（纺织工程专业论文）山羊绒低温染色性能的研究.pdf

学位论文的主要创新点 i i l l l t liii ii f f l l l t li i i ii iiil 18 7 9 0 0 9 一、将自制低温助剂t d - p 用于羊绒纤维低温染色 低温助剂t d - p 与市场上常用羊毛低温助剂的染色性能进行测 试、分析、对比，探讨了低温助剂t d - p 低温染羊绒纤维的可能性， 并确定其染色工艺。 二、低温助剂t d - p 染羊绒纤维染色动力学和热力学测试分析 低温助剂t d - p 低温染山羊绒纤维的上染速率、染色扩散系数、 半染时间和染色速率常数等动力学指标以及吸附等温线、染色亲 和力、染色热和染色熵等热力学参数进行测试、计算和分析。 三、低温助剂t d - p 大生产低温染色性能分析 用低温助剂t o p 进行大生产验证，对低温染色羊绒纤维的长 度、细度、强力和伸长等指标，以及细纱断头率、制成率和低温 染色羊绒纤维织物的色牢度、顶破强力、抗起球性能进行测试、 分析和评价。 摘要 为了在染色的过程中，最大化地保持山羊绒织物优良的天然品质，减小能耗， 保证生产工艺获得更好的经济效益，合理的使用低温助剂，降低山羊绒织物的染 色温度显得尤为重要。本文主要通过山羊绒纤维低温染色实验，确定山羊绒低温 染色低温助剂种类、山羊绒低温染色低温助剂用量以及山羊绒低温染色最低染色 温度，同时将低温染色与常规染色效果进行比较。并对低温助剂染色动力学和染 色热力学进行研究。本文主要用半染时间、扩散速率、吸附等温线、染色热、染 色熵、上染百分率、k s 值、皂洗牢度、摩擦牢度等指标对低温染色效果进行表 征，综合考虑，得到山羊绒纤维低温染色的最佳工艺：使用技术中心自制低温助 剂t d - p ，用量1 ，染色温度8 0 。 关键词：山羊绒；低温染色；染色热力学；染色动力学：色牢度； a b s i r a c i i no r d e rt om a x i m a l l ym a i n t a i nt h en a t u r a lq u a l i t yo fc a s h m e r e ，d e c r e a s ee n e r g y c o n s u m p t i o na n do b t a i nb e t t e re c o n o m i cb e n e f i t , i ti sv e r yi m p o r t a n tt ou s el o w t e m p e r a t u r ed y e i n ga u x i l i a r yp r o p e r l ya n dr e d u c et h et e m p e r a t u r eo fd y e i n go f c a s h m e r ed u r i n gt h ed y e i n gp r o c e s s i nt h i s s t u d yw ed e t e r m i n et h et y p eo fl o w t e m p e r a t u r ed y e i n ga g e n t ，t h em o u n to fl o wt e m p e r a t u r ea g e n ta n dt h el o w e s t t e m p e r a t u r ei nd y e i n gc a s h m e r e a n dc o m p a r et h el o w - t e m p e r a t u r ed y e i n gw i t h c o n v e n t i o n a l d y e i n g o fc a s h m e r e f i b e r s m e a n w h i l e ，d y e i n g k i n e t i c sa n d t h e r m o d y n a m i c so fc a s h m e r el o wt e m p e r a t u r ed y e i n ga r es t u d i e d i n d i c a t o r st h a t c h a r a c t e r i z et h ee f f e c to fl o wt e m p e r a t u r ea u x i l i a r yd y e i n gi n c l u d e ：h a l f - d y e i n gt i m e ， d i f f u s i o nr a t e ，a d s o r p t i o ni s o t h e r m , d y e i n gh e a t ，d y e i n ge n t r o p y , d y e i n gy i e l d ，k s v a l u e ，c o l o u rf a s