（纺织化学与染整工程专业论文）超声波对聚酯纤维织物分散染料染色的作用机理研究[纺织化学与染整工程专业优秀论文].pdf

浙江理工人学硕十学位论文 超声波对聚酯纤维织物分散染料染色的作用机理研究 摘要 聚酯纤维织物的传统染色需要造价高的染色设备和耗用大量的能量，为了符合绿色染 整目标，急需为聚酯纤维织物开发崭新的环保型染色技术，而超声波染色技术就是一项方 便、迅速、有效、安全的清洁生产染色技术。因此研究超声波对聚酯纤维织物染色的作用 机理不仅具有理论价值，而且更有实践意义。 本文以p e t 、p 订织物为主要研究对象，通过单因素分析和正交实验，确定了分散红 f b 、分散黄e 3 g 和分散蓝2 b l n 三原色染料对p e t 、p ，丌织物超声波染色的最佳工艺。 同时，在最佳染色工艺条件下，分析超声波对染色品摩擦牢度、耐洗牢度和耐晒牢度等染 色牢度的影响。结果表明：在超声波条件下，p e t 织物的最佳染色工艺为：超声波功率 0 3 3 3 w c m 2 、频率2 8 k h z ，染色温度6 5 ，染色时间1 2 0 m i n ，膨化剂乙酸正戊酯浓度3 9 ，l ； p t t 织物的最佳染色工艺为：超声波功率0 3 3 3 w c r n 2 、频率2 8 k h z ，染色温度6 0 ，染色 时间1 0 0 m i n ，膨化剂乙酸正戊酯浓度4 9 l 。与无超声波条件下的染色工艺相比，超声波能 够明显提高染料的上染百分率和染色品的k s 值，对染色品的摩擦牢度和耐洗牢度影响不 大，但能提高耐晒牢度1 - 2 级。 通过紫外可见分光光度仪和激光粒度仪测试分析了超声处理对分散染料色光、溶解性 及粒度的影响，从而研究超声波对分散染料的作用机理。结果表明：超声波对分散染料的 色光没有影响，即不影响分散染料的结构，但是能够降低分散染料的粒度，提高分散染料 在水中的溶解性。 通过s e m 、x r d 、f t i r 、t g a 等分析，研究了超声处理对p e t 、p t t 纤维结构及性 能的影响，从而研究超声波对聚酯纤维的作用机理。结果表明：经过超声波处理后，p e t 、 p t t 纤维表面的低聚物含量减少，其中以p t t 纤维更为明显；超声波处理不会引起p e t 、 p 1 v r 纤维内部晶体结构的变化，但使结晶度略有下降，其中对p t t 纤维的影响更大；超声 波处理对p e t 、p t t 纤维的化学结构影响不大，但使p e t 、p t t 纤维的热性能略有下降， 裂解温度降低，失重率增加；超声波处理使p e t 、p t t 纤维的断裂强力有所下降，但下降 程度不大，仍符合纤维的使用要求，断裂延伸度有一定程度的增加。 并通过对p e t 、p t t 织物分散染料染色的动力学分析，研究了超声波对聚酯纤维织物 分散染料染色过程的作用机理。染色动力学分析结果表明：超声波能够增大分散染料上染 p e t 和p t t 纤维的扩散系数，降低染色活化能；增大分散染料上染p e t 和p t t 纤维的染 浙江理工大学硕士学位论文 率常数，缩短半染时间。 关键词：聚酯纤维；分散染料；超声波染色；染色动力学 浙江理工大学硕士学位论文 t h em e c h n i s u ms t u d i e so nt h eu l t r a s o n i ca s s i s t e dd y e i n go fp o l y e s t e rf a b r i c w i t hd i s p e r s ed y e s t u f f s a b s t r a c t t r a d i t i o n a ld y e i n go fp o l y e s t e rf i b e rf a b r i c sd e m a n d sh i g hc o s td y e i n ge q u i p m e n t sa n dh u g e c o n s u m p t i o ne n e r g y i no r d e rt oc o m p l yw i t ht h et a r g e to fg r e e nd y e i n ga n df i n i s h i n g ，an e w e c o d y i n gt e c h n o l o g yf o rp o l y e s t e rf a b r i c i s u r g i n gn e e d e d t h eu l t r a s o u n dd y i n gi sa c o n v e n i e n t ，f a s t ，e n e r g y - s a v i n ga n ds a f ed y e i n gt e c h n o l o g y s ot h es t u d yo nu l t r a s o u n d se f f e c t m e c h a n i s mo nd y e i n go fp o l y e s t e rf i b e rf a b r i ch a sb o t ht h e o r yv a l u ea