少水介质中计算机颜色测量与活性染料匹配的研究

  1.1 研究背景

  众所周知，我国是当今世界纺织工业大国。纺织工业在为我国经济与社会发展以及文化传播做出了巨大贡献的同时，纺织工业巨大的耗水量也带来了非常严重的环境污染、生态恶化及资源短缺等问题，这在一定程度上给我国现今有限的可利用水资源带来很大的负担。有资料显示，生产 1 吨纺织品就要消耗水 80-120吨，其中的 90%为含有大量有机污染物的废水，据统计印染产生的废水年排放量超过 24 亿吨，大约占全国废水排放量的 11%，位居中国工业废水排放前三位。纺织品的染色及众多后处理过程都是会涉及到工业用水的过程，纤维织物的湿处理加工过程会造成环境污染以及大量能源资源的浪费。活性染料以其鲜艳的色彩、低廉的价格、优异的色牢度和较强的适应性而著名，现在已经发展成为纤维素纤维染色用染料中最重要的染料之一。经过几十年的发展，活性染料的消耗量已位居棉用染料之首，在整个纺织品印染领域,活性染料的重要性可以和涤纶染色用的分散染料并驾齐驱。但是活性染料在传统的染色工艺中为了提高染料的上染率，促进染色，需要大量的中性电解质，以消除纤维与染料之间的电荷排斥，但是印染废水中大量的电解质较难处理，易对生态环境造成污染破坏。反应性染料还在水中进行水解反应，水解通常会使染料失去与纤维的反应性， 这在某种程度上降低了上染率和固色率。因此，在常规的染色工艺中，染色结束后排出大量的电解质、化学品和化学需氧量高的有色废水。为了缓解印染废水造成的环境污染压力，目前主要从两个方面来进行治理：首先是对印染废水的处理，废水处理的方法有光化学、生物、膜技术和电化学等手段，但是这些方法的流程长、成本高且效果不理想；其次是发展清洁染色技术，清洁染色可以从源头减少染色过程中的水消耗和电解质的用量以及可以提高染料的利用率，可在印染过程中解决环境污染的问题。清洁染色的技术有超临界二氧化碳流体染色、有机溶剂染色、反胶束染色、离子液体染色等。

  1.2 活性染料少水/无水介质染色方法研究现状

  纺织印染行业作为专项整治的十大重点行业之一，为了从根源上解决印染水污染的问题，利用少水/无水介质染色技术优化传统水介质染色工艺，是纺织印染清洁生产的一次“技术和产业革命”，例如溶剂染色、反胶束染色、超临界CO2 流体染色都取得了较大的进展，它在促进我国纺织印染行业的技术进步等方面发挥着重要作用。有机溶剂染色是指纤维织物以有机溶剂为染色介质的染色工艺，相对于传统水浴染色方法，它具有节省能源、节约水资源、降低水污染、染色速度快等优点。在溶剂染色的早期，使用了对分散染料有良好溶解性的氯化烯烃作为介质，以氯化烯为介质的染色工艺对合成纤维具有良好染色效果。上世纪 70 年代，随着合成纤维的快速发展，溶剂染色也得到了快速的发展。然而，在 2017 年，在世卫组织公布的一类致癌物清单的初步汇编中，三氯乙烯被包括在其中，所以需要新的环保健康的有机溶剂来促进溶剂染色的进一步发展。东华大学的何瑾馨教授等人根据有机溶剂的特性，确定了乙醇-水混合溶剂体系，作为代替传统水浴染色的染色介质，同时根据活性染料的特点和性质以及其在乙醇溶剂中溶解度参数，筛选出了能应用于乙醇-水体系的活性染料。通过研究和改进染色工艺，体积分数为 80%的乙醇-水体系的染色更适合实际的染色需要，不需加盐，碱性剂仅为传统染色的 10%，染料上染率高达 97%，固色率比传统水染法高9%~20%，但是乙醇闪点较低，在常温常压下有易燃性和易挥发性，对设备以及环境条件要求较高。浙江理工大学的王际平教授等人通过使用十甲基环五硅氧烷作为染色介质，可以获得活性染料的无盐染色，固色率超过 90%，上染率接近 100%。 同时探究了在 D5 体系染料上染纤维的机理，发现介质的表面张力会影响染液的憎介质亲纤维性能。因此活性染料的上染主要取决于介质的表面张力，表面张力越高，亲纤维憎介质的性能越差，上染速率越慢。同时研究发现常规水浴中活性染料的水解速率是有机硅微乳液体系的 3-4 倍。溶剂染色对于染料的种类具有较高的限定要求，且无法实现常规工艺下的染料拼混，目前溶剂染色只适用于在溶剂中具有较高溶解度的一氯均三嗪型活性染料染料。而且溶剂染色对于实际工业化生产环境中的防火防爆要求较高，需要专门的溶剂回收设备且回收成本较高、染色工艺相对不成熟。这些因素导致了溶剂染色在实现工业化生产的道路上还需很长的路要走。

