东华大染整工艺学讲义第8章 染整用水

PAGEPAGE15第八章染整用水、表面活性剂和练漂助剂§8.1染整用水染整加工过程中，水是染料及助剂最理想的溶剂和载体，水的质量直接影响成品的质量和锅炉使用效率及染化料、助剂的消耗。一染整用水的质量要求（一）水源地表水：江河湖水等，携带有机无机物质，含量随气候、雨量地质等变化悬浮杂质含量高，矿物质含量少，处理比较容易地下水：泉水、井水，由于土壤的过滤作用，悬浮杂质含量少，但矿物质高，水质处理较困难（二）水的硬度硬度是染整用水的主要监测指标含义：表示水中该Ca2+、Mg2+等盐类杂质含量的多少。盐类杂质含量越多，硬度越高。暂时硬度：经过煮沸，水中的杂质能以沉淀的形式而析出，其硬度为永久硬度：不能用煮沸的方法，必须经过化学处理才能除去所含杂质的水，其硬度为表示方法：以一百万份水中所含碳酸钙的份数来表示，简称ppm（三）水质指标染整用水要求无色、无臭、透明pH在6.5～7.4项目ppm(mg/L)总硬度0～60铁<0.1锰<0.1碱度35~64溶解的固体物质65~150二水中杂质对染整加工的危害1白色品种不白或白度不持久，有色品种色光不纯正、不鲜艳、色牢度降低2含钙镁离子的水，能与肥皂或某些染化料结合形成沉淀物，增加助剂的消耗量，且沉淀物会沉积到织物表面，对织物的手感、色泽、色泽均匀度产生不良影响。3含铁盐(锰盐)的水，会使织物表面泛黄甚至产生铁锈，铁盐还能催化双氧水分解，影响漂白效果，并使纤维氧化脆损。4含钙镁离子的水，由于能与某些染料形成沉淀，致使过滤性染色的加工过程不能顺利进行。5含有过多氯化物的水会影响织物的白度和色牢度6煮练过程中使用硬水，处理厚的织物的吸水性会明显降低并影响煮练的质量，织物表面形成不易洗去的钙斑。三硬水的软化软化的目的：根据需要采用适当的方法降低水中的钙镁离子的含量，使硬水软化为软水，软水剂法软化方法离子交换法软水剂法用化学药品作为软水剂，与水中的钙镁离子作用或生成不容性沉淀使之从水中去除，或形成稳定的可溶性络合物，降低水的硬度1沉淀法常使用石灰和纯碱，使水中的Ca2+,Mg2+离子分别形成CaCO3和Mg(OH)2沉淀而从水中除去，降低水的硬度。2络合法利用无机型或有机型络合剂如：六偏磷酸钠，胺的醋酸衍生物（EDTA）等与

Ca2+、Fe2+、Cu2+等离子生成水溶性螯合物，将他们去除。（二）离子交换法(工业中大量生产软水的方法)原理：利用具有一定化学反应活性的离子交换材料将硬水中的钙镁离子吸附到固体材料中，从而降低水的硬度。1阳离子交换树脂阳离子交换树脂：含H+、Na+固体与Ca2+、Mg2+离子交换。2阴离子交换树脂阴离子交换树脂：含碱性基因，能与水中阴离子如Cl-,SO42-,交换.3树脂再生处理离子交换树脂使用一段时间后，树脂吸附能力饱和，失去化学反应活性，需经过再生处理使其重新具有吸附反应活性。主要用HCl或NaOH再生处理。§8.2表面活性剂一表面活性剂的定义（一）表面张力1．表面张力界面张力：能使某物质表面积发生收缩的分子间作用力表面：将物质与气相组成的界面表面张力：与气相有关的界面张力。表面张力的影响：由于染整加工过程中使用大量的溶剂：水，而水的表面张力很大，容易阻碍染化药剂向纤维内部渗透、扩散，影响染整加工的顺利进行。表面活性剂的定义表面活性剂：以浓低度存在于水中，能显著降低溶液（一般为水）的表面张力或两相间界面张力的物质特点：用量少，显著降低界面张力表面活性剂的分子结构特征（双亲结构）不对称的极性分子，由非极性的疏水基与极性的亲水基两部分组成。