（纺织化学与染整工程专业论文）pla纤维染色性能的研究.pdf

摘要 随着人类社会的发展和进步，消费者对于纺织品和服装的追求进入到“绿 色产品”时代。同时由于人们对穿着舒适健康的不断追求，崇尚外在的形象优 美和内在的保健功能的珠联璧合又是服饰消费中的新趋势。在这新潮流和新趋 势中，聚乳酸纤维有很好的导湿透气性、悬垂性、良好的服用舒适性等优点， 而且资源可再生，本身可生物降解，对环境不会造成污染，因此具有极高的开 发价值。 p l a 纤维具有良好的应用性能和可加工性能，已广泛应用于纺织、医疗、 农业等各个领域。这样的绿色环保产品毫无疑问是未来的发展方向，有着广阔 的应用前景。p l a 纤维是近几年开发的新型纤维，因此，其染整理论和技术远 不如涤纶纤维那样成熟，还需要从不同角度对这种纤维的染整加工性能进行多 方面的研究。 本课题在传统染色工艺和染色理论的基础上，从实际应用的染料中优选出 适合p l a 纤维染色的染料。结果表明分散染料适合p l a 纤维染色。 通过超临界二氧化碳对p l a 纤维染色工艺的考察和染色理论的探讨，得到 p l a 纤维超临界二氧化碳染色的最佳工艺为：时间4 0 m i n 、压力2 0 m p a 、温度 9 0 。 超临界二氧化碳处理对p l a 纤维的机械性能和染色性影响实验表明，超临 界二氧化碳处理对p l a 纤维的一些性能会产生一定影响，同时纤维晶区比例增 大，无定形区比例减小，纤维的熔点有所提高，取向度降低，上染率减小，但 对染色牢度影响不显著。 p l a 纤维的成功开发给纺织工业开发新产品带来了新的契机，也给染整加 工提出了新的课题。因此，了解p l a 纤维的基本性能，并研究其染整加工特性 对实际生产具有十分重要的指导意义。 关键词：p l a 纤维；超临界二氧化碳；染色；处理；性能 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n dt h ep r o g r e s so fh u m a n b e i n g ，c o n s u m e r 7 s p u r s u i tf o rt e x t i l e sa n dg a r m e n t sh a se n t e r e d “g r e e np r o d u c t ”e r a m e a n w h i l e t h e c o m b i n a t i o no fe x t e r n a l 伊a c e f u li m a g ea n di n t e r n a lh e a l t hf u n c t i o nb e c o m en e w t e n d e n c yb e c a u s ep e o p l ec o n t i n u o u s l yp u r s u ec o m f o r ta n dh e a l t h y w i t ht h i sd e m a n d ， p o l y l a c t i c f i b e rw i t hg o o dm o i s t u r e - t r a n s m i t t i n g , g a s p e r m e a b i l i t y , d r a p a b i l i t y , c o m f o r t ，r e n e w a b l ec a p a b i l i t y , b i o d e g r a d a b i l i t ya n dp o l l u t i o n f r e eh a sah i g hv a l u eo f d e v e l o p m e n t p o l y l a c t i cf i b e rh a sg o o da p p l i c a t i o na n dp r o c e s s a b i l i t y ，i th a sb e e na p p l i e di n a r e ao ft e x t i l e ，m e d i c i n e ，a g r i c u l t u r ea n ds oo n i ti sn od o u b tt h a ts u c hg r e e n e n v i r o n m e n t f r i e n d l yp r o d u c t i o nh a sb r o a dp r o s p e c t si na p p l i c a t i o n s p o l y l a c t i cf i b e r i st h en e w l yd e v e l o p e df i b e r , o fw h i c hr e l a t e dd y e i n ga n df i n i s h i n gt h e o r ya n d t e c h n o l o g yi sn o tp e r f e c t ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yd y e i