染色基本原理

染色基本原理第1页，共82页，2023年，2月20日，星期五本章要求掌握的内容1、染色的概念2、双电层的概念3、亲和力的概念4、染色速率的概念5、上染速率曲线6、中性电解质对染色的作用7、匀染的概念第2页，共82页，2023年，2月20日，星期五第一节染色的概念染色的概念上染过程的几个阶段第3页，共82页，2023年，2月20日，星期五染色的概念染色是指染料从染液中自动地转移到纤维上，并在纤维上形成均匀、坚牢、鲜艳色泽的过程。主要指标染色色泽的均匀性染色牢度鲜艳度第4页，共82页，2023年，2月20日，星期五染色均匀性的概念即：色泽均匀性指染料在纤维上的分布的均匀程度染料在纤维上分布越均匀，染色均匀性越好否则，将会出现色差或色花第5页，共82页，2023年，2月20日，星期五染色色牢度的概念即：色泽坚牢度指染料在纤维上固着力和稳定性的大小染料在纤维上固着力和稳定性越大，染色色牢度越高否则，将会出现褪色或变色第6页，共82页，2023年，2月20日，星期五色泽鲜艳度的概念即：色泽的饱合度或纯度指色泽中染料光谱色含量的大小色泽中染料光谱色含量越大，色泽越鲜艳否则，色泽萎暗第7页，共82页，2023年，2月20日，星期五第二节染料在染液中存在的基本形式染料的电离染料的溶解染料的分散染料的聚集第8页，共82页，2023年，2月20日，星期五概述染色是以水为介质的染液中进行的，所以染色前必须先将染料配制成染液。配制染液的过程较为复杂，不同结构的染料发生不同的变化，包括：染料的电离染料的溶解染料的分散染料的聚集第9页，共82页，2023年，2月20日，星期五一、染料的电离离子型染料在水溶液中会发生电离，从而使染料母体带上电荷阴离子型染料电离后，母体带上负电荷直接染料、活性染料、酸性染料、可溶性还原染料属于此类D上的阴离子基团通常为磺酸基（—SO3-）、硫酸酯基（—OSO3-

）、羧基（—COO-

）等第10页，共82页，2023年，2月20日，星期五一、染料的电离阳离子型染料电离后，母体带上正电荷阳离子染料属于此类D上的阳离子基团通常为季铵离子（—N+HR1R2）X一般为氯离子（Cl-）第11页，共82页，2023年，2月20日，星期五二、染料的溶解概念当染料投入水中，染料晶体结构因受水分子的极性作用而遭到破坏，染料能以单分子态与水化合而均匀地分布在水中，称为染料的溶解。该体系称为染料溶液。一般是澄清、透明的体系。染料的溶解度一般用每升水中所溶解染料的克数表示（g/L）。第12页，共82页，2023年，2月20日，星期五二、染料的溶解影响染料溶解度的因素染料结构：离子型染料溶解度高，分子型染料溶解度低相对分子质量大小：大，溶解度低PH值：利于电离，则利于溶解温度：T提高，利于溶解加入助剂尿素、表面活性剂等助溶剂，使溶解度提高中性电解质，使溶解度降低第13页，共82页，2023年，2月20日，星期五三、染料的分散概念当染料投入水中，染料晶体结构不能受水分子的极性作用而遭到破坏，染料只能以晶体态的形式均匀地分布在水中，称为染料的分散。该体系称为染料分散液或染料悬浮液。一般是混浊、不透明的体系。染料的分散必须在分散剂的作用下才能进行，否则会因染料的重力而产生染料的沉降，使体系分层。第14页，共82页，2023年，2月20日，星期五三、染料的分散影响分散液（悬浮液）稳定性因素粒子细化：<2μm越小，越稳定分散剂的性质及用量：分散作用强，用量大，稳定分散液的温度：低，稳定要及时配制第15页，共82页，2023年，2月20日，星期五四、染料的聚集概念电离后的单离子染料或溶解后的单分子染料又可能聚集在一起，形成染料和聚集态，这一过程称为染料的聚集。染料的聚集是染料溶解的逆过程。分子型染料nDDn