表面活性剂是一种两亲分子，既亲水又亲油。表示方法：火柴棒表示疏水基，火柴头表示亲水基。二表面活性剂的分类（一）ISO分类法（国际标准分类法）阴离子离子型阳离子两性离子结构混合型非离子型特殊型（二）离子型分类法根据表面活性剂分子在水溶液中是否发生电离及离子的带电形式来分类。阴离子型表面活性剂阳离子型表面活性剂两性离子型表面活性剂非离子型表面活性剂（三）用途分类法染整工业里分：洗涤剂、精练剂、渗透剂、分散剂、气泡剂、乳化剂等三表面活性剂溶液的性质表面活性剂独特的两亲分子结构使得它在水溶液中与其他物质不相同的物理化学性质。该性质主要与表面活性剂在水溶液表面和水溶液内部的吸附能力、吸附状态直接相关。表面活性剂在水溶液中总出于一种既被吸引又被排斥的不稳定状态中，所以总是力图减少与水的接触面积，从而使自身具有能量保持最低，达到稳定状态。正吸附表面活性剂分子的疏水部分在水的排斥作用下，使疏水基指向空气，而亲水基指向水，并逐渐将水溶液表面定向排满。正吸附：由于表面活性剂分子向水溶液表面定向排列的结果，导致液面处的表面活性剂浓度高于溶液内部，该现象为“正吸附”由于正吸附的发生，从而改变了水表面结构。使原来水分子与空气接触变为现在的表面活性剂与疏水基与空气接触，于是水的表面张力急剧下降。而表面活性剂也由原来的不稳定状态变为相对稳定状态，保持能量最低。胶束化随水中表面活性剂浓度的增加，水表面的浓度饱和，则表面活性剂通过在水溶液中自身相互吸附而实现稳定存在。自身相互吸引使得表面活性剂分子得疏水基与疏水基通过分子间作用力相互吸附在一起，而将他们的亲水基朝外，随浓度升高，最后形成球状或棒状、层状。胶束：表面活性剂分子由于自身吸附而形成的聚集体形成胶束的过程叫“胶束化”临界胶束浓度（cmc）1临界胶束浓度的定义CMC：指使溶液表面张力达最低值所需表面活性剂的最小浓度，也是表面活性剂在溶液中刚刚形成胶束的浓度。2临界胶束浓度的意义A:CMC把表面活性剂在溶液中的存在状态明显分为两个阶段,当浓度低于CMC时，发生正吸附，表面活性剂分子在水溶液表面定向紧密排列，并使溶液得表面张力迅速下降至最低点。当浓度大于CMC时，发生胶束化，表面活性剂开始在水溶液中形成胶束，但表面张力不在降低。B:CMC是表面活性剂重要的性能参数，不同品种，其CMC也各不相同。C:CMC的大小，可以表示一种表面活性剂得应用效率和应用效能。D：不同得表面活性剂产品有不同的用量标准，利用CMC值可以确定某种表面活性剂得用量范围。E：在临界胶束浓度处，除表面张力或界面张力发生突变外，其他性质如电导率、渗透压、冰点、粘度、密度等都有显著变化，出现明显得转折点。3影响临界胶束浓度的因素（1）表面活性剂的类别，非离子表面活性剂的CMC较低，而离子型则较高。（2）同系列表面活性剂在亲水基相同的情况下，随疏水性的增加，形成胶束的能力提高，CMC值相应降低。（3）疏水基中如有支链、双键、极性基团。表面活性剂分子形成胶束的能力下降，CMC值会有所增加。（4）疏水基相同的表面活性剂，随亲水性的增强，CMC值会有所提高。（5）有机氟、有机硅表面活性剂、复配混合型表面活性剂的CMC值都降低。（6）临界溶解温度对CMC也有影响(7)溶液中添加少量无机盐电解质，会使CMC值下降，尤其对离子型表面活性剂影响最明显。四表面活性剂化学结构与性质的关系（一）表面活性剂的一般性质1溶解度（1）通常情况下，在一定温度下，溶解度随表面活性剂亲水性提高而增加。