n ga n df i n i s h i n gp r o c e s s p r o p e r t i e so fp o l y l a c t i cf i b e r t h i ss u b j e c tb a s e do nt r a d i t i o n a ld y e i n gt e c h n i q u ea n dt h e o r y , c h o s es u i t a b l e d y e st od y ep o l y l a c t i cf i b e r t h er e s u l t ss h o w e dt h a td i s p e r s ed y e sw e r es u i t a b l ef o r d y e i n gp o l y l a c t i cf i b e r e x p e r i m e n t se x p l o r e dd y e i n gt e c h n i q u ea n dt h e o r yo fp l a f i b e rb ys u p e r c r i t i c a l c a r b o nd i o x i d e ，o b t a i n e do p t i m u mp r o c e s sc o n d i t i o n s ：t i m e4 0 m i n ，p r e s s u r e2 0 m p a ， t e m p e r a t u r e9 0 。 e x p e r i m e n t ss t u d i e dt h ee f f e c t so fs u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d et r e a t m e n to np l a f i b e rm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n dd y e i n gp r o p e r t i e s ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt r e a t m e n t o fs u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d ea f f e c t e ds o m ep r o p e r t i e so fp o l y l a c t i cf i b e r , c r y s t a l l i n e r e g i o nw a si n c r e a s e da n da m o r p h o u sr e g i o nw a sd e c r e a s e d ，m e l t i n gp o i n tw a s i n c r e a s e d ，o r i e n t a t i o nw a sd e c r e a s e d ，d y e - u p t a k ew a sd e c r e a s e d ，b u ts u p e r c r i t i c a l c a r b o nd i o x i d et r e a t m e n th a d1 i t t l ee f f e c to nc o l o rf a s t n e s s t h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to fp l af i b e rb r o u g h tn e wo p p o r t u n i t yf o rt e x t i l e i n d u s t r y , b u ta l s op u tf o r w a r dn e wp r o b l e m sf o rd y e i n ga n df i n i s h i n gp r o c e s s s o u n d e r s t a n d i n gt h ef u n d a m e n t a lp r o p e r t i e sa n dd y e i n ga n df i n i s h i n gc h a r a c t e r i s t i c p r o v i d e di m p o r t a n tg u i d i n gf u n c t i o nf o rd y e i n ga n df i n i s h i n gp r o c e s so fp l af i b e r s k e y w o r d s ：p l af i b e r ；s u p e r c r i t i c a lc a r b o nd i o x i d e ；d y e i n g ；t r e a t m e n t ；p r o p e r t i e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得玉 洼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文作者签名：籼黾 签字日期：衅1 月扣日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位 论文的规定。