低分子量壳聚糖改性棉织物染色动力学研究*

何晓霞，李竹君，梁诗敏，成少萍

（广东职业技术学院，广东佛山528531）

壳聚糖属于天然多糖类高分子，广泛存在于自然界当中。壳聚糖具有无毒、生物降解等优良性能，在纺织、高分子科学等多个领域得到了广泛的应用[1-2]。此外，由于壳聚糖含有大量氨基[3-4]，用其对织物改性后，织物对阴离子性染料（如活性染料、直接染料等）的亲和力增大，进而可提高染料利用率，降低染色废水中有色物质的浓度，缓解污水处理难度[5-7]。本课题组前期研究了高分子量壳聚糖对棉织物染色性能的影响[8]，本文根据染色动力学理论，研究了低分子质量壳聚糖对棉织物染色性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验材料、药品及仪器

织物： 19.4 tex × 19.4 tex、268 根/10 cm ×268 根/10 cm，纯棉平纹织物；

药品： 氯化钠和碳酸钠均为工业品；冰乙酸（分析纯，广州化学试剂厂）；壳聚糖(5 万分子质量，工业品，浙江澳兴生物科技)；活性黑染料（Novacron black W-NN，Huntsman）；

仪器： V-5000 型可见光光度计（上海分析仪器有限公司）；常温小样振荡染色机（鹤山精湛染整设备厂有限公司）；气压电动染色小轧车（鹤山精湛染整设备厂有限公司）；Data 精密分光光度测试仪（上海第三分析仪器厂）。

1.2 实验方法

1.2.1 壳聚糖改性处理

用1%醋酸溶液溶解壳聚糖，配制成质量分数为1%的壳聚糖溶液，将织物浸渍于溶液中，经过二浸二轧(轧余率100%)，在80 ℃烘干3 min。

1.2.2 染色

将经过壳聚糖改性处理的棉织物，用活性黑在不同的染色时间和温度下分别进行染色。染色工艺条件为： 活性黑用量为1% owf，碳酸钠36 g/L，氯化钠24 g/L，浴比1 : 30。染色后的布样经水洗和皂洗（皂洗剂质量浓度2 g/L，95 ℃，皂洗10 min）。

1.3 性能测定

1.3.1 平衡上染百分率

用V-5000 型可见光光度计分别测定染料在最大吸收波长处染色前后的吸光度A0、Ai，按公式（1）可算出染料的上染百分率Ct[9]：

式中：V0— 染色原液的体积，mL；

Vi— 染色残液的体积，mL。

再由维克斯塔夫双曲线吸收方程（2）[10]，求出该染料的平衡上染百分率C∞：

式中：t— 染色时间，min；

T— 染色温度，K。

1.3.2 扩散系数

根据希尔公式（3）可求得表观扩散系数D[11-12]

式中：d— 纤维直径，m（本文中d≈1.0×10-5m）。

1.3.3 色度参数值及K/S 值

利用Data 精密分光光度仪测试布样的色度参数值及K/S 值（D65 光源，10o 视场）。

2 结果与讨论

2.1 平衡上染百分率

用活性黑染料在改性染色和常规染色中的对t-1作图（图1 和图2），根据维克斯塔夫双曲线吸收方程（2），作拟合曲线，可得各直线在y轴上的截距C∞-1，从而求出该染料在不同温度下的平衡上染百分率C∞，如图3 所示。

从图1 和图2 知，Ct-1与t-1基本成线性关系，经壳聚糖改性前后棉织物染色都符合维克斯塔夫双曲线方程，进而可求出C∞。由图3 知，在改性染色中，随着染色温度的上升，染料的平衡上染百分率呈下降的趋势；与未改性染色棉织物对比，经壳聚糖改性棉织物的平衡上染百分率在不同的染色温度都有不同程度的提高，对应323 K 到353 K 分别提高了3.12%到7.89%。可见，壳聚糖改性可提高活性染料的平衡上染百分率，进而提高染料的利用率。

图1 在改性染色中Ct-1 对t-1 的关系图

图2 在常规染色中Ct-1 对t-1 的关系图

图3 平衡上染率C∞与染色温度T 的关系

2.2 扩散系数

由图1 和图2 可得到Ct/C∞，代入希尔公式（3）求得扩散系数Di，如表1 所示。

表1 为不同温度下不同染色时间染料在织物的表观扩散系数。从表1 知，相对未处理棉织物，经壳聚糖改性棉织物的表观扩散系数总体上有所增大，平均可至少提高了8.2%，说明壳聚糖改性有利于染料在棉织物内部的扩散，能够加快染料的上染。另由表1 也可得，随着染色时间的增加，染料在棉织物上的扩散系数呈下降趋势，这表明，在染色初始阶段壳聚糖改性对活性黑染料的促染作用更加明显。

表1 不同温度下不同染色时间染料在织物的表观扩散系数Di

2.3 扩散活化能

将表1 中的扩散系数Di对应的同一染色温度在不同染色时间范围内取平均值DT[13]，根据Arrhenius 方程[14-15]，以InDT对T-1作图，如图4 所示。由图4 知，InDT与T-1基本成线性关系。

图4 InDT 对T-1 的拟合曲线图

由图4 知，在壳聚糖改性染色中，斜率-E改/(R×1000)=-0.457，代入气体常数R (8.314 J/mol·K)，求得E改= 3.80 kJ/mol，即该活性黑在改性染色过程向棉织物扩散的活化能为3.31 kJ/mol；同理，在未改性染色中，斜率-E未/ (R ×1000)=-0.945，求得到E未= 7.43 kJ/mol。可见，相比常规染色，活性黑在改性染色过程的活化能大幅度下降，降低了约48.9%。上述结果表明，在改性棉织物中的活性黑染色能阻比在常规染色中的小，即染料更容易扩散上染[16]。

2.4 色度参数值及K/S 值

为了研究壳聚糖改性对棉织物染色深度和色相的影响，分别测试了染色棉织物的色度参数值和K/S 值，由表2 知，改性棉的K/S 值比未改性棉的大，表明改性棉的得色深度比未改性棉的深。两者的色相角(h 值)都在273 左右，表明壳聚糖改性对色相角也影响不大。即壳聚糖改性可提高活性黑染料在棉织物上的得色量，而对染色织物的色相影响较小。

表2 改性和未改性棉染色色度参数值及K/S 值

3 结论

本文研究了低分子量壳聚糖改性对棉织物在活性黑中染色性能的影响。研究发现：

(1)壳聚糖改性处理有利于提高棉织物的平衡上染百分率，可提高达7.89%；

(2)经过壳聚糖改性后，活性黑在棉织物上的扩散系数得到提高（平均可至少提高了8.2%），而扩散活化能降低了约48.9%，表明壳聚糖对活性黑染料的上染有促进作用，而在染色初始阶段的促染效果最明显；

(3)改性棉织物的K/S 值增大，而h 值基本保持不变，可见壳聚糖改性可提高活性黑的染色性能，增深效果明显，但对色相影响不大。

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