（2）离子型表面活性剂的溶解度随温度升高而变大，并有个突变点即为临界溶解温度，也称为克拉夫特点。（3）非离子型表面活性剂的溶解度随温度升高而下降。浊点：对于非离子型表面活性剂，当提高他的水溶液温度到某个值时出现浑浊，但当降到该温度以下后，又出现澄清，则该温度为“浊点”。2化学稳定性（1）酸碱稳定性阴离子表面活性剂在强酸中不稳定，但在碱液中比较稳定。阳离子表面活性剂中铵盐类在碱液中析出游离胺，而在酸中稳定，季铵盐耐酸碱性均好。一般非离子表面活性剂在酸碱液中较稳定。两性离子型表面活性剂一般易受pH值变化而改变性质。（2）对无机盐稳定性阴阳离子型表面活性剂易产生盐析，多价金属离子对羧酸类表面活性剂影响更大，而非离子和两性离子型表面活性剂不易产生盐析。（3）氧化稳定性抗氧化性较好，比较稳定。（4）生物毒性生物毒性包括:毒性和杀菌性阳离子表面活性剂的毒性和杀菌力均较大。阴离子表面活性剂的毒性和杀菌性较小。非离子表面活性剂的毒性和杀菌性较小，但含芳香结构的烷基酚聚氧乙烯醚的毒性较大。两性离子型表面活性剂的毒性小，但杀菌力很强。（5）生物降解性分子结构支链化程度越高越难降解。（二）表面活性剂的亲疏平衡值(HLB值)1定义：反映表面活性剂分子中亲水与疏水间的平衡关系即HLB值HLB值越大，亲水性越强。HLB值越小，亲油性越强。2HLB值的计算主要应用于非离子表面活性剂。3HLB值的应用知道表面活性剂的HLB值具体数据后，可大体判断它的亲水性高低，预知它的一些基本性质和用途。（三）亲水基种类与性能的关系1亲水基种类对水溶性的影响不同种类亲水基的表面活性剂，他的亲水性差别很大，水溶性也明显不同。2亲水基类型对效率、效能的影响亲水基种类不同的表面活性剂，其应用效率和应用效能也有一定程度的差别。即使疏水基相同，HLB值基本相当，但应用效能和应用效率也有明显差异。3混合型亲水基对性能的影响结构混合型表面活性剂在溶解性、低泡性、分散性、乳化性等方面均优于纯粹离子型表面活性剂。（四）疏水基种类与性能的关系1疏水基的“相似相容”性疏水基的化学结构与被处理的物质的化学结构相似，才能更好的发挥表面活性剂的某些功能。2疏水基形状对性能的影响在表面活性剂种类和相对分子质量大小相同的情况下，疏水基中带有支链的表面活性剂在溶液中“胶束化”倾向小于“正吸附”能力。因此可使溶液的表面张力大大降低，具有快速的润湿、渗透能力，但去污性差。（五）分子大小与性能的关系（1）表面活性剂分子大小对其性能也有明显影响，总的规律：①分子小的，易发生正吸附，可快速降低溶液表面张力，润湿、渗透效果好。②分子大的，在溶液中易于形成胶束，洗涤、乳化、分散、增溶等性能好。（2）对于聚氧乙烯型非离子表面活性剂，改变亲水基或疏水基的相对分子质量，可改变其各种性能。①按比列将疏水基和亲水基的链长同时加大，其HLB值（亲水性）基本不变，但应用效能大增。②按比例增加亲水基链长，其临界胶束浓度变化很小（cmc），而HLB值明显改变。（六）表面活性剂的配伍性1配伍的作用配伍性能：将几种表面活性剂在一起使用，或表面活性剂与无机助剂、有机助剂及高分子助剂一起共同使用的性能。表面活性剂经配伍使用，可明显提高其应用效率和应用效能，弥补存在的缺陷，大大降低加工成本。2协同效应协同效应：把两种不同类型的表面活性剂按一定比列混合使用后，比单独使用其中任何一种产生更大的表面活性作用，这一现象叫混合体系存在“协同效应”3阴阳离子型表面活性剂的配伍使用传统理论认为：阴、阳离子表面活性剂之间易发生沉淀而失效。