特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：浮蕊 签字e l 期： 噜方年1 月扣日 导师签名：p 侵彰 签字日期：纠? 年月知e l 学位论文的主要创新点 一、p l a 纤维是一种新型环保纤维，在其染整加工过程中，常用到各 种化学试剂，这些化学试剂对p l a 纤维的性能会产生影响，本文探 讨了染整加工过程中常用的化学试剂如酸、碱、氧化剂、还原剂等 对p l a 纤维机械性能的影响。 二、p l a 纤维属聚酯纤维，可用分散染料染色，本文探讨了用超临界 二氧化碳为介质p l a 纤维的染色性能，探讨了超i 隘界二氧化碳染色 温度、压力、时间对染色性能如上染百分率、染色牢度的影响，确 定适宜的超临界流体染色工艺。 三、研究了经超临界二氧化碳处理后p l a 纤维各项性能的变化，探 讨了超临界二氧化碳处理温度、压力、时间对纤维力学性能、熔点、 取向、结晶、化学组成、染色性能的影响。 第一章前言 第一章前言 1 1 课题研究的背景及现状 人类进入2 1 世纪后，环境保护与可持续发展是各国面临的一项战略目标。 “绿色产品将是主导世界纺织品和服装消费的新潮流。同时由于人们对穿着 舒适健康的不断追求，崇尚外在的形象优美和内在的保健功能的珠联璧合又是服 饰消费中的新趋势。在这新潮流和新趋势中，聚乳酸纤维有很好的导湿透气性、 悬垂性、良好的服用舒适性等优点，而且资源可再生，本身可生物降解，对环境 不会造成污染，因此具有极高的开发价值瞳1 。 聚乳酸纤维是一种绿色纤维，简称p l a 纤维，是由谷物、甜菜等天然糖类得 到的聚乳酸酯为原料，经溶液纺丝或熔融纺丝制得的聚酯合成纤维。美国联邦贸 易委员会对聚乳酸纤维的定义是：以聚乳酸酯为主要原料纺丝而成的纤维，纤维 成型物至少由8 5 乳酸酯单元组成，且这种乳酸酯来源于天然糖类口1 。它以可再 生的植物资源( 玉米、小麦、甜菜等) 为原料，避开了石油资源，而且p l a 纤维的 废弃物在自然界中微生物的作用下可自然降解，对环境没有污染。它源于自然又 回归自然，是一种完全意义上的环保纤维。 p l a 纤维具有良好的应用性能和可加工性能，许多性质介于合成纤维和天 然纤维之间，所制的织物质轻、手感柔软和干爽，还具有蚕丝一样的柔和光泽。 由于结品度高，织物尺寸稳定性好，它和p e t 一样，容易进行纺织加工。p l a 纤维可以制成长丝、短纤、单丝或非织造布，广泛用于纺织、医疗、农业等各个 领域。这样的绿色环保产品毫无疑问是未来的发展方向，有着广阔的应用前景3 。 p l a 纤维是近几年开发的新型纤维，因此，其染整理论和技术远不如涤纶纤维 那样成熟，还需要从不同角度对这种纤维的染整加工性能进行多方面的研究。 p l a 纤维属于脂肪族聚酯纤维，有些性质与涤纶纤维相似，但由于化学结 构的不同，使它们在物理化学性质方面也存在较大差异陆1 。这些性能的不同，使 p l a 纤维在染整加工工艺上有其特殊性。因此优选出适宜p l a 纤维染色的染料 和工艺成为拓展p l a 纤维市场的当务之急。 同时，为了适应染整加工的发展趋势，生产加工出真正意义上的绿色产品， 论文拟利用超临界流体对p l a 纤维进行染色研究。 利用超临界流体中的超临界二氧化碳( s u p e r c r i t i c a lc 0 2 ，简称s c c 0 2 ) 作为反 应介质的研究工作已取得较大进展，作为绿色化学的内容范畴已显示出重要的理 第一章前言 论研究和实际的应用价值。s c c 0 2 技术早期应用于天然物质的提纯、分离和化 学分析等，现已迅速渗透到生物技术、环境保护工程及印染等诸多领域哺3 。超临 界二氧化碳染整技术则是以超临界二氧化碳流体取代水作为介质，此技术从根本 上解决了染整工业中的水资源消耗大和污水处理难度高的问题，成为2 1 世纪最 具活力的绿色染整加工方法之一，引起了世界各国的广泛关注盯1 。 超临界c 0 2 染色技术具有以下的优点：( 1 ) 不用水，无废水污染，属于环 保型的染整工艺；( 2 ) 染色结束后降低压力，c 0 2 迅速气化，因而不需要进行染 色后烘干，既缩短了工艺流程，又节省了烘燥所需要的能源；( 3 ) 上染速率快， 匀染和透染性能好，染色的重现性极佳；( 4 ) c 0 2 本身无毒、无味、不燃、可重 复使用；( 5 ) 剩余染料可重复使用或回收，且染色时无需添加任何分散剂、匀染 剂和缓冲剂，不仅降低了生产成本，提高了染料利用率，而且有利于环境保护、 减少污染；( 6 ) 适用的纤维品种较广，一些难以染色的合成纤维如丙纶、芳 纶等也可进行正常染色呻1 。 目前国内外在开发超临界c 0 2 系统用于醋酯、锦纶、腈纶、羊毛、蚕丝、 棉以及传统水浴难染色的丙纶等染色工艺技术方面均有报道b 1 ，但采用超临界 c 0 2 流体对p l a 纤维染色的系统研究，相关报道较少。