(施教授)涤纶及其混纺织物染色

涤纶及涤棉混纺织物的染色第四讲涤纶及其混纺织物的染色一、普通涤纶纤维的结构和染色性能（一）涤纶的分子结构聚合度n=130，分子量M=200001.由CH2、酯基、苯环、端羟基组成，除分子两端存在两个端醇羟基外，无其它极性基团，故涤纶亲水性极差，为疏水性纤维。常用的亲水性极性染料难以与之结合。只能采用分子量较小，水溶性很小的非极性染料——分散染料染色。2.分子中的脂肪族烃链使涤纶分子具有一定的柔曲性；3.分子中的苯环由于具有刚性，使涤纶分子链易于保持线型。并且分子上无大的侧基和支链，而苯核和羰基几乎在同一平面，具有较高的几何规整性，分子间容易借范氏力紧密堆砌在一起形成结晶。（二）普通涤纶分子的聚集态结构1.涤纶纤维的聚集态结构，一般倾向于采用“折叠链一—缨状原纤”结构模型。它是伸直链和折叠链晶体共存的体系。一定张力条件下的热处理有提高折叠链结晶含量和增大微隙尺寸的作用。2.涤纶纤维的结晶度、取向度与纤维生产时的条件以及测试方法和条件都密切相关，并有很大差异。成品涤纶属半结晶高聚物，结晶度在40~60%，取向度高的双折射率可达0.188。（三）涤纶的玻璃化温度在涤纶纤维玻璃化温度（Tg）以下，分子主链的链段活动性低，纤维中自由体积所占比例小，染料向纤维内部扩散阻力大。实际上在Tg以下，染色速率可以忽略不计。但是，一旦染色温度上升到Tg以上，染色速率便大大增加。涤纶的玻璃化温度（Tg）随其聚集态结构而变化。完全无定型的Tg为68℃，部分结晶的Tg为81℃，取向且结晶的Tg为125℃。故常温下分散染料很难上染，必须借助于载体，或在高温高压下（130℃左右），或180~220℃的空气中，增加纤维大分子的热运动，使纤维溶胀，微隙增大，有利于染料分子的扩散和上染。（四）纤维的形态结构纤维的粗细、表面的孔隙、表面结构与比表面积都会对纤维的染色性能产生一定的影响。一般纤维表面的孔隙越大、越多，越有利于染料的上染。但是，微隙较多，会对入射光线产生多次反射，且反射的光线不一致，给人的感觉是颜色浅而萎暗。与圆形截面纤维相比，异形截面的纤维染色后也存在着同样的问题。纤维若在拉伸过程中形成了皮芯层，由于皮层分子链取向度较高，结构较紧密，染料扩散速度慢，会影响染料的上染速率和上染率。纤维越细，纤维比表面积越大，染料吸附面越大，上染速度越快，越容易染透芯，但由于光学因素．表观颜色深度越浅，染色后要达到较粗纤维的表观色深度，所需的染料用量也越高。二、普通涤纶纤维的性能（一）比重：结晶部分比重为1.455，无定形部分比重为1.355，一般为1.38~1.40，比锦纶和腈纶高。（二）力学性能1.强度和伸长度。涤纶纤维的强度很高，干强4~7cN/dtex，湿态下强度不下降。主要是因为：①在涤纶纤维的大分子之间，能相互镶嵌结合形成结晶度高达60％左右的结晶区。②涤纶纤维在纺制加工过程中曾经受热抽伸，使纤维分子有较高的取向度。③涤纶纤维的分子量比较高、分子量的分布比较集中，导致分子间有较高的作用力。按强度和伸长度的配合特点，涤纶长丝分高强力涤纶丝与普通长丝。短纤维分高强低伸型、低强高伸型（普通）以及抗起球型（一般强度较低）。2.初始摸量和弹性①涤纶纤维分子链刚性较大，结晶度高，所以初始摸量较高，纤维在小负荷作用下不易变形。②涤纶纤维的回弹性良好，延伸2％时，弹性恢复率为97％，延伸4％、8%时，弹性恢复率分别为90％和80%。其弹性回复能力仅次于氨纶和锦纶，在纺织纤维中是较高的。③由于涤纶纤维在小负荷作用下不易变形，变形的回复能力好，因此涤纶织物挺括不易起皱，织物的抗皱性、压缩弹性与尺寸稳定性是纤维中最高的。（三）热性能及热收缩性1.涤纶的玻璃化温度(Tg)为68~81℃，软化温度(Tf)为230~240℃。熔点(Tm)为255~260℃。结晶始于81℃，在181℃时结晶速度达到最高点。涤纶纤维的耐热性与热稳定性均很好。因为涤纶有较高的结晶度与分子结构中存在苯环结构。