现代理论：适当的阴阳离子表面活性剂以适当比例混合使用，会产生突出的协同效应，使混合溶液的表面张力大幅下降。五表面活性剂的基本作用1表面活性剂通过“正吸附”可迅速降低水的表面张力，体现了它的润湿、渗透作用，2通过“胶束化”可在水中形成大量胶束，并有效降低两相间的界面张力，使液体、固体、气体在水中稳定存在，体现了表面活性剂的乳化、分散、发泡、增溶等作用。润湿和渗透作用润湿：固体表面上一种流体被另一种流体所取代的过程润湿剂：能使润湿过程迅速发生的表面活性剂，又可以叫渗透剂。润湿作用和渗透作用无本质上的区别：前者发生在固体表面，后者作用在固体内部。表面活性剂之所以具有润湿或渗透作用，是由于他能显著降低水的表面张力。（二）乳化作用乳化作用：两种互不相溶的液体，其中一相以微滴状分散于另一相中。乳状液：经乳化作用形成的油——水分散体系，水包油型（油/水型），以O/W表示其中油是内相（不连续相）乳状液两种类型水是外相（连续相）油包水型（水/油型），以W/O表示其中水是内相（不连续相）油是外相（连续相）（三）分散作用分散作用:一种不溶性固体以极小的微粒均匀的分散在液体中的作用分散相（内相）为固体连续相（外相）为液体表面活性剂成为良好分散剂所必须的三种作用：1首先必须具有良好的润湿性能，使液体充分润湿每一个固体颗粒，取代颗粒中的空气，进一步使固体颗粒碎裂成更小的晶体。2必须能显著地降低固体——液体之间的界面张力，增加固液之间的吸附、相容的能力，使体系存在的能量降低。3必须以水化层或带电层的形式在固体颗粒周围形成机械强度较高的界面膜，以阻止固体颗粒间地聚集。分散体系是一种热力学不稳定体系，与乳状液相比，其不稳定因素更多，不稳定性更大，更易产生凝聚、分层现象。（四）发泡作用气泡：气体分散在液体中的状态泡沫：大量气泡聚集在一起形成的分散体系。发泡作用：能促使泡沫形成的能力发泡剂：能促进泡沫生成的表面活性剂，又称为气泡剂。稳泡剂：能促使泡沫稳定存在的表面活性剂。发泡起泡的原理：1液体中存在的表面活性剂被气泡表面吸附，并定向排列，当达到一定程度时，气泡壁形成一层坚固的薄膜，使气泡间不易发生合并。2表面活性剂在液体表面的定向排列，使液体的表面张力下降，并导致气泡间的内压差降低，因而排液速度减慢。由于上面两个方面的作用，降低了气泡的破裂能力，有利于泡沫的形成和稳定存在。（五）增溶作用增溶作用：在溶剂中完全不溶或微溶的物质进入表面活性剂形成的胶束中得到溶解，并形成热力学稳定溶液，该现象称为：增溶作用增溶作用与乳化作用和分散作用的区别及联系：区别是：1乳化作用仅限于液体——液体之间形成的分散体系，分散作用仅限于固体——液体之间形成的分散体系，而增溶作用所溶解的物质，既可以是液体，也可以是固体。2乳化作用和分散作用形成的是热力学不稳定多相分散体系，而增溶作用形成的是热力学稳定的均相体系。3外观上明显不同，乳状液和分散液多为乳白状和悬浊状，而增溶溶液为透明状。联系是：1增溶作用可以看作是乳化作用或分散作用的极限阶段，理想状态。之间可以相互转化。2增溶溶液与真溶液也有本质区别，真溶液是有机物或无机物以分子或离子形式溶解于溶剂中，而增溶溶液“溶解”的溶解质是以远比分子大的多的“分子集团”的形式包围在胶束中。（六）洗涤作用洗涤：从浸在某种介质（多为水）中的固体表面除去异物或污垢的过程。