阴离子型染料nD-Dnn-

阳离子型染料nD+Dnn+第16页，共82页，2023年，2月20日，星期五四、染料的聚集影响聚集的因素凡是不利于染料溶解的就利于染料的聚集控制染料的聚集对染料上染极为重要第17页，共82页，2023年，2月20日，星期五第三节纤维在染液中的状态一、纤维的吸湿和溶胀二、纤维在染液中的电现象及其对染色的影响第18页，共82页，2023年，2月20日，星期五概述纤维投入染液后，形态、性质发生变化对染色影响最大的是纤维在染液中的吸湿溶胀纤维在染液中的电现象第19页，共82页，2023年，2月20日，星期五一、纤维的吸湿和溶胀特点:发生在无定形区溶胀异向性各种纤维结构不同，吸湿溶胀性不同吸湿性好，溶胀大，孔隙大，利于染色染色前通常对纤维进行温水浸渍或汽蒸处理第20页，共82页，2023年，2月20日，星期五一、纤维的吸湿和溶胀发生在无定形区第21页，共82页，2023年，2月20日，星期五一、纤维的吸湿和溶胀溶胀异向性第22页，共82页，2023年，2月20日，星期五常用纤维在水中的吸湿膨胀率纤维横向溶胀（％）纵向溶胀（％）直径面积棉20~2340~421.1麻20~21400.37粘胶纤维3565~672.7~7羊毛14.825~261.2~2蚕丝16.3~18.7191.3~1.6锦纶1.9~2.61.6~3.22.7~6.9第23页，共82页，2023年，2月20日，星期五一、纤维的吸湿和溶胀纤维结构不同，吸湿溶胀性不同第24页，共82页，2023年，2月20日，星期五常用纺织纤维的回潮率纤维回潮率(%)20℃,65%RH20℃,95%RH棉7.524~27麻7~1023~31羊毛1622蚕丝9~1036~39粘胶纤维12~1425~30涤纶0.4~0.50.6~0.7腈纶1.2~2.01.5~3.0锦纶3.5~58~9维纶4.5~510~12第25页，共82页，2023年，2月20日，星期五二、纤维在水溶液中的电现象（一）纤维在染液中带电的原因纤维与染液接触时，在纤维表面通常会带有一定量的电荷。在中性或碱性条件下，纤维表面一般带负电荷。原因：纤维中羧基、磺酸基等或纤维氧化生成的羧基发生电离纤维在染液中吸附带负电的粒子，如OH-纤维的介电常数<染液的介电常数第26页，共82页，2023年，2月20日，星期五（一）纤维在染液中带电的原因两性纤维所带电荷与当液PH值有关PH>等电点，纤维带负电荷PH<等电点，纤维带正电荷PH=等电点，纤维呈电中性第27页，共82页，2023年，2月20日，星期五（二）界面动电现象和动电层电位1、染液中带电离子所受的力纤维表面电荷的静电作用力电性相反时，为引力电性相同时，为斥力自身运动和染色时搅拌的作用使带电离子均匀分布第28页，共82页，2023年，2月20日，星期五（二）界面动电现象和动电层电位作用结果：带有与纤维表面电荷电性相反的离子，其浓度随着与纤维表面的距离增加而逐渐降低，直到和染液深处一样带有与纤维表面电荷电性相同的离子，其浓度随着与纤维表面的距离增加而逐渐提高，直到和染液深处一样第29页，共82页，2023年，2月20日，星期五（二）界面动电现象和动电层电位2、双电层electricaldoublelayer当纤维与溶液接触时，纤维表面带有负电荷，由于电荷的作用以及为了整个体系保持中性，在纤维表面附近的溶液内聚集着与表面电荷相反的离子（反离子），形成双电层。第30页，共82页，2023年，2月20日，星期五（二）界面动电现象和动电层电位2、双电层electricaldoublelayer纤维表面能强烈地吸附部分带有与纤维表面电荷电性相反的离子，形成所谓的吸附层或固定层。当在外力作用下，纤维和染液发生相对运动时，吸附层一般与纤维表面不发生相对位移。吸附层以外部分称为扩散层。当纤维和染液发生相对运动时，扩散层与纤维（或吸附层）发生相对位移。总之，纤维对外部相反离子的吸附形成了两层，这就是界面双电层。第31页，共82页，2023年，2月20日，星期五（二）界面动电现象和动电层电位第32页，共82页，2023年，2月20日，星期五（二）界面动电现象和动电层电位3、界面动电现象和动电层电位在外力作用下，扩散层和吸附层之间相对运动的现象称为界面动电现象。扩散层和吸附层之间形成的双电层又称为动电层。吸附层表面与染液深处间的电位差称为动电层电位，或称ξ电位。第33页，共82页，2023年，2月20日，星期五常见纤维的动电层电位纤维动电层电位（mV）纤维动电层电位（mV）棉-40~-50涤纶-95羊毛-40腈纶-81蚕丝-20维纶-114~-125锦纶6-59~-66丙纶-140~-150第34页，共82页，2023年，2月20日，星期五（三）纤维的电现象对染料上染的影响亲和力：染料与纤维间存在的吸引力。亲和力=染料与纤维间的分子间力+静电力力大小与作用距离有关分子间力与分子间距离的六次方成反比静电力与分子间距离的平方成反比亲和力越大，表示染料从溶液向纤维移动的趋势越大，即推动力大，故可用来判断染料的上染能力。引力或斥力引力第35页，共82页，2023年，2月20日，星期五（三）纤维的电现象对染料上染的影响第36页，共82页，2023年，2月20日，星期五（三）纤维的电现象对染料上染的影响结论:当染料与纤维带有同号电荷时，不利于染料的上染；当染料与纤维带有异号电荷时，有利于染料的上染。第37页，共82页，2023年，2月20日，星期五（四）染色体系中的盐效应1、盐效应作用原理概念盐效应是指在染色过程中加入中性电解质后对染料上染（上染速率、上染百分率等）的影响分类促染效应：加速染料上染缓染效应：延缓染料上染第38页，共82页，2023年，2月20日，星期五（四）染色体系中的盐效应常用：元明粉（硫酸钠）或食盐（氯化钠）促染效应：染料与纤维带有同号电荷，提高上染速率，提高上染率。如：直接染料染棉。缓染效应：染料与纤维带有异号电荷，降低染料的上染速率，提高匀染性。如强酸性染料染羊毛，阳离子染料染腈纶等。影响因素染料结构：染料所带电荷与质量之比越大，盐效应明显.盐的种类：促染效果Na+<K+<Mg2+<Ni2+<Mn2+<Zn2+<Al3+第39页，共82页，2023年，2月20日，星期五（四）染色体系中的盐效应2、盐效应的影响因素染料结构染料所带电荷与质量之比越大，盐效应明显染料结构中所含电性基团的数目越多，盐效应明显盐的种类取决于金属离子的化合价和离子半径的大小促染效果：