t n e s st os o a p i n g ，c o l o rf a s t n e s st or u b b i n ga n do t h e rd y e i n gp r o p e r t i e s t a k ea l lt h ed a t ei n t oc o n s i d e r a t i o n , w eg e tt h eb e s t l o w - t e m p e r a t u r ed y e i n g t e c h n o l o g yo fc a s h m e r e ：t h ek i n do fl o wt e m p e r a t u r ed y e i n ga u x i l i a r yi sm a d ei n t e c h n i q u ec e n t e re r d o s ，l o w - t e m p e r a t u r ed y e i n gt e m p e r a t u r ei s8 0 c ，t h ea m o u n to f l o wt e m p e r a t u r ed y e i n ga u x i l i a r yi s1 k e yw o r d s ：c a s h m e r e ；l o wt e m p e r a t u r ed y e i n g ；d y e i n gt h e r m o d y n a m i c s ；d y e i n g k i n e t i c s ；c o l o rf a s t n e s s ； 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 课题研究的背景和意义1 1 3 课题需要解决的问题2 第二章理论部分3 2 1 山羊绒纤维的结构3 2 1 1 山羊绒纤维的形态结构3 2 1 2 山羊绒纤维的组织结构3 2 1 3 山羊绒纤维的化学结构4 2 1 4 山羊绒纤维的性能5 2 1 4 1 山羊绒纤维的物理机械性能5 2 1 4 2 山羊绒纤维的化学性能6 2 2 山羊绒纤维的染色机理7 2 2 1 上染过程及作用7 2 2 2 山羊绒染色原理及影响因素7 2 3 山羊绒纤维与羊毛纤维的染色性能的差异9 2 4 山羊绒制品常用的染色方式9 2 5 低温染色理论9 2 5 1 染色助剂的认识9 2 5 2 山羊绒制品低温染色的基本条件1 0 2 6 山羊绒纤维低温染色的现状1 0 2 7 所选低温助剂应具有的功能1 l 第三章实验部分1 3 3 1 材料1 3 3 2 仪器与设备1 3 3 3 染料与助剂1 3 3 4 实验方法1 4 3 4 1 f 氏温助剂种类的确定1 4 3 4 2 低温助剂用量确定实验1 4 3 4 3 山羊绒的常规染色1 5 3 4 4 低温染色温度确定实验1 6 3 5 测试方法1 6 3 5 1 标准曲线的绘制1 6 3 5 2 山羊绒织物低温助剂染色动力学研究1 7 3 5 3 山羊绒织物低温助剂染色热力学研究1 7 3 5 4 实验中表征山羊绒染色性能的指标1 8 第四章实验结果与讨论2 1 4 1 低温助剂种类的确定2 1 4 1 - 1 不同低温助剂的上染百分率2 1 4 1 2 不同低温助剂低温染色的色牢度2 2 4 2 低温助剂用量的确定2 2 4 3 低温助剂染色温度的确定2 4 4 3 1 不同温度染色对上染百分率和k s 值的影响2 4 4 3 2 色牢度测试分析2 5 4 4 染色工艺优选2 6 4 5 产品固色与不固色对比试验2 9 4 6 低温助剂用于其他染料低温染色牢度检测2 9 4 6 1 活性染料2 9 4 6 2 金属和酸性染料3 1 4 7 低温助剂染色动力学研究3 2 4 7 1 标准曲线的绘制3 2 4 7 2 低温染色速率曲线3 5 4 7 3 扩散系数曲线3 8 4 8 低温助剂染色热力学研究4 0 第五章生产验证4 3 5 1 投料情况4 3 5 2 纤维原料一白绒指标4 3 5 3 染色工艺和处方4 4 5 3 1 低温染色工艺和处方4 4 5 3 2 常规染色工艺和处方4 5 5 4 低温染色和常规染色的色绒指标4 5 5 5 细纱断头率4 6 5 6 制成率4 6 5 7 物理指标4 7 第六章结论4 9 参考文献5 1 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 山羊绒制品久以其华贵高雅、穿着舒适的天然风格而著称。山羊绒是稀有而 名贵的毛纺原料，具有轻、暖、柔、滑糯等其他纤维所不及的特性，有着“钻石 纤维”和“软黄金”的美称。山羊绒在国际市场上通称为“开司米”。据说， 在公元五、六世纪时，印度居民采用当地生产的山羊绒织成轻薄、柔软、美观、 保暖的披肩，销往国外，受到世界人们的喜欢。世界山羊绒的年产量大约是1 6 0 0 0 吨。