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活性染料对纤维素纤维染色工艺的研究摘要：通过对纤维素纤维特征性能的探讨、和对活性染料的发展历史以及活性染料染色过程和固色原理，还有对活性染料的应用工艺的研究。可以明确活性染料是一种性价比最高的纤维素用染料，是取代禁用染料和其他类型纤维素纤维用染料的最佳选择之一。关键词：活性染料、纤维素纤维、应用工艺 1.前言纤维素纤维是一类重要的纺织原料，分为天然纤维素纤维和再生纤维素纤维。天然纤维素纤维以棉为主，还有苎麻、亚麻、黄麻和竹纤维等。再生纤维素纤维有粘胶纤维，Lyocel（Tencel）纤维和莫代尔（Modal）纤维等。纤维素纤维具有吸湿、透气、穿着舒适等优点，特别适合制作服装面料，将纤维素纤维与其他纤维混纺，可得到许多风格各异、性能独特的面料。早期纤维素纤维染色主要使用直接染料、还原染料、硫化染料和碱性染料。活性染料问世后，受到普遍欢迎，用量逐年扩大。活性染料靠共价键与被染纤维结合，具有色光鲜艳、色谱齐全、染色工艺简单、色牢度优良等特点，被广泛应用于纤维素纤维的染色。目前，活性染料的产量仅次于分散染料，占据合成染料的第二位。据初步统计，在染料索引（ColourIndex）中，活性染料有索引号1055个，国外正在生产的产品为3400个，国内生产的牌号为189个。目前，直接染料、还原染料、硫化染料和碱性染料的发展处在停滞不前或萎缩状态。1.1.1纤维素大分子的分子结构纤维素是一种多糖物质，其大分子主要是由很多葡萄糖剩基连接起来的，分子式可写成（C6H10O5）n。由于大分子具有多分散性，实际上纤维素是一个复杂的混合物，式中n为聚合度。纤维素分子中的葡萄糖剩基（不包括两端）上有3个自由存在的羧基，其中2位，3位上有两个仲羧基，6位上是一个伯羧基，他们具有一般醇的特性。在两端的葡萄糖剩基上有4个自由存在的羧基，实际上在右端的剩基中含有一个潜在的醛基，使得纤维素有还原性，但由于醛基数量少，还原性不显著。纤维素的还原性会随着其相对分子质量的变小而逐渐明显。1.1.2纤维素纤维的主要物理机械性能1. 纤维素纤维的断裂强度和断裂伸张率纤维的断裂强度是指纤维在拉伸至断裂时所能承受的最大外力。纤维在外力作用下将产生伸长，且随拉力作用时间的延长，纤维不断伸长，直至断裂。纤维断裂时的长度与原长之差称为断裂伸长。断裂伸长与纤维原长之比称为断裂伸长率。2. 纤维素纤维的初始模量初始模量是指材料所受应力与其相应形变之比。初始模量可表示纤维在外力作用下变形的难易程度。初始模量大，纤维不易变形，织物具有抗皱性和挺括性；反之，则表现为柔性。3. 纤维素纤维的应力应变曲线将纤维随着应力的增大逐渐发生应变的情况绘成曲线，即为应力应变曲线，又称纤维的负荷延伸曲线，由实验值绘得。利用各种纤维的应力应变曲线可求出纤维的断裂强度，断裂伸长率及模量等反映纤维性能的重要数据，还可直接看出纤维的刚柔情况。4. 纤维素纤维的断裂机理与纤维超分子结构的关系一般来说，纤维在外力作用下发生断裂，是因为外力破坏了分子内的共价键或分子间力的结果。对纤维来说，无论是共价键还是分子间力，都与大分子链的长度和取向度有关。大分子链越长，共价键和分子间力越大，其强度越高；大分子取向度越高，分子间力越大，纤维的强度也越大。