陽離子染料課件

第八章陽離子染料染色第一節(jié)引言一、陽離子染料概述

1.陽離子染料是一類在水溶液中可電離為帶正電荷的色素陽離子以及無色陰離子的一類水溶性染料。ＤＸ→Ｄ+＋Ｘ－

2.按應(yīng)用性能，陽離子染料可分為兩類:

一類為早期的陽離子染料，稱為堿性染料或鹽基染料。堿性染料具有顏色鮮艷，發(fā)色強(qiáng)度高，著色力強(qiáng)的特點(diǎn)，為其他類型染料所不及，在皮革、紙張、羽毛、草制品等染色領(lǐng)域具有廣泛的用途。一類為適用于腈綸等紡織品印染的一類染料，稱為陽離子染料（在《染料索引》中仍以堿性染料類稱）。該類染料染色性能優(yōu)良，各項(xiàng)牢度好，尤其是耐日曬牢度高。

3.按染料中正電荷的分布特性，陽離子染料可分為兩類。

陽離子染料的陽電荷是通過氮原子季銨化后引入到染料分子中的。絕大部分陽離子染料可分為隔離型和共軛型。

隔離型的陽離子染料：陽離子染料分子中的含有定域的正電荷，其位置不與發(fā)色體系共軛。由于正電荷集中，容易與纖維結(jié)合，上染率高，勻染性差。給色量稍低，色光不十分鮮艷，但耐熱、耐曬，耐酸堿的穩(wěn)定性好。

陽離子藍(lán)FGLＡ、隔離型：陽離子基隔離基染料母體(發(fā)色體系)發(fā)色體系：蒽醌、偶氮

共軛型的陽離子染料：陽離子染料分子中的正電荷貫穿于整個(gè)共軛體系中,正電荷是離域的（常稱為離域型陽離子染料），電子流動(dòng)貫通。顏色鮮艷，勻染性好，耐曬牢度較差。染料敏感（對(duì)pH、熱等）。共軛型陽離子染料是陽離子染料中的主要類型，其染料品種眾多。

Ｂ、共軛型陽離子桃紅FG陽離子基與染料母體共軛類型配伍值(K)染料名稱特性和用途普通型1～2嫩黃7GL，紅2GL，艷藍(lán)RL，深黃GL，紫2RL，紫3BL……勻染性差，牢度優(yōu)良。耐洗、耐曬，適合染中深色腈綸針織內(nèi)衣，腈綸條、散纖維、膨體紗。X型2.5～3.5嫩黃X-7GL，黃X-6G，黃X-8GL，深黃X-2RL，金黃X-GL，艷紅X-SGN……用于腈綸膨體紗；毛、腈混紡織物的染色，對(duì)毛的沾色少；勻染性中等。M型3～4金黃M-GRL，紅M-RL，藍(lán)M-2G膨體紗染色，腈綸織物匹染，染中、淺色，勻染性佳。（分子量230～280，遷移性良好。4、國產(chǎn)陽離子染料分類（按應(yīng)用）類型配伍值(K)染料名稱特性和用途E型5艷紅E-4BL，艷藍(lán)E-3RL，黃E-RL……

色光鮮艷，各項(xiàng)牢度優(yōu)良，溶解性、配伍性好，pH值適用范圍廣。親和力低。移染性、勻染性好。分散型陽離子染料活性陽離子染料功能型陽離子染料5.應(yīng)用范圍：

陽離子染料是腈綸纖維的專用染料，主要用于腈綸紡織品及其混紡、交織物的染色、印花。陽離子染料染聚丙烯腈纖維色澤鮮艷，給色量好，濕處理牢度和日曬牢度較高。陽離子染料在錦綸、醋酯纖維和陰離子改性后的滌綸、真絲、棉、麻、丙綸等的印染中也有應(yīng)用。二、腈綸纖維的染色性能

1.腈綸纖維組成：

最早生產(chǎn)的腈綸是聚丙烯腈的均聚物，結(jié)晶度高，分子鏈間作用力強(qiáng)，性脆、手感差，難于染色。第二單體的加入，降低了腈綸纖維的結(jié)構(gòu)緊密性，改善了手感，提高了染料在纖維中的擴(kuò)散速率，改善了染色性能，可以常壓染色，常用丙烯酸甲酯。第三單體的加入目的就是為了提高染色性能，提供與染料結(jié)合的染座。一類有含酸性基團(tuán)的衣康酸鈉、丙烯磺酸鈉；另一類含有堿性基團(tuán)的吡啶和氨基。