中国是世界山羊绒产量最大、出口量最多的国家，2 0 0 0 年末山羊绒的产量达 到9 5 0 0 多吨，占世界总产量的近6 8 。我国l 山羊绒产量不仅占世界之首，而且 质量也优于蒙古、伊朗等国。尤其是内蒙古自治区的山羊绒纤维细度细、手感柔 软、拉力大、光泽好、颜色正白、含粗毛少、净绒率高，羊绒品质居全国首位。 鄂尔多斯羊绒集团凭借优异的原料资源优势和世界先进的生产设备，经过了 二十多年的快速发展，经济效益逐年稳步增长，2 0 0 9 年“鄂尔多斯”品牌价值 达到2 6 2 3 7 亿元，较2 0 0 8 年1 5 0 6 7 亿元升值了1 0 0 多亿元。羊绒产业的生产 营销能力已经达到了中国的4 0 和世界的3 0 ，是当今世界规模最大的羊绒加工 企业。 作为绒纺行业的领军企业，鄂尔多斯集团有着纺织行业唯一的国家羊绒制品 工程技术研究中心，在生产设备、新产品开发和新技术应用等方面均具备世界领 先水平，在产品开发和设计、功能整理、新型染色、标准研究等方面取得一定的 成绩，但山羊绒制品的加工工艺与英国、意大利等先进国家相比还存在一定的差 距，主要表现在后整理技术、深加工技术等方面。所以还需进一步致力于山羊绒 制品的研究开发和推广应用及标准制定，有效地调整和优化行业及鄂尔多斯集团 的羊绒产业结构，更有力地推动中国的羊绒行业走向世界，更有利于中国羊绒行 业资源优势向经济优势的转化，实现绒纺行业的可持续发展。 1 2 课题研究的背景和意义 鄂尔多斯集团生产的主导产品“鄂尔多斯羊绒衫”以其优质的品质闻名世界。 但在产品的染色工序生产过程中仍然存在以下质量问题： ( 1 ) 色泽发暗，色牢度差； 天津工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 纤维损伤严重，强力、伸长下降，可纺性降低，织物手感差； ( 3 ) 染料、助剂用量大，上染率低，能源( 水、蒸汽、电) 消耗高，生产 效率低，生产工艺不合理，质量稳定性差。 针对以上质量问题采取的质量改进措施主要是引入低温染色助剂，低温助剂 的作用之一可以降低染色温度，提高染色后纤维的鲜艳度，减少染后羊绒纤维的 损伤，从而提高纺纱制成率和织物的手感、风格心1 。低温助剂的作用之二是降低 染色温度，节约能源，降低生产成本b 1 。 1 3 课题需要解决的问题 本课题重点要解决的问题是采用自制的低温染色助剂进行低温染色实验，与 常用的低温染色助剂进行比较，并和常规染色工艺进行对比，通过实验确定山羊 绒纤维低温染色工艺：低温助剂用量和最低染色温度，测试分析低温染色山羊绒 纤维的品质，并对低温助剂染色的染色动力学和染色热力学进行研究。最后，通 过生产应用验证优化得到的低温染色工艺，进一步指导生产，解决生产过程中的 质量难题，进而提高羊绒制品的质量，使这种优质的稀有天然纤维得到合理的开 发和利用。同时可以降低成本，节约能源。 2 第一章理论部分 第二章理论部分 2 1 山羊绒纤维的结构 2 1 1 山羊绒纤维的形态结构 山羊绒有白绒、青绒、紫绒、红绒之分，其中白绒和紫绒最多h 1 。就纤维类 型来看，以绒( 2 5hm 以内) 和粗毛为主，最细的绒可达7l am ，但数量很少，大 多数在1 3 - 1 61 1m 之间。其细度情况因羊种和生长地区条件不同而不同。从形态 上可以分为绒干、绒根、绒球和附属器官等几部分。绒干是绒纤维露在皮肤外面 的部分，也是可以利用的部分，一般称作山羊绒纤维。山羊绒纤维横截面近似圆 形，从纤维的外观看，单根纤维细度均匀，光泽柔和，具有不规则的大小弯曲【5 1 。 2 1 2 山羊绒纤维的组织结构 山羊绒纤维在显微镜下观察，同细羊毛一样由鳞片层、皮质层组成。 ( 一) 鳞片层：位于绒纤维表面，由扁平、无核的角质化细胞组成，它覆盖 绒纤维最外层，外观形态似鱼鳞，故称鳞片层。 山羊绒纤维鳞片层占整个绒纤维总量的7 以下。绒纤维的每个鳞片包围绒 干一周呈环状结构，有的呈水平状，有的呈倾斜状，每个鳞片的上缘包围下一个 鳞片的下缘，鳞片的平均高度为1 6i j - m 左右，比羊毛的鳞片高度高。羊绒鳞片密 度6 0 - 7 0 个m m ，而细羊毛的鳞片密度为7 0 - 8 0 个m ，甚至更多1 。羊绒鳞片形 状近似方形，鳞片长度和高度平均为1 5um 与1 6 l am ，而细羊毛的鳞片呈长条形， 鳞片长度和高度平均为2 2 l ai n 与2 5um 。羊绒鳞片上缘紧贴绒干，翘角小，边 缘棱脊较薄，细羊毛的鳞片边缘显著翘起，翘角大，棱基明显而厚；在电镜下放 大5 0 0 0 倍，可以清楚的看到羊绒的鳞片比较光滑，仅在少数鳞片表面上可以看 到类似辉纹结构的纵向条纹痕迹，而细羊毛鳞片表面通常均具有凸起的纵向条纹 辉纹，较羊绒排列整齐且清晰明显旧。山羊绒的鳞片同细羊毛的一样由鳞片表皮 层、鳞) i - 夕l - 层、鳞片内层组成旧1 。 