基于超声波的中性染料羊毛染色动力学研究.pdf

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1、第2 9 卷第1 2 期 2 0 0 8 年1 2 月 纺织学报 J o u r n a lo fT e x t i hR e s e a r c h V 0 1 2 9N o 1 2 D e c 2 0 0 8 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 8 ) 1 2 - 0 0 5 7 - 0 4 基于超声波的中性染料羊毛染色动力学研究 王树根，胡东 ( 生态纺织教育部重点实验室( 江南大学) ，江苏无锡2 1 4 1 2 2 ) 摘要为更深入了解和掌握超声波在中性染料羊毛染色中的各项性能，以中性染料兰纳克隆红S - G 为例，研究 超声波环境下，中性染料羊毛染色的动力学和

2、热力学。结果表明，在超声波处理条件下，染料的溶解度增加，平均 粒度下降。超声波染色方法与常规染色方法相比，在相同的温度条件下，采用超声波染色不仅可以缩短染色时间， 提高染料的上染百分率，而且可以增大扩散系数，提高染色速率。从效率分析，超声波对染色过程有显著促进 作用。 关键词染色；超声波；中性染料；羊毛；动力学 中图分类号：1 “ 51 9 3 5 9文献标识码：A K i n e t i c so fu l t r a s o n i cd y e i n go fw o o lw i t hn e u t r a ld y e s W A N GS h u g e n ，H UD o n

3、g ( 研L a b o r 0 2 0 r yo fE c o - T e x t i l e s ( J i a n g n a nU n i v e r s i t y ) ，M i n i s t r yo fE d u c a t i o n ，W u x i ， a n g s u2 1 4 1 2 2 ，C h i n a ) A b s t r a c t I no r d e rt ou n d e r s t a n da n dc o n t r o lt h ep r o p e r t i e so fu l t r a s o n i cd y e i n go f

4、w o o lw i t hn e u t r a ld y e s ，t h e k i n e t i c sa n dt h e r m o d y n a m i c so fu l t r a s o n i cd y e i n go fw o o lw e l ei n v e s t i g a t e dw i t hL a n a c r o nR e dS - G T h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tu l t r a s o n i ct r e a t m e n tc o u l di n c r e a s et

5、h es o l u b i l i t ya n dd e c r e a s et h ep a r t i c l es i z eo fd y e s 。W h e n c o m p a r e dw i t ht h e c o n v e n t i o n a ld y e i n gu n d e rt h es a m et e m p e r a t u r e ，u l t r a s o n i cd y e i n gC a nn o to n l ys h o r t e n d y e i n gt i m e ，i n c r e a s ed y eu p

6、t a k i n g ，b u ta l s oi m p r o v ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n ta n dd y e i n gr a t e A n a l y s i so ft h e e f f i c i e n c ys h o wt h a tu l t r a s o u n df a c i l i t a t e st h ed y e i n gp r o c e s sr e m a r k a b l y K e yw o r d sd y e i n g ；u l t r a s o n i c ；n e u

7、t r a ld y e s ；w o o l ；k i n e t i c s 超声波的空穴效应以及一系列伴随的搅拌、分 散、振荡、除气等作用可以引起染浴和纤维微观物理 结构的特殊变化，因而有人将超声波技术引入到 染色领域，分析研究超声波在染色中的作用。 超声波在染色过程中可以降低染色温度，节约 染料，增加染色深度，缩短染色时间，减少污染，尤其 是对疏水性纤维在染色中的作用更为明显心。而对 亲水性纤维染色，尤其是中性染料染羊毛的应用研 究国内鲜有报道，仅有Z a w a h r yEI 等b 1 研究了超声 波在中性染料上染羊毛中的作用效果，但并没有对 其动力学、热力学进行深入研究。为此，本

8、文以中性 染料兰纳克隆红S G 染羊毛为例对超声波技术在染 色过程中的热力学和动力学性能进行探讨。 1实验部分 1 1 仪器与设备 自制超声波仪，包括超声波发生器和超声波染 色槽2 部分，如图1 所示。超声波工作电压为 2 2 0V ，工作频率为2 5k H z ，输出功率为2 。5k W ，超声 波振荡器的施加槽规格为2 0 0t o n i 1 0 0i n n 1 0 0n l l n D M P 2 0 0 B 电子天平( 上海精密科仪器有限公司) ， U V 一2 1 0 0S p e c t r o p h o t oM e t e r ( 上海精密科仪器有限公 司) ，H H 4