第三單體含羧基、磺酸基等酸性基團(tuán)，含酸性基團(tuán)的腈綸，則可和陽離子染料結(jié)合，纖維可用陽離子染料染色。第三單體含吡啶、氨基等堿性基，含堿性基團(tuán)的腈綸，則可和陰離子結(jié)合，纖維可用酸性染料染色。

商品腈綸大多是含酸性基團(tuán)的腈綸。

國產(chǎn)蘭化腈綸：丙烯腈93%，丙烯酸甲酯5.7%，衣康酸鈉（甲叉丁二酸）1.3%

結(jié)構(gòu)式：

-COOH是弱酸性基，上染比較緩和，并不用加大量的緩染劑，由于是兩個(gè)染座，足以使腈綸染成濃色。

國產(chǎn)金山腈綸：丙烯腈93%，丙烯酸甲酯5.7%，丙烯磺酸鈉1.3%

結(jié)構(gòu)式：

-SO3H是強(qiáng)酸性基，故上染容易，但勻染性更差，要加入較多的勻染劑，才能獲得勻染。2.腈綸纖維的玻璃化溫度Tg

在水中（染液）85℃Tg對(duì)上染速率的影響很大，低于Tg基本不上染。腈綸纖維在濕熱作用下極易變形，不能經(jīng)受較大的機(jī)械張力和壓力。3.腈綸纖維的超分子結(jié)構(gòu)

腈綸纖維沒有真正的晶區(qū)，只有側(cè)向相對(duì)有序的準(zhǔn)晶區(qū)。準(zhǔn)晶區(qū)與非晶區(qū)無嚴(yán)格的分界面。第二節(jié)陽離子染料染腈綸的基本理論一、染色機(jī)理

由于腈綸中的第三單體酸性基團(tuán)的存在和氰基的電子結(jié)構(gòu)特征，腈綸纖維在染浴中表面帶有負(fù)電荷，當(dāng)腈綸進(jìn)入陽離子染料的染液中發(fā)生下列過程：

1.

染浴中染料陽離子向腈綸纖維表面移動(dòng)并通過擴(kuò)散邊界層向纖維表面擴(kuò)散。

2.

由于靜電引力，陽離子染料吸附在纖維表面，這時(shí)范德華力也起一定作用。

3.吸附在纖維表面的染料向纖維內(nèi)部擴(kuò)散，當(dāng)染浴溫度大于Tg時(shí)，腈綸纖維大分子鏈段開始運(yùn)動(dòng)，大的空穴增加，自由體積增加，染料向纖維內(nèi)部擴(kuò)散，打破原來的染色平衡，加快纖維表面繼續(xù)吸附染料。一般認(rèn)為陽離子染料在腈綸內(nèi)相的擴(kuò)散模型為自由體積模型（也有文獻(xiàn)認(rèn)為自由體積和孔道的雙重模型），染料在纖維中的一個(gè)染座（酸性基團(tuán)）上解吸下來，擴(kuò)散，再吸附到另一個(gè)染座（酸性基團(tuán)），逐步向纖維內(nèi)部擴(kuò)散，不斷發(fā)生吸附，解吸，擴(kuò)散，再吸附的跳躍式傳遞。

4.最后陽離子染料和纖維上的染座（酸性基團(tuán)）以離子鍵固著。

陽離子染料上染腈綸纖維實(shí)質(zhì)上是一個(gè)離子交換的過程如下式表示：

F-COOH+D+X-=F-COOD+HXF-SO3H+D+X-=F-SO3D+HX

腈綸纖維陽離子染料的染色機(jī)理染料吸附—OOC-腈綸—O3S-腈綸

與其它二、三單體共聚后Tg為80~90℃。在染液中因水的增塑作用Tg為65~80℃左右。在Tg溫度之下65~80℃左右陽離子染料的擴(kuò)散上染—OOC-腈綸—O3S-腈綸染浴溫度超過Tg，隨著溫度的升高染料向纖維內(nèi)部的擴(kuò)散迅速增大。

