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酸性染料溶解度提升方法

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    酸性染料、直接染料和活性染料都是水溶性染料,2001年的產量分別為3萬噸、2萬噸和4.5萬噸。

    但長期以來,我國染料企業對開發研究新結構染料比較重視,而對染料的后處理加工的研究較為薄弱。水溶性染料常用的標準化試劑包括硫酸鈉(元明粉)、糊精、淀粉衍生物、蔗糖、尿素、萘甲醛磺酸鹽等,將這些標準化試劑與原染料按比例拼混獲得所需強度的商品,但它們滿足不了印染行業不同印染工藝的需要。上述染料稀釋劑雖然成本比較低,但是潤濕性和水溶性比較差,難以適應國際市場的需求,只能以原染料出口。因此,水溶性染料商品化中,染料的潤濕性和水溶性是亟待結局的問題,必須依靠相應的助劑。

    染料的潤濕性處理

    從廣義上講,潤濕就是表面上的一種流體(應該是氣體)被另一種流體所取代。具體地說,粉狀或粒狀的界面應該是氣/固界面,發生潤濕的過程就是液體(水)取代了微粒表面的氣體。由此可見,潤濕是物質之間表面物理過程。在染料后處理中,潤濕常常起著重要的作用,一般把染料加工成固體狀,如粉狀或顆粒狀,使用時均需潤濕。所以染料潤濕性的優劣會直接影響應用效果。比如在溶解過程中,染料難以潤濕而漂浮在水面是不受歡迎的。隨著當今對染料質量要求的不斷提高,潤濕性能已作為衡量染料質量的指標之一。

    水的表面能在20℃為72.75mN/m,隨溫度升高而降低,固體的表面能則基本不變,一般都在100mN/m以下,通常金屬及其氧化物、無機鹽等很易潤濕,稱為高表面能。固體有機物及高聚物的表面能與一般液體表面能不相上下,稱為低表面能,但隨固體粒徑大小及多孔性程度而改變,粒徑越小,多孔形成程度越大,則表面能愈高,其大小取決于基質。因此,染料粒徑必須細小,染料經不同介質鹽析和研磨等商品化加工后,可是染料粒徑變細,結晶度減少,晶相發生變化,使染料表面能提高,便于濕潤。

    酸性染料的溶解性處理

    隨著小浴比、連續染色工藝的使用,印染自動化程度不斷提高,自動填料、配漿的出現,液體染料的推出,要求配制高濃度和高穩定性的染液和印花色漿。但是目前國內染料商品中的酸性、活性、直接染料的溶解度比較好的也只有100g/L左右,尤其是酸性染料,有些品種甚至只有20g/L左右。

    染料的溶解度和染料的分子結構有關,分子量越大、磺酸基越少,溶解度就低;反之,則高。除此之外,染料商品化加工極為重要,包括染料的結晶方式、研磨程度、顆粒大小、助劑添加等均會影響染料的溶解度。染料愈易電離則其在水中的溶解度愈高。但傳統的染料商品化和標準化都是大量施加電解質,如元明粉和食鹽。在水中大量Na+使染料在水中溶解度降低。因此,提高水溶性染料的溶解度,首先不在商品染料中添加電解質。

    助劑的添加與溶解性

    ⑴醇類化合物和尿素類助溶劑

    由于水溶性染料中含有一定數量的磺酸基、羧酸基,染料粒子在水溶液中易離解,并帶有一定數量的陰電荷。當加入含有形成氫鍵基團的助溶劑后,使染料離子表面形成水合離子保護層,促進染料分子電離和溶解,以提高溶解度。通常用多元醇如二甘醇醚、硫代雙乙醇、聚乙二醇等作為水溶性染料的助溶劑。由于他們能與染料形成氫鍵,使染料離子表面形成水合離子保護層,阻止染料分子凝聚和分子間相互作用,促進了染料電離和離解。

    ⑵非離子表面活性劑

    在染料中加入一定的非離子表面活性劑,可減弱染料分子內和分子間的結合力,加速電離,使染料分子在水中形成膠束,具有較好的分散性,極性染料在構成膠束的助溶分子間形成網狀增容,提高溶解性,如聚氧乙烯醚或酯。但若助溶劑分子中缺少較強的疏水性基團,那么對染料形成的膠束其分散、增溶作用較弱,溶解度提高不顯著。因此,要盡量選用能與染料形成疏水鍵的含芳香環的溶劑。例如烷基酚聚氧乙烯醚、聚氧乙烯失水山梨醇酯類乳化劑,其他如多烷基苯基酚聚氧乙烯醚。