山羊绒鳞片占绒纤维的比例虽少，但对保护绒纤维起到重要的作用，而且与 羊绒的光泽度、缩绒性、耐摩擦等特性密切相关，同时也导致染色困难n 引。 3 天津工业大学硕士学位论文 ( 二) 皮质层：位于鳞片下面，由扁平而长的纺锤状细胞组成，它在纤维中 沿着纤维的纵轴排列，皮质细胞紧密相连，细胞间充满着胞间物质。皮质层细胞 平均长度8 0 1 5 0um ，宽度2 1 0um 。皮质层是羊绒的主体，羊绒纤维除了很薄 一层鳞片外，全部由皮质细度构成，占其总量的9 3 以上。在显微镜下观看羊绒 的皮质细胞大多呈双边分布，即正、偏皮质细胞各居一侧，所以羊绒有卷曲。 山羊绒纤维的各种机械性能( 强度、伸长率、弹性) ，对各种化学物质的反 应，对光、热、电等物理因素的表现均取决于皮质层。同时，皮质层又是羊绒颜 色的体现者。天然色素颗粒分布于皮质细胞上，染色时的染料，也吸附于皮质细 胞中。山羊绒的皮质层在纤维中所占的比例，比同样粗细的其他动物纤维都大， 所以山羊绒有较强的拉力和伸缩力n 剁。 2 1 3 山羊绒纤维的化学结构 山羊绒纤维的化学结构与羊毛的一样，基本组成化学物质为蛋白质，由多种 a 一氨基酸以肽键的形式结合而成n 引。经水解后可以得到1 8 种不同的氨基酸，只 是因为山羊的品种、饲养条件、年龄大小的不同，各种氨基酸的含量有所区别。 山羊绒和羊毛的氨基酸含量比较见表2 1 。 表2 1 山羊绒和羊毛氨基酸含量比较 4 第二章理论部分 2 1 4 山羊绒纤维的性能 2 1 4 1 山羊绒纤维的物理机械性能 ( 1 ) 细度 细度在山羊绒的物理性能中占有重要的位置，是羊绒分等定级的主要指标之 一。从理论上讲，山羊绒细度就是指山羊绒纤维横截面直径的长度，单位用微米 ( um ) 表示。它直接关系到纺纱的支数、加工的难易程度及最终产品的手感。 影响山羊绒细度的因素有很多，如山羊的品种、性别、年龄、营养条件，还有山 羊绒的生长部位及颜色n4 1 。各国山羊绒的细度范围比较和不同颜色山羊绒细度比 较见表2 2 和表2 3 。 表2 - 2 各国山羊绒细度范围比较 ( 2 ) 长度 山羊绒长度是山羊育种、羊绒加工类型及分等定级的重要指标依据之一。山 羊绒长度指羊绒纤维两端点之间的距离，单位用毫米( 咖) 表示n 副。长度不仅与 山羊绒品种有关，而且与山羊的年龄、性别、抓绒时间、方法、气候、饲养条件 有关n 引。羊绒的颜色不同，其长度也有所差异，一般白绒较长，青、紫绒较短。 具体情况见表2 4 。 表2 4 不同颜色山羊绒长度比较 天津工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 卷曲性能 山羊绒的卷曲数较少，但是其卷曲率较高，说明其波峰高或具有立体卷曲， 伸直度较大，经过反复梳理后使其伸直，提高长度利用率n7 1 。因此山羊绒的卷曲 性能较好。羊绒与羊毛的卷曲弹性比较见表2 5 。 表2 5 羊绒与羊毛的卷曲弹性比较 ( 4 ) 吸湿性能n 踟 山羊绒的吸湿优于羊毛，在标准的温湿度下，山羊绒的回潮率为1 7 ，是 常见纤维中最好的。 ( 5 ) 体积质量 山羊绒的体积质量为1 3 0 - 1 3 1 9 c m 3 ，所以山羊绒织物轻薄n 引。 ( 6 ) 电学性能 山羊绒的电阻值大，在加工过程中产生的电荷不易散失，所以静电现象较 为严重。但随着纤维湿度的增加，电荷较易散失，静电现象会逐渐减小心0 。所以 加大生产车间的湿度可以减小静电现象，易于加工。 ( 7 ) 缩绒性能 由于山羊绒的表面有鳞片的存在，在湿热和机械外力的搓擦情况下，鳞片 翘角增大，产生逆向摩擦，部分纤维由顶部向根部运动，所以织物的表面起了一 层绒毛，增加了织物的手感，保暖性能增强心。 山羊绒单位长度内的鳞片个数少于羊毛，翘角小于羊毛，所以其缩绒性低于 羊毛。但是由于山羊绒细度细，单位面积的纤维根数多，其整体织物的缩绒性优 于羊毛。 ( 8 ) 保暖性能 山羊绒的保暖性能较好。在同样的测试条件下，山羊绒的保暖率为7 0 3 ， 羊毛的保暖率为6 3 5 ，所以羊绒衫虽然轻薄但保暖性好。 ( 9 ) 机械性能 山羊绒的弹性、弹性恢复力、强力均较低，并且小于羊毛，所以其织物整体 强度较低，不耐穿。 2 1 4 2 山羊绒纤维的化学性能 山羊绒与稀硫酸作用时，对纤维的影响不大。与浓酸作用时山羊绒会超饱和 吸酸，破坏大分子，使大分子裂解，从而影响纤维的各种性能。山羊绒与碱反应 6 第二章理论部分 时，不论是强碱还是弱碱对纤维的破坏都是非常明显的。将山羊绒放在3 的氢 氧化钠溶液中煮沸，很快就溶解，所以，不能用碱性洗剂洗涤山羊绒制品。 2 2 山羊绒纤维的染色机理 2 2 1 上染过程及作用 单就染色而论，染料与羊毛纤维之间的关系可以分为既不相同又相互制约的 三个阶段：染料被羊毛纤维吸附；被吸附的染料向纤维内部扩散、渗透；染料与 羊毛纤维结合( 活性染料就是发生化学反应形成共价键) 而被固着。 低温助剂对羊毛纤维和染料分子均有亲和力，从而减少染料分子间本身的聚 集，增加染液中染料分子的有效浓度，加快染料的上染速率。