擴(kuò)散進(jìn)入纖維內(nèi)部的陽離子染料與腈綸纖維上帶負(fù)電的酸性基結(jié)合。－ＯＯＣ－腈綸－Ｏ３Ｓ－腈綸One-One的定位結(jié)合染料的吸附量與腈綸纖維上帶負(fù)電的酸性基的含量有關(guān)，酸性基的含量越多，染料的上染量也就越多。強(qiáng)酸性第三單體酸性基受染浴pH值的影響不大。

弱酸性第三單體酸性基要受到染浴pH值的影響，當(dāng)染浴pH值較低時(shí)，弱酸性基的電離會(huì)受到抑制。二、吸附等溫線和上染速率

1.吸附等溫線:屬于單層、定位、化學(xué)吸附，成鹽機(jī)理。屬于朗謬爾型吸附等溫線。教材196頁圖8-2。2.上染速率：上染速率快，初染率高，移染性差，不勻染現(xiàn)象嚴(yán)重。影響上染速率因素有：▲纖維中酸性基團(tuán)的含量。教材197頁圖8-3?！煌嵝曰鶊F(tuán)。教材197頁圖8-4，圖8-5?！婢]纖維的熱處理?xiàng)l件。教材198頁圖8-6?！婢]纖維的拉伸比。教材198頁圖8-7?！驹≈腥玖蠞舛?。教材198頁圖8-8。▲染色溫度。教材198頁圖8-9。三、染色的飽和現(xiàn)象

陽離子染料與腈綸的結(jié)合是One-One的定位結(jié)合，染料對(duì)纖維的最大上染量決定于腈綸纖維中第三單體的含量。所以在腈綸的陽離子染料染色中推出染色飽和值的概念。1.腈綸陽離子染料染色的飽和值（[S]f）腈綸陽離子染料染色飽和值（[S]f）:用以表征單位質(zhì)量纖維上，含有可容納陽離子染料的陰離子染座數(shù)量。是以100克纖維在規(guī)定的條件下上染某一指定的陽離子染料的重量計(jì)算的。腈綸陽離子染料染色飽和值（[S]f）的測(cè)定，采用SDC推薦的方法，并用穩(wěn)定性更高的亞甲基藍(lán)（C.I.BasicBlue9）代替孔雀綠（C.I.BasicGreen4）作為標(biāo)準(zhǔn)染料。貝克曼（Beckmann）法：以相對(duì)分子質(zhì)量為400、親和力較高的陽離子染料，在pH值為4.5，浴比為100∶1的條件下，染浴中用足量染料使平衡上染百分率達(dá)到95%時(shí)，每100g纖維上的染料量來表征（g染料/100g纖維）。一些聚丙烯腈纖維的陽離子染料染色飽和值2.22.32.22.62.1考臺(tái)爾(Courtelle)(英)蘭化腈綸(中)愛克斯綸DK(Exlan)(日)金山腈綸(中)奧綸42

(Orlon)(美)染色飽和值

Sf纖維名稱弱酸性第三單體強(qiáng)酸性第三單體

教材１９５頁表８－３[S]f意義:表征和評(píng)價(jià)纖維可染性的重要指標(biāo)，是纖維本身的一種特性常數(shù)。實(shí)際應(yīng)用：[S]f

≥2容易染成濃色。

[S]f

＜1.4僅適于中淡色品種。蘭化腈綸［S］f=2.3金山腈綸［S］f=2.62.陽離子染料的染色飽和濃度[S]D

陽離子染料的染色飽和濃度（[S]D），指能使給定纖維達(dá)到飽和吸附所需商品染料的量，以相對(duì)于纖維或織物的質(zhì)量（o.m.f.）來表示。

[S]D應(yīng)用：染料染色時(shí)，染料的最大投入量

X%≤

[S]D3.染料的飽和系數(shù)（f）

纖維的染色飽和值[S]f與染料的染色飽和濃度[S]D之比，即為染料的飽和系數(shù)f。

ｆ＝[S]f

／

[S]D

染料的飽和系數(shù)ｆ是陽離子染料的特征常數(shù)，與染料的純度和摩爾質(zhì)量有關(guān)，而與纖維特性或纖維種類無關(guān)。特定染料的飽和系數(shù)可表征該染料在對(duì)纖維染色時(shí)的飽和特性。p1928-2應(yīng)用[S]f

、[S]D和ｆ可以計(jì)算染色處方的合理性。X1%×f1＋X2%×f2

＋R%×fR＋……≤[S]f

教材195頁式8-3.