纤维材料既有较高的长链结构，也有较高的取向度，它的断裂机理目前存在着两种解释：一种解释是纤维大分子链在受外力作用时，由于不能承受外力的作用而发生大分子链的断裂，从而导致纤维材料的断裂；另一种解释是纤维在受外力作用时，大分子间的作用力不足以抵抗外力的作用，使得大分子链间发生相对位移，甚至滑脱，从而导致纤维的断裂。5. 纤维素纤维的弹性纤维的弹性就是纤维从形变中回复原状的能力，它是纤维主要的物理机械性能之一。弹性高的纤维组成的织物外观比较挺括，不易起皱，如毛织物。另外，纤维的弹性对纺织品的耐穿，耐用性能也有重要的影响。1.1.3纤维素纤维的主要化学性质1. 纤维素纤维的吸湿和溶胀纤维素纤维的吸湿性和溶胀及其吸湿性的影响因素。2. 碱对纤维素的作用纤维素对碱的稳定性以及浓碱对纤维素的作用。3. 纤维素与酸的作用酸对纤维素分子中的苷键水解起催化作用，导致纤维素大分子聚合度降低，使纤维素受到损伤。酸的性质，浓度，水解反应的温度，作用时间都是影响纤维素酸性水解。4. 纤维素与氧化剂的作用 氧化剂能是纤维素氧化，纤维素被氧化后成为氧化纤维素，使纤维受到损伤。因此，在生产中应用氧化剂对棉织物进行漂白时，必须严格控制工艺条件，以保证织物或纱线的应有强度。5. 光、热及微生物对纤维素的作用纤维素在日光和大气的作用下，发生氧化和裂解反应。纤维素的热稳定性较好，但当温度很高时，纤维素的稳定性下降。在酶的作用下，纤维素易发生水解，生成较简单的糖，所以细菌和霉菌的破坏都能使纤维的强度受到严重破坏。6. 纤维素酶对纤维素的作用纤维素酶作为一种高效生物催化剂，因其具有可降解性及织物能产生可控的整理而广泛应用于纺织行业。7. 纤维素纤维的化学改性纤维素纤维分子链中含有大量的羧基，可以和许多化合物作用，由此可对纤维素进行改性，使纤维素织物的性能在某些方面获得改善。1.2.活性染料的发展自从1956年活性染料问世以来，经过50年的迅速发展已逐步取代冰染染料、直接染料、硫化染料和还原染料，成为纤维素纤维(包括棉、人造丝、亚麻、铜胺纤维和纤维素短纤维布)印染的主要原料。活性染料具有染色方便、色泽鲜艳、色谱齐全、匀染性好、湿处理牢度优良等特点。而且结构上不含致癌芳香胺，因此活性染料是目前发展最快、应用最多的一种染料，主要应用于纤维素纤维的染色和印花加工。近年来不但合成了许多具有新的活性基团的染料，而且对染料的染色性能以及染色工艺也做了很大的改进，同时还发展了专供羊毛、聚酰胺纤维染色的活性染料。活性染料目前存在的主要问题是某些染料的耐晒牢度和耐氯漂牢度较差；有些染料的耐气候牢度较低，染物在贮存和使用过程中，暴露在空气中的一面易褪色，而与里层产生明显色差；有些染料的利用率不高等。总之，活性染料品种繁多，性能和牢度差别较大，应用时应根据染色产品的性质和用途加以选择。32活性染料染色原理2.1 活性染料活性染料是一类在化学结构上带有反应性基团的水溶性染料，该反应性基团通常称为活性基团。在染色过程中，染料结构上的活性基团能与纤维素纤维上的羧基、蛋白质纤维及聚酰胺纤维上的氨基等发生化学反应，形成共价键结合，使染料成为纤维大分子上的一部分，所以活性染料也成为反应性染料。活性染料的化学结构通式：SDBRe式中：D：染色发色体系或称染料母体（dye chramogen）B：连接基或称架桥基(bridge link)Re：活性基或称反应基(reactive group)S：水溶性基团(water solubiling group)染料母体是活性染料的发色部分，它决定了染料的色泽、鲜艳度、直接性、扩散性、日晒牢度等。