n dm o r ep r a c t i c e s i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , t h ep e ta n dp t tf a b r i c sw e r et a k e na st h em a i nr e s e a r c ho b j e c t s t h eo p t i m u m u l t r a s o u n dd y e i n gp r o c e s so fp e ta n dp t tf a b r i c sw i t hd i s p e r s er e df b d i s p e r s ey e l l o we - 3 g a n d d i s p e r s eb l u e2 b l nw e r eo b t a i n e db yt h es i n g l ef a c t o ra n a l y s i sa n do r t h o g o n a le x p e r i m e n t s m e a n w h i l e ，t h ee f f e c to fu l t r a s o u n do nt h ef a s t n e s so fd y e df a b r i c sw i t ht h eo p t i m u md y i n g p r o c e s s ，s u c ha sr u b b i n gf a s t n e s s ，w a s h i n gf a s t n e s sa n dl i g h tf a s t n e s sw a sa n a l y z e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h eo p t i m u md y e i n gp r o c e s so fp e tf a b r i c sw a st h a t ，0 3 3 3 w c r n 2o ft h eu l t r a s o u n d p o w e ra n d2 8 k h zo ft h eu l t r a s o u n df r e q u e n c y , d y e i n gw i t h3 9 lo fa m y la c e t a t ea t6 5 ( 2f o r 12 0 m i nt h eo p t i m u md y e i n gp r o c e s so fp t tf a b r i cw a st h a t ，0 3 3 3 w c r n 2o ft h eu l t r a s o u n d p o w e ra n d2 8 k h zo ft h eu l t r a s o u n df r e q u e n c y , d y e i n gw i t h4 9 lo fa m y la c e t a t ea t6 0 cf o r 10 0 r n i nc o m p a r e dw i t ht h ed y e i n gp r o c e s sw i t h o u tu l t r a s o u n d ，t h eu l t r a s o u n dc a l li n c r e a s et h e u p t a k ea n dk sv a l u eo fd y e df a b r i cs i g n i f i c a n t l y t h eu l t r a s o u n dc a nr a i s e1 - 2g r a d e so fl i g h t f a s t n e s so fd y e df a b r i c ，b u th a sal i t t l ee f f e c to nt h er u bf a s t n e s sa n dw a s hf a s t n e s so fd y e df a b f i c t h ee f f e c tm e c h a n i s mo fu l t r a s o u n dt r e a t m e n to nd i s p e r s ed y e s t u f fw a ss t u d i e db yt h es h a d e ， s o l u b i l i t ya n dg r a n u l a r i t yo fd i s p e r s ed y e s t u f ft h r o u g hu v - v i ss p e c t r o p h o t o m e t e ra n dl a s e r p a r t i c l es i z ea n a l y z e r t h er e s u l t si n d u c a t e dt h a tt h eu l t r a s o u n dh a dn oe f f e c to nt h es h a d ea n d s t r u c t u r eo fd i s p e r s ed y e s t u f f m e a n w h i l et h eu l t r a s o u n dr e d u c e dt h es i z eo fd i s p e r s ed y e s t u f f , a n di m p r o v e dt h es o l u b i l i t yo fd i s p e r s ed y e s t u f fi nw a t e r t h ee f f e c tm e c h a n i s mo fu l t r a s o u n dt r e a t m e n to np o l y e s t e rf i b e rw a ss t u d i e db yt h es t r u c t u r e a n dp r o p e r t i e so ft h ep e ta n dp t tf i b e rt h r o u g hs e m ，x r d ，f t i ra n dt g a t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ec o n t e n to fo l i g o m e r so nt h es u r f a c eo fp e ta n dp t tf i b e rd e c r e a s e da f t e r 浙江理工大学硕士学位论文 t r e a t m e n t ，e s p e c i a q yf o rp t t f i b e r t h eu l t r a s o u n dt r e a t m e n tc o u l d n tc h a n g et h ec r y s t a ls t r u c t u r e o fp e ta n dp t tf i b e r s ，b u tt h e i rc r y s t a l l i n i t yd e c r e a s e ds l i g h t l y , e s p e c i a l l yf o rp t tf i b e r t h e u l t r a s o u n dh a dal i t t l ee f f e c tf o rc h e m i c a ls t r u c t u r e so fp e ta n dp t tf i b e r s b u tt h et h e r m a l p r o p e r t i e so fp e ta n dp t tf i b e rd r o p p e ds l i g h t l y ，i et h ep y r o l y s i st e m p e r a t u r ed e c r e a s e da n d t h ew e i g h tl o s si n c r e a s e d a tl a s t ，t h eb r e a k i n gs t r e n g t ho fp e ta n dp t tf i b e rd e c r e a s e da f t e r u l t r a s o u n dt r e a t m e n t b u tt h ed e g r e eo fs t r e n g t hl o s tn o tl a r g ea n ds t i l lm e e tt h en e e d so ff i b e r s t h ee x t e n s i o no fp e ta n dp t tf i b e ri n c r e a s e df o rac e r t a i nd e g r e ea f t e ru l t r a s o u n dt r e a t m e n t t h ee f f e c tm e c h a n i s mo fu l t r a s o u n do nd y e i n g p r o c e s sw a ss t u d i e db yt h ek i n e t i c so fp e ta n d p t tf i b e rd y e dw i t hd i s p e r s ed y e s t u f f t h es t u d yo fk a n e t i c si n d i c a t e dt h a tt h eu l t r a s o u n d i n c r e a s e dt h ed i f f u s i v i t ya n dt h ed y e i n gr a t ec o n s t a n to fd i s p e r s ed y e s t u f fo np e ta n dp t tf i b e r a n dd e c r e a s e dt h ed y e i n ga c t i v a t i o ne n e r g ya n dh a l f - d y i n gt i m e k e y w o r d s ：p o l y e s t e rf i b e r ；d i s p e r s ed y e s t u f f s ；u l t r a s o u n dd y e i n g ；d y e i n gk i n e t ! c s 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：怒国 日期：1 年z 月哕日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后使用本版权书。 