因此，本课题将对超临 界c 0 2 用于p l a 纤维染色的相关工艺和理论进行探讨。另外，利用超临界c 0 2 处理p l a 纤维，也将对纤维的物理、化学性能产生重要影响，因此有必要考察 超临界二氧化碳处理的p l a 纤维在力学、热力学、化学、染色方面性能的变化 规律。 1 2 课题研究的主要内容及意义 p l a 纤维的成功开发给纺织工业开发新产品带来了新的契机，也给染整加 工提出了新的课题。因此，了解p l a 纤维的基本性能，并研究其染整加工特性 对指导实际生产具有十分重要的意义。 本研究立足于实际染整加工，考察常用印染加工助剂对聚乳酸纤维机械性能 的影响，同时使用传统染色方法和工艺对p l a 纤维进行染色，并根据实验结果， 优选出适合聚乳酸纤维染色的染料和工艺，以指导现实染整大生产。 考虑到纺织染整加工节水、节能、减排的发展趋势，本研究将利用超临界 c 0 2 流体为介质对p l a 纤维染色进行研究，优化得到最佳工艺：同时考察不同 温度、压力和时间因素对聚乳酸纤维超分子结构、物理机械性能及染色性能所产 生的影响，为p l a 纤维的染整加工提供理论基础和实践指导。 第二章理论部分 第二章理论部分 2 1 聚乳酸纤维的制备及其生态循环过程 聚乳酸纤维又称玉米纤维，它对环境的巨大贡献就在于其原料可再生，产物 可生物降解。聚乳酸纤维以玉米淀粉发酵而成的乳酸为原料，经脱水粜合反应制 成的浆乳酸酯溶液为纺丝液，再进行纺丝加工而成“。 幽z l 聚乳酸纤堆的自然循环过剿 图2 一l 展示了臻乳酸纤维从生产到废弃物处理的整个过千芏我们可咀清楚的 看到，聚乳酸纤维“来源于自然又回归于自然”的生态过程，生产过程中的产物 乳酸、聚乳酸均具有良好的生物降解性。 22 聚乳酸纤维的结构与性质 一 量冉鬻考面形毒 目2 - 2p l a 纤维的形志结构。 第二章理论部分 p l a 纤维的形态结构如图2 2 所示，由图可知，聚乳酸纤维的横截面呈非完 整的圆形。从聚乳酸的纵向形态看，纤维的表面光洁平滑。聚乳酸( p l a ) 和涤 纶( p e t ) 纤维的化学结构式如下n 2 3 ： c h 。0 h 七o c h c 王o h ( p l a ) o0 l i h _ e o - e _ - c 一0 一c h r c h ，如h ( p e t ) 从p l a 的分子结构来看，其中含有大量的酯键，在碱催化作用下能够发生水 解，但又必须注意到它的另一个特点，即具有较大的疏水性( 酯基和烷基都是疏 水性的) ，从它的超分子结构看，结晶度和取向度都是比较高的。由于它的疏水 性和超分子结构的关系，p l a 在低温弱碱性溶液中有一定的稳定性，而在高温和 较强碱性溶液中损伤较大n 驯。 聚乳酸纤维和涤纶纤维的分子结构中都含有酯基，两者都属于聚酯高聚物， 因此，聚乳酸纤维和涤纶纤维有许多相似的性质如疏水性，而结构的差异又各具 特殊性，如聚乳酸纤维的耐热性、耐碱性较涤纶纤维低，但具有良好的芯吸性、 悬t 壁性。 p i a 纤维是热塑型纤维，p l a 纤维干态时的玻璃化温度为5 7 0 c ，在玻璃化温 度以下，大分子链段活动能力小，受外力作用不易变形，有利于正常使用，纤维 在玻璃化温度以下很难上染。而超过玻璃化温度，分子链段运动加剧，染料将快 速上染，因此在玻璃化温度以上，要控制升温速率才能保证染色质量；p l a 纤维 的熔融温度为1 7 0 0 c ，超过此温度，纤维开始解取向，分子链段发生剧烈运动， 发生形变。因此，纤维的定型温度应控制在1 5 0 - 1 6 0 0 c ，而不得超过1 7 0 0 c n 射。 聚乳酸纤维独特的结构，使其具有优良的柔软性和形态稳定性，如与棉混纺， 几乎与涤棉织物具有同样的性能，穿着保养方便，有较好的光泽和蓬松的手感。 它与涤纶织物同样具有疏水性，但由于具有良好的芯吸性能、快干效应使其具有 良好的导湿性，穿着时不易粘着皮肤n 射。聚乳酸纤维的模量和弯曲刚度仅为涤纶 的一半，故手感较涤纶柔软，其面料的悬垂性明显优于涤纶产品。尽管它不是一 种阻燃性聚合物，但纤维具有较好的自熄性，燃烧时发烟量少，燃烧热低。聚乳 酸纤维良好的弹性回复性和卷曲持久性使其织物具有良好的保形性和抗皱性n 们。 聚乳酸纤维具有良好的抗紫外线稳定性。聚乳酸纤维折射率低，染色制品显色性 好，有利于获得深浓色染色效果。染色温度较涤纶低，有利于开发与羊毛和蚕丝 等混纺或交织产品。 第二章理论部分 p l a 纤维也存在一些缺点。例如耐磨性较差，影响了它在高性能服装领域的 应用；熔点较低，限制了它在高温环境下的应用n ”。 2 3 分散染料染色机理 分散染料不溶于水，适合于疏水性的涤纶纤维染色，p l a 纤维也是疏水性聚 酯纤维，适用于分散染料染色n 阳。其染色过程为：染液中的分散染料随染液的流 动靠近纤维附近的扩散边界层，然后靠染料分子的自身运动在扩散边界层中扩 散，接近纤维表面。当染料分子和纤维表面分子链段间的距离达到足够近，它们 的作用力达到足够大时，染料就从染液中被吸附到纤维表面。接着，染料分子从 纤维表面向内部扩散，由于纤维表面的染料浓度高于内部，存在浓度梯度，因此 染色前阶段染料扩散方向主要是由外向内。随着纤维中染料浓度的增加，由内向 外的扩散速率也逐渐加快，最后向内和向外的扩散速率达到相等，此时染色达到 平衡。 2 4 超i 临界二氧化碳的性质 二氧化碳是一种无色、无臭和不燃的气体，比重为空气的1 5 倍。它的分子 呈直线型，两个氧原子分别在碳原子的两边，对称分布，故不显极性，所以它的 分子量虽然比水大，但沸点很低，在常温时为气体；不过它在临界温度3 1 1 时 可以加压液化。由于分子显非极性力，根据相似相溶原理，它对非极性的染料有 较强的溶解能力，对疏水性纤维有较强的溶胀能力“鲫。 众所周知，物质通常处在固体、液体和气体三种状态中的一种，但如果对封 闭体系升温和加压，当温度和压力超过二氧化碳的临界温度( 3 1 i c ) 和临界压 力( 7 3 9 m p a ) ，即超过临界点c p 后，二氧化碳则转变到超临界流体状态。而超 临界状态是介于液体和气体之间的一种形态，它具有许多独特的性质。二氧化碳 的状态图如图2 3 所示，在临界温度以上，即使怎样加热，它也不能变为气体。 同理，在临界压力以上，即使怎样加压，它也不能变为液体和固体。由于它不同 于气体、液体和固体，所以将这种状态的流体，称为超临界流体。它和气体一样， 可以均匀的分布在整个容器中。通过控制压力，它又可以达到和液体一样大小的 密度，即在0 3 一l g c m 3 以上。它对物体有很强的渗透作用，对物质的溶解能力比 气体大得多，甚至比液体还强。表2 - 1 列出了气体、液体和超临界流体的有关性 质。 第二章理论部分 温度 图2 - 3 二氧化碳的卜t 状态图 c 卜临界点p c 、t c l 临界压力和临界温度1 卜固、液、气三相交点 表2 1 超临界流体、液体、气体的某些物理性质 气体液体 超临界流体 物理状态 ( 9 8 x1 0 4 p a ，2 5 。c )( 9 8 x1 0 4 p a 2 5 1 2 ) ( p c ，t c ) 密度g c m 。 0 6 2 x1 0 o 6 1 60 2 - 0 5 扩放系数c m 2 s 1 0 1 o 4 1 0 2 - 2 ) 1 0 。5( 0 5 4 ) x1 0 。 柚度p a s ( 1 - 3 ) x 1 0 寸 o 0 2 d 3 ( 1 - 3 ) 1 0 嵋 从表2 1 中可以看出，超临界流体的密度为气体的数百倍，接近液体，但其 粘度和气体相等。它的扩散系数是气体的百分之一左右，但比液体大数百倍。这 表明溶解分散在超临界流体中的物质扩散容易，渗透能力很强。而且，在临界点 ( c p ) 附近，其密度随温度和压力( 特别是压力) 变化很大。也就是说它对物 质的溶解能力随压力和温度变化很大，可达数百至一千倍之多。由于二氧化碳分 子是非极性的，因此在物理性质方面，其超临界流体的性质和非极性的有机溶剂 相似，例如它对正己烷和二氯甲烷等具有很好的溶解能力，对非极性和低极性的 染料( 例如分散染料) 也有较强的溶解能力，但对极性物质不容易溶解，例如对 离子性的染料等。超临界流体物质很多，超临界流体的临界压力和临界温度因其 分子结构而异，分子极性越强，分子量越大，临界温度越高，l 临界压力越低。一 些物质的临界压力和临界温度如表2 2 。 第二章理论部分 表2 - 2 一些物质的临界压力和临界温度 物质临界温度 c临界压力m p a 临界密度g c m 3 二氧化碳 3 1 17 3 90 4 6 4 乙烷3 2 34 9 4o 2 0 3 丙烷 9 6 94 3 20 2 2 0 丁烷1 5 2 03 8 50 2 2 3 正己烷2 3 4 23 0 0 0 2 3 4 氨 1 3 2 3玎2 80 2 4 0 乙烯 9 05 1 10 2 2 0 苯 2 8 8 94 8 90 3 0 2 甲醇2 4 0 57 9 0 0 3 0 2 乙醇 2 4 3 56 4 30 2 7 6 一氯三氟甲烷 2 8 83 9 50 5 7 8 水3 7 4 42 2 9 80 3 3 4 由于超临界流体具有上述的许多优点，所以一些在常压下为气体的物质转变 为超临界流体后，用于物质的萃取、纯化和分析具有很好的效果。例如，二氧化 碳的超临界流体已用于咖啡和香料的精制、石油的分离萃取，以及医药分离精制 等方面。啪1 2 5 超临界二氧化碳的染色原理 超临界二氧化碳流体具有许多特殊的性能，它不同于水，也不同于有机溶剂。 作为染色介质，特别适合于极性低的分散染料在疏水性的合成纤维上染色。分散 染料是一类难溶于水，在水中主要呈悬浮体存在的非离子性染料，在水中主要依 靠大量的分散剂等助剂保持分散状态。它除了大部分是以细小的晶粒成悬浮体分 散于水中外，同时也有很少部分呈分子形式溶解，还有部分则存在于分散剂等助 剂的胶团中，并相互保持动态平衡。染色时，只有分子状态的染料可以上染纤维， 随着分子状态染料上染纤维，胶团中和晶粒中的染料分子会不断溶解到水中，直 到上染结束。由于染料溶解度低，因此在低温时大大限制了上染速率。又由于大 部分染料是以悬浮体存在，因此，染液的分散稳定性不高，容易发生晶粒的凝聚、 晶型转变和晶粒增长，严重时还会出现沉淀，引起染色困难或不匀。分散剂的存 在虽然提高了染料悬浮体的分散稳定性，但是它的存在不仅增加了生产成本，也 会污染水质，有的还会降低染料的平衡上染量。 和溶剂染色类似，超临界二氧化碳流体作为染色介质，首先由于它是非极性 第二章理论部分 分子，对分散染料的溶解能力较水高得多，染料溶解度高，不仅可提高上染速率， 还可提高匀染和移染性，如果染料全部溶解的话，则不会出现分散染料在水中存 在的分散稳定性降低而引起的各种问题。又由于超临界二氧化碳流体的粘度很 低，分子间作用力小，染料在其中的扩散阻力小，大致介于气体和液体之间，染 料扩散速度快，有利于染料渗透和发生移染，从而提高了透染和匀染性乜。 染色介质对染色基质的作用会直接影响上染过程。水作为染色介质对亲水性 纤维有良好的润湿和溶胀作用，但对疏水性合成纤维的作用则较差，因此涤纶的 染色温度要求较高。而用超临界二氧化碳这样的溶剂作为染色介质，由于它对涤 纶纤维有较强的增塑作用，可以降低纤维玻璃化温度，增加纤维内的自由扩散体 积，所以染色温度较低，涤纶可在常压1 0 0 c 以下染色。对超临界二氧化碳流体 来说，虽然二氧化碳分子和聚酯纤维分子不会形成氢键，但是非极性的超临界二 氧化碳流体对疏水性的聚酯纤维有很强的亲和力，并且二氧化碳分子间不会形成 水中的“冰山结构”或簇状体，容易进入纤维结构致密的区域，有很强的增塑作 用，可增加纤维分子链的活动性和自由体积，加快染料向纤维内部的扩散，从而 大大提高上染速度，提高透染和匀染程度。幢2 1 常规染色时总还要加入一些助剂，分散染料中含有大量的分散剂，分散剂是 为了提高染料在水中的分散稳定性，绝大多数分散剂是有机化合物的磺酸盐，属 阴离子型的，这些阴离子型的分散剂在超临界二氧化碳流体中不但分散作用不 强，甚至难溶解，故采用这种介质染色所用的染料应不含有阴离子型的分散剂。 有关这方面的研究还不多，有待进一步的进行。 染料在不同的染色介质中有不同的上染速度、饱和吸附量、匀染和透染程度。 溶剂染色表明，一般有机溶剂作染色介质，由于染料溶解度高，平衡上染率比水 中染色低。因为分散染料染色是属于分配型的，分配系数随染料在溶液中的溶解 度增高而减小。超临界二氧化碳流体作染色介质，染色温度低，染料在二氧化碳 流体中的溶解度大，染料在纤维中的扩散速度不高。在高温低压下染色，不但扩 散速度快，染料可很快进入纤维，还由于二氧化碳分子与纤维分子间作用力小， 进入纤维中的染料分子与纤维分子结合后，不易解吸下来。所以只要合理控制染 色温度和压力，可以获得很高的上染百分率。以超临界二氧化碳流体作染色介质， 还具有较高的染色速率，缩短染色时间。由于超临界二氧化碳流体粘度低，它与 染料分子间作用力小，染料在趔临界二氧化碳流体中扩散较快。加上在这种流体 中纤维表面附近的扩散边界层很薄，所以染料可很快吸附到纤维表面，并快速扩 散】。 2 6 超临界二氧化碳的染色装置 第二章理论部分 图2 4 为超临界二氧化碳染色装置示意图： 图2 _ 4 超临界染色装置流程示意图 图2 4 中部件1 为冷却装置，气态的c 0 2 在这里被液化；部件2 为染色装置， 它由磁力搅拌、染色染料釜构成。染色染料釜主要由釜体、油浴循环保温套、染 色布支撑架、染料池及磁力搅拌机构组成。 超临界流体染色实验机的工作机理和过程：首先对c 0 2 气体冷却和染色釜 加热，待染色釜接近所需温度后，打开相应进口阀门，关闭出口阀，再打开主泵 电源及磁力搅拌机构，使c 0 2 进入染色釜，随着c 0 2 被打入染色釜对染色釜加 压，并形成超临界状态，通常在2 0 3 0 m p a 高压下进行染色，染色温度的高低取 决于被染织物的种类，染色温度一般在8 0 1 6 0 。c 。在达到所需压力后几分钟， 丌始进入染色过程，在加压形成超临界过程中，染料溶解于超临界流体c 0 2 中， 同时由于磁力搅拌的作用使c 0 2 流动，染料不断上染纤维，染色一定时间后， 纤维上的染料达到饱和，染色过程结束。 染色主要是控制温度和压力。温度升高，染料在超临界二氧化碳流体中的溶 解度和在纤维中的扩散速度均增加，上染速率加快。而压力主要控制超临界二氧 化碳流体的密度和染料在其中的溶解度。因此温度较低时，超临界二氧化碳密度 较高，染料溶解度较高，而染料在纤维中的扩散速度则较慢，染色时间相对较长， 匀染和透染的程度也相对较低。相反，高温低压时，染料浓度较低，扩散速度较 快，匀染和透染的程度较好。根据染料性能、用量和纤维材料特性可控制温度和 压力参数来获得所需的结果。染色设备有压力温度程序自动控制装置，染色设 定程序后可自动控制。降压后，取出的是干燥织物。 第三章实验部分 第三章实验部分 3 1 实验仪器和实验设备 表3 1 实验仪器、设备 序号实验仪器和实验设备生产厂家 1 恒温水浴锅天津市中环实验电炉有限公司 2 l d 型电子天平沈阳龙腾电子有限公司 3l l y - 0 6 电子单纤维强力仪莱州市电子仪器有限公司 4 v i s 一7 2 3 型分光光度计上海精密科学仪器有限公司 5 s w - 1 2 型耐洗色牢度试验机江苏省无锡市纺织仪器厂 6d 8d i s c o v e r 型x 射线衍射仪德国b r u k e r 公司 7 超临界二氧化碳染色机 南通市飞宇石油科技开发有限公司 8d a t a c o l o rs f 6 0 0p l u s 电脑测色仪 美国d a t a c o l o r 公司 9 y g 6 0 5 型熨烫仪山东安丘纺织仪器厂 1 0 。 x w - h w r 一1 5 2 4 旋转式红外线小样机靖江市新旺染整设备厂 1 l l d 电子天平 沈阳龙腾电子有限公司 1 2d l - 1 01 2 b k 电热鼓风干燥箱 天津市中环实验电炉公司 1 3t e n s o r 3 7 傅立叶变换红外光谱仪德国b r u k e r 公司 1 4d a t a c o l o rs f 6 0 0p l u s 电脑测色仪美国d a t a c o l o r 公司 1 5 x p 一2 0 1 透射偏光显微镜南京市江南光电( 集团) 股份有限公司 1 6g p 2 0 n a b 钠光灯江苏省泰州电器厂 1 7w c 1 熔点测定仪四川大学科仪厂 3 2 实验材料与药品 聚乳酸纤维( 1 4 d t e x ) ，山东德州棉纺厂提供( 美国生产) 。 醋酸、硫酸、双氧水、硫酸钠、丁酮、醋酸钠、二甲基甲酰胺、氯化钠、氢 氧化钠、碳酸钠、保险粉均为a p 级，汽巴直接黄g 、汽巴克隆黄f n 2 r 、酸性 l a n a s e t 黄2 r 、阳离子黄x 8 g l 、汽巴绥脱黄e l - f 2 g 、分散黄棕s 一3 r 、分散黄 e r g f l 、分散棕黄s e _ 一2 g l 、分散嫩黄s g 、分散黄e _ 2 gf l 均为工业品。 3 3 实验内容 3 3 1p l a 纤维的耐化学品性能和热性能 3 3 1 1 碱剂对p l a 纤维机械性能的影响 第三章实验部分 p l a 纤维用不同浓度的烧碱溶液处理不同时间，处理条件如表3 2 所示。测 试处理前后纤维的拉伸断裂强力和断裂伸长率。 表3 - 2 碱处理条件 序号1 2 3 45 6 789 n a o h 浓度( g l 1 01 01 02 02 02 03 03 03 0 处理时n ( m i n ) 1 02 03 01 02 03 01 02 03 0 浴比1 ：3 0 ，室温条件处理。 3 3 1 2 酸对p l a 纤维机械性能的影响 p l a 纤维用不同浓度的硫酸处理不同时间，处理条件如表3 3 ，测试处理前 后纤维的拉伸断裂强力和断裂伸长率。 表3 - 3 酸处理条件 序号123 4 56 h 2 8 0 4 浓度( g l ) 5551 01 01 0 处理时i 苗- ( m i n ) 1 02 03 01 02 03 0 浴比1 ：3 0 ，室温条件处理。 3 3 1 3 氧化剂对p l a 纤维机械性能的影响 p l a 纤维分别用浓度为l g , l 、2 9 l 、4 9 l 、8 9 l 、1 0 9 l 的双氧水处理3 0 r a i n ， 浴比1 ：3 0 ，温度8 0 。测试处理前后纤维的断裂强力和断裂伸长率。 3 3 1 4 还原剂对p l a 纤维机械性能的影响 p l a 纤维用浓度为2 9 l 、4 9 l 、6 9 l 、8 9 l 、1 0 9 l 的保险粉处理3 0 m i n ， 浴比1 ：3 0 ，温度8 0 。测试处理前后纤维的断裂强力和断裂伸长率。 3 315 热拉伸对p l a 纤维性能的影响 取- d , 撮p l a 纤维，在一定拉力作用下，分别在1 1 0 c ，1 5 0 c ，1 8 0 c 下处 理1 分钟，测试处理前后纤维的断裂强力和断裂伸长率。 3 3 1 6 不同染料对p l a 纤维染色的可行性分析 选用纺织品染色常用的染料，采用常规的工艺对p l a 纤维进行可染性实验， 观察染色效果。【2 4 】 ( 1 ) 直接染料 工艺处方：汽巴直接黄g 氯化钠 2 ( o w f ) 4 l 第三章实验部分 工艺条件：浴比1 ：3 0 工艺曲线： 1 2 n a c ll 2 n a a 4 0 ( 2 ) 活性染料 工艺处方：汽巴克隆黄 f n 2 r2 ( o w f ) 氯化钠3 0 9 l 碳酸钠 2 0 9 l 工艺条件：浴比1 ：3 0 工艺曲线： 温水洗 8 0 。c1 5 m i n 1 5 m i n1 5 m i n3 0 r a i n水洗 白善舭 d y e 1 2 n a c i 1 2 n a c in a 2 c 0 3 一皂煮- 水洗 ” 1d ( 3 ) 弱酸性染料 工艺处方： 工艺条件： 工艺曲线： l a n a s e t 黄2 r 冰醋酸 浴比1 ：3 0 2 ( o w f ) l g l 9 0 3 0 m i n d y e ，h a c ( 4 ) 阳离子染料 洗 第三章实验部分 室 工艺处方： 工艺条件： 工艺曲线： 阳离子黄x 8 g l0 4 ( o w f ) 醋酸钠l g l 冰醋酸l g l 浴比1 ：5 0 1 0 0 2 0 r a i n n a c i ，h a c ( 5 ) 醋酯纤维专用染料染色 工艺处方： 工艺条件： 流程曲线： 5 0 汽巴绥脱黄e l - f 2 g 2 ( o w f ) 冰醋酸 1 9 l 浴比1 ：3 0 1 1 0 洗 d y e ，h a c ( 6 ) 分散染料染色 分别用高温型分散黄棕s 3 r 、中温型分散黄s e 2 g l 、低温型分散黄 e r g f l 分散染料染色。 工艺处方： 工艺条件： 工艺曲线： 分散染料 2 ( o w f ) 冰醋酸l g l 浴比1 ：3 0 1 1 0 3 0 m i n 洗 第三章实验部分 d y e ，h a g ： 还原清洗工艺处方： 工艺条件： 工艺曲线： 5 0 碳酸钠 2 9 l 保险粉 2 g l 浴比1 ：3 0 7 0 1 5 m i n n a 2 c 0 3 保险粉 3 3 1 7 温度对p l a 纤维染色性能的影响 用分散黄s e 2 g l 、分散黄e r g f l 、汽巴绥脱黄e l - f 2 g 染料在不同温度 下染p l a 纤维，测试染色样品的l ( s 值。 工艺处方分散染料2 ( o w f ) 冰醋酸 1g l 工艺条件染色最高温度t t = 8 0 ，9 0 , 1 0 0 ，1 1 0 ，1 2 0 ，1 3 0 浴比 1 ：3 0 工艺曲线 t 3 0 m i n 上) y e h a c 3 3 1 8p h 值对p l a 纤维染色性能的影响 用分散黄s e 2 g l 、分散黄e r g f l 、汽巴绥脱黄e l - f 2 g 染料在p h 值分 别为2 、5 、7 、9 、1 1 条件下染p l a 纤维和用分散黄s e 2 g l 、分散黄e r g f l 在p h 值分别为2 、5 、7 、9 、1 1 条件下染涤纶纤维，测试染色样品的k s 值 染色 工艺处方：分散染料 2 ( o w f ) 醋酸 1 l 工艺条件：浴比 1 ：3 0 工艺曲线： 第三章实验部分 1 1 0 ( p l a ) 1 3 0 ( p e t ) d y e ，h a c 3 3 1 9p l a 纤维染色的提升力实验 用分散黄s e 2 g 、分散黄e r g f 、汽巴绥脱黄e l - f 2 g 染料染色，测试染 色样品的列s 值。 工艺处方：分散染料x ( o w f ) x = 0 5 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 醋酸1 叽 工艺条件： 浴比 1 ：3 0 工艺曲线： 1 1 0 * c ( p l a ) 1 3 0 。c ( p e t ) 3 0 m i n d y e ，h a c 3 3 1 1 0p l a 纤维上染速率曲线实验 分别测试分散黄s e 2 g l 、分散黄e r g f 、汽巴绥脱黄e l - f 2 g 对p l a 纤维 的上染速率曲线。染料用量为2 ( o w f ) ，分别在染色曲线1 - 6 位置取染液，测 吸光度，绘制上染速率曲线。 室温 3 3 1 1 1 确定适宜的染色工艺 根据以上实验结果，确定适宜p l 气纤维的染色工艺。 3 3 2p l a 纤维超临界二氧化碳流体染色工艺 1 5 洗 第三章实验部分 首先称取一定量的分散染料放入染料篮内，染料的重量应以每次p l a 纤维 郄充分e 染为宜。称取1 9 左右的p l a 纤维，经仔细开松，制成均匀的絮片，然 后铺在事先准备好的棉布上，再将铺有p l a 纤维的棉布绕染料篮外壁一周，使 p l a 纤维均匀的被裹在其中，最后用棉线将其缠紧。棉布长度应以绕染料篮外 ：疃一周为宜，宽度略小于染料篮外壁的高度。最后，将染料篮装入染料釜，密封， 进行染色。基本工艺为：压力：2 0 m p a ，时间：2 0 m i n ，温度：8 0 ，染料足量。 3 3 2 1 温度对染色效果的影响 压力：2 0 m p a时间：2 0 m i n 温度：5 0 、6 0 、7 0 、8 0 、9 0 、1 0 0 、1 1 0 3 3 2 2 时间对染色效果的影响 温度：8 0 压力：2 0 m p a 时间： 1 0 r a i n 、2 0 m i n 、3 0 r a i n 、4 0 m i n 、5 0 r a i n 3 3 2 3 压力对染色效果的影响 温度：8 0 时间：2 0 m i n 压力：1 5 m p a 、2 0 m p a 、2 5 m l a 、3 0 m p a 在上述设定的压力、温度和时间的条件下，对p l a 纤维进行超临界二氧化 碳染色。 3 3 2 4 正交试验 依据上述实验结果，筛选较好的工艺参数，利用正交实验来确定最佳工艺条 件。正交表选用b ( 3 4 ) ，取时间、压力、温度三因素，每个因素根据实验结果 选取三个水平进行实验。 3 3 2 5s 型、e 型染料对p l a 纤维染色的正交实验分析 利用选定好的正交实验表，对选定的s 、e 型染料进行实验。 3 3 3 超i 晦界c 0 2 处理对p l a 纤维的影响 首先称取2 9 的p l a 纤维，经开松，制成均匀的絮片，然后铺在事先准备好 的棉布上，再将铺有p l a 纤维的棉布缝合防止纤维脱落，之后将组合样品绕染 料篮外壁一周，使p l a 纤维均匀的被裹在其中，最后用棉线将其上下两端缠紧。 棉布长度应以绕染料篮外壁一周为宜，宽度略小于染料篮外壁的高度。然后用超 临界c 0 2 流体进行处理。 为了考察超临界二