染色處方驗(yàn)算公式：P1×f1+P2×f2+×P3×f3….+PR×fR≤SfD.C.f1

、f2

、f3….及fR分別為各染料及助劑的飽和系數(shù)。P1、P2、P3、…及PR分別為染料及助劑的用量(Owf)。

D.C.為染色系數(shù)，由實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而定(綜合纖維、染料特性、加工方法、設(shè)備、人員等因素)染色處方實(shí)例：陽離子嫩黃7GL0.50.53陽離子艷藍(lán)RL

2.00.69助劑12270.50.58染料用量(Owf)

f值染考太爾，其Sf

值為2.8

D.C.為0.85驗(yàn)算：0.5×0.53+2.0×0.69+0.5×0.580.85=2.2762.276﹤

2.8(考太爾的Sf值)處方合理

四、配伍性

1.配伍現(xiàn)象由于陽離子染料在腈綸纖維上吸附上染成鹽機(jī)理即染座機(jī)理,因而陽離子染料的拼色與單色染色時(shí)的情況差異較大。不同結(jié)構(gòu)的陽離子染料對(duì)纖維的親和力不同，同時(shí)其在纖維內(nèi)相中的擴(kuò)散速率也有差異;親和力高的陽離子染料，染色初始階段一般在纖維表面吸附速率快，但在纖維內(nèi)相中的擴(kuò)散速率慢，同時(shí)也容易取代纖維上已上染的親和力低的染料;上染速率快的先占有染座而上染速率慢的后占有染座。

陽離子染料拼色時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生“競?cè)尽爆F(xiàn)象。由于各染料的“競?cè)尽?，?dǎo)致在上染過程中染浴和纖維上各拼色染料的比例時(shí)刻發(fā)生變化，產(chǎn)品色澤不一，難以達(dá)到理想的拼色效果。因而在拼色時(shí)，要考慮所選染料的配伍性。

相配伍的染料：▲兩染料任意t時(shí)刻的上染量／平衡上染量都相等?！我鈚時(shí)刻染浴中兩染料的濃度比為常數(shù)，同樣，纖維上兩染料的濃度比也為常數(shù)。

2.配伍性的影響因素

配伍性→上染速率→親和力擴(kuò)散系數(shù)

3.配伍值（配伍指數(shù)（K））

陽離子染料的配伍指數(shù)（K）是反映染料親和力大小和擴(kuò)散速率高低的綜合指標(biāo)。教材191頁Ki＝Di°exp(-Δui°/RT)(8-1)式中：i=1,2,3…n；Ki為相應(yīng)陽離子染料的配伍指數(shù)；Di°為相應(yīng)陽離子染料標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)；-Δui°/為相應(yīng)陽離子染料的標(biāo)準(zhǔn)親和力；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。一般按照英國染色家協(xié)會(huì)建議的方法，依據(jù)染料上染速率的快慢，將陽離子染料劃分五個(gè)檔次，即：配伍值K

1

2

3

4

5上染速率快

上染速率慢

親和力高

親和力低勻染性差

勻染性好教材191頁表8-14.配伍值的測(cè)定

以上染速率有代表性的黃、藍(lán)各５只染料為參比標(biāo)準(zhǔn)，其他染料的配伍值以其與這５只黃或藍(lán)參比染料拼混染色，從拼色效果來判斷其配伍性。若實(shí)驗(yàn)染料與某只參比染料配伍性一致或相近，則這只參比染料的配伍值即為該染料的配伍值。

5.配伍值的應(yīng)用（教材191頁）⑴K?。ㄓH和力高，上染速率高，上染百分率高）的適合于染深濃色。⑵K大（勻染性好）的適合于染淺淡色。⑶選擇K指相近的拼色。第三節(jié)腈綸的陽離子染料染色工藝一、浸染（一）、染色處方：陽離子染料(o.m.f.)xHAc（98%）2%～3%（o.m.f.）調(diào)節(jié)pH值4.5～5.5NaAc1%（o.m.f.）緩染劑1227（深濃色可不加）0～2%（o.m.f.）元明粉0～10%（o.m.f.）浴比20:1～30:1（二）、染色工藝

