棉阳离子改性及活性染料无盐染色教材

1绪论

1.1引言

纺织印染行业是我国历史悠久的传统行业，同时也是我国的支柱产业之一。其中印染行业由于加工与生产工艺环节上的落后，逐渐成为重点关注的高污染、高能耗、高排放的“三高”行业之一。2013年，全国印染行业的总耗水量达到了100亿吨，污水排放则占到了国内工业总排放量的12%。特别是印染废水，其因为有着有机物含量高，色度深，电解质含量高等特点，成为了一种难以清理的工业废水。因此，以新型节能环保的印染工艺取代落后、高污染的旧工艺的行动刻不容缓。

目前世界上产量最大的纺织纤维即是纤维素纤维，其可纺性强，吸湿性好，在穿着时同时又具有较好的舒适性，在生活生产中被广泛应用[1]。近年来由于纤维素纤维的飞速发展，同时像直接染料、还原染料等染料在染色过程中造成的环境污染问题层出不穷，所以活性染料取而代之成为了纤维素纤维纺织品（特别是棉织物）染色最重要的一类染料。

活性染料的色彩鲜艳、色谱广泛、色牢度好、适用性强，其各类性能较好。然而在染色过程中，棉纤维大分子侧链上的羟基会在水溶液中发生水解，使得棉纤维整体呈负电性，染料阴离子会与棉纤维上的轻微负电荷发生排斥，从而导致其对于阴离子染料（如活性染料、直接染料等）的吸附性较弱。

在传统的活性染料棉织物染色工艺中，为了提高活性染料的上染率和固色率，需要加入大量无机盐，如硫酸钠、食盐等，以削弱染料阴离子与棉纤维上的轻微负电荷之间的排斥力，一般我们将这种过程叫做“促染”。根据染料颜色以及染料结构不同，通常的用盐量范围为30～150g/L。然而由于在染色过程中使用的大量的无机盐无法进行回收和降解处理，染色后排放的带有颜色、同时又有较高含盐量的染色污水常会造成环境问题，如土壤盐碱化，水质改变等。

为了解决以上污水中含盐量过高的问题，近年来对于棉织物无盐染色工艺的需求日益提升。目前使用最广泛的是对纤维素纤维阳离子改性的方法，其特点是

比较直接、同时能够有效提高纤维直接性[2]。其原理是引入阳离子基团与纤维素纤维分子上的官能团进行反应，降低染料阴离子基团与纤维负电性基团之间的库伦斥力[3]，对于阴离子染料的上染率有较大程度的提升。

1.2活性染料对纤维素纤维染色的基本概念

1.2.1纤维素纤维的结构特征[4,5]

纤维素纤维是一种使用广泛的可纺纤维，其分子结构中含有大量的羟基，能与阳离子改性剂作用，从而对纤维本身进行改性处理。纤维素纤维的化学式为（C6H10O5)n。它是由许多的β-D-葡萄糖剩基互相以β-1,4-苷键连接而形成的大分子。其结构式如下：

1.2.2活性染料的基本特征[6]

活性染料自从1956年第一次在英国面世以来，至今已有将近60年的历史。其主要特点是其染料分子由三部分组成，分别是化学性质活泼的活性基团、染料母体和连接基。其主要用于纤维素纤维的染色，其通常以共价键的形式与纤维素纤维分子结合。

活性染料的色彩鲜艳、色谱广泛、色牢度好、适用性强，其各类性能较好。尤其是近年来纤维素纤维的飞速发展，使得活性染料已成为纤维素纤维纺织品(特别是棉织物)染色最重要的一类染料。

按活性基的不同，活性染料主要可分三类。

(1)K型

K型即是一氯均三嗪型活性染料，这是一种高温型活性染料，其通式为：

(2) X 型 X 型即是二氯均三嗪型活性染料，这是一种低温型活性染料，其通式为： 其具有2个较为活泼的氯，其遇到纤维素分子中的羟基或水时，能发生亲和取代反应，所以X 型活性染料能够在较低温度下进行染色。 (3) KN 型

KN

型即是乙烯砜型活性染料，这是一种中温型活性染料，其通常结构式为：

D-SO 2C 2H 4O 4OSO 3Na 或 D-SO 2CH=CH 2

1.2.3 活性染料对纤维素纤维的染色机理

活性染料是一种亲水性染料，其通常以共价键的形式与纤维素纤维分子结合。 染色反应过程分别有亲核取代反应与亲核加成反应两种[6]。

亲核取代反应：

N C

N

C

N C HN

D Cl R + Cell OH OH N C N C N C HN D OCell R + HCl

亲核加成反应：

D S CH2CH2SO3OH

O

O S C

H

O

O

CH Cell

Cell

D S CH2CH2O

O

1.2.4活性染料染色的不足之处[7]

活性染料的分子结构小，同时亲水性较好，固色后的浮色易于洗去，这是染料分子设计中的重要创新。但由此也引起了以下这些问题的产生：如染料利用率较低，通常不大于70%；污水排放量较大（色度较高，通常超过标准几万倍，COD 值也过高）；对于深色系列染料品种的成品色牢度较差；使用电解质的量过大，导致污水难以处理等。

所以如何解决活性染料在染色过程中存在的问题，扩大其应用范围，是目前急需解决的一大问题。

1.3纤维素纤维阳离子改性的研究现状

由于环保与清洁生产的要求，无盐染色技术已引起广泛的关注，通过纤维素纤维的改性预处理，是实现无盐或低盐染色的重要途径之一。为增加染料上染时对纤维素纤维的吸附能力，近年来国内外研究人员对于纤维素纤维的阳离子改性化进行了大量的研究。

如于小江[8]等研究使用了阳离子改性剂M，其结构是Gemini型双烷基双季铵盐表面活性剂，经改性后棉织物带上季铵盐正离子，使染色的表面深度、上染率和固色率较常规染色相似，而盐用量大幅下降。

孟春丽[9]等研究表明：聚环氧氯丙烷-二甲胺(PECH-A)对棉织物进行改性处理后，使用无盐无碱的活性染料染色工艺使其能够达到90%以上的固色率，同时在相同的颜色深度条件下，经过改性处理的棉织物可大幅节约染料的用量。

1.3.1阳离子改性剂的改性机理

阳离子改性化是一种较为有效的的提升纤维直接性的方法，其原理是通过引入阳离子基团与纤维素纤维分子上的官能团进行反应，降低染料阴离子基团与纤