  2.1  实验方法

  根据染色效果和节水率等情况综合考虑确定少水介质体系内含水率 15%，即染液占整个体系体积的 15%，苯甲醚体积占 85%，量取一定体积苯甲醚的烧杯中，然后将一定体积的染液倒入苯甲醚中，将烧杯固定在均质机下，调至转速的大小为 8000 rpm，时间为 2 min，使得乳液分散均匀，即可得到苯甲醚与染液组成的少水介质染色体系。经过课题组前期的研究确定了染色的最佳工艺参数，整个少水介质体系内含水率为 15%，即染液占整个染色介质体积的 15%，体系中少量的水可以起到有效溶胀纤维素纤维的作用，又为保证织物匀染性和防止织物的损伤，确定了最佳浴比为 1:20。活性染料的染色需要在碱性环境下固色，但是少水介质体系内含水率较低，若在染色进行过程中加入碱剂将不易溶解，同时在传统水浴中，水可以使棉纤维发生溶胀，使得染料可以在纤维孔道内的扩散更加容易。所以在少水介质体系染色工艺中需对织物在染色之前预先浸轧碱剂，可以保证棉织物的充分溶胀的效果，以及提供活性染料在棉纤维上固色所需要的碱性环境。

  2.2 实验结果与讨论

  染料（K/S）提升力能够表现在纤维量一定的情况下，表观色深(K/S)随染料用量的增大而增大的能力。它为染料能否染深色，能否达到所需最大(K/S)值提供了参考依据，通过提升力曲线可以了解到染料染色的极限（K/S）值，可以了解到染料达到纤维饱和值时所用的最佳染料浓度。同时在对比两种或几种不同的染色工艺时，对染色工艺的染色效果评价也提供了重要的参考依据。为了测定所选取染料的染深性以及对比少水介质染色与传统水染的对不同结构染料的适用性，本次实验选择了双一氯均三嗪活性基染料和一氯均三嗪-乙烯砜杂活性基的染料两种不同结构的染料，以同种染料分别在少水介质染色工艺和传统水染的染色工艺下对棉织物进行染色，同时保证两种染色工艺的染料用量、盐、碱、时间、温度等其他变量相同，染色结束后测定棉织物在最大吸收波长下的 K/S 值，绘制两种工艺的提升力曲线并进行对比。由图少水介质染色的性能优于传统水染，理论上是因为少水介质体系中含水量较少，染料不易水解，同时少水介质体系中“水池”中染料浓度较高，“水池”中染液与纤维之间有较大浓度差，由于少水介质体系是“油包水”的体系，苯甲醚作为连续相，染液作为内向相，界面张力使染液有靠近纤维的趋势，所以染料在少水介质体系有较高的上染率。综上所述，异双活性基和同双活性基这两种不同结构类型的活性染料，以两种不同的染色工艺，即在传统水浴染色下和少水介质染色下，提升力曲线的趋势大体一致，且在少水介质体系下的得色性能优于传统水浴染色。