9、 数显恒温水浴锅( 金坛市荣华仪器制造有 限公司) ，Z S 一9 0 型纳米粒度及Z e t a 电位分析仪( 英 收稿日期：2 0 0 8 0 1 1 5修回日期：2 0 0 8 0 6 1 1 作者简介：王树根( 1 9 6 2 一) ，男，教授，硕士。研究领域为纺织品化学加工新工艺、新材料。E - m a i l ：w s h u g e n y a h o o C O I l l c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 5 8 纺织学

10、报第2 9 卷 卜一超声波发生器；2 - - 超声渡染色梧。 图1 超声波染色装置示意图 F i g 1 S k e t c hm a po fu l t r a s o n i cd y e i n gs e t t i n g 国M A L V B N 公司) ，T D L - 4 0 B 型低速台式大容量离心 机( 上海安亭科学仪器厂) 。 1 2 材料与药品 羊毛纤维( 张家港市升隆毛精纺厂) ，细度为 2 1 1 4 弘m o 兰纳克隆红S G ( 亨斯迈纺织染化( 中国) 有限 公司) ，尤利华丁M CN e w ( 亨斯迈纺织染化( 中国) 有 限公司) ，醋酸( 国药集团化学试

11、剂有限公司) 。 1 3 工艺流程与处方 常规染色工艺曲线如下： 1 0 0 5 0 r a i n 忑 皇墨 5 0 起染冷水洗。烘干 超声波染色工艺曲线如下： 5 0 6 0 5 0 m i n 石= 塑 5 0 起染 冷水洗，烘干 染色工艺处方：染料1 3 ( O W f ) ；尤利华 丁M CN e w1 ；浴比1 ：1 0 0 。 1 4 实验方法 1 4 1 染料溶解性能和粒度测试 准确配制0 1g L 的兰纳克隆红S G 染料溶液， 分为4 份，第1 组2 份放置于5 0 超声波水浴中处 理3 0m i n ，第2 组2 份置于5 0 热水中处理3 0m i n 。 处理完毕，分

12、别移取5m L 染液至2 5m L 容量瓶中定 容。各组取1 份用U v 一2 1 0 0S p e c t r o p h o t oM e t e r 测定 染液吸光度，作吸收光谱曲线图。根据染料可见光 谱吸收曲线的变化分析兰纳克隆红S - G 染料溶解性 能的变化。各组取1 份用Z s 9 0 型纳米粒度及Z e t a 电位分析仪测定粒度分布情况，并对比分析超声波 对染料粒度的影响。 1 4 2 上染百分率测定 用7 2 1 型分光光度计分别测定染前染液的吸光 度A ”不同时间下染色残液的吸光度A 。，则各个时 间的染料上染百分率C 。可由下式1 计算： G = ( 1 一A i A

13、o ) 1 0 0 1 4 3 扩散系数计算 由染料上染百分率计算染料扩散系数b 】，将维 克塔夫双曲线吸收方程 k t = 1 ( C 一C 。) 1 C 。 经一系列变形可变为 l G 。= 1 ， ( c 乙蠡) t + 1 ，c 。 1 C 。对1 ，作图可得一直线，此直线在Y 轴上 的截距即为l C 。，进而求得C 。 由c l C 。值查表，可得D ；t r 2 之值，其中r 为纤 维的平均半径。为方便起见，取r = 1 0p m ，进而求 出皿，即t 时间染料的扩散系数。对某温度下不同 时间的皿值取平均值，得该温度下的平均扩散系 数D 。 1 4 4 染色速率常数计算 由初始吸光

14、度A 。、t 时间的吸光度A ，和染后残 液吸光度A ，可以计算得染色速率常数后 6 ： ( A ，一A f ) ( A o A f ) = e 山 1 4 。5 超声波效率和半染时间计算 根据染色速率常数，可以由下式K 1 计算得出超 声波效率 是= ( 玉U s 一露c H ) k c H 1 0 0 式中：k u s 和_ | 。分别是超声波染色和常规染色的染 色速率常数。 根据染色速率常数还可以由下式计算得出半染 时间 I l ，2 = I n 2 j 2 结果与讨论 2 1 超声波处理对染料溶解性能的影响 超声波空穴效应产生的搅拌、分散、振荡、除气 等作用会引起染料溶解度的变化，超声