Na+<K+<Mg2+<Ni2+<Mn2+<Zn2+<Al3+第40页，共82页，2023年，2月20日，星期五一、中性电解质第41页，共82页，2023年，2月20日，星期五第四节染色的基本过程第42页，共82页，2023年，2月20日，星期五上染过程的几个阶段1、染料的吸附染料从染液中转移到纤维表面的过程2、染料的扩散吸附在纤维表面的染料向纤维内部转移，直至染色平衡或基本平衡3、染料的固色染料在纤维内固着第43页，共82页，2023年，2月20日，星期五第44页，共82页，2023年，2月20日，星期五一、染料的吸附染料的吸附：染料从染液中转移到纤维表面的过程。当纤维投入染液中后，由于染料与纤维间存在着亲合力，所以染料便很快地被吸附到纤维的表面，从而使纤维表面的染料浓度提高。吸附解吸当染料的吸附与解吸速率相等，染液和纤维上的染料浓度不在发生变化，即达到平衡状态。第45页，共82页，2023年，2月20日，星期五一、染料的吸附染料的吸附阶段是染色过程中的重要阶段，它对染色平衡时的上染百分率起重要意义。染色平衡：当染色达到一定程度时，染料的吸附与解吸速率相等，染液和纤维上的染料浓度不在发生变化，即达到上染平衡状态。（三个阶段同时达到平衡）染液中的染料与纤维表面染料的平衡纤维表面与纤维中心部分的平衡第46页，共82页，2023年，2月20日，星期五（一）平衡上染百分率和上染百分率平衡上染百分率A∞是指染色达到平衡时，纤维上的染料量占投入染浴中染料总量的百分数。式中：A∞——染色平衡时上染百分率

Df∞——染色平衡时纤维上的染料量

Ds∞——染色平衡时残留在染液中的染料量

DT——染色时投入染浴中的染料总量第47页，共82页，2023年，2月20日，星期五（一）平衡上染百分率和上染百分率平衡上染百分率是染色限度的指标也用直接性来表示染色平衡时的上染百分率，即直接性越大，表示上染百分率越高当纤维和染料一定时，平衡上染百分率仅与温度有关T↑，平衡上染百分率↓∵染色是放热反应第48页，共82页，2023年，2月20日，星期五（一）平衡上染百分率和上染百分率上染百分率At是指染色结束时，上染到纤维上的染料量占投入染液中染料总量的百分数。式中：At——染色上染百分率