洗涤作用比较复杂，是表面活性剂的润湿、乳化、分散、增溶等综合作用以及搅拌、搓揉、水流等机械作用的共同结果。洗涤过程中，污垢的去除通过如下具体方式：（1）洗涤剂向纤维表面和污垢表面做定向界面吸附，并进一步纤维与污垢之间（相互接触处）润湿、渗透。（2）在洗涤剂的分散、取代作用下，污垢与纤维间的结合力减弱，并在机械或水流作用下脱离纤维。（3）脱离下来的污垢在水溶液中被洗涤剂乳化分散或增溶，不使其再沉积回到织物表面。（4）污垢与洗涤剂随水溶液被冲洗除去，吸附于织物表面的残余洗涤剂也被一同冲洗除去。（七）几种相反作用1反润湿作用主要是防水、拒水、防油整理2破乳作用通过降低乳状液界面膜强度、提高两相间的表面张力、降低乳液粒子间界面电荷等方式实现破乳。3消泡作用防止气泡产生和将已产生的气泡消除掉六主要表面活性剂（一）阴离子型表面活性剂应用历史最长，用量最大、价格较低。有优良的去污、乳化、分散、增溶等作用。1羧酸盐类在水中离解后，以R-COO-形式存在，均有脂肪酸作为原料，主要产品：（1）肥皂最古老最常用的表面活性剂，高级脂肪酸钠盐优点：良好的润湿、乳化、净洗性能，洗后织物手感好，且价格低廉缺点：对硬水不稳定，遇Ca2+,Mg2+易形成不溶性钙皂，镁皂，从而失去活性功能，遇酸也不稳定，易水解成溶解性差的脂肪酸（2）红油即土耳其红油，又称太古油，是蓖麻油硫酸酯的钠盐，呈淡棕色稠厚液体状，代表性的分子结构式为：CH3-(CH2)5-CH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COONaO-SO3Na（3）雷米帮A（613）洗涤剂是油酰氯与水解蛋白质的反应产物，分子式为：C17H33-CO(NH-CH-CO)nONaR对碱和硬水较稳定，对酸不稳定，具有良好的乳化，分散作用。能增进织物的手感，常用作洗涤剂、缩呢剂。2磺酸盐类在水中离解后以R-SO3-形式存在，化学稳定性好，耐酸、碱、硬水稳定性好。（1）烷基磺酸钠（AS、601洗涤剂）主要分子式C16H33O-SO3Na疏水基中带有支链，良好的润湿性能和一定的乳化性能，但净洗能力差，对酸碱硬水较稳定，价格低廉（2）烷基苯磺酸钠（ABS或LAS）（3）丁基萘磺酸钠（拉开粉BX）对酸碱硬水均稳定，但不耐浓碱，优异的润湿、渗透性能。但净洗能力差（4）亚甲基二萘磺酸钠（分散剂NNO）易溶于水，耐酸碱、硬水和无机盐，扩散性能优良，但润湿和起泡性差3硫酸酯盐类在水中离解后以R-O－SO3-形式存在，与磺酸盐类表面活性剂比较，耐酸性差，在酸性条件下易发生水解。4磷酸酯盐类在水中离解后以R-O－PO32-或(RO)2－PO2-形式存在，化学稳定性好，耐酸碱，耐无机盐的能力均强，特别在浓碱液中化学性质稳定。用作煮练助剂、丝光渗透剂等。O（1）乙二醇单丁醚磷酸酯钠盐C4H9OCH2CH2CH2CH2O-P-ONaONa在10％以上浓碱中具有优良的渗透性（2）壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯单钠盐泡沫少，耐硬水及电解质，耐碱性优良，润湿性中等，净洗力较差。（3）2-乙基己醇聚氧乙烯醚磷酸酯钠盐，主要分子结构式：OCH3CH2CH2CH2-CH-CH2O(CH2CH2O)n-P-ONaC2H5ONa在冷水中溶解性好，耐浓碱能力强，可作丝光渗透剂、煮练助剂。（4）辛醇磷酸酯钠盐润湿、乳化、分散性强，可作退浆、煮练、漂白、丝光等工序中的渗透剂。