不保密日。 学位论文作者签名：趑逸j 虱 日期： 口f 硼l j 7 日 指导教师签名： 日期：p 7 年 砂月日 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 文献综述 1 1 1 聚酯纤维及其染色技术 第一章前言 聚酯纤维的用途广泛，可以纯纺织造，也可与棉、毛、丝、麻等天然纤维和其他化学 纤维混纺交织，制成花色繁多、坚牢挺刮、易洗易干、免烫和洗可穿性能良好的仿毛、仿 棉、仿丝、仿麻织物。聚酯纤维包含p e t 纤维和p t t 纤维等多个品种。 p e t 纤维是由对苯二甲酸与乙二醇缩聚而成的高分子物，再经纺制而成的纤维，它具 有良好的物理、化学性能。p e t 纤维分子排列比较紧密，纤维中空隙较小。当温度较低时， 分子热运动改变其位置的幅度较小；在潮湿的条件下，p e t 纤维不会像棉纤维那样通过剧 烈溶胀而使空隙增大，因而染料分子难以渗透到纤维内部去。同时，分子结构中缺少与染 料结合的活性基团，故染色较困难。且存在吸湿性差、易产生静电、易起毛起球f 尤其是针 织品) 和穿着闷热等诸多不足i l 】。这在客观上限制了它在服装面料上进一步应用，无法满足 人们日益增长的对服装面料舒适性的要求。为此，国内外有关科研人员对p e t 纤维的改性 进行了不懈的努力，取得了相当的成效。在研发过程中，另一种聚酯纤维p t t 问世。 p t t 纤维是由对苯二甲酸与丙二醇缩合而成，在结构和性能上与p e t 纤维相似，但具 有较易拉伸、易染色以及回复性高、手感和弹性好等优点。与p e t 化学结构中的偶数个亚 甲基单元相比，p 1 v r 在对苯二甲酸重复单元之间存在着三个亚甲基。研究表明，这种化学 结构中奇数个亚甲基单元会在大分子链之间产生“奇碳效应”，使苯环不能与三个亚甲基处 于同一平面，临近两个羰基的斥力不能呈1 8 0 0 平面排列，只能以空间1 2 0 。错开排列，由此 使得p t t 大分子链形成螺旋状排列，最终影响p 订纤维的物理性能。d a n d u r a n 2 1 等通过x 射线和电子衍射方法，研究了p t t 晶体中大分子链的构象，发现其大分子链中 o c h 2 c h 2 c h 2 o 单元具有一种能量最低的反式旁式旁式一反式构象，即呈现明显的z ” 字形构象，使得p t t 大分子链具有如同线圈式弹簧一样变形的弹性。j a k e w a y s 和w a r d 【3 j 等研究表明，这种非伸直链型的螺旋状结构，在纵向外力作用下，“旁式 单元发生键旋 转而转变为“反式”构象。由于这种构象转变仅仅包含c c 和c o 键旋转，很容易发生分 子链的伸长，而且在这种键旋转过程中分子的构型并未发生变化，所以构象转变完全是可 逆的，外力除去后又恢复原状，这种结构赋予了p t t 良好的内在回复性。同时，p t t 纤维 浙江理- t 大学硕士学位论文 与相同纤度的p e t 纤维相比，具有更好的柔软性。如3 1 3 d t e x p t t 纤维的柔软性与 2 1 2 d t e x p e t 纤维的柔软性相当【4 】，而且纤维的模量较低。热处理对于p t t 纤维的弹性回复 有较大的影响，经过松弛热处理5 m i n 后，p e t 纤维的弹性回复降低到仅有原来的1 0 t 5 1 。 p t t 的玻璃化温度( t g ) 在4 5 - - 一6 5 之间，通常为4 8 。c 。由于p t t 的玻璃化温度比p e t 低 约2 0 * c ( p e t 纤维在7 0 - - 8 0 c ) ，所以p t t 纤维的染色性能优于p e t 纤维【6 _ 7 】。t r a u b 8 】等人 报道了其研究成果，他们将p e t 和p t t 两种纤维在相同的条件下进行染色，结果发现p e t 纤维在9 0 。c 还未吸收染料，而p 1 v r 纤维在7 5 就开始吸收染料；p e t 纤维在1 2 0 时最 大吸收染料量达9 5 ，而p t t 纤维在1 0 0 时就可将染料吸尽。 聚酯纤维的传统染色在较高温度下进行，需要造价高的染色设备和耗用大量的热能， 且纤维受热后低聚物自纤维内部逐渐向纤维表面迁移。研究表明纤维表面低聚物含量超过 0 1 5 ( 对纤维重) 时会在纺织加工中引起严重的问题。而载体染色中常用的载体往往是卤代 芳烃、酚的衍生物、水杨酸甲酯等芳香有机化合物，大多有刺激性气味或有毒，且存在较 难乳化、染色时间长、脱载体困难等缺点，大大限制了其广泛应用【9 】。