    ⑶木質素磺酸鹽分散劑

    分散劑對染料溶解度有較大的影響,根據染料結構選擇好分散劑對提高染料溶解度有極大的幫助。在水溶性染料中,為了防止染料分子間相互吸附(范德華力)和凝聚有一定的作用。分散劑中以木質素磺酸鹽最為有效,國內為對此都有研究。

    分散染料的分子結構中不含強親水性基團,僅含弱極性基團,所以它只有微弱的親水性,實際溶解度很小,大多數分散染料在25℃的水中只能溶解0.1~10mg/L。

    分散染料溶解度的高低與以下因素有關:

    (一)分子結構

    分散染料在水中的溶解度,是隨染料分子中疏水部分的減少和親水部分(極性基團的質量與數量)的增加而增加的。即凡相對分子質量較小,而含-OH、-NH2等弱極性基團較多的染料,溶解度要高一些。相對分子質量較大,含弱極性基團較少的染料,溶解度相對要低。如分散紅(Ⅰ),其M=321,25℃時溶解度小于0.1mg/L,80℃時溶解度為1.2mg/L。分散紅(Ⅱ),其M=352,25℃時溶解度為7.1mg/L,80℃時溶解度為240mg/L。

    (二)分散劑

    粉狀分散染料中,純染料的含量一般為40%~60%,其余為分散劑、防塵劑、保護劑、元明粉等。其中分散劑所占的比例較大。

    分散劑(擴散劑)除了能將染料的微細晶粒包覆成親水性的膠粒,穩定地分散在水中外,在超過臨界膠束濃度后,還會形成膠束,將部分微小的染料晶粒溶解在膠束中,發生所謂“增溶”現象,從而使染料的溶解度增加,而且,分散劑的質量越好,濃度越高,其增溶助溶作用越大。

    需注意的是,分散劑對不同結構的分散染料增溶作用的大小不同,而且差異很大;分散劑對分散染料的增溶作用隨水溫的升高而降低,這恰恰與水溫對分散染料自身溶解度的影響相反。

    分散染料疏水性的大小晶粒與分散劑形成親水性的膠粒后,其分散穩定性會顯著提高。而且,這些染料膠粒在上染過程中又著“供應”染料的作用。因為,溶解狀態的染料分子被纖維吸附后,“貯藏”在膠粒中的染料會及時釋放出來,以維持染料的溶解平衡。

    分散染料在分散液中的存在狀態

    1-分散劑分子

    2-染料微晶(增溶)

    3-分散劑膠束

    4-染料單分子(溶解)

    5-染料晶粒

    6-分散劑親油基

    7-分散劑親水基

    8-鈉離子(Na+)

    9-染料微晶的聚集體?

    然而,如果染料與分散劑之間的“抱合力”過大,會產生染料單分子的“供應”滯后或“供不應求”的現象。因此,會直接降低上染速率以及平衡上染百分率,導致上染慢、得色淺的后果。

    可見,選用分散劑和使用分散劑時,不僅要考慮染料分散穩定性的好壞,還應該考慮對染料上色的影響。

    (三)染液溫度

    分散染料在水中的溶解度是隨著水溫的提高而提高的。例如分散黃在80℃水中的溶解度為25℃時的18倍。分散紅在80℃水中的溶解度為25℃時的33倍。分散藍在80℃水中的溶解度為25℃時的37倍。若水溫超過100℃,分散染料的溶解度提高的幅度更大。

    這里要特別提示:分散染料的這一溶解特性會給實際應用帶來隱患。比如當染液加熱不勻時,溫度高的染液流到溫度低的地方,由于水溫降低,染液變為過飽和狀態,已溶解的染料就會析出,造成染料晶粒的增長,溶解度下降,導致上染率降低。

    (四)染料晶型

    有些分散染料具有“同質異晶”現象。即同一只分散染料,由于在制造過程中分散技術的不同,會形成幾種晶型,如針狀、棒狀、片狀、粒狀、塊狀等。在應用過程中,尤其在130℃染色時,那些較不穩定的晶型會向較穩定的晶型轉變。

    值得注意的是,較穩定的晶型溶解度較大,較不穩定的晶型溶解度相對較小。這會直接影響染料的上染速率和上染百分率。

    (五)顆粒大小

    一般顆粒小的染料,溶解度較大,分散穩定性也好。顆粒大的染料,溶解度較小,分散穩定性也相對較差。

    目前,國產分散染料的粒徑一般為0.5~2.0μm(注:浸染要求粒徑為0.5~1.0μm)。


更新日期:2021-01-18




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