有些染料的母体具有两个发色体系，同一染料的母体可与不同的活性基团相连接，成为不同类型的商品染料。活性基决定了染料的反应性及染料纤维结合键的稳定性，与固色率的高低也有很大关系。架桥基是联结染料母体与活性基团的基团，它影响染料的反应性和染料纤维共价结合键的稳定性。有些染料没有连接基，活性基与染料母体直接相连。活性染料母体和活性基团在化学结构上是一个整体，在性能上互相制约，成为活性染料不可分割的两个部分，结构中的某一部分发生变化都将导致染料的各种性能发生变化。水溶性基团是提供染料水溶性的基团，它决定了染料的水溶性能。常有的活性染料的种类有：国产的X型，即二氯均三嗪型；国产的K型，即一氯均三嗪型；乙烯砜基类活性染料，又称KN型；双活性基类活性染料如SDE型活性染料等。2.2 染色过程及固色机理活性染料的染色过程包括上染、固色和皂洗后处理三个阶段。活性染料染色时，染料首先通过范德华力和氢键吸附在纤维表面，并向纤维内部扩散，然后在碱性条件下，染料与纤维发生化学反应形成共价键结合而固着在纤维上，再通过皂洗将纤维上未与纤维反应的染料（包括水解染料）洗除，减少纤维表面浮色，提高其染色牢度和鲜艳度。活性染料的上染是指活性染料从染液中被吸附到纤维上，并在纤维上均匀扩散的过程。染料吸附到纤维表面后，在纤维内外形成一个浓度差，因而纤维表面的染料可以向纤维内部扩散。纤维中的染料分子分布在无定形区域，有的呈单分子状态吸附在纤维的分子链上，少量的染料分子也可能成多分子层吸附在纤维分子链上，有的则分布在纤维内孔道的溶液中。活性染料由于相对分子质量一般较小，且水溶性高，因此具有亲和力低、扩散性高、匀染性好、上染率较低、趋向上染平衡时间短等上染特点。活性染料的固色是在一定碱性和温度条件下，染料的活性基团与纤维发生反应形成共价键结合而固着在纤维上的过程。活性染料与纤维发生键合反应可以用多种方法来证明。若活性染料在中性溶液中染纤维素纤维，则大部分上染的染料可以用水洗除，若将此染物在碱性溶液中处理，则染物上的染料就不能用水洗除，说明经碱处理后染料与纤维的结合方式发生了变化。上染在纤维上的染料在固色时并不能全部与纤维发生反应，这部分染料包括水解染料、没有活性基的染料和虽有活性基但并没有与纤维反应的染料。这些染料会影响染色牢度和色泽的鲜艳度，特别是皂洗牢度，因此必须通过染色后处理加以去除。皂洗后处理是用洗涤剂或肥皂等将吸附在纤维上未与纤维结合的染料洗涤去除，以保证染色产品的染色牢度和鲜艳度。33 活性染料的应用工艺3.1 活性染料的应用分类（一）浸染 1.定义：织物或纤维浸在染液中，在一定温度、时间、碱剂等条件下，活性染料上染于棉纤维。浸染一般为间歇式生产。2.浸染工艺： 染料 纯碱：5-20g/l元明粉：5-50g/l染色温度：60-70 3.方式:a. 平幅棉布的卷染（在染缸中完成上染、固色、皂洗等过程。）b. 棉织物布及棉布的溢流染色(在溢流染色机中进行。）c. 棉绞纱染色（即散纱染色。在染缸中完成煮漂、上染、固色等过程。）d. 棉筒子纱染色（即整筒的纱线染色。在染缸中完成煮漂、上染、固色等过程。） （二）轧染1.