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染色技术
作者:波音直营平台

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  使用染料对被染物进行染色加工的一种技术。一般指对纺织品的染色技术。可分为传统染色技术和现代染色技术。近代纺织品染色始于18世纪,它是随着化学纤维、染料和化学品、以及设备的发展逐步建立起来的,现在已成为独立的一个学科。

  随着人们生活质量不断提高,也随着现代新材料的不断开发,新型纤维出现愈来愈快,品种愈来愈多,仅从我国生产的化纤来看,目前已有275大类之多。已经大量商品化的新合成纤维包括超细、PLA、PTT和PDT和相关的异形、差别化纤维等;新再生纤维包括Lyocell、竹原纤维等,以及各种多组分化学纤维,包括大豆蛋白、蚕蛹蛋白和牛奶蛋白纤维等。

  纺织品的组成和组织结构也日新月异,特别是多种纤维的混纺、交织和复合纺织品愈来愈多。在这方面,目前我国和世界先进水平还存在较大差距,例如从最近统计的国内出口面料平均纤维组分仅为1.3种,而同时进口的国外面料平均纤维组分则为5.6种,个别面料多达7~8种纤维。

  纤维和纺织品的“新”和“多”对纺织品染色提出了新的要求,要求有新的染色技术相适应[3]。它们染色特点之一是为适应“新”特性,需要选用新的染料和采用新的工艺,例如涤纶超细纤维染色的分散染料,要求显色性、匀染性和色牢度特别好,配套的助剂和升温工艺也与常规纤维不同,其它新纤维染色适用的染料也都有新的要求,为此近年来国内外染料生产公司通过筛选和研发,有各种系列专用染料供应。特点之二是为了适应“多”组成,使多种组分都能染上颜色,而且不同组分间的同色性要好。因此,近年来开发了多种染料分浴或同浴染色的染料和工艺,例如分散/活性染料染色、分散/酸性染料染色、活性/酸性染料染色,以及分散/阳离子染料染色等,以适用于涤纶与纤维素纤维、锦纶和腈纶;纤维素纤维与锦纶、羊毛和蚕丝,以及它们与氨纶的多组分纤维纺织品染色,染色工艺有两浴法、一浴两步法和一浴法等。

  为了简化工艺节水节能,各大公司和一些研究单位还在研究用单种染料染多种组分的染料和染色工艺,这包括用单种分散染料染涤纶和羊毛,锦纶及蚕丝;用单种活性染料染纤维素纤维和羊毛、蚕丝和锦纶,也包括含多种组分的蚕蛹蛋白纤维、大豆白纤维等。近年来还在开发分散-活性、分散-阳离子-活性染料,以便适用于染多种组分。我们研究证明,在专用助剂存在时,分散染料可以充分上染羊毛、蚕丝、锦纶和氨纶[4,5],因而可以一浴染多种纤维的纺织品。

  无论是用两种染料同浴染色,或是一种染料染多种组分,为了使染料对多种组分均衡上染,提高同色性和包牢度,需要制定新的染色工艺,特别是控制升温程序和调节染浴中的PH值,目前已有许多控制PH值的助剂供应,大多数是利用升温过程使PH值从碱性滑向中性和酸性,也有反向滑动的,这对PH值敏感的纤维和染料染色非常有效,不仅减少纤维和染料的损伤,还可以提高上染率、同色性、匀染性和色牢度。我们利用此原理,使活性染料与酸性染料可以同浴染棉/锦织物,并利用其水解染料具有酸性染料的性能,在酸性介质可上染锦纶,充分利用染料,并减少了污水中的水解染料〔6〕。

  为了适应染色需要,近年来新染料和助剂不断涌现[7],新染料和助剂的开发主要为了适应以下一些要求:

  虽然各类染料和助剂都有了明显的发展,但发展最快和最重要的仍是活性和分散染料及相关助剂[7-8]。

  活性染料的开发包括新的发色体、活性基及其在分子中的组合、连接基和不同染料的拼混,此外,商品染料的后加工也有了很大提高,新的活性染料性能主要表现在:

  除此之外,为了适应染色或印花新工艺的推广,还开发了许多专用活性染料,例如喷墨印花,小浴比,一浴法染色用的活性染料。

  必须强调的是,在这些改进中,开发多活性基,包括相同和相异的多活性基染料最为突出,不仅已有一大批双活性基染料问世,还开发了三或四活性基染料,这样可以大大提高活性染料的固色率和湿牢度。通常活性染料的母体结构是酸性染料,直接性不高,为了提高直接性,使活性染料分子线形结构特牲增强,少数芳环共平面性也很强,这些染料有较高的直接性。

  前面已经指出,一些新纤维和多组分纤维,例如蚕蛹蛋白纤维和竹纤维非常适合用活性染料染色,我国技术人员对此作了筛选,使活性染料对这些纤维有很好的效果。

  分散染料也是近年来发展的重点之一,也出现了不少新品种,它们有的具有新的特别是一些新杂环结构发色体,有的在剂型上有了改进,使分散染料具有高上染率,深染性或提升性和高牢度,包括水洗、摩擦、耐热迁移和沾色牢度。

  同理,新开发的分散染料是环保型的,不含有害芳胺、重金属等物质。为了适应碱性染色或与活性染料一浴染色,开发了一批耐碱性强的分散染料。

  为了适应超细涤伦、PLA、PTT和PDT新纤维染色开发了一系列新的分散染料。适合超细涤纶染色的分散染料显色性和提升性要好,匀染性、色牢度和重现性也好,各公司都有系列染料供应,适合PLA纤维染色的分散染料应具有染色温度低、上染率和提升性好,此外,还特别要求耐光和湿牢度好。适合PTT和PDT纤维染色的染料。为了适应超临界CO2流体染色,含氨纶纺织品染色和喷墨印花,也开发了或正在开发专用分散染料。

  除了开发新的活性和分散染料外,为适应多组分纤维纺织品或新工艺染色,正在开发可染多种纤维的复合性染料,例如,分散-活性染料,分散-阳离子-活性染料等,不过它们目前还未能大量工业化生产和应用。

  新的染色设备主要表现在缩短染色时间,减小浴比,例如降到3:1,甚至更低,降低化学品、水、能量消耗,提高自动化程度以求减少劳动力,甚至达到全自动控制,应用最多的喷射染色机采用气流喷射后,不仅减少了水耗,还可以大大提高能量转换、降低织物在湍流液体中的摩擦力,新设备还可在加料、升温、控时和在线监测等方面高度自动控制,使从小样到大样生产的误并得到控制,做到“一次正确”染色和“受控”染色[9]。

  近年来随着纤维、染料和助剂化学品的发展,也随着设备和计算机的发展和应用,染色技术也有了很大进步,特别表现在加工坚牢、环保的产品,提高加工效率,降低能耗,节约染化料,改善生态环境的一些新工艺。

  染色用的染料以活性和分散染料最重要,因此,许多染色新工艺也是属这两类染料。此外,其它染料,包括还原,硫化染料的染色新工艺也有出现。

  活性染料不仅用于染纤维素纤维纺织品,也开发用于蛋白质纤维和一些合成纤维,例如锦纶,还用于多组分纤维及其纺织品,例如蚕蛹蛋白和大豆蛋白纤维和各种混纺、交织物。

  近年来一些染料生产公司,生产了许多配伍性能良好的活性染料,并应用染色特征值表示各染料的染色性能,供应用厂家选用,最重要的染色特征值有S、E、M1或LDF、T50或R和F值,它们分别表示活性染料浸染时第一次、第二次的上染率,移染或匀染性、固色速率和最后固色率,这些特征值反映了染料的直接性、移染性、固色速率和固色准备就绪等性能。当然,这些特征值是在一定染色条件下得到的,染色条件和工艺变化,它们会变化,但用推荐的染色工艺染棉纤维,这些特征值相近时,各染料有良好的配伍性或配伍因子RCM(Reactive dye Compatibility Matrix )。

  各染料公司生产的染料,染色特征值相同或相近时,有很好的染色效果,这些染料包括ProcionH-EXL、 Procion XL Remazol RR、 IntracronCDX和Sumifix HF等。

  应用上述染料,结合应用电脑技术,建立严格的染色监测系统和质量控制和修正系统后,就可以进行受控染色,大大提高染色一次成功率(RFT),降低成本,提高效率,减少污水,节约染化料和能源[8]。

  活性染料轧染工艺有多种,最常见的是轧-烘-蒸工艺,此工艺常需用尿素,带来不少环保问题。此外,染料泳移,染料固色率低和耗能高也影响它的应用。根据此工艺染料上染、固着与织物的湿度及含水率存在紧密关系,特别是织物经过浸轧,烘干后,进入蒸箱时,升温快,并会发生过热(即超过蒸汽温度)的现象,大大降低了染料的上染速度,降低了固色率,透染和匀染性也不高,为此近年来开发了多种加热载体的湿短蒸工艺。

  通常干织物进入蒸箱,即使是饱和蒸汽蒸箱,也会出现以下四个过程,即预热升温-过热-降温-与蒸汽温度平衡。第一阶段预热升温是通过和蒸汽发生汽热交换,当达到蒸汽温度(100℃)后,不仅由于水分子与纤维素分子发生化学吸附(氢键)放热,迅速使织物过热,这样减少了纤维溶胀和染料的溶解,并加快了染料的水解,对活性染料上染和固色极为不利。湿布进入蒸箱不仅可以延缓升温速度,使纤维保持较多的水分,并可防止发生过热现象,有利于染料上染和固色,只要织物含温率控制适应还可减少染料水解。当然,织物带水量过多,不但升温太慢,水解速度反而会加快,对棉织物来说,含水率25-30%较合适。

  近年来开发的湿短蒸工艺,虽然设备不同,但都是湿蒸,特别是通过电脑进行严格精确的控制,使温度和染料的上染和固着速度相适应,可以达到最佳的上染和固色,例如Monforts和BASF联合开发的Econtrol的轧染湿蒸联合机,不仅可适用于机织物,也可适用于针织物的湿短蒸染色加工。国产也有类似的设备,并对染色工艺进行了研究。

  应用这种工艺的最大特点是流程短,固色率高,节能和化学品,可以不用尿素,减少了污染,匀染和透染性也好,由于这种工艺需精确调节温度和湿度,这两个参数又是相关的,并直接影响染料的上染(扩散)和固色速度,因此对设备要求高,对不同的染料(反应性和扩散速度)、纤维(吸湿性、微结构)和染色深度(染料浓度和提升性),染色条件应不同。虽然可以不用尿素,但并不是说,助剂对它不起作用,适当的助剂可以提高固色率,或降低固色温度,减少碱剂用量,我们研发的中性固色剂NF原来是为了分散/活性染料中性一浴固色用的,配套助剂是双氰胺,固色温度为200-210℃。一些单位将它应用于湿短蒸染色,由于湿短蒸工艺固色温度相对较低,织物含湿率较高(25-30%), 应用这只助剂虽然有一定的效果,但不是非常理想。应该研发对应的染色助剂,对不同类别的活性染料和织物,染色工艺也应不同,这些都有待今后继续研究。

  交联染色原主要针对一些不能和纤维发生共价键结合的染料,例如直接染料,应用交联剂,将它们交联结合在纤维上的染色工艺。

  近年来,为了提高活性染料的固色程度和染色牢度,也研究了不少交联剂和交联染色工艺,我们对此也作了一些研究。交联染色实际上就是利用交联剂,在活性染料染色过程中,将水解染料交联固着在纤维上。活性染料的水解染料的数量有时可高达30-40%,不仅降低了染料利用率,还降低了染色牢度,也增加了污染,基于水解染料都含有水解后产生的羟基,而母体结构和活性染料完全一样,染色时也同时上染吸附在纤维上,所以用交联剂将它们固着在纤维上后,色光和活性染料完全一样,牢度也很好,活性染料染构用的交联剂实际上是一些不含发色体的“活性染料”,含有两个以上的活性基,性能和活性染料近似,应用工艺也完全一样。

  应用交联剂后,可以将大部分水解染料固着在纤维上,湿摩擦牢度可提高1级左右,这是近年来研究的一种新的活性染料染色工艺,有关它的详细知识,我们将另有专文介绍。

  近年来,其它类染料染色也有进展,其中尤以电化学还原染色受到大家的注意,传统还原或硫化染料染色都是用化学还原剂对染料还原,例如用保险粉,工业生产会产生大量废水,生产成本也不断上升,很早以前人们就设想通过电化学使染料直接从电极获得电子,还原成隐色体后进行染色,而不用还原剂,这样无污染问题。在上世纪60年代初我们就曾在熔态金属机上,以熔态金属作为电极,使还原染料母体还原成可溶性的隐色体,并在熔态金属的轧压下,渗透进织物,防止空气氧化,上染纤维。实验证明可以染浅中色,不必用保险粉,只需用还原染料的悬浮体和NaOH,浸轧时间很短,只有几十秒名,由于不能染深色,当时未继续试验下去国外在1960年左右,澳大利亚发表了还原染料电化学还原染色的专利,后来BASF公司等又相继开发了染色工艺和设备,由于它的良好环保性,备受大家注意[7,13]。

  电化学还原染色有直接法和间接法两种。直接法是使染料直接从阴极得到电子,变成隐色体,并溶于碱性溶液中,间接法则是通过媒体先与电极反应,生成还原态媒体再将染料还原成隐色体上染纤维。由于染料母体不溶于水,较难直接被电极还原,故通常用间接法效率极高。

  可作为媒体的化合物很多,有无机化合物和有机化合物两大类,无机化合物多为一些金属络合盐,特别是一些Fe2+的络合物,它有许多不同的配位体,特别是一些在碱性溶液中稳定的络合物,而且易于从Fe3+还原成Fe2+(在碱性溶液中氧化还原电拉至少低于-600mv,最好低于-1000 mv),这样可以使包括靛蓝等的还原染料还原成隐色体。此外,从阴极转移电子至氧化态媒体(Fe3+络合物)的速度应高,同理还原态媒体(Fe2+络合物)转移电子到染料母体的速度也应快,媒体可以重复循环使用。

  对复杂结构的还原染料,有多个羰基,还原反应较复杂,也和常规还原方法一样,会出现过还原等问题,所以对不同染料应选用不同的电化学还原条件,有关它们的具体工艺还需进一步研究,由于它可以不用或少用还原剂,也较容易控制,所以是值得开发的。当前特别适合用于单一染料染稳定的产品,例如靛蓝染牛仔布,据说国外已有应用。另外对我国生产的蜡染产品,也是适用的,因为这类产品,应用染料单一,对匀染要求较低。此外,为了稳定工艺,在常规染色时,应用电化学还原来降低保险粉用量也是可行的。

  其它类染料染色新工艺还有不少,包括分散、酸性染料的染色新工艺,已有不少文章介绍,本文不再重复,它们的特点都是朝高效、坚牢、清洁环境友好方向发展,本文后面也将作一些介绍。

  活性染料固色后要充分水洗,特别是近年来深色产品,如果水洗不充分,不仅影响产品的色牢度,还会加速染色产品在应用时发生断键,使产品颜色不稳定。在染色湿牢度中,除了皂洗牢度外,湿摩擦牢度往往成为产品最重要的一个技术指标,而它又和染后水洗密切有关。

  近年来对染后水洗进行了大量研究,一方面是为了改善产品的牢度,另一方面是为了节水和减少污水,为了提高水洗效益,首先对水洗原理和评估标准作了深入研究,提出了间歇式和连续式换水的理论关系式。并根据水洗不同阶段去除物性质不同,设计了不同阶段的水洗技术参数,认为水洗主要由三个步骤组成,即:

  (1)稀释交换阶段,此时主要通过水的交换,冲稀一些对纤维无直接性的物质,例如盐类和浮色。

  (2)加速水解染料从纤维内扩散出来的阶段,为了加速扩散速度,必须提高温度至近沸(皂洗)。

  根据上述水洗过程,设计了声名狼藉种水洗工艺,改进了水洗设备,其中最重要的发展有以下几点:

  (1)将过去染后大流量冷水洗,改为热水洗(60-70℃),有的工艺还将间歇式换水改为连续式换水,但水流量精确控制,大大减少:

  其中,特别是采用受控水洗后,流程大大缩短,用水量大大减少,污水也大大减少。加工成本也大大减少,而效率则大为提高。新式小浴比染色机均可进行受控水洗。

  染色加工受到的最大压力还是环境压力,目前主要包括含致癌芳胺和重金属(六价铬等)禁用染料的替代,严格选用各类化学品,治理三废,节水节能,监测和控制产品的生态标准等,这些问题不解决,染色加工的生存也将有问题。

  生态染色是一个系统工程,首先要合理选用原材料,包括纤维、染料、助剂和化学品。其次要建立生态生产,减少染料、助剂和化学品、水和能源的消耗,并对三废进行有效治理,污水达标排放。最后对产品要有严格的监测和控制其生态标准,生产安全健康的产品。

  生态纺织品应符合Eco-Tex Standard 100的环保标准,即具有“六不:不含致癌芳胺或不会裂解释放致癌芳胺,不含过敏性染料、助剂和化学品,不超标含重金属,不超标含甲醛,不含可吸收有机卤化物和不易产生污染环境或三废治理达标。 这些环保生态要求不断在提高,今后要求更加严格。

  在纺织品染色加工过程中,目前面临的主要生态问题是节水、节能和减少污水排放问题。

  染色加工用水量大、污水排放量也大,不仅因水价上涨而增加成本,更为严重的是世界各国包括我国在内水资源不足,同时污水处理后排放标准也愈来愈严格。采用短流程染色、小浴比染色,高效洗涤可大大节约水,也减少污水排放。另外,实现循环用水,重复用水和提高污水处理效率,水回收再利用。目前污水处理主要有以下三种途径:

  这样处理的污水一般还难用于染色,还要经过一些处理才有可能利用。比较实际的是,经过处理后的水分别用在不同场合。

  染料回收利用也是重点研究的内容,回收的染料再利用来染色也遇到不少问题,据报导靛蓝回收后得到了再利用。

  生产过程和产品的生态标准检测和控制愈来愈受到重视,各国的要求也愈来愈高,是产品质量的重要指标。

  未来的染色加工,首先是清洁的加工,而且纺织品也不仅是要求有防寒保暖,美化人体的功能,而是具有高新性能和多种功能的产品。因此,未来染色特别在以下几方面将优先发展。

  未来染色加工将建立在更加安全完善的生产加工链上进行,纤维材料、染料和化学品是环境友好的,对人体和环境不产生有害影响;生产加工是安全、生态的,不会破坏资源和污染环境;是高效和高度自动化的;产品是安全、有益健康和多功能的,以及整个生产链是受到严格监控的。为了建立清洁染色加工链,需要从原料、产品设计、加工和应用整个过程共同努力,建立一个清洁染色生产体系。

  随着科学技术飞速发展,新的纤维,特别是多种纤维复合纺织材料会愈来愈多,纺织品的组织和结构会愈来愈复杂,要求的性能会愈来愈新和多,它们的加工,包括染色会愈来愈复杂,目前国外的纺织布料纤维种类已达5~6种,将来我国的纺织产品所含纤维种类也会愈来愈多。与此相适应的染料和化学品种类也会增多。因此,染色工艺和染色方法也将会迅速发展,与此同时对染色理论也会不断深入研究。

  一些目前正在开发的染色新技术将逐步成熟和得到应用。例如高效短流程染色、电子束和紫外线等的射线固色、喷墨印染和电子成相印染等,更新的染色技术还将不断出现。

  目前水仍是染色不可缺少的介质,而且用水多,排放的污水也多,节水染色,包括各种小浴比、低带液率的染色会继续不断发展,此外就是循环用水,加工后的水溶液通过净化,使水得到重复利用[10]。

  开发非水染色将会更加重视,目前研究的超临界CO2流体染色,虽然希望它完全代替水作为染色介质是不现实的,但在一些特殊的染色体系有望应用。另一种非水染色介质,即离子液体也有可能开发作为一种染色介质,由于它无蒸汽压力,在常压下进行染色,染色设备简单,而且通过调节离子液体的疏水组成,可以作为多类染料的染色介质。我们试验证明,不仅直接、酸性、活性染料等离子染料有很好的溶解性和上染率,非离子染料,例如分散染料等也有好的上染率,因此它是一种较好的染色介质。

  非水介质染色的一个共同问题就是提高这些介质的循环利用率和降低成本。除此之外,一些新的非水染色介质还会被开发出来。

  为了适应高效快速反映,将建立多种通讯方式,从市场需求,原料供应,产品设计,定货交接,技术信息分析到各道生产加工的连接和管理等方面都将建立在信息网络上进行。

  未来的染色也是高度自动化的,为了减少劳动力和提高加工效率和质量,所有加工都在自动化设备控制下进行,这样将大大改善生产环境,无人生产车间将会愈来愈普遍。

  自然界各种物质的组成和结构是最合理的配置,它们的功能效率是最高的,包括各种物体所产生的颜色。

  天然物体,特别是生物的颜色丰富多彩,色彩缤纷,产生颜色的途径多种多样,大致上可分色素生色和结构生色两大类。色素不仅结构各不相同,它们还有各自的特殊功能,例如叶绿素虽然是绿色的,它在植物中的功能主要是光合作用,将光能转化为电能、化学能和生物能。结构生色是通过对光的散射、干涉和衍射作用产生颜色的,一些动物,例如蝴蝶美丽的颜色和结构生色紧密有关,许多物体的颜色是色素生色和结构生色相互结合才显出的。目前已有结构生色的彩色纤维和薄膜,它是一种不需化学品,无污染的生色途径,许多结构生色的特种纺织品将会受到重视。另外,新的仿生着色产品会愈来愈多。仿生着色纺织品将是多功能性的,产品不仅有美丽的颜色,还有抗菌、保湿、抗紫外线和具有光-热、光-电等转换功能[11-12]。因此,所使用的染料既能生色,又具有其它功能性能。今后已有的一些功能染料应用会增多,还会开发新的功能染料和化学品。

  未来染色技术发展会愈来愈快,不是目前完全能够预料的,上述仅是一些粗略的分析。

  传统古老的染色,随着现代科技发展和人们生活质量的提高,将会永葆青春,并进一步成为人类不可缺少的加工技术。

  目前已作为纺织染整加工生产大国的我国,应该紧跟时代的进步,加强科技开发,特别是原创性技术开发,使我国尽快成为世界纺织染整强国,使染色加工处在世界领先地位。


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