涤纶在150℃的热空气中加热168h，强度损失很小，在200℃热空气中也不发生分解。因而热定形温度为220~230℃，熨烫温度宜采用135℃。2.涤纶纤维的热定形应采用干热定形为好，若采用高压蒸汽进行热定形，会因酯键的受热水解使纤维强度下降。3.涤纶织物不能接近火种，如果身穿涤纶织物接近火种，容易引起灼伤事故，所以对涤纶的防火性必须引起足够的重视。（四）吸湿性在涤纶纤维中虽然具有无定形部分，但由于纤维结构紧密，分子链间空隙小，缺少吸湿中心，在标准状态下的吸湿率只有0.4%（锦纶4%，腈纶1~2%），即使在100％相对湿度下的吸湿率也仅为0.6~0.8％。由于涤纶纤维的吸湿性低，因而涤纶纤维在水中的溶胀度小，干、湿强度和断裂延伸度基本相同，导电性差，容易产生静电和沾污现象以及染色困难等。（五）耐光性：耐光性极好，仅次于腈纶。涤纶织物经过2800h暴晒，强度为原来的30~40%。（六）电性能及静电现象涤纶的表面十分光滑，但纤维与纤维或纤维与金属之间的摩擦系数很大（0.26~0.58），在纺织纤维中属较高的。涤纶体积比电阻为2×1015~1019Ω•cm，电绝缘性高，再加上吸湿性差，故极易产生静电，影响纺织加工顺利进行，或造成织疵、染斑。同时，穿着时也会因摩擦产生的静电使织物易于粘灰、易脏、易于起球。（七）化学性能1.耐酸性：涤纶纤维对酸有一定的稳定性。如对有机酸、98％甲酸、80%硫酸（室温）等较稳定。但对浓硫酸、浓硝酸，会因酯键分解而溶解。2.耐碱性：涤纶纤维因分子中含有较多酯基，故不耐碱。在室温下不溶于l0％氢氧化钠溶液，但浓度增加或温度升高时，分子链会因酯键被碱液皂化或水解而断裂。涤纶纤维受强碱作用时，从纤维外侧同心地向内芯溶解，但残余部分纤维的强度和染色性可保持不变。这是“涤纶仿真丝”工艺的基本原理。二、分散染料大多为单偶氮结构，占分散染料的50%，其次为蒽醌结构，占25%，双偶氮结构占10%。颜色鲜艳，色谱较齐全，但缺乏黑色。（一）分散染料的结构特点和溶液性质1.染料本身不含有-SO3H、-COOH等水溶性基团，只有-NO2、-OH、-NH2、-CN、-X等极性基团，在水中不电离为非离子染料。在水中溶解度极小，溶解度很低•室温时溶解度为0.1~10mg/L•80℃时约为0.2~100mg/L•100℃时约为0.4~200mg/L•130℃时约为100℃时的10倍2.为了保证分散染料染液的稳定性，分散染料的商品染料中加入了大量的阴离子分散剂。分散剂使染料以细小的晶体分散在染液中，形成稳定的悬浮液，同时当分散剂浓度超过其临界胶束浓度后，会发生增溶作用，将部分染料溶解在胶束中，增大染料在染液中的表观浓度。因此在分散染料的染液中不宜加阳离子助剂，会与阴离子分散剂结合降低对染料的分散性。其次不能使用非离子表面活性剂，当温度升高时，非离子表面活性剂的溶解度下降，对染料的分散增溶作用也随之下降。3.分散染料在溶液中的溶解性与商品染料的晶格结构和颗粒大小有关。一般商品染料的颗粒在0.1~1.0μm。颗粒小、晶格不稳定的分散染料溶解度较大，而颗粒大、晶格稳定的溶解度小。4.分散染料的晶体生长。由于颗粒小的染料溶解度大，其饱和溶液对于大颗粒染料即为过饱和溶液，使颗粒大的染料自发地发生晶体增长，而影响染料的上染。5.分散染料的晶型转变。一般一种染料存在几种晶型，几种晶型往往会由不稳定的晶型转变为稳定的晶型。但转变成稳定晶型后，染料的上染速率和平衡上染百分率都会下降。6.温度提高，溶解度有不同程度的提高，且超过100℃时作用更明显。7.染色开始后随着染液温度的升高，染料分子动能增加，相互碰撞和聚集的机会增加，染液的分散稳定性下降，染液中电介质的存在，会使染料的分散稳定性进一步下降，因此染色用水的硬度不宜过高。（二）分散染料的化学稳定性1.分散染料的结构中含有酯基、酰胺基、氰基、羟基等，由于结构的不同，对酸碱的稳定性不同，影响得色深浅，严重的产生色变。一般pH在5~6分散染料最稳定。2.