定义：织物浸轧染液、烘干，在一定的温度、碱剂、时间等条件下汽蒸或焙烘，活性染料染着于棉纤维。轧染为连续生产，所以又称连续轧染。 2.方法及工艺参数a. 轧染焙法工艺流程：织物浸轧染液预烘烘干焙烘水洗皂洗水洗烘干染料组成（g/l):染料X工艺参数： 焙烘温度：150-160 焙烘时间：1.5-2min 尿素：10-50g/l 小苏打：10-40g/l 防泳移剂：0-10g/l 渗透剂：0-3g/l b.轧染汽蒸法 工艺流程：织物浸轧染液预烘烘干汽蒸固色水洗皂洗烘干 染液组成（g/l):染料X 碱液组成：食盐:200-250g/l尿素:10-50g/l纯碱:20-30g/l防泳移剂:0-10g/l烧碱:3-7g/l渗透剂:0-3g/l防染盐S:10g/l工艺参数：汽蒸温度：100-102汽蒸时间：1-1.5min （三）印花 1.定义：活性染料和碱剂、尿素、糊料等组成印花浆，印制到织物上，烘干，在一定的温度、时间等条件下汽蒸或焙烘，使活性染料染着于棉纤维，洗去浮色。 2.印花浆处方：活性染料X 工艺参数： 汽蒸温度：102-105 汽蒸时间：5-8min 尿素：5-12g/l 防染盐S:1g/l 小苏打:1-3g/l 6%海藻浆:40-60g/l 3.方式：a. 平网印花（工艺流程：织物平网印花烘干蒸化水洗皂洗水洗烘干）。速度慢，10-30米/分。b.圆网印花（工艺流程：织物圆网印花烘干蒸化水洗皂洗水洗烘干）。速度较快，30-60米/分。c.滚筒印花（工艺流程：织物滚筒印花烘干蒸化水洗皂洗水洗烘干）。速度快，50-90米/分。 4.方法：a. 直接印花：活性染料和碱剂、尿素、糊料等组成印花浆，印制到织物上、烘干，在一定的温度、时间等条件下汽蒸或焙烘，使活性染料染着于棉纤维，洗去浮色。b. 防染印花：（1）将防染剂、糊料等组成防印浆，印制到织物上、烘干，再通过轧染方法染色，有印花的地方活性染料因为防染剂的作用而不能染色，从而形成花形。（2）将防染剂、糊料等组成防印浆，印制到织物上，紧接着把活性染料和碱剂、尿素、糊料等组成的罩印浆直接罩印到织物上、烘干，在一定的温度、时间等条件下汽蒸或焙烘，使活性染料染着于棉纤维，而有防印浆地方罩印上去的活性染料不能上色，洗去浮色而形成花形。c. 拔染印花：在活性染料染色的织物上，把能破坏活性染料的还原剂、糊料等组成的拔印浆直接印制、烘干，在一定的温度、时间等条件下汽蒸或焙烘，使印花处的活性染料被破坏掉，洗去浮色而形成花形。3.2活性染料的染色工艺1.活性染料最常用的染色工艺是冷轧堆染色工艺。冷轧堆染色工艺是将织物浸轧染液后在室温下打卷堆放，并不断缓慢转动，使染料均匀染着和固色。其主要优点是设备投资少、能源消耗低、工艺简单、产品质量好、生产更为灵活，可以满足目前纺织行业“清洁生产”的要求。2.冷轧堆染色的特点：能源消耗少；染料固色率高；环境污染小；设备投资低；染色牢度高；染料的渗透性优良，可以消除染色织物的“环染”现象;适应织物品种广。3.冷轧堆染色的染料选择要求： 溶解度高；染料直接性低，且接近；三原色或拼色染料反应性一致，不能有较大差异；染料的反应性要强；耐碱性优良。4.冷轧堆染色的工艺流程 浸轧染液打卷堆置水洗皂洗烘干（1） 配置染液：染液与碱液分别配制，在染色前通过比例泵按设定比例混合，注入浸轧槽染色。在溶解染料时以低温化料为好。轧槽的容积在50L以下为好。（2） 织物浸轧：浸轧方式