（二）非离子型表面活性剂应用历史较短，但发展速度很快，用量仅次于阴离子表面活性剂，在水中不发生电离，其亲水基团不带电荷，具有优良的乳化、润湿、增溶、去污低泡等性能，又具有配伍性好，化学稳定性高、毒性低，易生物降解。1脂肪醇聚氧乙烯醚（1）平平加系列产品易溶于水，对酸碱硬水稳定，具有良好的渗透、乳化、净洗作用，常做匀染剂、扩散剂、乳化剂。（2）渗透剂JFC低温下水溶性良好，对酸碱及次氯酸盐均较稳定，耐硬水及无机盐，优良的润湿、渗透性，但浊点低。2烷基酚聚氧乙烯醚对酸碱、硬水无机盐均稳定，具有优良的润湿、扩散、乳化、去污能力。OP和TX系列商品都属于此类3脂肪酸聚氧乙烯酯具有良好的乳化、柔软、平滑性能但耐酸、耐强碱能力差，易水解变质。4聚氧乙烯脂肪胺具有非离子和阳离子性，在碱性溶液中表现为非离子，在酸性溶液中表现为阳离子性，有杀菌作用，常做匀染剂。5聚醚分子量大，高分子表面活性剂6烷基醇酰胺6501突出的稳泡，去污、脱脂、增稠作用7多元醇型非离子表面活性剂Span系列和Tween系列，最大特点是无毒，作为食品乳化剂。（三）阳离子型表面活性剂其亲水性基团是带有正电荷的官能团，具有很强的乳化，分散，发泡，杀菌，抗静电，柔软等能力，但遇到阴离子表面活性剂易生成沉淀，配伍性差，对设备有一定的腐蚀作用，价格较贵。1十二烷基二甲基卞基氯化铵（匀染剂1227）2十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐（抗静电剂SN）3咪唑啉衍生物(柔软剂IS)（四）两性离子表面活性剂在水溶液中离解后，具有表面活性的基团同时带有阴离子和阳离子的一类表面活性剂，其亲水性基团既带有负电荷又带有正电荷的官能团，开发应用最晚，毒性最低，刺激性小，生物降解性好，可与任何种类的表面活性剂配伍使用，又有很好的乳化、渗透、净洗、杀菌性能。1十二烷基二甲基乙羧基季铵C12H25－N+(CH3)2－CH2COO－2烷基咪唑啉衍生物（柔软剂SMC）3椰油酰胺基丙基甜菜碱（双鲸CAB-30）C11H23CONH－CH2CH2CH2－N+(CH3)2－CH2COO－在弱酸弱碱和硬水中有良好的稳定性，泡沫稳定细腻，增稠效果明显，对皮肤无刺激，具有柔软、净洗、抗静电、杀菌等性能。（五）结构混合型表面活性剂分子结构中的亲水基团是由非离子部分和阴离子部分共同构成的一类表面活性剂。主要由聚氧乙烯型非离子表面活性剂再进一步硫酸化或磷酸酯化反应而得到。1月桂醇醚硫酸钠(AES)C12H25O(CH2CH2O)3－SO3Na2烷基醇醚磷酸酯盐（六）有机硅表面活性剂分子主链是由硅氧键（－Si－O－）而构成的一类新型表面活性剂，即由聚硅氧烷引入亲水、活性基团而形成，其亲水基可带离子性，也可不带离子性。常做柔软、拒水、拒油剂和消泡剂。1含反应性基团和亲水基团的聚硅氧烷（如有机硅柔软剂CGF）2氨乙基氨丙基硅酮烷（氨基硅油）（七）有机氟表面活性剂疏水基中的氢原子全部或部分被氟原子所取代的一类新型表面活性剂，也有阴离子、阳离子、两性离子和非离子型各种结构。主要用作拒水拒油剂（八）高分子表面活性剂具有较高平均分子量（M一般为103～106），又有一定表面活性的一类特殊表面活性剂，往往具有某种独特功能，所以又被称为功能性表面活性剂。§8.3练漂用剂练漂过程中需要使用大量的酸碱盐氧化剂还原剂等许多化学药剂以及酶制剂、荧光增白剂和表面活性剂等许多助剂。一化学药剂1氢氧化钠又称烧碱、苛性钠，分子式NaOH主要