛表面形成刻蚀效应，增加极性基团；使纺织品表面粗糙化，减少对光的表面反射，提高染色织物的表观深度和染色浓度；织物比表面积的增加，比表面积的增加有利于染料在纤维中的扩散，增加对染料的吸收；同时羊毛表面形成的刻蚀效应，破坏了鳞片层胱氨酸中二硫键，使其断裂形成磺基丙氨酸或氧化后形成硫代磺酸盐，提高了羊毛纤维表面的亲水性和极性，改善了润湿性，提高染料对纤维的亲和力；由于破坏鳞片层胱氨酸中二硫键．致使羊毛染色壁障被破坏，使染料分子容易进入纤维内部。染色时渗透性增强，容易吸附染料，因此初染温度降低，染色速率提高。另外，等离子体的物理破坏作用(表面刻蚀)使鳞片变软，染色时纤维容易润湿和溶胀，染料分子容易吸附在纤维表面，并扩散进人纤维内部．使上染速率明显提高，平衡上染时间大大缩短，同样对处理样颜色光泽起到增深作用。因此，低温等离子体处理可改善羊毛的染色性能，其表现为初始上染速率提高，固色率增加，但平衡上染率变化不大。因此，低温等离子体处理后，羊毛即使在70℃染色，也能有较快的上染速率，平衡上染时间大大缩短．平衡上染率比未经等离子体处理的羊毛略高，固色率大幅度提高，颜色更加鲜艳。2.超声波技术由于人们早就认识到了超声波对液体、分散体、聚合体都有影响,使得超声波技术在染整方面的应用研究更引起了人们的极大关注。目前,国外学者已经对超声波技术在纺织品湿加工过程中的应用作了大量的研究,但从应用效果和经济的角度考虑,超声波应用于染色最为有利。它可以降低染色温度、增加染色深度、缩短染色时间、节约染料、减少污染。尤其是对疏水性纤维在水溶液中染色的作用十分显著。但对亲水性纤维染色,尤其是对酸性染料染羊毛的应用需要进行更深的探索。超声波作用于纤维时,在纤维无定形区的空隙产生应力、应变能的集中,引起裂纹的扩展形成新表面,即无定形区的空隙加大。同时,由于超声波的作用,产生纤维表面的微观滑移而形成疲劳源,在纤维的表面刻蚀出微孔,使羊毛鳞片变钝,尖部受损,鳞片层之间开裂,削弱分子间作用力及分子内的氢键作用,膨润性增加,纤维中有足够大的空隙使染料分子更容易扩散进入内部,使染料平衡上染百分率提高,上染速率加快,提高了羊毛的可染性。超声波产生空化效应对染浴影响的主要原因是：（1）增加染料分子的动能,有利于染料分子克服扩散能进入纤维的内部,从而提高上染百分率,加快上染速率;（2）使染料的扩散边界层变薄破裂,增加染料与纤维表面的接触,有利于纤维内外染液的循环,提高染料的扩散速率;（3）能将纤维毛细管中或织物经纬纱交叉点溶解或滞留的空气分子排除掉,从而有利于染料与纤维间的接触,有利于染色的进行;（4）使染浴中的胶束和分子的缔合体粉碎,形成均匀的分散体。采用超声波进行染色,有利于提高染料的分散性,及染料聚集体和分子缔合体的解聚,提高染料的溶解度,降低解聚能,增加染料单分子分散状态的染料数目。超声波的热效应使染浴温度升高,增大了染料分子的活化能,有利于染料的扩散。3.助剂增溶染色技术羊毛助剂低温染色机理主要为：（1）第一类是利用助剂的溶胀作用，使羊毛在较低的温度区间就发生膨胀，以利于染料及酸剂的进入，将上染区间前移。这类助剂的溶胀作用，实际上属于对羊毛的润湿渗透作用，是界面作用。用量较多，在羊毛染色工艺及纤维强力方面，对纤维影响不大；（2）第二类助剂的基本原理是利用助剂分子与羊毛纤维有特殊的亲和力，在显微外表面形成一层薄膜包覆纤维，同时这层薄膜对染料也有很好的亲和力。通过这层薄膜对两者的亲和作用使纤维和染料在低温时就均匀吸附，有利于在温度升高时，帮助染料迅速转移到纤维内部完成上染。优点：由于这类助剂帮助染料克服了上染时的势能，因而从染料在纤维与溶液间分布的角度考察，是使上染区间前移了。只是上染初期属于环染，随着温度的升高，染料逐渐转移至纤维内部，由环染变成透染。缺点：第二类助剂的包覆作用，就助剂的分子结构而言有相当的难度，也符合表面活性剂的特点，但在应用方面控制用量要求严格，过少不能成膜，过多膜层厚影响染料向纤维转移；（3）第三类是有机还原剂类助剂主要是领先打开羊毛纤维的二硫键及部分肽键，增加大量的染座。由于羊毛表面鳞片层相对含硫较多，因此这类助剂主要作用于羊毛表面鳞片，因为大大增加了纤维与染料的亲和性，使上染区间前移完成低温上染。缺点：助剂则实际上是化学作用，对纤维有一定的破坏，易使纤维脆损。从保护羊毛特性的角度考虑，在染色方面应避免化学作用；（4）第四类是对鳞片有乳化表层脂类作用的表面活性剂。综上所述，第一类和第四类助剂为首选。这类助剂分子易与染料分子发生氢键结合，易使染料解聚成单分子，有利于染料的扩散；而同时助剂分子中的疏水键与羊毛亲和，由于表面活性剂的特点使羊毛的亲水性增加，利用水的增塑作用加速了羊毛的膨化，为染料分子的进入提供了通道和空间，故有助于上染区间前移而又不损伤羊毛纤维。采用助剂增溶染色,不必用有机溶剂做染色介质,或通过复杂的化学反应使分散染料变成暂溶性染料,只需用少量的增溶助剂就可实现分散染料染色羊毛纤维,染色工艺简单,成本低廉,但助剂增溶染色机理目前研究的还不够,处于探索阶段。4.超临界二氧化碳技术在超临界条件下,CO2具有非常独特的理化性质:扩散系数高,传质速率快;粘度低,混合性能好;密度高(相对于气体),介电系数低,能与有机物完全互溶;对无机物溶解度低,有利于固体分离,而且理化性质容易通过温度和压力的变化来实现连续变化。超临界CO2流体染色优点有:（1）染色时不用水,无废水污染;（2）染色结束后可降低压力,此时CO2气化不需要进行染后烘干,既可缩短工艺流程,又可缩短染色时间、节省烘干能源;（3）上染速度快,匀染性和透染性好,染色重现性很好;（4）CO2本身无毒,不燃,可重复利用;（5）染料可重复利用,染色时不需要添加分散剂、匀染剂、缓冲剂等助剂,不仅可降低成本,提高染料的利用率,还有利于环境保护,减少污染。羊毛纤维在CO2中染色存在的问题是CO2不能断开足够量的氢键,因而阻止染料向含有高度氢键交联的纤维内部扩散,分散染料与极性纤维相互作用甚微,致使牢度性能差,而那些用于普通水系染色的活性、直接和酸性染料在超临界CO2中几乎不溶解。有人提出用等离子法对羊毛织物进行改性处理,然后再用超临界二氧化碳进行染色的方法,可实现无水环保染色,同时使得羊毛织物的上染率和固色率均有明显改善。等离子改性处理后可以使羊毛纤维表面刻蚀形成一些微小的“孔洞”,增加二氧化碳进入纤维的通道,易于纤维的溶胀和染料的扩散,提高染色亲和力,利于超临界CO2染色。5.紫外线辐射技术（6）紫外线辐射处理可改变羊毛袁面的化学结构，改善羊毛的染色性能。短时间的紫外线处理(60min)带来的化学改变仅局限于羊毛纤维的表面，纤维整体性能不受影响。羊毛紫外线处理后的变化可归结为羊毛鳞片表层胱氨酸的二硫键被氧化和破坏．使影响染料分子从染浴向纤维内扩散的染色壁障被去除。（7）因此此紫外线辐射处理改变了羊毛的染色性能，纤维染色扩散系数提高，在较低的上染温度即有较高上染速率和色深值。研究表明，紫外线辐射处理是一种有效的羊毛表面变性技术，加工效率可通过加入光敏剂促进辐射能量的吸收和反应的进行来提高。紫外线辐射技术无污染、易控制，在日益重视环境保护的今天将有着光明的应用前景。6.电化学技术电化学染色就是将染液置于电场环境下，利用电解液的离子定向移动和电极反应，以电能代替或部分代替热能，在低于常规染色温度下进行的染色过程，以期达到降低能耗和提高上染百分率、加快上染速率、节省时间的目的，同时有利于减小环境污染，改善工人的劳动保护条件⋯。羊毛染色用酸性、活性染料分子在水中均能离子化，染液置于电场后将羊毛织物置于一侧电极。染料离子向电荷剌反的电极移动，当染色达到平衡时，与常规染色相比，染料在液相中的纯化学位即染料在染液中的活度必然降低，而染料在纤维中的纯化学位即染料在纤维中的活度必然提高，导致上染百分率提高。电化学染色可以实现羊毛的低温短时间染色，减少了羊毛沸染产生的损伤，可以采用较少的染料获得所要求的色泽，还可以减少染色残液中染料的排放量。7.微胶囊技术采用微胶囊化技术染羊毛纤维，可以实现染色的均匀性，降低绵绒性，避免染料在织物上形成色斑；微胶囊的隔离缓释作用可以降低重金属铬离子对环境的污染。微胶囊染色技术的基本原理是利用微胶囊的隔离和缓释作用。在染液中水分子易进人染料微胶囊，并溶解其中的一小部分染料，形成染料溶液。较高的染料溶液化学位促使微胶囊内溶液中的染料分子向外扩散，染料分子在羊毛纤维表面吸附，并向纤维内部扩散，水中的单个分子染料继续向纤维表面吸附。由于吸附破坏丁水中染料的溶解平衡，此时胶囊内的染料继续向外扩散，补充胶囊外水中的染料分子。溶解→向外扩散→向纤维表面吸附→向纤维内部扩散过程的不断进行，纤维上染的染料不断增多，纤维的颜色越来越深。由于整个染色体系中建立动态的平衡，纤维表面吸附的染料始终保持单分子层的微小吸附量．不但保证了染色的均匀性，同时染色结束后纤维上的浮色量保持最低。微胶囊具有隔离功能，可防JL染料颗粒或染料浓溶液与织物直接接触，不造成沾染，形成斑渍，有很好的沾色牢度。微胶囊染料染色无需专们没备，染色完毕废液中只含有直径数微米犬的微胶囊，采用沉淀或过滤办法即可与染液分离。尤其对于中性染料，可降低重金属对水质的污染，微胶囊染料的研制成功为印染行业以，殷染料工业清洁生产创造了条件。8.微波由于微波对物体的穿透性比较好，并且微波振动与极性材料分子的偶极振动以及水分子的转动频率类似，很容易被极性材料分子尤其是水分子吸收。羊毛染色加工所用的各种整理剂及染料都是极性的分子，在交变的微波电场存在的条件下，产生热效应，有利于染料的上染，可降低能源的消耗。在微波辐射下，水分子的介电损耗极大，此纤维织物更能强烈地吸收微波的能量，在微波的染整加工过程中，存在于织物及溶液中的水分子吸收了微波的能量，使水分子运动加剧，从而大大地促进染料分子及整理剂分子在织物内部的扩散，有效地推动了染料分子及整理剂分子与纤维分子的结合，极大地增大染料及整理剂分子的扩散系数。由于微波的加热，染料的分子向纤维内急速扩散，促使染料分子与纤维间发生物理化学反应，因此上染百分