但当用量增加到一 定程度后，染液中染料分子有效浓度达到饱和，之后上染率还会降低。 1 ) 染料的吸附 在染色的初始阶段，由于活性染料在水溶液中以阴离子形式存在，与羊毛纤 维大分子之间存在着偶极作用、氢键、范德华力以及离子结合力，从而可以很快 地被羊毛吸附。 2 ) 染料的扩散 由于实验中染料的浓度在不断变化，因此属于非稳态扩散。如果扩散系数d 不随纤维上染料的浓度c 和时间t 以及扩散距离x 而变化，可以将菲克定律简化 来表示： 丝= d 驾 一! jj o ta 3 ) 活性染料同羊毛纤维的反应 在染料吸附、扩散过程中，随着染色条件的变化，活性染料均可同羊毛纤维 发生反应而实现“固色州2 2 3 。我们可以通过分光光度法测上染率，来表征染色过 程中染料被吸附和固着的情况： 上染百分率( ) = ( 1 一案勰) l 。 2 2 2 山羊绒染色原理及影响因素 7 天津工业大学硕士学位论文 羊绒纤维既含有氨基，也含有羧基。在水中氨基和羧基发生离解，形成两性 离子。羊绒纤维的吸酸和吸碱反应可表示如下： n h i w l 3 + n h 3 +n h 2 o h i o h 。 i 亍丫芾丫 c o o h c o o c o o 山羊绒等电点的p h 值为6 5 。当溶液的p h 值下降到山羊绒的等电点以下时， 羊绒上的一c 0 f f 基接受溶液中的质子，变成- c 0 0 n 基，山羊绒开始带正电荷。直到 全部一c o o 一基转变成一c 0 0 h 基，这时山羊绒吸收的质子的数值和山羊绒上的氨基含 量基本一致，此值称为山羊绒的吸酸饱和值。如果溶液的p h 值进一步降低，山 羊绒中的酰胺基也开始接受质子，生成一c 0 _ n t t 2 + 一离子，发生所谓的超当量吸酸 现象，山羊绒的酰胺基还会发生水解。相反，当溶液的p h 值高于山羊绒的等电 点时，山羊绒上的n h 。+ 基失去质子，变成咄基，山羊绒带负电荷。到了一定 的p h 值，山羊绒上的n h 。+ 基全部变成n h ：基1 。 山羊绒纤维染色大多是在酸性条件下进行的，羊绒的吸酸饱和值相当于羊绒 吸附的染料离子的饱和值，染料离子和质子之间呈等量关系，他们的饱和值取决 于羊绒的氨基含量。 通过羊绒的吸酸和吸碱反应可以看出：酸性染料的染色机理基于染料与羊绒 两性离子的作用。羊绒在酸性染浴中先吸附h + ，使纤维带正电荷，染液中有染料 阴离子和酸根离子，染色过程中，染料扩散到纤维表面取代酸根离子，而上染到 纤维中去，染料与纤维形成离子键结合。活性染料在水溶液中以阴离子形式存在， 它与羊绒纤维大分子间存在着偶极作用、氢键、范德华力及离子结合力。因而活 性染料阴离子可以很快的被羊绒吸附。 山羊绒纤维的染料上染过程受很多因素的影响，包括染料的结构、纤维的结 构和性能、染料和纤维之间的吸引力( 包括范德华力、氢键和库仑力) ，染料对 纤维的上染性能( 直接性或亲和力) 、染色设备、染化助剂、染色工艺( 包括 p h 值、温度、升温速度、保温时间等) 等等，若不能科学有效地控制上述因素， 将直接影响产品的染色质量( 色泽、匀染性、透染性、色牢度、鲜艳度、织物手 感等) 。因此，科学合理地优化低温染色工艺和低温助剂的种类和用量，降低染 色温度，进一步提高染色质量，尽最大可能的保持山羊绒纤维的原有特性，提高 产品档次乜4 1 。 8 第二章理论部分 2 3 山羊绒纤维与羊毛纤维的染色性能的差异 山羊绒与羊毛是性质、外观十分相似的蛋白质纤维，但他们的染色性能不尽 相同。山羊绒纤维表面鳞片较羊毛密度小，染色时染料向纤维内部扩散的阻力小 一些，尤其在染色初始阶段，染料的上染率比羊毛高；山羊绒纤维的等电点比羊 毛高，在同一酸性染浴中，染液的p h 值与山羊绒等电点的差值比羊毛大，纤维 带正电荷，能与染料负离子间产生静电吸附，使吸附量增加，所以上染率比羊毛 高；在初始阶段，山羊绒的上染率比羊毛高，但是随着温度的升高、时间的增加， 山羊绒与羊毛的上染率基本上趋于接近1 。但实践中发现，染同一色泽的色号， 山羊绒比羊毛多用2 0 - 3 0 的染料，专家们初步认定为两者细度的差异，同一重 量的羊绒比羊毛的根数多，表面积大，吸附的染料量就多。 2 4 山羊绒制品常用的染色方式 山羊绒制品常用的染色方式有散染、条染、筒染、绞染、成衣染色等等。鄂 尔多斯羊绒集团粗纺产品主要采用散染，精纺产品主要采用条染。因为散染和条 染有很多优点：如生产批量大、颜色便于控制( 色差小、批差小) 、可以拼色生 产夹花色。 2 5 低温染色理论 2 5 1 染色助剂的认识 1 ) 阴离子表面活性剂 阴离子表面活性剂有降低水的表面张力的作用，对羊毛有润湿、渗透作用， 对染化药剂有增溶作用。 2 ) 阳离子表面活性剂 阳离子表面活性剂除了具有表面活性外，对染料阴离子和羊毛有亲和力，促 进染料被羊毛吸附，对活性染料和羊毛的反应有催化作用。与其他表面活性剂混 合，有协同作用，表面活性剂用量增加，染料的吸附量增加。 