布艺之家讯：微波是一种电磁波,对陶瓷、玻璃、塑料等具有可穿透性,但对金属具有反射性.微波加热具有选择性,对自身具有极性的物质(如水、含水物质、脂肪等)有深层的加热作用,可使物体迅速升温.加热时,只是使被加热的物体升温,周围的空气和装置除由于物体本身的热传导和空气对流加热外不会被微波加热,热损失少.热效率高.微波加热时被加热物质的内外分子可同时发生共振,内外一起加热,处理效果很均匀.微波对极性的水、染料及助剂分子也有作用,可加快分子的振动,加快染化料的溶解及其向纤维内部的扩散.同时微波使一些反应的活化能降低,使其原来按传统加热方式需较长反应时间的反应时间缩短.[1-2]
虽然微波处理技术在印染行业中仅得到了初步的应用,但已显示出明显的优越性:加热速度快、均匀、有选择性,节能高效,易于控制、便利.
在我国化纤工业中,仿毛型织物主要以腈纶为主要原料.腈纶外观蓬松、手感柔软,具有良好的耐光、耐气候性,其弹性和保暖性可以和羊毛媲美,腈纶的优良性能使其在服装、服饰、产业领域具有广泛的应用.[4]腈纶纤维或织物的染色通常采用浸染方式,而且在染色温度低于其玻璃化温度时,染料几乎不上染,整个染色周期长,能源消耗大.研究微波技术在腈纶染色中的应用具有重大的现实意义.
1试验
1.1材料及仪器
织物:腈纶织物(12针单面,编织);试剂及染料:醋酸、醋酸钠、匀染剂1227、阳离子红FBLS、阳离子蓝X-BL、阳离子嫩黄X-8GL.
仪器:722N可见光分光光度计(上海精密科学仪器有限公司),P70D20TL-D4微波炉(额定输出功率为700W,发射频率为2450MHz,佛山市格兰仕微波炉电器有限公司),FC204电子天平(上海精科天平仪器厂),电热恒温水浴锅(北京市永光明医疗仪器厂),断裂强力仪(山东纺织科学研究院),Y172型哈氏切片器,XS-212型生物显微镜.
1.2染色工艺
1.2.1腈纶常规工艺(水浴锅加热)染色[5]
上染曲线:
染色配方:织物1g,阳离子染料1%(owf),醋酸0.25g/L,醋酸钠0.1g/L,匀染剂12270.05g/L,浴比1∶40.
1.2.2微波加热染色
工艺流程:织物润湿→微波染色→水洗→晾干→测色.
染色配方:阳离子染料y%(owf),醋酸0.25g/L,醋酸钠0.1g/L,匀染剂1227 0.05g/L,浴比1∶20~1∶100.
1.3测试
相对色深(Str值):采用SF600xDatacolor测色光谱仪测试.
上染百分率:用紫外分光光度计在最大吸收波长处测定染色前后染浴的吸光度,按公式计算上染百分率=(1-A1/A0)×100%,式中:A0为原液吸光度;A1为染色后残液的吸光度.
摩擦牢度:参照GB/T3920-2008测定.
耐洗色牢度:参照GB/T3921-2008实验方法C(3)进行皂洗牢度变色测试.
断裂强力:参照GB/T3923-1997《纺织品织物拉伸性能第1部分:断裂强力和断裂伸长的测定条样法》测试.
2结果与讨论
2.1微波加热的水浴温度
从表1可知,加热时间相同,微波炉火力越大水温越高,若采用中火以上火力,水温很快就会达到100℃;需要加热的水量越大,水温达到100℃所需的时间越长.因此,采用微波进行染色时,必须根据染色液的体积选择合适的微波火力及加热时间.
表140mL或300mL水在不同微波火力加热不同时间的水浴温度(℃)
注:低火、中低火、中火、中高火及高火的加热功率分别为119W、280W、420W、595W、700W,Ⅰ代表40mL水,Ⅱ代表300mL水.
2.2影响阳离子红FBL染腈纶织物相对色深的因素
将1g织物在不同条件下按工艺1.2.2进行染色,不同条件下的染色织物色深均以常规水浴锅加热条件下同种阳离子染料用量[1%(owf)]时染得的织物色深为标准进行比较,并用相对色深Str值表示,如果所染的织物颜色比标准样品深,Str值大于100%;色浅,Str值小于100%(下同).
2.2.1微波火力及处理时间
由图1、图2可以看出,低火加热12min时相对色深可以达到100%,而在中低火、中火、中高火和高火下染色5min即可以达到100%;相同火力条件下,染色时间越长颜色越深;相同时间条件下,火力越大染的颜色越深;时间越长,不同火力条件下染的色深相差越小.原因是火力越大,水温升得越快;相同火力下,染色时间越长,水温也越高,因此腈纶越早到达玻璃化温度或在玻璃化温度以上的染色时间越长,染的
颜色越深.
另外,染色织物要达到相同色深,微波染色工艺比常规染色工艺的染色时间要少得多,说明微波染色可以大大地节省能源.
染料用量1%(owf),浴比1∶40
图1低火条件下不同染色时间时的相对色深
染料用量1%(owf),浴比1∶40
图2不同火力不同染色时间下的相对色深
2.2.2浴比
染料用量1%(owf),将织物分别在浴比1∶20、1∶40、1∶60、1∶80、1∶100时染色.因为浴比小时,火力太大会造成水分挥发快,织物易暴露在染浴外.因此,综合考虑染色效果、时间以及节能等因素,当浴比为1∶20和1∶40时,采用低火加热;浴比为1∶60、1∶80和1∶100时用中低火加热,不同时间下染得织物相对色深如图3和图4所示.
图3低火条件下不同浴比时的相对色深
图4中低火条件下不同浴比时的相对色深
由图3、图4可以看出,相同火力条件下,浴比同,染色时间越长,Str值越大,颜色也就越深;时间相同,浴比越小染得的颜色越深.原因是相同浴比下,时间越长,水温越高,越接近腈纶的玻璃化温度,或在腈纶玻璃化温度以上的染色时间越长,织物得色越深;相同时间内,浴比越小,染液的总体积越小,在火力一定的条件下,织物处于高温段染色时间就越长,因而织物得色越深.
试验中还发现:当采用微波加热时,即使在染杯上面盖上表面皿,染液中的水分蒸发也非常严重.因为染液沸腾后,蒸汽会自动顶开表面皿导致水分挥发,随着水分的挥发,实际染浴的浴比就会变小,因此采用微波染色时,为了防止织物暴露于染液之外,需要采用较大浴比或者采用特殊染杯染色.
2.2.3pH
考虑腈纶耐碱性差以及一些染料在高pH时稳定性差,采用硫酸或氢氧化钠调节染液pH在2.5~5.5,浴比1∶40,染料用量1%(owf),低火染色12min,试验结果如图5所示.
由图5可知,pH对织物相对色深影响较大,且pH越低,染得的颜色越浅,因为酸在腈纶染色中起一定的缓染作用.采用微波加热染腈纶时,对于一些耐碱性好和匀染性好的染料可考虑采用较高pH染色,以提高染色深度.
2.2.4染料用量
由图6可知,染料用量越大上染百分率越低,这与常规染色的规律是一致的.
图6染料用量的影响
2.2.5常规染色和微波染色的上染速率曲线比较
比较图7和图8可知,微波染色的上染速率曲线形状同常规染色相近,都有一个拐点,即到达此染色时间时,染浴温度达到了腈纶的临界染色温度,上染百分率增加很快.另外,在染色后期两种染色方法的上染速率都减慢,最后接近上染平衡.
时间/min低,浴比1∶40
图7常规染色上染速率曲线
时间/min
低火,浴比1∶40,染料用量1%(owf)
图8微波染色上染速率曲线
2.3微波对不同颜色染料染色的影响
由图9可知,染色4min后3种染料的Str值都增加很快,6min后阳离子嫩黄X-8GL的Str值变化很小,说明此染料上染速度快,很快达到染色饱和值;阳离子蓝X-BL与阳离子红FBL在染色11min后还未达到染色平衡,但阳离子蓝的Str值远远超过100%.说明染料不同,与腈纶纤维之间的亲和力不同,上染速度不一,微波对其影响程度也相异,所以在拼色时需要充分考虑它们的配伍性.
2.4其他性能
2.4.1染色牢度
由表2可看出,用微波方法染的织物皂洗牢度及摩擦牢度与常规方法染的织物牢度都很好,均达4~5级及以上,并且深色织物的皂洗牢度比浅色织物稍微差些.
表2织物的染色牢度
2.4.2透染性
从染色织物的不同位置抽取纤维放入哈氏切片器中,涂上火棉胶,均匀切取20~30μm厚度的纤维横截面薄片,用显微镜(放大倍数为640~1200X)进行观察并拍照.
从图10、图11可以看出,微波辐射加热进行染色的腈纶纤维透染性与常规差别不大.另外,微波染色后很多腈纶纤维的横截面由原来的犬骨形变成圆形,但常规染色的织物横截面变化很小.微波作为一种电磁波,是一种交变的电磁场,微波加热有利于染化料的溶解及其向纤维内部的扩散,从而能在很短的染色时间内完成染料对织物的透染.[2]7异形纤维相对于圆形纤维来说,其表面张力大,处于热力学不稳定状态,在微波染色时,纤维内部大分子瞬间获得大量能量,为使纤维的内能降低,纤维内部的大分子势必会迅速进行超分子结构的调整,从而导致其截面成圆形,因为圆形的横截面从热力学角度来看是物质的最稳定状态.腈纶纤维的横截面发生改变会影响到纤维的使用性能,因此微波对纤维结构的影响还有待于进一步的研究.
阳离子红FBL阳离子嫩黄X-8GL阳离子蓝X-BL
图10常规染色纤维的横截面照片
2.4.3拉伸断裂强力
称取多块织物(每块5g),分别在染料用量1%(owf)、浴比1∶40,低火条件下用微波染色,水洗烘干后撕去毛边,使其尺寸符合50mm×300mm,再进行断裂强力测试,结果如表3所示.
表3微波染色不同时间后织物的断裂强力
由表3可知,经微波处理后织物的强力有所下降.
3结论
(1)相同火力和浴比条件下,染色时间越长,颜色越深;相同时间条件下,火力越大,颜色越深,浴比越小,颜色越深;pH越小,得色越浅;相同条件下染色,微波对不同结构的染料影响不同.
(2)与常规染色法相比,微波染色更节省时间和能源,且染色牢度和透染性与常规染色相似.微波会使织物的强力稍有下降.
(3)微波染色会改变犬骨型腈纶纤维的横截面.
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