15、波对染料溶 解度性能的影响如图2 所示。 由图2 可以看出：在1 0m i n 时，染料在常规5 0 热水中溶解度为0 2 1 6g L ，而在超声波处理条件下， 溶解度为0 2 2 0g L ，增加1 8 ；在处理时间达 5 0m i n 时，染料在常规5 0 热水中溶解度为 0 2 2 0g L ，而在超声波处理条件下，溶解度为 0 2 2 7g L ，增加达3 2 。随着热水和超声波处理时 间的延长，兰纳克隆红S G 的溶解度逐渐提高，而超 声波对染料的溶解作用较常规热水的溶解作用更为 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www

16、.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 2 期王树根等：基于超声波的中性染料羊毛染色动力学研究 。5 9 。 f 叫 世 譬 饕 图2 超声波对染料溶解度的影响 F i g 2 E f f e c to fu l t r a s o n i co ns o l u b i l i yo fd y e s 明显，即在超声波作用下中性染料兰纳克隆红S G 的溶解度明显提高。 2 2 超声波处理对染料粒度的影响 以兰纳克隆红S G 为例，采用z S 一9 0 型纳米粒 度分析仪研究超声波对染料粒度大小及其分布的影 响，结果见表1 。 表l 超声波处理对染料

17、粒度的影响 T a b 1E f f e c to fu l t r a s o n i cO ng r a n u l a r i t yn m 染液中的染料粒度越小，染料的溶解性越好，所 以可通过测定兰纳克隆红S G 经过超声波处理后的 粒度分布和平均粒度来探讨超声波处理对提高染料 溶解性能的效果。由表1 可知，兰纳克隆红S G 经 过超声波处理后粒度有所下降，平均粒度下降了 9 2 ，其中峰值1 下降了4 5 ，峰值2 下降了 3 9 。可以看出，超声波对染料颗粒的溶解有提高 作用。 2 3 超声波染色的热力学结果分析 中性染料兰纳克隆红S G 于5 0 、6 0 下常规染 色和超声波染

18、色的上染速率曲线对比结果如图3 所 示。可以看出：相同温度下，有超声波辅助染色，羊毛 纤维的上染百分率和上染速率均高于常规染色工 艺；在5 0 时染色5 0m i n ，上染百分率由1 6 2 上升 到2 0 4 ，超声波处理2 5m i n 的染色效果相当于常 规5 0m i n 的染色效果；在6 0 时染色5 0m i n ，上染百 分率由2 0 上升到2 5 8 ，超声波处理2 2m i n 的染 色效果相当于常规5 0m i n 的染色效果，因此，利用超 声波可以有效地提高上染百分率，缩短染色时间，降 低染色温度。 超声波作用下，染液中染料聚集度降低，Z e t a 电 位的绝对值降低

19、。超声波可以提高水溶性和难溶性 染料在染液中的溶解度，提高染料对纤维的亲和力， 2 5 2 0 述1 5 U1 0 5 0 3 0 2 5 2 0 述1 5 6 1 0 5 O Ol O2 03 04 05 06 0 时间t r a i n ( a ) 5 0 01 02 03 0 4 0 5 06 0 时问t m i n ( b ) 6 0 图3 超声波与常规染色的上染速率曲线 F i g 3 U l t r a s o n i ca n dc o n v e n t i o n a ld y e i n gr a t e so fw o o l 加速染料的吸收，提高纤维的得色量。 超声波的

20、“空化作用”能加速染料在纤维中的扩 散速率，这是由于纤维表面吸附染料增多，增大了纤 维内外染料浓度梯度，加快了染料向纤维内部的扩 散速率。 2 4 超声波动力学结果分析 2 4 1 扩散系数 染料由纤维的表面向纤维内部扩散是决定上染 速率的主要过程。染色扩散系数数据见表2 。 从表2 可知，在不同温度的任意时刻，羊毛采用 超声波染色的上染百分率C 。比常规染色工艺有所 提高，平衡上染百分率C 。和扩散系数D 也都有所 提高。 在5 0 时，染料平衡上染百分率C 。由常规染 色的2 4 2 上升到利用超声波染色的2 8 7 ，增加 了1 8 6 ；扩散系数D 由常规染色的3 5 9X 1 0 7