Dft——染色至某一时间时纤维上的染料量

Dst——染色至某一时间时残留在染液中的染料量

DT——染色时投入染液中的染料总量第49页，共82页，2023年，2月20日，星期五（一）平衡上染百分率和上染百分率影响上染百分率的因素染料与纤维的性能、染色温度染料相对分子质量小，染色速率大，在规定的时间内能达到染色平衡，T↑，上染百分率↓染料相对分子质量大，染色速率小，在规定的时间内不能达到染色平衡，T↑，上染百分率↑第50页，共82页，2023年，2月20日，星期五（一）平衡上染百分率和上染百分率影响上染百分率的因素浴比浴比大，染色残液中的染料量大，上染百分率↓染料浓度达一定值时，C↑，上染百分率↓染液中的助剂种类和用量加促染剂，上染百分率↑加缓染剂，上染百分率↓

第51页，共82页，2023年，2月20日，星期五（二）吸附等温线吸附等温线：恒定条件下，染色达到平衡时，纤维上的染料浓度与染料在染液中浓度的分配关系曲线。分类分配型吸附等温线弗莱因德利胥吸附等温线郎格谬尔吸附等温线第52页，共82页，2023年，2月20日，星期五1、分配型吸附等温线能斯忒(Nernst)型或亨利(Henry)型吸附等温线完全符合分配定律特点：在染色平衡状态下，染料在纤维上的浓度与染料在染液中的浓度之比为一常数，纤维上的染料浓度随着染液浓度的增加成比例增加，直到饱和为止。

第53页，共82页，2023年，2月20日，星期五1、分配型吸附等温线[D]f——染色平衡时，纤维上的染料浓度，mol/kg；[D]s——染色平衡时，染液中的染料浓度，mol/L；

K——比例常数，或称分配系数以[D]f为纵坐标，以[D]s为横坐标作图，可得到一条斜率为K的直线。如图中曲线1。第54页，共82页，2023年，2月20日，星期五1、分配型吸附等温线非离子型染料以范德华力、氢键被纤维吸附固着符合这种等温线如：分散染料染涤纶、锦纶合成纤维对染料的吸附基本上属于这种吸附第55页，共82页，2023年，2月20日，星期五2、弗莱因德利胥(Freundlich)吸附等温线[D]f=K[D]sn式中：K——常数

n——常数将[D]f对[D]s作图，可得弗莱因德利胥吸附等温线，如图中曲线2。第56页，共82页，2023年，2月20日，星期五2、弗莱因德利胥(Freundlich)吸附等温线特点：纤维上染料度[D]f随染液中染料浓度[D]s增加而不断增加，但增加速率越来越慢。离子型染料以范德华力、氢键被纤维吸附固着且染液中有其他电解质存在时符合这种等温线如：直接染料、还原染料隐色体染纤维素纤维第57页，共82页，2023年，2月20日，星期五3、郎格谬尔(Langmuir)型吸附等温线式中：K——常数

[S]f——染料对纤维的染色饱合值将[D]f对[D]s作图，可得郎格谬尔吸附等温线，如图中曲线3。第58页，共82页，2023年，2月20日，星期五3、郎格谬尔(Langmuir)型吸附等温线特点：[D]s增加时，[D]f随之缓慢增加，但[D]s当增大到一定值时，[D]f不再随[D]s增加而变化，即达到染色饱合值。离子型染料以离子键被纤维定位吸附固着时符合这种等温线如：强酸性染料染羊毛、阳离子染料染腈纶染色饱和值：纤维上的染料浓度不再随染液中的染料浓度增加而增加，此时纤维上的染料浓度成为染色饱和值。第59页，共82页，2023年，2月20日，星期五二、染料的扩散染料的扩散指染料由纤维表面向纤维内部转移的过程。由于染料在纤维表面的吸附，使纤维表面染料浓度提高，从而造成纤维里表间的染料浓度差。在此浓度差的推动下，染料渐渐地向纤维内部扩散，最终使染料在纤维上里表分岂有此理均匀，达到染匀、染透的目的。染料在纤维上的扩散对染色速率及染色匀染性起着决定性的作用。扩散速率高，染透纤维所需时间短，易获得均匀效果。第60页，共82页，2023年，2月20日，星期五（一）染色速率染色速率在染色过程中，通常用上染速率或染色速率来表示上染或染色的快慢。通常用半染时间t1/2来衡量。半染时间t1/2染色过程中，染料的上染量达到平衡上染量一半时所需的染色时间称为半染时间，以t1/2表示。它标志着上染走向平衡的一个常用速率指标。t1/2越小，则染色速率越大，染色越快。拼色时，选用半染时间相近或上染速率曲线相近的染料容易染得前后一致的颜色。纤维上的染料浓度对上染时间的变化率。第61页，共82页，2023年，2月20日，星期五（一）染色速率上染速率曲线在恒温条件下染色，通过测定不同染色时间下染料的上染百分率，以上染百分率为纵坐标，染色时间为横坐标作图，所得曲线称为上染速率曲线。它反映了染色趋向平衡的速率和染色平衡上染百分率。第62页，共82页，2023年，2月20日，星期五（一）染色速率上染速率曲线第63页，共82页，2023年，2月20日，星期五（一）染色速率影响染色速率的因素染料结构：结构简单，相对分子质量小，染料扩散性好，染色速率大纤维结构疏松，无定形区大，吸湿膨化性好，利于染料扩散，染色速率大温度高，染料动能大，纤维膨化度大，利于染料扩散，染色速率大第64页，共82页，2023年，2月20日，星期五（一）染色速率影响染色速率的因素（续）浓度大，纤维表里染料浓度差异大，利于染料扩散，染色速率大染液与纤维间的相对运动剧烈，纤维表面吸附层薄，利于染料扩散，染色速率大助剂促染剂：染色速率大缓染剂：染色速率小第65页，共82页，2023年，2月20日，星期五（二）匀染和移染初染率：染色初期的百分率（或上染速率）匀染：是指染料在纤维上均匀分布的过程。包括染料在纤维表面上的均匀分布和染料在纤维内部的均匀分布。染料在纤维内的分布色差或色花：在表面分布不匀纤维环染：内部分布不匀白芯：内部分布不匀影响染品的耐摩擦牢度和耐洗牢度匀染透染第66页，共82页，2023年，2月20日，星期五（二）匀染和移染染料的匀染性与染料扩散性有着密切的关系染料扩散性越好，染料的匀染性越好有利于提高染料扩散性的因素均有利于染料的匀染。移染是指染料从纤维上某处解吸下来到纤维另一处重新上染的过程。一般需较长时间，作为匀染的辅助手段当染料分子质量较大，染料与纤维间结合力较大时，移染效果将大大降低。第67页，共82页，2023年，2月20日，星期五造成染色不匀的因素被染物本身不均匀前处理染料染料的上染速率染色方法浸染：初染速率不能太快，搅拌轧染：浸轧要均匀，无接触烘干第68页，共82页，2023年，2月20日，星期五三、染料的固着染料的固着是指扩散后均匀分布在纤维上的染料通过染料-纤维间的作用力而固着在纤维上的过程。染料-纤维间的作用力化学力：共价键和离子键物理力：范德华力、氢键和聚集性其类型和大小对染色的牢度起着决定性作用第69页，共82页，2023年，2月20日，星期五第五节染色牢度及其测定一、染色牢度二、常见染色牢度及其测定第70页，共82页，2023年，2月20日，星期五一、染色牢度概念指染色产品在后加工使用或服用过程中，染料（颜料）在各种外界因素的影响下，能否保持原来色泽状态的能力。是衡量染色产品质量的重要指标之一。引起褪色或变色的外界因素后续加工过程中的酸、碱、氧化剂、还原剂等服用过程中的日晒、洗涤、摩擦、汗渍、熨烫等染色牢度主要包括：耐洗牢度、耐摩擦牢度、耐日晒牢度、耐汗渍牢度、耐熨烫牢度等第71页，共82页，2023年，2月20日，星期五一、染色牢度对染色牢度的要求：不同用途的纺织品要求不同衬里布：耐摩擦牢度窗帘：耐日晒牢度服装：耐日晒牢度、耐洗牢度耐、摩擦牢度第72页，共82页，2023年，2月20日，星期五一、染色牢度影响染色牢度的因素染料的结构纤维的性质染料在纤维上的物理状态：分散、聚集、结晶染料与纤维的结合情况染料的浓度染色方法染色工艺条件ISO制定了一套色牢度的测试方法和染色牢度标准，我国也有相应的国家标准。第73页，共82页，2023年，2月20日，星期五二、常见染色牢度及其测定种类很多，主要介绍以下几种：耐洗牢度耐摩擦牢度耐日晒牢度第74页，共82页，2023年，2月20日，星期五1、耐洗牢度及其测定耐洗牢度指染品在皂洗过程中保持不褪色、不变色的能力包括原样褪色及白布沾色两项指标原样褪色：指染品在皂洗前后色泽的变化白布沾色：指与染品同时皂洗的白布因染品的褪色而沾染的情况。耐洗牢度的测定方法按《