饰品之家讯：分散染料微胶囊由于微胶囊的缓释性、隔离性等特点,在高温高压染色过程中不需添加任何助剂,可免除后水洗,染色废水污染小,这些优点已经受到了染色工作者的极大关注[1-3]。分散染料的染色通常分为以下4个可逆过程[4]:染料在水中的溶解;染料分子在染液中向纤维表面扩散(外扩散);染料分子被纤维表面吸附;染料分子向纤维内部扩散(内扩散)。这4个过程也可概述为染料的溶解过程和染料在水及纤维间的分配(即上染)过程,其溶解过程与染料晶体在染色介质中的状态有关,上染过程与染料和纤维间的作用力有关。商品分散染料通常是在助剂的作用下形成增溶,使染浴中的染料处于过饱和状态,再经过吸附扩散完成上染。在分散染料微胶囊无助剂高温高压染色过程中,由于微胶囊囊壁的存在,其染料溶解过程为[3]:水分子进入微胶囊内溶解部分染料形成饱和溶液,由于微胶囊内外染料浓度梯度的存在,促使水分子带着部分已溶解的染料分子透过囊壁向外释放;释放出来的染料迅速向染浴中的纤维表面吸附,并向纤维内部扩散完成上染。此染色过程与普通分散染料染色过程存在一定区别。鉴此,本文通过分散染料微胶囊、纯分散染料和商品分散染料的扩散系数、染色速率常数、平衡上染量及半染时间等动力学参数的比较,考察分散染料微胶囊的染色动力学性能,研究微胶囊化对分散染料染色动力学的影响。

1实验

1·1药品及仪器

C. I.分散蓝56(滤饼、商品染料,浙江龙盛集团有限公司),C. I.分散蓝56微胶囊(芯壁比分别为1∶2和1∶3,常州汉斯化学品有限公司,注:芯壁比为1∶2和1∶3的分散染料微胶囊分别用1/2MC和1/3MC表示),白色平纹涤纶织物(70g/m2,经纬纱线均为100d),聚酯薄膜(厚度为15μm),二甲苯(工业级)。

高温高压染色机(英国Roaches)、紫外可见分光光度计(上海精密科学仪器有限公司),索氏提取器。

1·2扩散系数测定

采用薄膜卷层法[5]测定染料在纤维内部的扩散系数,符合斐克第二定律,由此可得[4、6]

其中A为常数, x为扩散距离, C为薄膜中染料的浓度, t为染色时间,D为扩散系数。

将聚酯薄膜(约0·5g),在10g/L非离子表面活性剂,浴比50∶1条件下80℃处理1小时,去除油剂及油污。把处理好的薄膜卷绕在直径为0·8cm的玻璃棒上,卷绕15~20层,两端用电烙铁封好,使染液不能从两端渗入。最后用细玻璃棒沿薄膜的边沿压紧,并加以固定。

对薄膜实施过量染色(取染料约为10% (o.w.f)), 130℃,保温120分钟。取出染色装置,迅速冷

却。从玻璃棒上揭下薄膜用含1~2g/L表面活性剂的洗涤液于60℃洗净,由于有细玻璃棒压紧,故在薄膜上可形成染色层分界线(如图1所示),沿各分界线剪开,形成薄膜片,不同薄膜片之间染料上染浓度各不相同。

分别称取上述染色薄膜片,放入索氏提取器,用二甲染料与染色苯在170℃剥色,计算各层染色薄膜上的染料浓度。

根据式(1),以薄膜各层染料浓度的自然对数lnC对x2/4t作图,进行线性拟合,所得的斜率即为1/D。

1·3扩散速率测定

观察上述染色薄膜层数,按以下公式计算扩散速率v[5]:

v=xt(2)

其中x为扩散距离, t为染色时间, v为扩散速率,=n(扩散层数)×L(薄膜厚度),以此测定染料在

薄膜内部的扩散速率。

1·4染色速率常数、平衡上染量及半染时间测定

染色工艺:

涤纶织物:2g　染料量:1% (o.w.f)

染色温度:130℃　浴比:30∶1

染色时间:1~200分钟

按上述工艺,在不同染色时间下染涤纶,并分别称取0·05g染色样,用二甲苯在170℃下进行多次剥色,剥色至剥色液无色为止。用二甲苯对剥色液定容,用紫外吸光光度计测定其最大吸收波长处的吸光度,计算不同上染时间上染到纤维上的染料浓度(Ct),绘制t-Ct图。

