（纺织化学与染整工程专业论文）竹纤维染色性能与理论研究[纺织化学与染整工程专业优秀论文].pdf

摘要 本文对一种新型再生纤维素纤维一竹纤维的染色性能进行了研究， 并与粘胶纤维和棉纤维进行对比，旨在对竹纤维的染色性能做出评价。 根据马歇尔( m a r s h a l l ) 和威克斯达夫( v i c k s t a f f ) 的纤维素纤维染 色理论，演绎、推导出了一个非常适用的纤维素纤维染色热力学数学模 型，该模型成为本论文染色热力学研究的基础，在应用过程中取得了非 常满意的结果。 采用具有较好线性和平面对称结构的直接菊黄g 作为实验用染料， 对竹纤维进行了染色热力学和动力学实验；通过测定竹纤维的有效吸附 容积v 、染色热力学( 亲和力一鲰o 、染色热h o 、染色熵丛o ) 以及动力 学( 扩散系数d 、半染时间t i ，2 、染色速率常数k ) 数据。来分析说明竹 纤维的染色性能；并从纤维的物理性能和超分子结构来分析了竹纤维的 染色性能与粘胶纤维和棉纤维存在差异的原因。 本文对竹纤维染色性能及理论方面的研究结果，对竹纤维纺织品的 研究开发具有重要的指导意义。 【关键词1 竹纤维；染色性能；染色动力学：染色热力学 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，as e r i e so fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n eo nd y e i n g c a p a c i t yo fb a m b o of i b e r ；an e wt y p eo fr e g e n e r a t e dc e l l u l o s ef i b e r ，w h i c h w a se v a l u a t e di nt h i sr e s e a r c hb yc o n t r a s tw i t hv i s c o s ef i b e ra n dc o t t o n ，f i b e r o nt h eb a s i so fm a r s h a l la n dv i c k s t a f f sr e s e a r c h e so nt h e o r i e so f c e l l u l o s ef i b e rd y e i n g ，w eh a v ed e d u c e da p r e t t yh e l p f u lm a t h e m a t i c f o r m u l a ，am o d e lf o rt h e r m o d y n a m i c so fd y e i n go fc e l l u l o s ef i b e r ，w h i c hi s a p p l i e da st h ef o u n d a t i o n a lf o r m u l ao fc e l l u l o s ef i b e r st h e r m o d y n a m i c so f d y e i n gi nt h i sp a p e r e m p l o y i n gc h r y s o p h e n i n eg ( c i d i r e c ty e l l o w12 ) ，w h i c hp o s s e s s e s as y m m e t r i c a ll i n e a ra n dp l a n ec o n f i g u r a t i o n ，t oc o l o rb a m b o of i b e r ，w e h a v ec a r r i e do u te x p e r i m e n t so nt h e r m o d y n a m i c sa n dk i n e t i c so fd y e i n g d y e i n gc a p a c i t yo fb a m b o of i b e ri ss h o w nb yt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t a t i o n s u c ha se f f e c t i v ea d s o r p t i o nv o l u m e ，a f f i n i t yo fd y e i n g ，h e a to fd y e i n g ， e n t r o p yo fd y e i n g ，d i f f u s i o nc o e f f i c i e n t ，h a l f - d y e i n gt i m e ，c o n s t a n to f d y e i n gr a t ea n ds oo n a n dt h i sp a p e rh a sm a d ec l e a rw h yt h e r ea r es u c h d i f f e r e n c e sb e t w e e nb a m b o of i b e ra n dt h eo t h e rt w ok i n d so fc e l l u l o s e f i b e r so nd y e i n gc a p a c i t y k e yw o r d s lb a m b o of i b e r ；d y e i n gc a p a c i t y ；t h e r m o d y n a m i c so f d y e i n g ；k i n e t i c so fd y e i n g 2 一前言 1 前言 1 1 纺织纤维的发展历史、现状及趋势川乜1 随着生产力的发展和人类物质文化生活水平的不断提高，人们对自 身生活质量的要求也不断提高，这反映在人们生活的各个方面，其中包 括人们的衣着、家用装饰等。纺织品不仅是重要的生活必需品，也是重 、要的工业用品和装饰用品。纺织材料的发展是整个纺织业发展的基础， 而对纺织品进行染整加工以提高其服用性及审美性则是研究者、生产者 和消费者共同追求的目标。各种纤维材料的不同的性质和特点决定了必 须对不同的纤维采取不同的染整加工手段。为了将各种不同类别、不同 性能的纺织纤维制成适于各种用途的优质成品；为了用有限的原料加工 生产成更多更好的纺织品；为了开辟新的适于纺织工业适用豹原料来源 从而增产各种纺织品以满足人民和国家的各方面需要。纺织新材料的开 发极其性能研究是人们长期致力于研究的一个重要研究领域。 从历史记载来看，在十八世纪初，人们还是以丝、麻为衣着的主要 来源。经过一百年后，棉花逐渐登上历史舞台。由于棉花适宜于集中种 植，单位产量高，服用性能好，再加上棉纺织加工技术的发展，特别是 十八世纪中叶开始，以蒸汽机为动力，以棉纺织工业为带头产业，两者 的结合，率先在英国构成爆发世界第一次产业革命的原动力，从此使棉 花生产登上了世界纺织纤维的主导地位。直到本世纪五十年代，棉花及 棉纺织工业一直处在世界纺织工业的中心地位1 3 1 。蚕丝、羊毛虽然历史 也很悠久，但是由于养殖条件和地域环境上的种种限制，产量一直处于 微弱地位，只能当作一种珍贵纺织原料而存在因此从世界第一次产业 革命到上世纪中叶，以天然纤维素纤维为基础的纺织工业先后统治着世 界纺织工业达二百年之久。在此期删，纺织工业基本上是带有对天然纤 维进行纺织加工的“农业型加工业”的属性。 棉、麻、丝、毛作为传统意义上的四大天然纤维，在服装应用史上 一前苦 已有几千年的历史了，但自1 9 世纪末起，化学纤维开始生产并迅速发展， 2 0 世纪中叶以来，合成纤维产量迅速增长，致使天然纤维在纺织纤维中 的比重有所下降。 长久以来，人们都梦想以人工制造纤维来摆脱受自然界的摆布。但 是此项研究工作从十九世纪术开始，前后经历半个多世纪，直至二次大 、战结束以后，以粘胶纤维为主体的纤维素纤维和以“锦纶、涤纶、腈纶” 为“三大支柱”的合成纤维丌始进入工业化大生产。化学纤维的诞生和 发展是世界纺织工业史上的一次伟大革命，它改变了纺织工业的整个面 貌。在短短三十多年的时间里，它从数量上把纺织工业几千年来依附于 农业的一元型属性推进到以“农业和工业加工型”为特征的二元型结构 体系上来【4 】；另一方面，它从使用性能上可以依靠人们的智慧和力量创 造出具备前所未有的特殊功能纤维，使之成为工业、农业、交通运输、 医学卫生和许多高科技领域中的基本原材料，把纺织工业由原来的单纯 加工业发展成为“原材料工业+ 加工工业”的复合型产业。 化学纤维进入我们的生活虽然只有短短的几十年。但已经给我们的 生活带来了非常大的变化。世界各国的化学纤维都经历了从无到有，从 低速发展到高速增长的阶段。中国是个大市场，随着我国化纤自给能力 的迅速增强，全球化纤工业产量的不断增加，全球化纤工业遭受产业过 剩所带来的激烈竞争，最终导致收益下降，负荷降低。中国加入w t o 以 后，产能不断增加，未来全球化纤企业自j 的竞争将更加残酷、激烈。 大力发展化学纤维是我国基本国策，近2 0 年来得到很大发展，1 9 8 0 年化纤产量仅4 5 力吨，1 9 9 0 年达到1 6 5 万吨，十年翻了两番：1 9 9 7 年 3 8 8 万吨，超过美国当年年产3 6 5 万吨。跃居世界第一( 表1 1 ) 。 一前言 表1 1 我国化学纤维产量5 ( t j 吨) t a b l e1 1y i e l do fc h e m i e a lf i b e ro fc h i n a 进入2 0 世纪以来，世界纤维的结构发生了根本性的变化，如图i 1 1 6 1 所示。从这一结构图中我们可以了解到：化学纤维从2 0 世纪2 0 年代开 始慢慢发展起来，几十年的肘脚里，就发展到了目兹与天然纤维以接近 平分秋色的地位，甚至有超越天然纤维的趋势。 图1 12 0 世纪纺织纤维结构图 f i g u r e l 1s t r u c t u r eo ft e x t i l ef i b e ri n2 0 t hc e n t u r y 在化学纤维刚刚起步时期，其中有近9 6 的是粘胶纤维，合成纤维 不足1 。但自6 0 年代起，世界石油化工技术迅速发展为合成纤维工 业提供了廉价的原料。合纤产品的问世，以其大规模工业生产，成本低， 一前言 利润高，各类衣料用和产业用纺织品既美观又耐用，应用范围同益扩大， 无情地冲击了粘胶纤维产品在市场上已有的席位。纵观世界纤维发展历 程，世界纤维生产量和消费量是只益增加( 表1 2 ) 。 表1 2 世界纤维产量5 ( 单位：万吨) t a b l e1 2f i b e ry i e l do ft h eg l o b e 在世界纤维生产量大幅度增长的同时，也正是世界人口飞速增长的 时期。人口爆炸的压力越来越加重农业的负担，这使得天然纤维闩渐短 缺。而粘胶纤维由于生产工艺长，生产过程容易形成对环境的污染，其 发展在定程度上受到了的限制。因而，在2 0 世纪后几十年里，纤维量 的增加主要是合成纤维的增加，天然纤维与粘胶的增长很微小。 据专业人士估计f 7 l 【8 1 ，在本世纪初世界纤维生产量和需求量仍呈r 益增长的趋势，且仍主要是化学纤维的增加，并且差别化纤维比重要上 升。这是综合了原料来源、纤维应用性能和前景等方面原因而作的结论， 无疑是正确的。 但是随着科学技术的快速发展，物质生活的极大丰富，伴随而来的 是现代人快节奏的生活方式和不断增加的工作压力，人们在追求物质财 一前商 富的同时，越来越关注自身的健康和生存环境丌始渴望回归自然。对 服装的要求将不再只是遮身防寒等基本的生活要求，则更加注重舒适和 休闲，而绿色纺织纤维1 9 川。儿1 的特性则j 下好满足了人们的这种潜在需 求。从近几年纯棉、麻、丝、毛制品的流行到国际组织及国家大力倡导 绿色生态纺织品更是充分体现了这一发展趋势，也体现了绿色纤维制品 庞火的市场需求。因而，绿色纤维将来在纤维中的比例将会上升。虽然 合成纤维现在仍是世界纤维增长的主流，但原料取于煤、石油等资源的 这些纤维的发展将因这些资源的r 益匮乏而受到限制。因此，天然纤维 和性能优良的再生纤维将再次被人类重视起来，其原因也是多方面的。 这可以从以下几个方面来分析【1 2 1 13 】【1 4 l ： ( 1 ) 消费者对回归大自然的要求：随着人们生活水平的提高，环保意 识的增强，人们对衣着的要求不仅仅是遮身防寒，舒适成了穿着的第 需求。天然纤维穿着舒适尽人皆知，虽然合成纤维在仿真、超真等方面 花了不少功夫，但“形似神非”的问题仍然存在。 ( 2 ) 从资源可持续发展方面考虑：合成纤维在性能上己多元化、功能 化，其制品的舒适性也可与天然纤维媲美，但合成纤维的原材料的产量 却受到能源的限制。因此，我们不能不考虑世界能源的合理应用问题， 不能把纤维原料集中在石油工业，而合成纤维在今后应主要应用于产业 纺织品，以发挥它的优越性。天然纤维则不同，土地可以翻耕，动物可 以繁衍，无论植物纤维还是动物纤维，它都可以年复年的生长，符合 呵持续发展的要求。伴随而来的，再生纤维也会随之增长。 ( 3 ) 生物工程技术的进步为天然纤维高产提供了条件：在棉、毛、丝 及野生纤维上，通过遗传基因的改变、转移，不仅可以获得高产，而且 可以得到性能优良的纤维，可以在有限的土地资源中扩张天然纤维的产 量。现在天然彩棉、天然彩色羊毛就是利用此项技术的结果 i s 】。 在这样个纺织产品发展的大趋势下，各种新型、舒适性的纤维材 一前哥 料不断被人类开发成功。t e n e e ! 纤维【1 们、大豆蛋白纤维 17 1 、甲壳素功能 纤维 1s j t l 9 l 、牛奶纤维丝1 2 0 1 、聚乳酸纤维p l a 2 1 1 等各种新型纤维越来越 受到科研人员的重视。 在人们到处寻找新的纺织材料的过程中，竹材进入了纺织业内人士 的视线中。以竹材为原料，将其浆粕溶解纺丝生成竹纤维成为人类的又 。一项创新。竹纤维一经推出，有关它的报道就接踵而来。专家们把竹纤 维描述为新一代的环保绿色纤维。它具有天然的抗茵除臭、抗紫外线性 能，具有广泛的应用前景。 一一种新产品一经推出市场，有没有发展前景还要从多方面束考察： 一、其原材料是否丰富、获取方便；二、其生产工艺流程是否简短，成 本高低与否；三、作为服装材料，其染整加工性能如何以及其成品是否 能够满足消费者的服用及审美要求。对于竹纤维这种新面世的纺织材料， 这些都是有待考察和研究的课题。可以肯定，如果把竹纤维应用于纺织 业，必将能为纺织纤维的开发提供丰富原料，也将开创出“以竹代木” 的新局面缓解纺织原料严重不足的压力。有关竹纤维的报道已经很多， 关于竹纤维的结构、性能以及竹纤维产品的开发和利用的研究也相继展 刀：。竹纤维作为纺织原料剐刚被推出。对纤维本身的完善，后续产品的 丌发，消费市场的培育等方面均处于起步阶段，这一新纤维要实现产业 化发展还有很多工作要做，同时还需要一个较长的过程。 1 2 竹纤维及其性质2 2 1 2 3 2 4 3 1 2 1 何谓“竹纤维”? 竹纤维系再生植物纤维，是我国近期自行研发成功的以竹子为原料 的再生纤维素纤维，其生产制造过程全部实施绿色生产，属环保型的绿 色纤维。该纤维有明显不同于棉、术型纤维素纤维的独特风格，强力好， 耐磨性、吸湿性、悬垂性好，手感柔软，穿着凉爽舒适，染色性能优良， 光泽亮丽，且具有天然的抗菌功能，在纺织行业中具有广阔的应用前景。 一8 一 一前青 竹纤维是继大豆蛋自纤维之后又一种我国自主研发成功并投入生产的纺 织材料，在广交会上被称为“中国纤维”。出于纤维的特殊结构，天然横 截面的高度“中空”，又被称其为“呼吸的纤维”，将其用于纺织品服装 市场前景十分广阔。 竹纤维的定义现在有些异议，有人认为现在所推崇的竹材纤维虽然 原料来自竹子，但本质上仍是可再生的纤维素纤维，生产工艺也类似粘 胶纤维，称其为“竹纤维”是不合理的，应称为竹材粘胶纤维。像麻纤 维一样，将竹秆经脱胶而提取的纤维称为麻竹纤维或竹原纤维，这种纤 维才是真j 下意义上的竹纤维。 1 2 2 竹纤维原料 竹子作为一种速生丰产的植物，不仅栽种成活率高，而且2 3 年即 可形成一个成长周期，即使进行砍伐也不会对生态环境造成大的影响。 中国具有非常可观的竹类资源储量，面积多达4 2 0 万公顷，分布范围非 常广泛，种类多达4 0 0 余种，在世界上名列第一。但我国竹类资源的产 业化程度较低，如果对竹类资源进行丌发，既有利于森林资源的综合保 护，也为我国竹资源的合理利用寻找了一条理想途径。可喜的是我国化 纤业已成功歼发了竹纤维，并形成了工业化生产，生产工艺稳定成熟， 使我国竹纤维的丌发走在世界前列。 1 2 3 竹纤维的分类 以竹为原料的天然竹纤维，包括采用物理方法生产的原生竹纤维， 以及采用化学方法生产的竹浆纤维，又称再生竹纤维，本文的研究对象 为再生竹纤维，简称为竹纤维。 原生竹纤维是将生长1 2 1 8 个月的慈竹，经过去青、齿轮的反复轧 压后，采用脱胶工艺进行脱胶而制成需要的竹纤维。该工艺为物理方法 生产，不添加任何化学试剂，属1 0 0 天然纤维。其标准为直径o 0 4 r a m o 5 m m ，长度为1 0 m m 2 0 0 r h m 。由于竹子本身的一些物理特性，如长度、 9 一前裔 强度、粗糙度等，使其可获得良好的加工过程，而且成本低廉。虽然原 生竹纤维在棉纺设备上试纺出了纱。但就纤维和纱来说，还谈不上可纺、 可用，由于竹纤维处理工艺还不十分完善，原生竹纤维的应用丌发有待 于进一步的研究。目前，原生竹纤维已广泛应用在工业、建筑、环境保 护领域，取代了木材和玻璃纤维的使用。 再生竹纤维是以竹子为原料，经过人工催化将甲种纤维素含量在 3 5 左右的竹纤维提纯到9 3 以上，采用水解碱法及多段漂白精制而制 成满足纤维生产要求的竹浆粕，再由化纤厂加工制成纤维。经多次工艺 检验证明：该纤维韧度、白度与普通粘胶纤维接近，强力较好，且稳定 均一，可纺性优良。由该纤维制成的纱线及面料经化纤工业协会化纤产 品检测中心及国家棉印染产品质量监督中心检测，质量指标全部为一等 品。竹纤维不易褪色、染色、吸收性、渗透性强，富有丝质感觉，手感 柔和光滑，是高档外衣、内衣、运动装、床上用品等的理想面料。 1 2 4 竹纤维的结构与性能 1 2 4 1 竹纤维的微结构与形态结构n 们乜胡乜盯 图1 2竹纤维横截面形态结构图1 3竹纤维纵向结构 f i g u r e1 2c r o s ss e c t i o nc o n f i g u r a t i o nf i g u r e l 3l e n g t h w a y sc o n f i g u r a t i o n 竹纤维纵向表面具有光滑、均一的特征，纤维的纵向表面呈多条较 浅的沟槽，横截面接近圆形，边沿具有不规则锯齿形。这种表面结构与 一前斋 成型条件有关，而且这种表面结构使得竹纤维的表面具有定的摩擦系 数，纤维具有较好的抱合力，有利于纤维成纱。图1 2 、1 3 为j s w 8 4 0 扫描电镜1 5 0 0 倍下测得的竹纤维形态结构照片。 1 2 4 2 竹纤维的物理机械性能 纺织纤维在纺织加工和纺织品的使用过程中，会受到各种外力的作 用，这就要求纺织纤维具有一定的抵抗外力作用的能力，这种抵抗外力 作用的能力即反映了纺织纤维的力学机械性能。纤维力学性质是纤维制 品其他物理性能得以充分发挥的必要条件。因此，力学性质是纤维材料 最主要的性质，它具有重要的技术意义和实际意义。 表1 3 竹纤维拉伸性能测试结果 t a b l e l 3t e n s i l es t r e n g t ht e s to fb a m b o of i b e r 弋 断裂强力断裂伸k 断裂强度 断裂仲k 牢 初始模越 f ( c n )l ( m m )p ( c n d t e x )e ( ) 、卜均值3 6 42 1 l2 2 02 1 1 95 4 7 十态 均方差 07 00 3 50 4 7 变异系数( )l9 2 31 6 5 62 1 3 l2 2 6 6 、卜均值2 0 9i 2 31 2 6i2 33 29 湿态 均方差 0 5 00 2 30 3 l 变异系数( )2 3 9 22 6 6 52 4 7 l2 4 8 6 通过对纤维的强伸性能的测试( 表1 3 ) ，我们可以看出，竹纤维的 干、湿态断裂强度接近于普通粘胶纤维( 干态强度2 0 2 c n d t e x ，湿态强 度1 4 4 c n d t e x ) ，其湿态强度下降了4 2 7 。纤维吸湿后断裂仲长率也 明显下降了。从测试结果可知，竹纤维强度和伸长率的变异系数较大， 这说明纤维存在明显的强力不匀，这将给纺纱带来一定的难度。 一前南 表1 4 几种常见纤维的拉伸性能o 。1 1 2 1 1 2 7 j t a b l e l 4s e v e r a lg e n e r a lf i b e r s t e n s i l es t r e n g t hp r o p e r t y ， 强度断裂伸长率初始模量 定仲长网弹 纤维品种 ( c n d t e x )( ) ( c n d t e x ) 率 影响纤维力学性能的因素很多，其中结构是决定纤维各种性能的根 本。现在我们把几种常见纤维的结构参数与力学性能相结合，来分析一 下纤维的结构对纤维力学性能的影响。表i 4 列出了几种常见纤维索纤 维的力学性能指标。 1 2 4 3 竹纤维的吸湿性乜” 我们曾对竹纤维的吸湿、放湿性能进行过测试。测得竹纤维在标准 状态下的回潮率可达1 2 ，与普通粘胶纤维的回潮率相近。但是，在3 6 、1 0 0 的相对瀑度条件下，竹纤维的回潮率已高达4 5 ，且吸湿速率 特别快，从8 7 5 的回潮率达到4 5 的回潮率仅用6 个小时左右。相同 的条件下，其他纤维的回潮率及其吸湿的速率都不如竹纤维，如粘胶纤 维，1 0 0 的相对湿度下，回潮率为3 0 。这说明竹纤维比其他纤维具有 更优的吸湿快干性能，更适合制作夏季服装、运动服和贴身衣物。 1 2 4 4 竹纤维的抗菌性悖” 竹纤维制品不仅集天然纤维的优点于一身，其独特的功能还在于它 的杀菌性能。竹子与其它木材相比，它自身就具有抗菌性，其在生长过 程中无虫蛀、无腐烂、无需使用任何农药。在生产过程中。采用高新技 一前斋 术工艺处理，保持了竹纤维的抗菌性不被破坏，使抗菌物质始终结合在 纤维素大分子上。r 本一家权威机构检测证明了竹纤维的天然绿色抗菌 作用，竹纤维产品2 4 h 抗菌率达7 l ，而同样数量的细菌通过显微镜观 察在棉纤维和木纤维制品中能生存繁衍，在竹纤维制品中不仅不能长 时间生存，而且还会在短时间内减少，甚至消失。表1 5 是竹纤维织物 对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌性试验结果，由表可以看出竹纤维 布具有较强的抑菌作用。竹纤维的天然抗菌性不会对人体造成任何反应， 而且还能保健护肤，这与后整理加入抗菌剂的织物有很大的区别。 表1 5 竹纤维布料的抗菌性能试验结果 t a b l e l 5a n t i m i e r o b i a la b i l i t yo fb a m b o of i b e r 1 2 4 5 除臭功能n 盯 叶绿素和叶绿素铜钠都具有较好的除臭作用，竹纤维中含有叶绿素 铜钠，所以具有良好的除臭作用。表1 6 显示竹纤维布料对酸臭和氨气 的除臭效果比棉布要好得多。 表1 6 竹纤维布料与棉布的除臭率比较( ) t a b l e l 6c o n t r a s tb e t w e e nb a m b o of i b e ra n dc o t t o n 注：试样l 洗涤5 次后；试样2 洗涤3 0 次后 前击 1 2 5 竹纤维纺织品的特点 利用竹纤维制成的面料和服装，具有明显不同于棉、木型纤维素纤 维的独特风格，强力高、耐磨性、悬垂性好，手感柔软、穿着凉爽舒适、 染色性能优良、光泽亮丽，具有较好的天然抗菌效果，特别是吸湿、排 湿、透气性居各类纤维之首，是夏季针织面料和贴身纺织品的首选原料。 t 竹纤维除了具有天然纤维素纤维的优良特性外，其织物经过特定的加工， 将具有丝质感，可以制作仿真丝织物，但与真丝相比，又具有不缩水、 不粘身的优点。用1 0 0 的竹纤维可以纺纱织布，还可以与棉、麻、氨纶 及其他天然纤维或合成纤维混纺交织制作t 恤、女性高档时装、男式衬 衫等织物。 竹纤维与其它纤维相比，最大的优点是吸湿快、干性好、具有天然 抗菌性，为充分体现竹纤维的这一优势，我们把竹纤维重点应用于生产 具有特效功能的产品： ( 1 ) 服用：内衣、贴身t 恤衫、衬衣、袜子。 ( 2 ) 无纺布：脚垫、凉席、地毯。 ( 3 ) 卫生材料：纱布、口罩等医用产品。 ( 4 ) 洗浴用品：浴巾、浴衣、毛巾。 ( 5 ) 竹纤维床上用品等。 竹纤维取源于成本低廉的自然物质，减少了纺织品对原油的严重依 赖，有利于资源的合理利用；竹纤维的生产过程清洁卫生，有利于环境 保护；竹纤维集天然纤维与人造纤维的优点于一身，且具有独特服用性 能和天然抗菌性能，是安全、舒适、健康、环保的纺织面料；竹纤维的 产品丌发种类繁多，市场前景广阔。 1 2 6 竹纤维的染色特性 竹纤维、棉及粘胶纤维化学组成相同，属纤维素纤维。其染色性能与 棉纤维相类似，直接、活性等棉用染料都可以对竹纤维着色。但无论其 一前言 物理形态及超分子结构与后两者纤维皆有不同( 见表1 7 ) 。因此竹纤维 染色性能与棉等纤维素纤维又不尽相同。 虽然有些染色工作者已经在生产实践中对竹纤维的染色进行了各种 尝试，但由于缺乏理论依据，使得这些结果又显得没有说服力。由于至 今尚未对竹纤维的染色性能进行系统详细的探讨和研究，使得竹纤维制 t 品生产者无法采用一套成熟、稳定的染色工艺对竹纤维进行染色从而满 足广大消费者的需求，使竹纤维制品的推广和应用受到定的限制。 表1 7 竹纤维物理性能参数 t a b l e l 7p a r a m e t e ro fb a m b o of i b e r sp h y s i c a lp r o p e r t y 1 3 本研究的目的和意义 进入2 1 世纪，随着环保思潮的兴起，社会需求向环保、节能、健康、 安全方面发展的趋势越来越强，“绿色产品”、“绿色消费”等观念已深入 全球消费市场与消费者心中。环保纺织品也必然成为发展的趋势。而竹 纤维也正是适应了这种时代潮流应运而生。竹纤维作为一种品质优良的 纺织材料，它已经引起广大消费者和生产者和研究人员的关注。同时， 目的，对竹纤维各种性能的研究已经全面启动并取得一定成果，一一些竹 纤维制品业已进入商品市场并显示出一定的市场潜力。 虽然竹纤维属于纤维素纤维，染色与棉和粘胶相似，但由于它们在 物理形念及超分子结构的差别，使其染色又有自己的特点。在实际生产 中，竹纤维的染色还存在很多需要解决问题。很显然，对竹纤维染色性 一前藩 能进行系统的理论研究是解决这一窘境的有效手段。正是在这种背景下， 我们确立了“竹纤维染色性能与理论的研究”这一课题，希望通过研究， 为竹纤维及其制品的染色提供有力的理论依据。 本课题采用直接染料，对竹纤维的染色进行热力学和动力学的研究： 并与棉、粘胶进行比较，对竹纤维的染色性能进行合理的评价，为竹纤 。维及其纺织品的染色提供理论依据。同时，在此基础上，对竹纤维的染 色工艺进行了探讨，希望能在生产实践中对竹纤维的染色起到指导作用。 从而为竹纤维的推广和竹纤维纺织品的开发拓宽思路。 一1 6 二实验 2 实验 2 1 实验材料、药品、仪器和设备 实验材料、药品、仪器和设备见表2 1 、2 2 和2 3 。 表2 1 实验材料 t a b l e 2 1e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s 表2 2 实验药品 t a b l e 2 2e x p e r i m e n t a lc h e m i c a l s 表2 3 实验仪器及设备 t a b l e 2 3e x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t s 本实验选用分子结构具有较好线性及平面对称性的染料直接菊黄 g ，其分子结构如下所示： 二实验 表2 4 染料的分子量 t a b l e 2 4m o l e c u l a rw e i g h to fd y e 染料分子量 直接菊黄g3 4 1 s 0 3 n 直接菊黄g 2 2 染料的精制汹1 2 2 1 染料精制原理 在进行染料或纤维基本性能研究时，需要使用纯净染料，以排除其 它物质影响。但在商品染料中都含有一定量的不纯物，所以使用前必须 精制，以得到所要求的纯染料。本研究采用的是直接染料，所以可应用 醋酸钠乙醇法进行提纯。 醋酸钠乙醇法是先用醋酸钠把染料中的氯化钠置换出来，再利用醋 酸钠溶于乙醇而染料不溶的原理，把染料和醋酸钠分开，从而得到纯净 的染料。 2 2 2 染料提纯 称耿待精制的直接染料2 0 克左右，加热水使其完全溶解( 水应尽量 少) 。立即进行抽滤，以除去少量不溶物。然后在滤液中加入饱和量的醋 酸钠，冷却，盐析。 将析出的染料过滤，将滤饼加水溶解( 水尽量少) 。再加入与染料溶 液等量的饱和醋酸钠溶液，盐析。重复上述操作2 3 次，则混在染料中 刊尚y p 岬 命 忙杰y 叫 二实验 的食盐即被醋酸钠置换，即染料滤饼中仅含醋酸钠而不合食盐。 将上述滤饼干燥研磨后，以1 0 倍量的无水乙醇回流3 0 r a i n 。此时滤 饼中的醋酸钠溶于乙醇而染料则不溶。趁热将上述回流液过滤，并用热 的无水乙醇沈涤滤饼，至无醋酸根离子为止。将上述滤饼干燥即得精制 染料。 2 2 3 染料纯度检测 欲检测精制过程中染料的纯度，可将每次盐析所得染料配成定浓 度的溶液，用分光光度计测定其在最大吸收波长下的吸光度，至该值不 变即可认为该染料精制完毕。 2 3 绘制标准曲线 称取经过提纯的染料配制染料标准溶液。将溶液分别按倍数关系吸 取不同体积，转移到另外8 个5 0 m l 容量瓶中并稀释至刻度，摇匀，待 测其吸光度。 在配好的染料溶液中，取中间浓度的一个，注入比色皿中，用7 2 2 型分光光度计测定该染料的最大吸收波长2 。 在最大吸收波长处的吸光度与浓度有很好的线性关系。当染料的最 大吸收波长k 。确定后，用最大吸收波长分别测定上述配好的已知浓度染 液，然后用以染料浓度为横坐标，以吸光度为纵坐标，制作标准曲线。 此线应为一通过原点豹直线。 2 4 纤维准备 分别称取一定量的竹纤维、粘胶纤维和棉纤维，用2 9 l 的n a 2 c 0 3 溶液在5 0 处理3 0 r a i n ，然后用蒸馏水洗净，挤干。在空气中自然干燥 之后，移放在干燥器内。4 8 h 后测定纤维的含潮率。 2 5 竹纤维染色热力学研究 2 5 1 竹纤维的有效吸附容积的测定 求亲和力时，染料是在很稀的溶液中上染的。直接染料在纤维素纤 一1 9 二实验 维上的吸附可以假定不限于某些少数特定位置，在纤维微隙晕形成一个 扩散状吸附层，其体积为每公斤v 升( 单位：l k g ) ，即所谓的纤维对染 料的有效吸附容积。纤维的v 值与其无定形区有关。这些无定形区所占 比例不同，表现为v 值的差异。v 值被认为是一个不变的常数。 根据染料对纤维亲和力的方程式1 3 0 1 ： 一蛳。珊抽掣一r t i n n a 伽_ i 所以，求亲和力，必须先求得纤维对染料的有效吸附容积。 配制0 5 9 l 的直接菊黄g 标准染液。按表3 5 的处方配制一系列染 浴，分别在6 0 、9 0 条件下对竹纤维进行恒温着色实验。4 8 小时后取 出纤维，用5 0 r e ! 蒸馏水洗涤两次，尽量除去纤维表面浮色，洗涤液倒回 残液中；用7 2 2 型分光光度计测得染液残液浓度，在已经绘制好的标准 曲线上可得出染色后染液的浓度( m o l l ) ，从而得出纤维上的染料量及 染料在纤维上的浓度( m o l k g ) 。 表2 5 直接菊黄g 上染竹纤维 t a b l e 2 5r e c i p eo fd y e i n go fb a m b o of i b e r 项甘l #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 #1 0 #i l #l2 # 浴比：1 0 0 0 ：1 标准染液：o 5 9 l 2 5 2 染料对竹纤维的亲和力 根据求得的竹纤维的v 值，得出【n a + 】f ，可以计算染料对竹纤维的亲 和力。按照表2 5 的处方称取竹纤维、棉纤维和粘胶纤维，按2 4 1 的方 - 二实验 法进行实验。以染液浓度c 。为横坐标，以染料在纤维上的浓度c f 为纵坐 标，绘制染料对三种纤维的吸附等温线。 2 6 染料在竹纤维上的扩散动力学 在染色过程中，染料逐渐从染液向纤维上转移，随着时间的推移， 纤维上的染料逐渐增加，而染液中的染料逐渐减少。以上染百分率为纵 坐标，以时问为横坐标作图，则可得到上染速率曲线。它对描述纤维的 上染特性具有非常重要的价值。 表2 6测定直接染料在竹纤维上染色速率的实验 t a b l e 2 6r e c i p eo ft e s t i n gr a t eo fd y e i n g 浴比：1 0 0 0 ：1 标准染液：0 5 9 l 分别称取竹纤维、棉纤维和粘胶纤维各6 份，每份0 15 9 ：用移液管 移取4 m l 已配制好的o 5 9 l 的染料标准溶液，放入6 支染杯中，恒温条 件下分别在6 0 1 2 、9 0 染色。处方如表2 6 所示。 在染色温度下，迅速加入纤维，计算时间，到规定时间立即取出纤 维并用5 0 m l 蒸馏水沈涤2 次，洗涤水加到剩余染液中。用7 2 2 型分光 光度计测定残液浓度。 上染百分率或吸尽率2 【l 一番j l o o 2 1 ) 式中c 。为不同时问染色所得染色残液的浓度，c o 为染液的初始浓度。 以上染百分率为级坐标，时问为横坐标作图，即得到上染速率曲线。 上染速率曲线是研究染色跏力学的重要手段。通过它不但可以直观地了 _ 二实验 一一_ _ - - _ _ - _ h - 一 解到纤维的染色特性，还可以对它作进一步的分析，得到一些重要的动 力学参数。如扩散系数、半染时间、上染速度等。 三结果0 讨论 3 结果与讨论 3 1 染料的标准曲线 3 1 1 分光光度法测定染料浓度的理论基础1 在染色过程中，需要测定染料在溶液中或者纤维上的含量。本实验 采用分光光度法测定染料在溶液中的浓度。 采用分光光度法测定染料浓度的基本原理基于朗自比耳定律。即有 色溶液对一束平行单色光的吸光度与溶液的浓度和液层厚度之积成诈 比。其数学表达式为： a = k b c( 3 1 ) 式中，k 为吸光系数：b 为有色溶液的液层厚度：c 为有色溶液的浓度： a 为吸光度。在一定波长和一定液层厚度的条件下，吸光度与稀溶液的 浓度成j 下比。 根据吸光度a 与浓度c 之间的直线关系，将待测溶液的吸光度a 2 与已知浓度为c l 的该物质吸光度a l 比较，即可求出待测溶液的浓度c 2 。 这是比色定量分析的理论基础。 3 1 2 染料的最大吸收波长 掣 安 馨0 5 3 0 啪3 8 53 描4 0 04 0 5 啦收被长( n m ) 图3 1直接菊黄g 吸收光谱曲线 f i g u r e3 1c u r v eo fa d s o r p t i o ns p e c t r u mo fc h r y s o p h e n i n eg 三结果讨论 出染料的吸收光谱曲线上，可查出最大吸收所对应的波长，即最大 吸收波长五一( 图3 1 ) 。在最大吸收波长处的吸光度与染料浓度有很好的 线性关系。所以用分光光度法测定染料浓度时，通常总是选择其最大吸 收波长处。 表3 1染料的最大吸收波长 t a b ie 3 1b ig g e s ta d s o f p t j o nw a v e i e n g t ho fd y e 染料 五一( n m ) 直接菊黄g 3 9 2 3 1 3 标准曲线 由朗自比耳定律，在一定浓度范围内，染液的浓度c 与用分光光度 法测定的a 值成正比。在用分光光度法来确定某未知染液的浓度时，应 先绘制标准曲线。当染料的最大吸收波长a 一确定后，在最大吸收波长处 分别测定已经配好的标准溶液，即可绘制标准曲线( 如图3 2 ) 。 v 划 米 整 02345678 染液浓度( c x1 0 4 f i l l ) 图3 2 直接菊黄g 标准曲线 f i g u r e 3 2s t a n d a r dc u r v eo fd y e i n go fc h r y s o p h e n i n eg 用线性回归法可以得到染料直接菊黄g 的标准曲线方程。直接菊黄 兰结果1 i 讨论 g 的直线方程y = o 0 5 8 3 8 x ，其r 2 值为0 9 9 5 0 9 。式中，x 为染液的浓度， y 为吸光度a 。由所得的r 2 值可以看出，该直线方程能够真实反映出所测 吸光度a 值与染料溶液c 之间的关系，并可以用作纤维染色热力学和动 力学研究的有用工具。 3 2 竹纤维的染色热力学 3 2 1 竹纤维的吸附等温线随 阳3 m 1 吸附等温线是在恒定温度下，上染达到平衡时，纤维上的染料浓度 和染液中的染料浓度的关系线。染料对纤维的吸附等温线主要有三种类 型，如图3 3 所示。 图3 3 中等温线a 表示纤维上染料浓度【d r 幕t l 染液浓度【d 】。成直线关 系。 辣藏中j 磷浓斑 图3 3 染料吸附等温线 f i g u r e 3 3a d s o r p t i o ni s o t h e r m 【d 】，= 置【d 】， ( 3 2 ) 式中k 为系数。染料的分配犹如 一个溶质在两个互不混溶的溶剂中那 样，服从能斯特( n e r n s t ) 分配定律 35 】。 这种情况一般就假设染料是溶解在纤 维里的，把染料作为溶质，纤维作为 溶剂来处理，并假设活度系数为l ，以活度代替浓度。此时， 舭o = r t i n d r ( d 】， ( 3 3 ) 纤维上染料浓度【d r 一般以摩尔公斤1 纤维表示，溶液染料浓度【d 】；以 摩尔升d 表示。分散染料对醋酯、聚酰胺和聚酯等合成纤维的吸附等 温线属此种类型。它的特点是：上染达到平衡时， d 】f 【d 】。是一食常数， 纤维上的染料浓度和溶液中的染料浓度成正比关系，随着溶液浓度的增 高而增高，直到饱和为止。 图3 3 的等温线b 的情况和能斯特型的不同。它的特点在于曲线的 斜率随着上染过程的推移而渐渐下降，最后趋向恒定，在一定条件下达 菱窑诺丁翦盘 兰绌果j 讨论 到一个定值，染料的上染不再随染液浓度的提高而增加。纤维上的这个 染料浓度称为该纤维的染色饱和值。这种类型的吸附等温线称朗缪尔 ( l a n g m u i r ) 吸附等温线。用这个方法来分析染料的吸附，可以假设纤 维上有许多性质一样的吸附位置( 例如酸性染料染色时，蛋白质纤维分 子上的一n h ；基和聚丙烯腈纤维分子上的一踢基) 其含量为每公斤纤维 。【s 】个位羁，每一个位置都能同样低吸附一个染料分子而不互相干扰。按 质量作用定律，染料浓度【d l f 和染液浓度【d 】。存在如下关系： 上：! + 上( 3 4 ) d 】，珂d 】，【即【州 将恒温条件下平衡时的 d 】：1 和( d 】- l 关系作图得直线，如图3 4 所示。图 中纵坐标为i d f ，横坐标为l 【d 】。，斜率为1 k s 】，将直线延长和纵 图3 4 朗缪尔吸附的l l l d l f 和1 d 。关系 f i g u r e 3 4r e l a t i o nb e t w e e n1 i d ba n di d 1 3o fl a n g m u i ra d s o r p t i o n 坐标相交于c 。这时，l d 。= 0 ，从坐标上读得1 d f 即为1 i s 】，从而可 以推得该纤维的染色饱和值【s 】。在朗缪尔方程式的推导过程中所作的一 些假设在许多情况下并不完全成立，但往往能和实验数据相符。如在羊 毛、聚酰胺纤维的酸性染料染色中就可用它来计算羊毛和聚酰胺纤维的 染色饱和值 3 6 1 。 图3 3 的等温线c 的经验方程式为： 1 d 】，= 彪f d 】： ( 3 5 ) 三结果j 讨论 式中k 为常数，0 n uf 。随着上染过程的推移，解吸逐步增加。平衡时，染 浴中的染料化学位和纤维上的染料化学位相等。 us = ur ( 3 2 6 ) 染料在溶液中的化学位是它的活度a 。的函数。设标准状态a 产1 的 化学位为? ，则 ，= ? 十r t l n a ， ( 3 2 7 ) 设口，为纤维上染料的活度，标准状态的化学位为卢；，则纤维一t - 染料的化 学位z ，为： ，= ；+ r t l n a ， ( 3 ，2 8 ) 平衡时，根据式( 3 2 6 ) ， ；+ g t l n a ，= + r t l n a 。 ( 3 2 9 ) 移项得： 一卸。= 一( 矿一) = r r l n 詈 ( 3 3 0 ) 某一温度的染色亲和力，可以从该温度下上染达到平衡时纤维上染 料活度和染液中染料活度的关系求得。它标志着该温度条件下上染达到 平衡状态时纤维上染料活度和染液中染料活度间的关系，是染料对纤维 上染的一个特性常数。即亲和力可以作为表述染料由溶液中的标准状态 向纤维标准状态转移倾向的尺度。 染色亲和力的概念为吉柏特景迪亚( g i l b e e r t r i d e a ! ) 所首倡【49 1 ， 后又由威克斯达夫等人进一步发展、完善的，而且在两