由于分散染料以偶氮型为主，当织物上残留有还原性物质时，如浆料、纤维素纤维、分散剂（含亚硫酸盐）、羊毛的胱氨酸，会使染料被还原为芳胺化合物而不能上染涤纶纤维。（三）分散染料的热稳定性1.分散染料分子量小，分子链短，含极性基团少，与纤维的结合力小，在纤维上的固着是借助外界条件溶解于纤维中。染色织物在高温热处理下，染料易升华，导致褪色或沾染白地或其它颜色，以及高温热处理设备。2.分散染料的热稳定性也决定了它的应用性能。（四）分散染料的分类1.Dispersol（英国I.C.I）•DispersolA升华牢度低，适于醋酯和锦纶纤维染色；•DispersolB适于各类合成纤维染色，特别适于载体染色；•DispersolC升华牢度较高，适于125~140℃高温染色；•DispersolD升华牢度高，匀染性差，适用于高温热溶染色；•DispersolP印花专用。2.Foron（瑞士Sandoz）•ForonS升华牢度好，匀染性差；•ForonE升华牢度差，匀染性好；•ForonSE升华牢度和匀染性介于S和SE之间。3.国产分散染料•分散S/H•分散SE•分散E三、分散染料染色理论（一）分散染料染涤纶的染色原理1.溶解的染料分子的上染过程染料晶体胶团中染料染料分子解吸吸附纤维（溶解状态的单分子）2.染料与纤维的相互作用①醋酸纤维、涤纶和锦纶分子钟都含有大量的羰基，醋纤和锦纶中还分别存在一定数量的-OH、-NH2，这些基团都可和染料形成氢键。②范氏力是分散染料与纤维结合的主要作用力。醋酸纤维由于分子中含有较多的-OOC-CH3，染料主要靠偶极力或诱导偶极力。涤纶分子中非极性的碳氢部分比例较大，染料与纤维主要依靠色散力。③分子间各作用力的总和可用内聚能或内聚能密度来衡量。内聚能△E为1mol物质汽化成气体所需的能量，可用溶解度参数δ2来表示。当进行载体染色时，需选择溶解度参数与染料、纤维溶解度参数相近的载体，才有利于染料的上染。涤纶分散大红GF2R分散红3B溶解度参数（4.184J）1/2/cm3/210.810.813.1载体溶解度参数（4.184J）1/2/cm3/2涤纶上的溶解度（g/100g纤维）苯甲醚9.57.4苯甲醛10.49.7苯甲醇11.978.53.分散染料上染的吸附等温线染料吸附等温线02040608010012014020304050607080[D]s[D]f[D]f[D]s=K5040302010[D]f00.050.10.15[D]s89.3℃100℃120℃47.334.031.3①吸附等温线为斜率为K的一条直线，和一种物质溶解在两种互不相溶的溶剂中的分配关系相似，服从能斯特（Nernst）分配关系。②染料对纤维的染色亲和力与染料和纤维的结构和性质相关，结构相近的相容性好，亲和力高。③染色温度对染料与纤维的亲和力和染色饱和值有较大的影响。染色温度升高，染色饱和值增高，但是吸附等温线的斜率却是下降的，即亲和力随温度升高而下降。这是因为随温度增加分散染料在水中的溶解度增加比在纤维上快。KRTDDRTsfln][][ln④分散染料在各类合成纤维上的染色饱和值差别极大，一般在锦纶、腈纶上较低，只能染淡色和中色，在醋纤上饱和值最高。分散坚牢橙G地来诺尔红2B分散紫2R地来诺尔坚牢黄A涤纶4.112.00.47.1锦纶662.04.44.95.0醋酸纤维5.111.28.416.0==NHC2H4OHNHOO==NHCH3NHOO==NHC2H5NHOO6.14.11.4⑤染色饱和值具有可加性，当结构相差较远的染料拼色时混合的染料饱和值接近于拼混染料的染色饱和值之和。但结构相近的染料拼色却出现相反的结果。4.分散染料的上染速率（或扩散速率）①分散染料的上染过程•染料晶体的溶解，•染料扩散通过晶体周围的扩散边界层，•染料分子随染液流动到达纤维周围的扩散边界层，•染料扩散通过纤维周围的扩散边界层，并在纤维表面吸附，•扩散作用在纤维内外产生浓度差，推动染料分子不断向纤维内部扩散，最后达到平衡。②分散染料在纤维中的扩散模型分散