3 ) 非离子表面活性剂 除了具有表面活性以外，对染料有增溶、解聚作用，对羊毛有润湿、渗透作 用。也可以与其它的助剂混合使用，具有协同作用。 4 ) 两性表面活性剂 9 天津工业大学硕士学位论文 两性表面活性剂有两性特点，当p h 值高于等电点时呈阴离子表面活性剂性 能。反之，则呈阳离子表面活性剂性能哺1 。 2 5 2 山羊绒制品低温染色的基本条件 要实现山羊绒制品的低温染色，就要改变山羊绒的表面性能和水的结构，设 法增大染料同山羊绒的亲和力，促进山羊绒纤维中氨基的正离子化，提高电位， 从而促进山羊绒纤维对染料的吸附；设法破坏鳞片外层中的二硫键，同时消弱羊 绒大分子之间的副键，使羊绒纤维结构松散，若采用活性染料染色，就要选用高 反应性的染料，加入促染的表面活性剂，把羊绒二硫键转化成反应性很高的巯基 【2 7 】 o 羊绒纤维由于鳞片的屏蔽作用，在6 0 以下染料基本无法进入纤维内部，只 有在受热膨胀作用下，羊绒表皮的鳞片才会逐步打开，染料渐渐进入纤维内部， 随着温度的继续升高，染料进入纤维内部的速度加快。所以，为了确定低温染色 助剂的最低染色温度，实验以6 0 的染色温度开始，逐渐升高上染温度，通过 分析比较染色好的羊绒制品的外观和测得的相关数据，最后得到最低上染温度 船 2 6 山羊绒纤维低温染色的现状 山羊绒纤维与羊毛纤维同属于蛋白纤维，他们的物理化学性能、染色性能接 近，染色工艺一般采用高温沸染工艺，这种工艺条件下使山羊绒纤维遭受湿热、 化学助剂的作用而受到损伤，致使山羊绒的天然风格受到破坏。一直以来，有很 多专家、学者研究山羊绒纤维、羊毛纤维低温染色方法和工艺。早上世纪在5 0 年代，国外就有人开始对羊毛低温染色进行探索，已提出的羊毛低温染色方法有： 溶剂法、尿素法、甲酸法、低温染色助剂法、生物酶处理法等1 。贝尔等人研究 了溶剂添加法染色，研究了2 0 0 多种有机溶剂在羊毛纤维染色中的作用，从中优 选出最好的有机溶剂一苯甲醇。利德等人提出了甲酸法染色，将羊绒、羊毛在 7 5 的甲酸溶液中于6 0 处理2 m i n ，再采用酸性染料在8 5 以下染色。还有瑞 沃提出的乙二醛一双氧水法染色、安腾等人提出的还原剂添加法染色、有机胺预 处理法染色法等等。这些方法由于成本高、污染严重、工艺复杂等原因应用范围 受到限制啪1 。随着表面活性剂的研究与发展，目前常用的低温染色的新型方法是 表面活性剂添加法。常见的低温助剂有汽巴公司的阿白哥l s 、拜耳的n t 、中永 业的x t d 、日本的l t 等等。 目前国内已有规模使用的羊毛低温染色助剂有四类：一类是以b a y l a nn t 为 1 0 第_ 章理论部分 代表的，其基本原理是利用这些助剂对羊毛的溶胀作用，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。第二类以l a n a s a n l t 为代表，它是利用这类助剂分子的结构特点，与羊毛纤维有特殊的亲和力， 在纤维外表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，帮助染料迅速转移至纤维内部完成上染。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b 。第三类则是有机还原剂类。这类助剂主要是依靠打开羊毛纤维的 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，因而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。第四类为对鳞片有乳化表层脂类作用的表面活性剂， 它不同于第一类对羊毛的润湿渗透作用，第一类助剂的溶胀作用，实际上属于对 羊毛的润湿渗透作用，是界面作用。用黉较多，在羊毛染色工艺及纤维强力方面， 对纤维影响不大。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。第三类助剂则实际上是化学作用，对纤维有一定 的破坏，易使纤维脆损旧1 。 从保护羊毛特性的角度考虑，在染色方面应避免化学作用，因此，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绒纤维。 羊绒纤维外表有鳞片层，在6 0 以上水中，鳞片边缘张开，鳞片外层有疏水 性类脂层，使羊绒纤维具有天然的拒水性，难以润湿。在羊绒低温染色中，由于 表面活性剂的特殊作用，将始染温度降至室温，使上染区间向低温区扩展，以拉 开上染量分布，使染料在不同温度区间的上染量均衡分布，并使上染区间加大， 在较低温度就有较高的上染量，从而达到低温染色的目的。 2 7 所选低温助剂应具有的功能 要实现山羊绒纤维的低温染色，改变山羊绒的表面性能和水的结构，设法增 大染料同山羊绒的亲和力，促进染料被山羊绒吸附。解除阻挡染料扩散进入到纤 维内部的壁障，使山羊绒纤维微结构变得松弛，尽量加速山羊绒纤维与染料的反 天津工业大学硕士学位论文 应。所以，所选的低温助剂应具有以下几点功能旧1 ： 低温助剂应具有较高的降低表面张力的效率和降低表面张力的效能，以便 使水容易润湿羊绒表面，使溶液中的化学助剂容易靠近羊绒或被羊绒吸附； 低温助剂应有较好的净洗、乳化作用，以去除山羊绒表面的油脂、污垢， 使染料和助剂更均匀的接触山羊绒纤维表面； 对染料有足够的解聚作用，以便染料向纤维内部扩散； 对羊绒纤维和染料有适宜的亲和力，以利于携带染料被羊绒大量的快速吸 附； 有足够的匀染作用，虽能加速染色过程的进行，但不得造成染色色花； 有很好的稳定性，温度变化时使用性能不恶化；和染浴中所用的其他化学 助剂有很好的相容性。 第三章实验部分 3 1 材料 第三章实验部分 鄂尔多斯羊绒集团生产的无毛绒，2 6 s 2 羊绒纱及织物。 3 2 仪器与设备 表3 - i 实验用仪器 活性红b 活性红2 g 活性红红6 g 活性黄4 g 阿白格b 硫酸铵 冰醋酸 低温助剂t d - p 低温助剂l t 低温助剂n t 低温助剂x g 无水碳酸钠 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 亨斯迈公司 亨斯迈公司 亨斯迈公司 亨斯迈公司 亨斯迈公司 天津市永大化学试剂开发中心 天津市北方天医化学试剂厂 技术中心自制低温助剂 科莱恩公司 拜耳公司 北京海天公司 天津市科密欧化学试剂开发中心 1 3 天津丁业大学硕士学位论文 3 4 实验方法 3 4 1 低温助剂种类的确定 染色处方： 染料 阿白格b 硫酸铵 低温助剂 p h 值( 醋酸调) 浴比 2 o w f 1 o w f 2 o w f 1 o w f 4 - - 4 5 1 ：3 0 第三章实验部分 染色工艺： 调 8 0 6 0 r a i n 1 0 1 0 5 弋入染 图2 - 2 低温染色的染色工艺曲线 低温助剂用量分别为：0 、1 、3 、5 ，其他染色条件相同，不同的染料分 别低温( 8 0 ) 染色，测试指标为上染百分率和k s 值，确定低温助剂最佳用 量。 3 4 3 山羊绒的常规染色 染色处方： 染料 2 o w f 硫酸铵 2 o w f 阿白格b 1 o w f 醋酸调p h 值为4 , - - - , 4 5 浴比 l ：3 0 染色工艺： 入染 图2 - 3山羊绒常规染色的工艺曲线 1 5 天津工业大学硕士学位论文 3 4 4 低温染色温度确定实验 染色处方： 染料2 o w f 阿白格b1 o w f 硫酸铵 2 o w f 低温助剂 1 o w f 醋酸调p h 值4 - 4 5 浴比 1 ：3 0 染色温度t 分别为：6 0 c 、7 0 、8 0 、9 0 。 染色工艺： 第三章实验部分 关系。根据待测染料溶液的大概浓度，配制一系列浓度不等的标准溶液，使其浓 度范围覆盖待测溶液的浓度。然后分别测得这些标液的吸光度，并作吸光度对染 液浓度的关系图怕5 1 。 配制标准染液质量浓度为0 4 9 l ，分别移取l m l ，2 m l ，3 m l ，4 m l ，5 m l ， 6 m | ，7 m l ，8 m l ，转移到另外8 个2 5 m l 容量瓶中，用蒸馏水定容至刻度线，摇 匀，待测其吸光度。在配好的染料溶液中，取中间浓度( 4 m 1 ) 的一个，测出该染 料的最大吸收波长) 。m a x 。并在此波长下，分别测定上述配好的已知质量浓度染 液的吸光度，用染料质量浓度为横坐标，以吸光度为纵坐标，制作标准曲线。 3 5 2 山羊绒低温助剂染色动力学研究 l 、染色速率曲线实验具体参数如下： ( 1 ) 纤维质量为0 2 9 ，浴比1 0 0 0 ：1 。 ( 2 ) 配制1 4 份如下染色( 1 # - - 1 4 # ) ：取0 4 9 l 的标准染液体积为2 5 m l ， 加入染色助剂，补充蒸馏水使染液体积至2 0 0 m l 。 ( 3 ) 1 # - - - , 1 4 # 染色时间分别为：1 、3 、5 、7 、1 0 、1 2 、1 5 、2 0 、3 0 、4 5 、6 0 、 7 5 、9 0 、1 2 0 m i n 。 2 、染色步骤 配制好染液，加热到6 0 、7 0 c 、8 0 、9 0 c 、1 0 0 ，而后放入称量好的 纤维，开时计时，根据( 3 ) 中要求的时间依次拿出对应染杯，取出并清洗其中 纤维试样，将清洗液倒入残液，而后定容至2 5 0 m l 。最后分别测其吸光度，并计 算上染百分率，绘出上染速率曲线，求出扩散系数、半染时间。 3 5 3 山羊绒低温助剂染色热力学研究 取0 4 9 l 标准染液分别为l 、2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 、9 、l o m l 放入1 0 只 染杯中，加染色助剂使染液体积为2 0 0 m l ，得到1 0 种不同质量浓度的染液，将 染液预热至6 0 c ，快速投入纤维( 纤维质量为0 2 9 ，这样染色浴比为1 0 0 0 ：1 ) ， 并将染杯放入已经升温到6 0 c 的恒温水浴锅中，以2 c m i n 升温至规定温度， 保持染色温度对织物染色5 h m l 。 分别在7 0 和9 0 染色，染色后，取出并清洗其中纤维试样，将清洗液倒 入残液，而后定容至2 5 0 m l ，最后分别测其吸光度绘出吸附等温线，计算染色亲 1 7 天津工业大学硕士学位论文 和力、染色热和染色熵。 3 5 4 实验中表征山羊绒染色性能的指标 1 、上染百分率 采用残液法在s p e c t r o p h o t o m e t e r v i s 一7 2 3 型可见分光光度计上进行测定。 上染百分率( 呦“l - 篆) 1 0 0 其中：a ，、a o 分别为残液、原液的吸光度值； g 、g 分别为残液、原液的稀释倍数。 2 、k s 值 使用d a t a c o l o rs f 6 0 0 计算机测配色仪测试，分别测定羊绒的k s 值，比较水 洗后的染色深度，得到山羊绒织物染色的上染率相对大小。 3 、皂洗牢度 皂片2 9 l ，纯碱2 9 l ，温度8 0 。c ，时间2 0 m i n ，浴比1 ：2 0 。采用国标g b2 5 1 - 8 4 对贴衬织物进行沾色评定：采用国标g b 2 5 0 - 8 4 对羊毛织物进行变色评定b 。 4 、摩擦牢度 参考国标g b 3 9 2 0 8 3 对羊毛织物进行干摩、湿摩。用标准沾色灰卡评定标 准摩擦白布的沾色程度，采用国标6 8 2 5 1 - 8 4 对摩擦用布进行沾色评级啪1 。 5 、上染速率曲线 上染速率通常以纤维上染料浓度对时间的变化率来表示，或者以达到一定上 染百分率所需的时间来表示。上染百分率表示吸附在纤维上的染料量占投入染料 总量的百分率。在恒温条件下进行染色，以纤维上染料浓度或上染率为纵坐标， 染色时间为横坐标作图，所得曲线称为上染速率曲线，是染色动力学的基础旧1 。 染色速率还可以用半染时间来表示。半染时间是达到平衡吸附量一半所需要 的时间，它标志着上染走向平衡的速率。对某一纤维来说，r 是常数。从充分搅 拌、无限染浴条件下上染所得扩散关系式可以知道，半染时间与扩散系数d 成 反比，与纤维半径d 的平方成正比。在充分搅拌的无限染浴上染的情况下，染液 中染料到达纤维表面的速率足以使纤维表面染料浓度保持恒定。染料的继续上染 有赖于表面染料向纤维内部不断的扩散1 。 但是在有限染浴条件下，情况便有所不同。在有限染浴中上染半染时间t 不 是常数，它和扩散系数的关系随平衡上染百分率高低而不同。其它条件相同，平 衡上染百分率越高，半染时间越短。 1 8 第三章实验部分 6 、吸附等温线 在恒定温度下，将染色达到平衡时纤维上的染料浓度对染液中的染料浓度作 图，可得到所谓吸附等温线，这是染色热力学的基础。表达染料在一定温度下对 纤维的上染能力h 。 染料从染液上染纤维也会引起物系状态数发生变化，即会引起物系的熵发生 变化。所谓染色熵是指无限小量的染料从标准状态的染液中转移到标准状态的纤 维上，每摩尔染料转移所引起的物系熵变。染色熵为正值，表示染料上染纤维引 起物系紊乱度增大，反之为负值，表示染料上染纤维引起物系紊乱度减小。 7 、热力学计算公式 亲和力计算公式： 却震r i n 糙= 震丁i n 墨( 1 ) 式中：脚广一染料在纤维上的浓度( g k g ) 脚- 染料在溶液中的浓度( g 1 ) 卜纤维的含水量( l ) 染色热计算公式： 染色熵计算公式： 船= 型学 ( 2 ) 却= 厶日一磁s ( 3 ) 8 、扩散系数 希尔公式： 。王“ + 墨精l 击。一耐+ 上3 0 4 7f 。+ 由一一“+ 击t “粼 卜扩散系数( # 0 m d 。lx1 0 m ) ；t 一染色时间；q 一纤维半径 因为m 。和m 。实际上是相同重量纤维上的染着量，所以m t m 。= c t c 。 根据m 。m 。与d t q2 的对应表格可求出d r q2 的值。羊绒半径取7 5 微米。 而时间又是已知的，可以求出扩散系数d 。 1 9 天津工业大学硕士学位论文 表3 - 3m t m o o 与d r q2 的对应值 托m 。 产 m i ，融 锹t 产m t ，酗1 ) t ，声 肘。m 阻， ( l o )( x 1 0 。)( x 1 0 )( xm 一( x l o 2 )x 伦2 )( x l o 五)( x 1 0 。2 ) o0 2 6i 4 8 65 i6 。5 9 27 7 1 9 0 7 lo 1 卯5 2 了 1 6 l l5 2 6 。9 a 27 8 1 9 8 3 20 7 9 1 62 81 7 4 25 37 2 2 27 92 0 6 3 3l 。7 鹋2 9l 。8 7 85 47 5 5 38 02 1 4 7