21、m 2 8 上升到利用超声波染色的5 1 2 1 0 一7m 2 ，8 ，增加了4 2 6 。 在6 0 时，平衡上染百分率C 。由常规染色的 2 9 0 上升到利用超声波染色的3 2 1 ，增加了 1 0 7 ；扩散系数D 由常规染色的4 7 0 1 0 叫7m 2 s 上升到利用超声波染色的7 3 0 1 0 。1 7m 2 s ，增加了 5 5 3 。 所以可见，中性染料兰纳克隆红S G 利用超声 波对羊毛染色可以有效提高染料在羊毛上的平衡上 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remo

22、ve the watermark 6 0 纺织学报第2 9 卷 注：D i ，D 的单位为1 0 “m s s 。 染百分率C 。，增大扩散系数D ，有利于染料在纤维 内部的扩散和染色的进行。3结论 2 4 2 上染速率常数、超声波效率和半染时间 常规染色与超声波体系的染色动力学数据对比 如表3 所示。 表3 鲫和砷时上染速率常数、超声波效率 和半染时间数据 T a b 3D a t ao fd y e i n gr a t ec o n s t a n t s ，u l t r a s o n i ce f t i d e n c y a n dh a l ft i m eo fd y e

23、i n ga t S O9 1 2a n d6 0o C 由表3 可以看出，在不同的温度下，采用超声波 染色可以提高染色速率常数，缩短半染时间。 在5 0 时，染色速率常数k 1 0 0 由常规条件 下的2 2 1m i n “上升到超声波条件下的2 4 8m i n ， 增加了1 2 2 2 ；半染时间由常规的3 1 3 6m i n 缩短到 超声波条件下的2 7 9 5m i n ，缩短了1 2 2 0 。 在6 0 时，染色速率常数k 1 0 0 由常规条件 下的2 3 4m i n 一上升到超声波条件下的3 2 6m i n ， 增加了3 9 3 2 ；半染时间由常规的2 9 6 2m

24、 i n 缩短到 超声波条件下的2 1 2 6m i n ，缩短了3 9 3 2 。 从超声波效率A k 来分析，超声波对染色过程 具有显著促进作用。 1 ) 采用超声波对染液进行处理，可以降低染料 的平均粒径，提高染料的溶解度。 2 ) 采用超声波染色可以缩短染色时间，提高染 料上染百分率。以中性染料兰纳克隆红S G 染羊毛 为例，超声波染色较常规染色缩短了染色时间，提高 了上染百分率。 3 ) 由染色动力学数据可知，中性染料兰纳克隆 红S - G 染羊毛，超声波较常规染色能显著提高扩散 系数、染色速率常数。 参考文献： 1 高淑珍，赵欣生态染整技术 M 北京：化学工业出 版社，2 0 0

25、3 ：1 1 0 2 高树珍超声波在大麻织物染色中的应用 J 纺织学 报，2 0 0 6 ，2 7 ( 4 ) ：9 7 3 Z a w a h r yEI ，K a m e iMM K i n e t i ca n dt h e r m o d y n a m i c s t u d i e sO i ll o wt e m p e r a t u r eu l t r a s o n i cd y e i n go fw o o l w i t h 1 ：2i r o ne o m p l e x e da c i dd y e s J J o u r n a lo f t h eT e

26、x t i l e A s s o c i a t i o n ，2 0 0 1 ，6 2 ( 3 ) ：1 0 1 1 0 7 4 高淑珍织物电化学染色的动力学研究 J 印染， 1 9 9 7 ，2 3 ( 1 0 ) ：1 0 1 3 5 金咸穰染整工艺实验 M 北京：化学工业出版社， 2 0 0 3 ：9 1 6 K a m e lMM ，E l - S h i s h t a w yR e d aM ，Y u s s e fBM ，e ta 1 U l t r a s o n i ca s s i s t e dd y e i n g D y e i n go fw o o lw i t hl a ca 8a n a t u r a ld y e J D y e sa n dP i g m e n t s ，2 0 0 5 ，6 5 ：1 0 9 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark