染色基本原理概要.docx

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染色基本原理概要

第二章染色基本原理

第一节概述

一、何谓染色？

染色是指染料舍染液而转移到纤维上，并在纤维上形成均匀、坚牢、鲜艳色泽的加工过程。

纤维上的染料增加

举例说明：

二.衡量染色品质量的指标

第二节染料在溶液中的存在形式

一、染料的电离

阴离子染料

DMD－（染料母体）＋M＋（伴随的阳离子）

阳离子染料

DXD＋（染料母体）+X－（伴随的阴离子）

非离子染料染料

在水中不电离的称为非离子染料，如分散染料。

二、染料的溶解

染料的溶解性与染料的分子结构、温度、所加助剂有关。

（1）染料结构及所含水溶性基团的数目

染料分子量小、结构简单、亲水性基团含量高的溶解性好。

（2）染液的温度

温度高有利于染料的溶解。

（3）与染液中所加助剂有关

尿素及表面活性剂溶解度增加

中性电解质溶解度降低

用量多时，染料发生沉淀

（4）与染液的pH值有关

例如：

冰染料在酸性条件下易溶解，还原染料在碱性条件下易溶解等。

三、染料的聚集

1.染料在溶液中的三种形态

●离子型染料可以有三种不同形态的存在形式：

（1）染料完全离解成正或负离子，如D＋或D－；

（2）染料离子聚集成离子胶束，如（nD）n－或（nD）n＋；

（3）染料分子聚集成胶核，然后再吸附一部分染料离子形成胶粒，在胶粒外再吸附电荷相反的离子形成胶团，如[m（DA）·nD]n－或[m（DM）·nD]n＋。

以D－为例，三种形式呈下列关系。

•非离子型染料三种不同存在形式：

2.影响聚集的因素：

（1）染料分子结构

分子结构较大，分子成线形结构的，染料在溶液中的聚集倾向较大，聚集度较高。

（2）染色温度

提高染色温度，染料聚集度降低。

（3）染料的浓度

一般浓度大的聚集度高。

（4）所加助剂与电解质

►加入过量食盐，染料聚集度增高，甚至还会发生沉淀。

►加入尿素，减少染料的聚集。

因为尿素能和染料分子上的某些基团发生氢键结合，也能和水分子发生氢键结合。

►加入平平加0会促进染料聚集。

因为平平加0能促使染料围绕着它聚集起来，从而减缓染料的上染，起到缓染作用。

四、染料的分散

1.定义

染料以晶体态的形式均匀的分布在水中，称染料的分散。

该体系称为染料的分散液或悬浮液。

2.影响分散液稳定性的因素：

（1）染料颗粒

颗粒越小，溶液越稳定。

一般要求染料直径在2um以下，过大的颗粒易发生沉淀。

（2）表面活性剂

阴离子型表面活性剂使悬浮液稳定。

其原因如下：

其疏水部分被染料颗粒所吸附，亲水部分朝向水，染料颗粒表面的表面活性剂的相斥作用，使颗粒之间不易相互碰撞，处于较稳定的状态。

（3）温度

温度升高，悬浮液稳定性降低。

（4）保护胶体

保护胶体有利于染料悬浮液的稳定。

（5）中性电解质

中性电解质使染料悬浮液的稳定性降低。

（6）搅拌条件

悬浮液放置一段时间，由于颗粒的沉降，会产生上下的浓度差异，使用时一定要搅拌，但不能搅拌太剧，否则会影响悬浮液的稳定性。

第三节纤维在染液中的状态

一、纤维的吸湿膨胀

1.原因：

2.影响吸湿膨胀的因素

（1）纤维的化学结构和物理结构

亲水性基团较多且强，无定形区比例高，则吸湿溶胀性好。

（2）溶液的pH值

如在碱性溶液中，纤维素纤维的膨胀增加。

（3）助剂的使用

表面活性剂可降低纤维表面张力，使纤维吸湿膨胀性增加。

（4）温度：

温度升高，分子运动加剧，纤维膨胀增大。

二、纤维在染液中的电现象及其对染色的影响

（一）纤维在染液中的带电现象

★一般在中性或碱性条件下，所有纤维均带负电荷。

★对于既带有酸性基又带有碱性基的两性纤维，所带电荷与染液pH值有关。

（二）界面动电现象和动电层电位

1.溶液中的带电粒子及受力情况

2.双电层现象

图3－1纤维/染液附近的带电离子分布

3.界面动电现象和动电层电位

（1）界面动电现象

吸附层和扩散层之间的相对运动现象称为界面动电现象。

（2）动电层电位

吸附层表面与扩散层界面的电位与溶液内部的电位差称为动电层电位，或称ε电位。

图3－2双电层和动电层电位

（三）纤维的电现象对染料上染的影响

染料容易上染

作业：

1．何谓染色？

衡量染品质量有哪些指标？

2、染料在溶液中有哪几种存在形式？

影响聚集的因素有哪些？

浙江纺织服装职业技术学院

教案

授课教师

王华清

课程名称

染整工艺学

（2）

授课班级

04染整3

授课日期

2006年3月2日第2周

授课形式

讲授

授课章节名称

第二章染色基本原理

第四节染色的基本过程

第五节染色热力学和动力学概念

教学目的

了解纤维在染液中的状态

掌握染色的基本过程

教学重点

染色的基本过程

直接性的概念和理论意义

教学难点

染色热力学概念

直接性和亲和力概念的理解

更新、补充、删节内容

补充染色平衡

删除纤维在溶液中的电现象

亲和力公式的推导

使用教具图表

多媒体课件

课外作业

1．纤维的染色过程通常分为哪几个阶段？

它们分别对染色起何作用？

2．何谓上染百分率？

它在染色中有何实际意义？

影响上染百分率的因素有哪些？

3．何谓上染速率曲线？

学习上染速率曲线的实际意义？

课后小结

对纤维在染液中的电现象的知识掌握起来比较困难，对染色的基本过程的理解掌握非常透彻，，学习兴趣浓厚，发言积极，

学习收获很大

浙江纺织服装职业技术学院

（课堂教学环节设计表）

组

织

教

学

一、对前次课内容进行回顾与复习（约5～10分钟）

二、本次课内容（约70～80分钟）

1、上染和染色的过程

2、染色热力学概念

3、染色动力力学概念

三、课堂小节及布置作业（约5～10分钟）

板

书

设

计

第二章第四节染色的基本过程

一、上染的概念

二、染色过程

（一）吸附

1.何谓吸附；2.何谓解吸；3.吸附是一可逆平衡过程；

4.染料吸附的原因；5.影响吸附速率的因素；6.吸附等温线

（二）扩散

1、何谓扩散；2.染料的扩散对染色的影响

3.影响染料扩散速率的因素

（三）固着（染料与纤维之间的作用力）

1.定义；2.结合形式

第二章第五节染色热力学、动力学概念

一、亲和力的概念

二、亲和力的物理意义

三、染色速率

四、影响染色速率的因素

说

明

课堂教学采用多媒体的教学方式，具体板式参看多媒体课件

第四节染色的基本过程

各类纤维有其各自的染色特点，各类染料又有不同的染色方法，但他们都有一个共性：

都存在一个上染过程。

一、上染的概念

●何谓上染？

就是染料舍染液（或介质）向纤维转移，并将纤维染透的过程。

●上染过程：

（1）染料由染浴向纤维表面扩散（水溶液中的扩散）

（2）染料被纤维表面吸附。

（3）染料由纤维表面向纤维内部的扩散（固体中的扩散）。

上染过程包括吸附和扩散两个过程。

二、染色过程

►染色过程

是指染料上染纤维并与纤维结合的过程。

►染色过程与上染过程的关系

染色过程包括上染过程。

有三种情况：

（1）染料上染纤维后，染色完成。

（2）染料上染纤维后，要经过一定的化学处理，才能完成染色。

（3）染料上染到纤维上后，要经过固色处理，染色完成。

（一）吸附

1.何谓吸附？

染料舍染液而向纤维表面转移的过程称为吸附。

2.何谓解吸？

纤维表面的染料重新扩散到溶液中的过程。

3.吸附是一可逆平衡过程

（2）平衡过程

4.染料吸附的原因

染料吸附的原因是染料对纤维的直接性。

（1）直接性定义：

染料舍染浴而上染纤维的性能，或纤维选择地从染液中吸附染料的性能。

（2）直接性的来源

是染料与纤维之间的作用力。

（3）直接性大小的衡量

用平衡上染百分率来表示。

►上染百分率：

是指染色至某一时间时，上染到纤维上的染料量占投入到染液中的染料总量的百分数。

数学表达式：

At＝×100%＝×100%

式中：

At：

染色上染百分率

Dft：

染色至某一时间时纤维上的染料量

Dst：

染色至某一时间时残留在染液中的染料量

DT：

染色时投入染液中的染料总量

►平衡上染百分率

是指染色达到平衡时，纤维上的染料量占投入染浴中染料总量的百分数。

数学表达式：

A∞＝×100%＝×100%

式中：

At：

染色平衡时上染百分率

Df∞：

染色平衡时纤维上的染料量

Ds∞：

染色平衡时残留在染液中的染料量

DT：

染色时投入染液中的染料总量

►影响上染百分率的因素

与染料和纤维的性能有关。

与染色温度有关：

染料分子质量小的，在规定时间能达到上染平衡，温度升高，At下降。

相反，则At上升。

浴比：

浴比越大，At下降。

染料浓度

当C染料达一定值时，C染料升高，At下降。

助剂的种类

At上升

（4）影响直接性的因素

直接性表示染料在一定条件下的上染性能，受到温度、压力、电解质、浴比、染液的PH值、表面活性剂、染色浓度以及染色时间等多种因素的影响。

①浴比↑，直接性↓。

②温度↑，直接性↓。

平衡条件下温度越高，得色越浅。

③电解质不同时，直接性有高有低，是不定的。

5.影响吸附速率的因素

（1）与染料的直接性有关。

（2）染色温度

（3）染液pH值

（4）添加的助剂

6.吸附等温线

（1）何谓吸附等温线

吸附等温线是指在恒定温度条件下，染色达到平衡时，染料在纤维上的浓度[D]f与染料在溶液中的浓度[D]S之间的分配关系曲线。

（2）等温线类型：

分配型吸附等温线

弗莱因德利胥（Freundlich）吸附等温线

朗格缪尔（Langmuir）型吸附等温

►分配型吸附等温线：

又称能斯忒型（Nernst）或亨利（Henry）型吸附等温线。

吸附公式：

式中：

[D]f——染色平衡时，纤维上的染料浓度（mol／kg）；

[D]S——染色平衡时，染液中的染料浓度（mol／L）；

K——比例常数，或称分配系数。

以[D]f为纵坐标，以[D]S为横坐标作图，可得到一斜率为K的直线，见下图：

分配型等温线

吸附性质：

染料的上染可看成是染料在纤维中的溶解，上染机理又称固溶体机理。

应用：

非离子型染料以氢键、范氏力被纤维吸附与固着符合这种等温线。

如：

分散染料染涤纶。

►弗莱因德利胥（Freundlich）吸附等温线：

公式：

[D]f＝K[D]sn

式中：

K——常数；

n——常数，且0

取对数，得：

1g[D]f＝nlg[D]s＋lgK

将Lg[D]f为纵坐标，Lg[D]s为横坐标作图，可得下图：

弗莱因德利胥吸附等温线（对数形式）

吸附性质：

属于多分子层物理吸附，该上染机理又称多分子层吸附机理。

应用：

离子型染料以氢键、范氏力被纤维吸附固着，且染液中有其它电解质存在时符合此等温线。

如：

直接染料染棉。

►朗格缪尔（Langmuir）型吸附等温线：

吸附公式：

假定在纤维上有一定数量的吸附染料位置，这些位置称为染座。

当达到染色平衡时，染料的吸附速率和解吸速率可以表示为：

染料的吸附速率：

染料的解吸速率：

式中：

[S]f——表示染料对纤维的饱和值；

K1、K2——分别表示吸附、解吸速率常数；

t——表示时间。

当染色达到平衡时，吸附速率与解吸速率相等。

即：

Kl[D]s（[S]f一[D]f）＝K2[D]f令K1／K2＝K，则

：

☐讨论：

[D]S很小时，K[D]S«1，[D]f与[D]S呈直线关系。

当[D]S到一定值时，1＋K[D]S≈K[D]S，[D]f≈[D]S，染色达到饱和。

以1/[D]f为纵坐标、以1/[D]S为横坐标作图，得朗格缪尔吸附等温线。

见右下图所示。

吸附性质：

属于化学定位吸附，该上染机理又称为成盐机理。

应用：

离子型染料以离子键被纤维吸附固着时符合此等温线。

如：

强酸性染料染羊毛。

（3）学习吸附等温线的作用

►可以从吸附等温线的形状推断出染料上染纤维的基本原理，从而对上染过程进行正确的控制。

►根据吸附等温线，判断合理的染料用量范围。

（二）扩散

1、何谓扩散

染料由浓度高的向低的地方运动及染料由纤维表面向纤维内部运动的过程，称为扩散。

2.染料的扩散对染色的影响

染料在纤维中的扩散速率远远小于染料在纤维上的吸附速率，因此纤维染

透所需时间取决于染料在纤维中的扩散速率。

3.影响染料扩散速率的因素

►染料的分子结构

结构简单，扩散速率较快；

►对纤维的直接性

其他染色条件相同时，直接性小，扩散速率快。

►纤维的种类与结构

纤维无定形区多，结构疏松，染料扩散容易。

►染色温度

染色温度升高，染料的扩散速率上升，从而缩短上染时间。

染色温度和扩散速率之间的关系为：

式中：

D为扩散系数，Do为常数，E为染料的扩散活化能，R为气体常数，T为染色温度。

►染色助剂的影响

酸、碱、盐等对染料的上染速率也有很大的影响，有时促染；有时缓染。

►染料的浓度

►染液与织物的相对运动

对染料的扩散产生一定影响。

适当的搅拌能加快染料的扩散。

（三）固着（染料与纤维之间的作用力）

1.定义

固着是指扩散到纤维内部的染料与纤维结合的过程。

2.结合形式

（1）物理化学作用

即染料与纤维之间以范德华力、氢键力结合。

这类结合，一般皂洗牢度较低。

范德华力和氢键引起的吸附属于物理化学作用，吸附位置很多，是非定位吸附。

♠范德华力：

是一种分子间的作用力，范德华力比较弱。

可分为定向力、诱导力和色散力3种，广泛地存在于各种纤维的染色中。

范德华力大小的取决因素：

①与纤维与染料分子间的距离有关

距离增加，范氏力降低。

②主要取决于它们的分子结构和形态

若染料分子量大，共轭系统长，分子的线型和同平面性好，且与纤维分子结构有良好的适应性，则范德华力作用强。

③染料与纤维的接触面积

接触面积越大，范德华力也越大。

④与温度有关

随温度的升高而降低。

♠氢键：

是一种定向较强的分子间引力，它由两个电负性较强的原子通过氢原子而结合。

氢键结合在各类染料的染色中都存在。

①条件：

纤维和染料双方，由一方提供供氢基团，另一方提供受氢基团。

②氢键的强弱：

与H原子所连接的原子的电负性大小有关系，电负性增大，形成的氢键力增大。

（2）化学作用：

包括离子键、共价键、配位键等。

化学结合在纤维中有固定吸附位置，属于定位吸附。

♠离子键

也称盐式键，存在于具有相反电荷的染料和纤维之间，其强弱与染料和纤维所带电荷强弱成正比。

♠共价键

发生在含有活性基团的染料和具有可反应基团的纤维之间，如活性染料染纤维素纤维。

生成的染料——纤维共价键比较稳定，所以耐洗、耐摩擦牢度比物理化学结合要高。

♠配价键

一般发生在媒染染料及金属络合染料染色中，牢度较高。

（3）机械固着：

即染料以不溶性的色淀沉积在织物空隙之间或借助粘合剂将染料粘着于纤维上。

染色织物皂洗牢度较高，摩擦牢度较差。

第五节染色热力学、动力学概念

一、亲和力的概念

染料在溶液中及在纤维上的化学位分别为：

µs＝µs0＋RTlnas；µf＝µf0+RTlnaf

式中：

µs，µf:

染料在溶液中和纤维上的化学位；

µs0，µf0:

染料在溶液中和纤维上的标准化学位；

as，af——分别表示染料在溶液中和纤维上的活度。

染料从染液向纤维转移的必要条件是µs>µf，当染色平衡时，µs＝µf即得：

µs0＋RTlnas＝µf0+RTlnaf

－（µf0－µs0）＝－△µ0=RTln（af/as）式中－△µ0定义为染料对纤维的染色标准亲和力，简称亲和力。

其数值为染料在染液中的标准化学位与其在纤维上的标准化学位的差值。

二、亲和力的物理意义

亲和力是染料从溶液向纤维转移趋势的度量。

亲和力越大，染料从溶液转移至纤维上的趋势（即推动力）越大。

因此，可从亲和力的大小来定量的衡量染料上染纤维的能力。

亲和力的大小用KJ／mol表示。

亲和力具有严格的热力学概念，在指定纤维上，它是温度和压力的函数，是染料的属性，不受其它条件的影响。

三、染色速率

1.染色速率曲线：

在恒定温度条件下染色，通过测定不同染色时间下染料的上染百分率，以上染百分率为纵坐标，染色时间为横坐标作图，所得到的曲线称为上染速率曲线。

2、上染速率的表示方法：

染色速率通常用半染时间（tl/2）来表示。

半染时间就是达到平衡上染百分率一半时所需要的时间。

它标志着染色走向平衡的速率。

t1／2值越小，表示染色走向平衡的时间越短，染色速度越快。

3.研究染色速率的意义

在实际生产上，染色没等平衡就结束了。

那么我们研究它有什么用呢？

主要是用在拼色上，生产上靠单色染色是不多的，需要拼色。

拼色并不是随意可以拼在一起的，需要半染时间相等或相似的几个染料相拼。

4.上染速率曲线的实际意义

①拼色时应选择上染速率接近的染料，以获得所需色泽。

即：

选t1／2相同的染料。

下图所示的A、B曲线，虽然上染百分率不相同，但半染时间相同，因此适用于拼色。

染色速率曲线图

②可以确定平衡时的染色时间，避免无故的浪费时间和能源，提高生产率

和生产效益。

③合理的控制升温速率，以确保染色均匀。

四、影响染色速率的因素

具体体现在以下几个方面：

★染料的结构：

结构简单，分子质量小，扩散性好，染色速率大。

★纤维的性态

结构疏松，无定形区大，利于染料扩散，染色速率大。

★染色温度

温度高，染色速率大。

★染料浓度

浓度大，染色速率大。

★染料与纤维之间的相对运动

运动剧烈，染色速率大。

★加入助剂

染色速率增加

作业：

1、纤维的染色过程通常分为哪几个阶段？

它们分别对染色起何作用？

2、何谓上染百分率？

它在染色中有何实际意义？

影响上染百分率的因素有哪些？

3、何谓上染速率曲线？

学习上染速率曲线的实际意义？

浙江纺织服装职业技术学院

教案

授课教师

王华清

课程名称

染整工艺学

（2）

授课班级

04染整3

授课日期

2006年3月2日第2周

授课形式

讲授

授课章节名称

第二章染色基本原理

第六节促染和缓染

第七节匀染和透染

第八节染色牢度

教学目的

了解促染、缓染、匀染和透染

掌握染色牢度的概念及测试方法

教学重点

上染速率曲线

促染和缓染

染色牢度

教学难点

促染和缓染

更新、补充、删节内容

染色动力学概念

促染和缓染、匀染和透染

牢度的测试方法

使用教具图表

多媒体课件

课外作业

1、在染色时，采取下列措施，哪些措施能提高上染速度，哪些措施能提高染色的均匀性，并说明理由：

（1）提高染色温度

（2）提高染液中染料浓度

（3）提高染液的循环，搅拌速率。

2、何谓染色牢度？

印染厂常需测定的染色牢度有哪些？

课后小结

此节课的内容是染色过程中比较重要的内容，学生上课比较认真，笔记记得比较全面。

浙江纺织服装职业技术学院

（课堂教学环节设计表）

组

织

教

学

一、对前次课内容进行回顾与复习（约5～10分钟）

二、本次课内容（约70～80分钟）

1、促染和缓染

2、匀染和透染

3、染色牢度

三、课堂小节及布置作业（约5～10分钟）

板

书

设

计

第六节促染和缓染

一、中性电解质

（一）促染

（二）缓染

二、酸

三、缓染剂

四、膨化剂

第七节匀染和透染

一、几个概念

二、造成染色不匀的原因及预防措施

第八节染色牢度

一、染色牢度定义

二、染色牢度分类

（一）耐晒牢度

（二）耐洗牢度

（三）摩擦牢度

三、评定牢度时应注意问题

说

明

课堂教学采用多媒体的教学方式，具体板式参看多媒体课件

第六节促染和缓染

一、中性电解质

（一）促染

1、作为促染剂的条件

2、促染原理

（2）染料阴离子上染时，Na+向纤维附近移动，使得纤维表面Na+浓度高。

当钠离子从低浓度向高浓度移动时阻力很大。

加入中性电解质后，Na+浓度大大增加，降低了纤维附近与染液深处的钠离子浓度差，使钠离子伴随着染料阴离子向纤维表面迁移时的阻力降低，从而使染料的上染速率提高。

（3）降低染料的溶解度，提高上染速率。

（二）缓染

1、作为缓染剂的条件

2、缓染原理：

以酸性染料染羊毛为例：

【注】：

这是在等电点一下的染色情况

二、酸

1、促染

酸性染料等电点以下染羊毛时：

2、缓染

三、缓染剂

1、定义

缓染剂是指专门用来降低染料上染速率的表面活性剂，如平平加O、匀染剂1227等。

2、分类

根据其作用机理可分为两类：

亲染料型缓染剂亲纤维型缓染剂

（1）亲染料型的缓染剂

缓染剂

（2）亲纤维型的缓染剂

四、膨化剂

作用：

可促进染料在纤维中的扩散，提高上染速率。

分散染料载体染色法中使用的载体；

轧染时可在轧染液中加入吸湿膨化剂（如尿素）。

第七节匀染和透染

一、几个概念

1、匀染

2、透染

染料在纤维内的均匀分布，习惯上称为透染。

3、环染：

概念：

外层纤维染色，内层纤维不染色。

二、造成染色不匀的原因及预防措施

1、被染物本身不均匀

★天然纤维在生长过程中的差异性；

★同一只动物身上不同部位的毛皮染色的差异性；

★合成纤维生产过程中聚合物组分不同以及生产条件的差异；

★前处理过程不同；

2、染料

（1）溶解性

（2）染料结构

（3）拼色时所用的染料如果上染速率不一致（称为小配伍）也容易造成色差。

措施：

应该选择移染性、遮盖性好及上染速率相近的的染料拼色。

3、染色操作

4、染色方法

（1）浸染法染色

上染速率太快

初染率高的原因：

★始染温度太高，

★促染剂、膨化剂等使用不当，

★升温速度太快等

措施：

（2）轧染染色法

染色不匀原因：

►浸轧不匀，会产生左，中、右色差；

►轧槽染液配制不当，固色液使用不当，机械使用状态不佳，均会造成染色不匀；

►浸轧染液后的烘燥不当会引起染料的泳移，更宜造成染色不匀。

减小泳移的措施：

作为抗泳移剂的条件：

第八节染色牢度

一、染色牢度定义

是指染色产品在使用或后续加工过程中，在各种外界因素的作用下，能保持原来色泽的能力。

二、染色牢度分类

主要有耐晒、耐气候、耐洗、耐汗渍、耐摩擦、耐升华、耐熨烫、耐漂、耐酸，耐碱等牢度等。

最常用的三大类为：

耐水洗牢度、耐摩擦牢度、日晒牢度。