同时，能源短缺、 劳动保护要求越来越高，特别是在自动化程度要求更高的高科技时代，急需为聚酯纤维织 物寻找一种便利、快捷、节能、安全的染色生产技术，即使聚酯纤维织物能在较低温度下 染色。实现聚酯纤维织物低温染色可从两个方面着手，一是使聚酯纤维增塑、膨化、降低 其玻璃化温度；二是使分散染料增溶、助溶，达到减小染料在纤维中的扩散阻力、提高上 染百分率的目的。目前研究应用的方法有：采用“绿色环保”型助剂、表面活性剂、有机溶 剂、载体及某些物理化学方法，如低温等离子体染色、超声波染色和超临晃c 0 2 流体染色 等。采用超声波方法进行染色时，超声波不仅能将分散染料的聚集体打碎，使分散体更加 稳定，还能加速分散染料在纤维内部的扩散速度。在纺织品湿加工中超声波能量的应用可 以是经济的，具有的好处包括较短的加工时间、较少的纤维损伤、提高效率和较有重现性 的染色色泽【l o 】。因此，用超声波在较低温度下进行染色受到人们的关注。 1 1 2 超声波特性及其在合成纤维染色中的应用 声学的全部频率为1 0 。4 - 、- , 1 0 1 4 h z ，而通常把频率为2 1 0 4 h z - - - 1 0 9 h z 的声波称为超声波。 它像所有的电磁波那样能够聚束、反射和折射，不同的是光和其它形式的电磁波可以在真 空中自由传播，而超声波在传播时需要有弹性特征的介质，并沿着传播方向，随着弹性介 质粒子的振动将能量传送出去【l l - 1 2 1 。超声波作为声波的一部分，遵循声波传播的基本规律。 但超声波也有与可听声不同的一些突出的特点：( 1 ) 超声波由于频率可以很高，因而传 2 浙江理工大学硕十学位论文 播的方向性较强，设备的几何尺寸较小；( 2 ) 超声波传播过程中，介质质点振动加速度 非常大；( 3 ) 在液体介质中，超声波传播过程中，弹性介质中粒子产生振动并沿传播方 向传递能量，从而产生机械效应、热效应和声空化现象。所谓声空化，是液体中气泡在声 场作用下所发生的一系列动力学过程。具有足够强度的超声波通过液体时将经过压缩、高 压、松弛和低压四个阶段。当声波负压半周期的声压幅值超过液体内部静压强时，存在于 液体中的微气泡( 也称空化核) 就会迅速增大，形成直径可达5 0 0 u m 的气泡；而在相继而来 的声压正压相中的气泡又被突然绝热压缩，直至“爆炸”。这一瞬间在气泡及其周围微小 空间内出现“热点，形成高温高压区，介质局部温度可达摄氏几百度，压力超过数百大 气压，并伴有强大的冲击波和射流。这些条件足以打开结合力强的化学键，并能促进“水 相燃烧 反应，为促进和启动化学反应创造了极端的物理环境【1 1 4 1 。声空化作用的产生取 决于许多因素，例如声波的频率和强度，液体介质的温度以及介质的蒸汽压等。诱导产生 声空化现象的超声波频率以2 0 - - - 5 0 k h z 最为合适。过高的频率不易产生空化作用，即使产 生也需要大量的能量，而且其中大部分能量被转化为热能，使介质温度明显提高。低强度 超声波的应用不会引起介质的任何状态变化，只有高强度超声波的应用才可能对介质产生 强烈的影响，从而引发声空化作用1 1 5 - 1 8 】。 因为产生声空化效应的最佳温度为5 0 9 c ，故超声波染色的温度通常采用4 5 , - - 6 5 。c ，属 于低温染色。由于染色过程中部分声能转化为热能，故染色无需外加热能。此外，由于它 属于低温染色，还可节省能源，提高产品质量。因此，超声波染色是一种很有前途的染色 方法【1 9 1 。国内外有关超声波在染色方面的应用研究很多【2 睨羽。其中，有关超声波对合成纤 维染色效果影响的研究也不少。g a r e t hjp r i c e 和a n d r e wac l i f t o n l 2 9 1 等人的研究表明，用超 声波改性过的织物进行染色时，织物对染料的渗透性和吸附量都明显增大。m mk a m e l 和 r e d am e l s h i s h t a w y t 如3 1 】等人研究了涤纶纤维的超声波染色，发现涤纶纤维经超声波染色 后不仅上染率提高，而且涤纶纤维的色牢度和水洗牢度也明显提高。s a l i g r a m 和w yw a n g 趾n a d 【3 2 】等人，用超声波研究了两种聚酯纤维( p e t 和p b t ) 在4 5 。c 下用分散染料染色的效 果。试验表明，如果在染色前纤维用苯甲醇等有机溶剂进行预膨润以增进染料的渗透，则 染料在纤维上的上染率会进一步提高。较传统的染色工艺而言，超声波染色对聚酯纤维的 上染率有一定程度的改善，尤其是在染浴中有载体存在及纤维经预膨化处理后，染色性能 更好【3 3 】。 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 3 超声波在聚酯纤维染色中的作用机理 1 1 3 1 超声波对纤维高分子物的作用 根据力学理论，任何材料的损伤和破坏都起源于材料中的原始缺陷和裂缝，当超声波 作用于纤维材料时，必然在材料的原始缺陷处( 即无定形区的空隙) 产生应力应变能的集中， 超声波所传递的能量必然有一部分转化为裂缝扩展新表面所需的能量，引起裂纹的扩展， 致使纤维的表面如同被腐蚀一样，大大增加了吸附整理剂( 或染料) 的纤维比表面积。但纤 维微结构的变化也带来了纤维强力等物理机械性能的变化，因此必须把这种损伤控制在所 允许的限度内，才能保证超声波在染整中的进行【3 4 】。 1 1 3 2 超声波对染液的作用 超声波在染液中的作用，通常被认为有三个方面：( 1 ) 分散作用：染料对纤维的上染 过程必须以单分子的状态来完成。但在染液中分散染料则以染料晶体颗粒的状态存在，阻 碍了纤维对染料的吸收。超声波不但能使染液中的染料颗粒聚集体解聚，而且还可以将染 料分散液中的染料颗粒击碎，获得粒度为l 岬以下高稳定性的分散液，促进了染料对纤维 的上染过程。此外，超声波可以提高水溶性和难溶性染料在染液中的溶解度。如 s i m a n o v i e h t 3 5 】研究了超声波对分散染料分散质量的影响，发现约有9 3 的染料粒子粒径小 于1 岬。k e u nw a nl e e 和j a ep i lk i m e 3 7 1 等人研究了染料的粒度对其染色性能的影响。从 超声波处理和染料结晶性能对粒度分布的影响中可以看出，超声波辐射对染料颗粒的破碎 性取决于染料的结晶性能，结晶性能好的染料破碎率高于结晶性能差的染料。( 2 ) 脱气作用： 超声波的空化作用可将纤维毛细管或织物经纬交织点中溶解或滞留的空气排除，从而有利 于染料与纤维的接触，加速了纤维对染料的吸收。( 3 ) 扩散作用：超声波染色的空化作用可 以穿透覆盖纤维的隔离层，从而促进染料向纤维内部的扩散速度。另一方面，超声波染色 还可能增加纤维内无定形区分子链段的活动性，加速染料的扩散速度【3 8 4 1 1 。 1 2 课题的研究意义、内容及创新点 1 2 1 课题背景及研究意义 目前能源问题和环保问题越来越关系着国计民生的大事，在全球环境恶化和能源危机 的严峻形势下，要求世界各国人民不断增强环保节能意识。早在1 9 7 2 年6 月，联合国就通 过了人力环境宣言；1 9 7 8 年世界环境和发展委员会成立，并发表了题为我们的共同 4 浙江理下大学硕士学位论文 的未来的报告，提出的全球可持续发展的目标，得到大多数国家的响应。随后国际标准 化组织也制定了环境管理标准i s 0 1 4 0 0 0 ，把环境纳入到产品质量管理当中。w t o 也制定了 一系列关于环境问题的贸易条约和协定，许多原则中都突出了环保例外权。世界环境形势 的发展、绿色节能潮流的兴起，国际商贸竞争的新动向清洁生产、环境标志、绿色消 费等告诉我们新的贸易壁垒正在形成【4 2 1 。 纺织品的染色加工需要耗用大量的水、电、热等能量和染化料，多数在较高的温度下 进行，并需足够的时间来完成染化料向纺织品传质的过程。聚酯纤维因其结构的特点，通 常采用高温高压染色法，需耗用更多的能源。资料还显示：印染加工产生的废水约为其用 水量的7 0 8 0 ，而且印染废水p h 值约为6 - 1 0 、c o d 口为4 0 0 1 0 0 0 m g l 、b o d 5 为 1 0 0 4 0 0 0 m g l 、色度为1 0 0 4 0 0 倍【4 引，是工业污染的主要来源。为了符合“增效、降耗、节 能、减污”的清洁生产目标，降低染色温度、缩短染色时间以及节约能源和染化料，解决常 规染色工艺带来的环境污染问题，我国纺织印染工业急需提高自主创新能力，开发崭新、 特殊的环保型染色技术，以应对国际绿色技术壁垒和能源危机的严峻局面。而超声波染色 技术就是一项方便、迅速、有效、安全的清洁生产染色技术。 关于超声波在纺织品染整加工中应用的研究，迄今已有半个世纪，但都停留在实验室 阶段，其工业化应用越来越受到业内人士的关注。我国印染界曾在上世纪5 0 年代末期开 展过超声波的应用，但最终也未能真正实现工业化应用。究其原因，不外乎受超声波在实 际使用时的效益和成本两个因素的制约。在染整工艺中，由于染化料成本较高、处理温度 较高和处理时间较长，应用超声波对于节能、降耗和提高产品质量等都格外有利。而且随 着技术的进步，超声波设备的价格会更趋合理，性能会更加先进，因此在大规模生产中的 应用也更有可能。近几年来，虽然有关于超声波在纺织品前处理、染色和后整理中的应用 以及在聚酯纤维织物染色中的应用报道，但是侧重于染色工艺和染色效果较多，而涉及超 声波对聚酯纤维织物染色的促进作用机理研究甚少，且不少推断均未得到证实。只有深入 研究超声波对纤维的表面形态和结晶结构、染料的溶解性和粒度以及染色热力学、染色动 力学的影响，才能更深入地了解超声波对纺织品染色的促进作用机理，在该理论基础上更 好地将超声波应用于纺织品染色大生产。同时还需要印染工作者、声化学专家和超声波设 备制造商等有关方进行协作试验并作出评估，从而实现超声波技术真正能在印染厂中实 施，以发挥巨大的效益j 。 该文选题紧扣浙江省国民经济和社会发展计划，对节能、降耗、减排、提高纺织品 附加值和推动生产力发展，都具有非常重要和深远的意义【4 5 1 。同时，该文也得到浙江省自 浙江理工大学硕士学位论文 然科学基金项目“超声波对纺织品染色的作用机理研究”( y 4 0 6 0 3 7 ) 的资助。 1 2 2 课题的研究内容及创新点 1 以p e t 、p t t 纤维织物为研究对象，选择分散红f b 、分散黄e 3 g 和分散蓝2 b l n 为 三原色染料，在超声波和无超声波两种染色条件下，通过单因素分析及正交试验，确定超 声波条件下聚酯纤维( p e t 、p t t ) 织物分散染料染色的最佳工艺，使p e t 、p 订织物在较 低的温度下仍能达到较好的染色效果。 2 采用紫外可见分光光度计和激光粒度分析仪等仪器，测试超声波及无超声波条件 下分散染料的色光、溶解性和粒度等，研究超声波对分散染料的作用机理。 3 采用s e m 、多晶粉末x 射线衍射仪、t g a 、傅立叶红外光谱分析仪和a g 一1 万能材 料试验机等现代分析测试手段，测试超声波及无超声波条件下p e t 、p t t 纤维的表面形态、 结晶形态、热性能、化学结构及力学性能，研究超声波对聚酯纤维的作用机理。 4 选取分散红f b ( 葸醌型) 和分散黄g 3 e ( 喹啉酞酮型) 两种结构的分散染料，分 析超声波对p e t 、p t t 纤维染色亲和力、染色热和染色熵等染色热力学参数以及染色活化 能、扩散系数、半染时间和染色速率常数等染色动力学的影响，从而研究超声波对聚酯纤 维织物分散染料染色过程的作用机理。 在以上工作的基础上，系统研究超声波对聚酯纤维织物分散染料染色的作用机理。 本文的创新之处在于： 1 ：借助现代测试手段研究超声波对p 1 v r 纤维的表面形态、结晶形态和热性能等影响； 2 研究超声波对p t t 纤维染色热力学及动力学性能的影响； 3 综合超声波对聚酯纤维、分散染料和染色过程三方面的影响，系统研究超声波对 聚酯纤维织物染色的促进作用机理，以建立超声波协助p e t 、p t t 织物染色理论奠定基 础。 6 浙江理工大学硕十学位论文 第二章聚酯纤维织物超声波染色工艺研究 本章以p e t 、p t t 织物为主要研究对象，用分散染料对其进行染色，重点研究超声波 染色工艺因素对p e t 、p t t 染色织物k s 值的影响，并通过正交试验确定p e t 、p t t 织物 分散染料染色的最佳染色工艺。在最佳染色工艺条件下，通过测试染色织物的摩擦牢度、 耐洗牢度和耐晒牢度等指标来确定超声波对染色品质量的影响。 2 1 实验部分 2 1 1 实验材料、药品及仪器 实验材料： p e t ( 2 0 t e x 3 8 d 4 8 f ) p t t ( 7 0 d 2 5 f x 7 0 d 2 5 f ) 实验药品： 方圆化纤股份有限公司 方圆化纤股份有限公司 分散红f b ( 2 0 0 ) ；分散黄e - 3 g ( 2 0 0 ) ；分散蓝2 b l n ( 1 0 0 ) ；扩散剂n n o ( t 业级) ；膨化剂( 乙酸正戊酯、乙酸苄酯、苯甲醇) ( a r ) ；优力乳( 工业级) ；丙酮( a r ) 三只分散染料结构如下： b r 分散红f b分散黄e 3 g分散蓝2 b l n 三种膨化剂的结构式如下： 苯甲醇 实验仪器： o 0 c h 3 c o ( c h 2 ) 4 c h 3 乙酸苄酯 曰 6 0 c c h 9 h 2。 乙酸正戊酯 l e 0 2 1 0 0 6 s 单槽一体式超声波染色机杭州力鸿超声波科技有限公司 7 浙江理工大学硕士学位论文 s h a c 数显恒温水浴振荡器 i r 一1 2 红外染色机 风冷式曰晒试验机x e n o t e s t l5 0 s + y 5 7 1 ( l ) 染色摩擦牢度仪 s f 6 0 0 xd a t a c o l o r 测色光谱仪 电子天平( o h a v s m p 2 0 0 b ) c a r y 紫外可见分光光度仪 2 1 2 实验及测试方法 常州国华电器有限公司 杭州三锦科技有限公司 美国a t l a s 公司 浙江温州纺织仪器厂 美国d a t ac o l o u r 公司 上海精科天平 澳大利亚 2 1 2 1 染色方法 工艺配方：分散染料1 ( o w f ) ；扩散剂n n ol g l ；染色温度4 5 7 0 。c ；染色时间 1 0 11 0m i n ；膨化剂0 - 0 5 9 l ：浴比l ：1 0 0 。 将p e t 、p t t 织物在施加超声波( 频率：2 8 k h z ；功率：0 2 0 0 0 3 3 3 w c m 2 ) 和不施加 超声波两种条件下，于x 。c 染色tm i n 。 2 1 2 2 正交试验法 正交试验设计是一种研究多因素多水平的设计方法，它根据正交性、均衡性、独立性， 从试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，具有高效率、快速和经济等特点。本文在对 超声波功率、染色温度、染色时间、膨化剂种类及浓度等单因素分析的基础上，采用正交 试验法，以染色温度、染色时间和膨化剂浓度作为三因素进行研究，具体设计见表2 1 m 4 9 】。 表2 1 正交试验表 8 浙江理工大学硕士学位论文 注：a 为染色温度( ) ；b 为染色时间( m i n ) ：c 为膨化剂浓度( g l ) 。 2 1 2 3 刚s 值的测定 表面得色深度用k s 值表示，其大小用k u b e l k a - m u n k 公式表示，即 膨黔( 1 - r ) 2 r 2 一( 1 ) r 为最大吸收波长处的反射率。在d a t a c o l o rs f 6 0 0 型计算机测色配色仪上采用d 6 5 光 源，观察角1 0 。按规定进行测试【5 0 1 。 2 1 2 4 上染率的测定 采用残液法，用紫外可见分光光度仪测定吸光度( 染液中加入丙酮溶解染料) ，并按 公式2 ( 2 ) 计算上染百分率5 1 】： 庐( 1 4 朋d ) 1 0 0 2 - ( 2 ) 其中，4 沩染色残液的吸光度； 么。为原液的吸光度。 2 1 2 5 色牢度的测定 摩擦牢度参照g b t 3 9 2 0 1 9 9 7 纺织品色牢度实验耐摩擦色牢度测试；耐洗牢度参 照g b t 3 9 2 1 3 1 9 9 7 纺织品色牢度试验耐洗色牢度试验方法测试；耐晒牢度参照g b 8 4 2 7 8 7 纺织品光致变色的检验和评定试验方法测试。 2 2 结果与讨论 2 2 1 超声波功率 在超声波频率为2 8 k h z 、染色温度为6 0 。c 以及染色时间为6 0 m i n 的条件下，采用分 散染料对p e t 、p t t 织物进行染色，研究超声波功率对p e t 、p t t 织物上染率的影响，实 验结果见图2 1 。 9 浙江理工大学硕士学位论文 斛 球 i l j w c m 2 图2 1 超声波功率与p e t 、p t t 织物上染率的关系 注：1 、2 、3 分别为分散红f b 、分散黄e 3 g 、分散蓝2 b l n 上染p e t 织物。 4 、5 、6 分别为分散红f b 、分散黄e 3 g 、分散蓝2 b l n 上染p t l 织物。 图2 1 表明，无论是p e t 还是p t t 织物，三只染料的上染率都随超声波功率的增大而增 高。这说明高强度超声波能对介质有强烈的影响，引发空腔效应。超声波的空腔效应能把 集中的声场能量在极短的时间和极小的空间内释放出来，使介质局部形成高温高压环境， 并产生出很大的冲击力，起到激烈搅拌的作用【5 2 1 。故确定p e t 、p t t 织物分散染料超声波 染色的功率为0 3 3 3 w c m 2 。 2 2 2 染色温度 在施加超声波( 频率为2 8 k h z ，功率为0 3 3 3 w c m 2 ) 和无超声波两种染色条件下，采 用分散染料对p e t 、p t t 织物染色6 0 m i n ，研究染色温度对染色品k s 值的影响，实验结 果分别见图2 2 及图2 3 。 i o 浙江理r t 大学硕士学位论文 1 2 1 o 0 8 鄞6 配 0 4 0 2 0 0 5 05 56 06 57 0 t 图2 2 染色温度与p e t 织物k s 值的关系 注：1 、2 、3 分别为分散红f b 、分散黄e - 3 g 、分散蓝2 b l n 在超声波条件下上染p e t 织物。 4 、5 、6 分别为分散红f b 、分散黄e - 3 g 、分散蓝2 b l n 在无超声波条件下上染p e t 织物。 5 4 3 培 2 1 0 5 05 56 06 57 0 t 图2 3 染色温度与p t t 织物k s 值的关系 注：1 、2 、3 分别为分散红f b 、分散黄e 3 g 、分散蓝2 b l n 在超声波条件下上染p t t 织物。 4 、5 、6 分别为分散红f b 、分散黄e 3 g 、分散蓝2 b l n 在无超声波条件下上染p 1 v r 织物。 由图2 2 可以看出，两种染色条件下，染色织物的k s 值都随染色温度的升高而增大。 在相同的染色温度下，超声波染色条件下比无超声波条件下织物的k s 值大，这主要是因 为超声波的分散作用可以将分散染料分子分散于染浴中，破坏它们的聚集；空穴作用可以 1 l 浙江理工大学硕士学位论文 在染浴中形成微小的气泡并且使它们破裂，在显微的水平下提高压力和温度；扩散作用使 染料分子在纤维结构内部迅速扩散，提高染色速度。同时超声波还能使分散染料的粒度变 小，增加染料的溶解性和染料在纤维中的平衡浓度【5 3 】。一般认为，超声波空化效应的最佳 温度为5 0 ，而p e t 纤维的玻璃化温度比较高( 8 0 左右) ，当染色温度低于玻璃化温度 时，染料不易扩散进入纤维内部。由此确定，超声波条件下p e t 纤维较适宜的染色温度为 7 0 。 由图2 3 可以看出，随着染色温度的升高，两种染色条件下织物的k s 值都增大。在 相同染色温度( 6 5 ) 下，超声波染色条件下织物的k s 值是无超声波条件下的2 3 倍。 而6 5 和7 0 。c 染色条件下的k s 值相差不大，即温度升到一定高度后，温度对染色k s 值的影响不大。综合以上分析，把超声波条件下p t t 织物染色温度定在6 5 。c 。 2 2 3 染色时间 在施加超声波( 频率为2 8 k h z ，功率为0 3 3 3 w c m 2 ) 和无超声波条件下，采用分散染 料对p e t 、p t t 织物于6 5 c 进行染色，研究染色时间对染色织物k s 值的影响，实验结果分 别见图2 4 及图2 5 。 1 5 1 2 0 9 j 粤 r 1 3