根据t-Ct图建立上染速率曲线模型,从而推算微胶囊化分散染料在高温高压无助剂染色过程中的染色速率常数、平衡上染量及半染时间。

2结果与讨论

2·1扩散系数

薄膜卷层法通过薄膜扩散模拟了染料在纤维中的扩散,即内扩散,以测定染料在纤维内部的扩散系数。将C. I.分散蓝56滤饼、1/2MC、1/3MC及商品分散染料高温高压下染聚酯薄膜,并进行剥色,绘制lnC-x2/4t图并进行线性拟合,如图2所示,由此计

算扩散系数D,见表1:

表1中直线拟合的相关系数可以看出,这4种染料的x2/4t-lnC的线性关系比较明显,

由表1可看出它们的扩散系数无数量级差异,这可能是由于染料在纤维内部的扩散主要与分散染料分子本身的化学性质,与染料跟纤维之间的作用力有关,分散染料微胶囊囊壁及助剂的存在并不改变染料分子的性质,故不影响染料在薄膜内部的扩散。

从表1中可以发现,纯分散染料与微胶囊染料的扩散系数基本相等。这主要是因为在分散染料微胶囊染色过程中,当分散染料从微胶囊中释放出后,微胶囊留在染浴中,不影响染料在纤维内部的扩散。相比之下商品染料的扩散系数略微高,这与助剂的存在有关,在纯分散染料及微胶囊分散染料的染浴中,染料始终维持较低的饱和浓度;而商品染料由于助剂产生增溶作用,使染浴中染料以过饱和浓度存在,导致薄膜表面的染料浓度相对较高,此时薄膜表面与薄膜内部染料浓度梯度较大,有助于染料由表面向内部扩散,从而表现为扩散系数略大。

2·2染料扩散速率

根据薄膜卷层法测定染料在纤维内部的扩散速率,计算结果见表2。

由表2可知不同芯壁比的微胶囊化分散染料与纯分散染料在纤维内的扩散速率相等,由此可知染料在薄膜内部的扩散行为与染料分子有关,而与是否经过微胶囊化、微胶囊化条件变化之间的关系并不密切;而商品分散染料的扩散速率略大,这与助剂的增溶作用有关。

由表1和表2可以看出,染料的扩散系数大则扩散速率也大,2.1和2.2的结论相互吻合。

2·3染色速率常数、平衡上染量及半染时间

式中k—染色速率常数(g/mol/min);C∞—染色达到平衡时染料在纤维上的上染量(mol/g);Ct—染色t时染料在纤维上的上染量(mol/g)。

式(1)经积分变成(2)和(3)式:

式(3)描述了函数tCt=f(t)的线性关系,设tgα为线性方程的斜率, b为截距,那么C∞、k、t1/2可由式(4)、(5)、(6)计算得到。

根据图3绘制t-t/Ct图(图4),并进行线性拟合,计算C∞、k、t1/2,所得结果见表3。

从图4及表3的线性相关系数可看出4种不同种类的染料其t—t/C线性关系较好。从表3可以看出, 1/2MC的动力学参数与纯分散染料基本一致,而1/3MC相对平衡浓度略低、染色速率常数略小、半染

时间略长,这可能与微胶囊的缓释作用有关。当分散染料以芯壁比1∶2微胶囊化时,因为壁才用量少,微胶囊壁薄[8],染料易于从微胶囊中释放出来,使总体染色速度较快,而当分散染料以1∶3微胶囊化时,微胶囊壁相对较厚[8],染料释放相对比较困难,从而影响染料的上染速度,延长了半染时间;另外,由于微胶囊壁厚,扩散困难,易造成部分分散染料不能完全释放上染到织物上,使平衡上染浓度降低;而商品染料由于有助剂的存在,使其产生增溶,易于上染,使染色速度及染料的上染量有了一定的提高,故表现出平衡浓度、染色速率常数略高而半染时间略的现象。

虽然商品分散染料的染色速度较快,上染时间较短,但染色废水污染严重,染后织物需要还原清洗,而分散染料微胶囊染色废水可循环利用,染后织物不需后水洗等特点,节约了生产成本,符合可持续发展的要求,具有广泛的发展前景。

3结论

(1)对分散染料进行微胶囊化,并不对染料在纤维内部的扩散行为带来影响,其扩散系数、扩散速率不发生数量级的变化。

(2)对分散染料进行微胶囊化,使染料的染色速率常数降低,半染时间延长,且其改变的幅度与分散染料在微胶囊化时芯壁比有关;壁材越厚释放越困难,半染时间延长越多,染色速度也越慢。

(3)对分散染料进行微胶囊化,并不造成分散染料在性能上的变化,故其具有工业化应用的必要条件。

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