1.升溫控制染色法：

制定原則：當(dāng)染色溫度接近或達(dá)到纖維玻璃化溫度(Tg＝85℃）時(shí)，應(yīng)緩慢升溫，在Tg以上（TD)10～15℃集中上染區(qū)（如85～95℃）實(shí)行特慢升溫。工藝曲線:參考教材204頁，請(qǐng)同學(xué)們自己試設(shè)計(jì)。2.恒溫快速染色法：制定原則：恒溫快速染色法是指選擇在纖維玻璃化溫度以上、染液沸點(diǎn)以下某一固定的溫度始染，并保溫染色45～90min，使染浴中大部分的染料上染，然后再升溫至沸作短時(shí)間沸染，讓染料在纖維內(nèi)相充分?jǐn)U散或移染，以提高染色均勻性和色牢度。恒溫快速染色法的目的，就是減少或消除由于染浴中溫度不均勻而引起的染色不勻現(xiàn)象，并可縮短20%～30%的染色時(shí)間，操作簡便，不易染花。恒溫快速染色的關(guān)鍵是選擇合適的恒溫上染溫度，以使染料不發(fā)生集中上染，而是在整個(gè)恒溫階段均勻緩慢地上染。在染槽內(nèi)先加入HAc、NaAc和緩染劑TAN，織物在85℃先處理10min，然后加入用HAc和熱水溶解好的染料，于85℃恒溫染色60min，然后升溫至沸續(xù)染30min，最后緩慢降溫至50℃左右出機(jī)。恒溫快速染色法工藝曲線：（三）、染色處方、工藝分析

1.pH值

腈綸纖維：pH值提高，腈綸纖維上的-COOH電離多，染座多，染色平衡上染量提高，但含強(qiáng)酸性基團(tuán)（-SO3H)的腈綸影響不大。教材200頁圖8-10。

陽離子染料：pH為4-6時(shí)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、顏色鮮艷、溶解度好。染浴的pH值4.5～5.5為最佳。2.醋酸：▲溶解染料▲與醋酸鈉構(gòu)成緩沖溶液?！徣荆簩?duì)染料,〔AC-〕起作用，抑制陽離子染料電離。對(duì)纖維,〔H+〕起作用，抑制腈綸纖維電離。使染座數(shù)量下降。3.緩染劑⑴陽離子型緩染劑機(jī)理：陽離子型緩染劑就是無色的陽離子染料。在染色中陽離子緩染劑能擴(kuò)散進(jìn)入纖維內(nèi)部，在纖維表面及纖維內(nèi)相與染料競爭腈綸上的染座，暫時(shí)封閉纖維上的染座，并可降低纖維上的染料濃度梯度。但由于陽離子緩染劑對(duì)纖維的親和力一般較染料小，故在沸染階段，染座上大部分緩染劑又能被陽離子染料所置換（取代），不致使最終上染百分率顯著降低。教材202頁圖8—12。

此類緩染劑用量過大，則染料上染百分率降低明顯，色澤變淡，故染深濃色時(shí)，緩染劑應(yīng)少用或不用。

在拼色時(shí)，陽離子緩染劑會(huì)擴(kuò)大染料配伍性的差異，故對(duì)拼色染料的配伍性要求更高。陽離子表面活性劑1227（十二烷基二甲基芐基氯化銨）聚合型陽離子緩染劑⑵陰離子型緩染劑

脂肪醇及芳烴（如苯、萘等衍生物）的磺酸鹽，可作為陽離子染料染色的陰離子緩染劑使用，如分散劑NNO等。此類陰離子緩染劑在染浴中與陽離子染料以離子鍵結(jié)合，形成一種不穩(wěn)定的染料—助劑復(fù)合物，如下式所示。從而降低游離的陽離子染料的濃度，造成染色速率的降低，即通過“阻染”而緩染。

Ａｒ-ＳＯ3-+Ｄ

+≒Ａｒ-ＳＯ３Ｄ

⑶.無機(jī)緩染劑：