二氧化硫脲还原靛蓝染料工艺优化研究

孙浪涛，张芳华，郑高杰，魏艳超,董晓东

(1.闽南理工学院，福建石狮 362700；2.国家羊绒产品质量监督检验中心，河北石家庄 050031)



二氧化硫脲还原靛蓝染料工艺优化研究

孙浪涛1，张芳华1，郑高杰1，魏艳超1,董晓东2

(1.闽南理工学院，福建石狮 362700；2.国家羊绒产品质量监督检验中心，河北石家庄 050031)

介绍了常温下靛蓝染料还原工艺处方及曲线，对染料用量、强氧化纳用量及二氧化硫脲用量进行单因素分析，以还原后溶液的电位值为衡量指标，通过正交试验确定了靛蓝染料的最佳还原工艺，即染料用量为7g/L，氢氧化钠用量15g/L，二氧化硫脲用量7g/L。

靛蓝染料 二氧化硫脲 还原 工艺优化

纯棉牛仔织物染色时采用还原靛蓝染料染色，其为含有多个羰基的不溶性多环芳香族化合物，当其应用于纤维素纤维染色时，在碱性溶液中被其还原剂还原成水溶性的氢醌体离子化的隐色体，纤维经染色后，需经过氧化使得隐色体变为原来不溶性的染料固着在纤维上[1-3]。而之前关于靛蓝染料的还原染色法的研究主要是采用保险粉-烧碱法，是在氢氧化钠、保险粉的条件下，把还原染料在染色之前还原成隐色体钠盐，然后进行还原染料隐色体染色，此法的优点是还原作用速率快，染色效率高，缺点是保险粉性质不稳定，不易储存，染色工艺流程复杂，另外染色过程中产生大量的含亚硫酸钠盐废水，且废水碱度较高，对环境危害大[2]。因此，采用环保型的还原剂来替代保险粉进行靛蓝染料染色就显得尤为重要。

本试验采用环保型的还原剂二氧化硫脲替代保险粉来还原靛蓝染料，二氧化硫脲无色无臭，纯态性质较保险粉稳定，既无还原性，又无氧化性，储藏安全，但在碱性加热条件下性质活泼，显示较强的还原性，分解成尿素和具有还原能力的次硫酸[3]，其反应机理如下[4]：

NH2(:SO2)NH2→NH:(SO2H)NH2→NH2CONH2+H2SO2

H2SO2+2NaOH→Na2SO3+H2O+2[H]

选择靛蓝染料浓度、氢氧化钠浓度及二氧化硫脲浓度作为试验参数，在常温下进行靛蓝染料还原试验，测试还原一定时间后溶液的电位值来评判二氧化硫脲对靛蓝染料的还原效果，以此来确定二氧化硫脲还原靛蓝染料的最佳工艺。通过本试验的研究，可以为纺织、印染企业提高产品质量，节约染色成本，降低环境污染等方面提供借鉴。

1 实验药品及仪器

药品：靛蓝染料(工业用)，氢氧化钠(分析纯，西陇化工股份有限公司)，二氧化硫脲(工业用，广州穗欣化工有限公司)。

仪器：JA2003N电子天平(d=1mg)，八孔水浴锅，笔式ORP-286型电位仪。

2 靛蓝染料还原工艺试验

2.1 还原工艺曲线

二氧化硫脲还原靛蓝染料的还原工艺曲线如图1所示。

图1 靛蓝染料还原工艺曲线

2.2 还原工艺处方

2.2.1 染料用量对还原试验的影响

按照图1所示工艺曲线，依次加入染料、氢氧化钠、二氧化硫脲。在氢氧化钠浓度为10g/L，二氧化硫脲浓度为10g/L的条件下，分别加入染料的浓度为1g/L、2g/L、4g/L、7g/L、10 g/L、15g/L、20g/L，还原30min后测试溶液的电位值。

2.2.2 氢氧化钠用量对还原试验的影响

按照图1所示工艺曲线，依次加入染料、氢氧化钠、二氧化硫脲。在染料浓度为4g/L，二氧化硫脲浓度为10g/L的条件下，分别加入氢氧化钠的浓度为1g/L、3g/L、5g/L、7g/L、10g/L、15g/L、25g/L，还原30min后测试溶液的电位值。

2.2.3 二氧化硫脲用量对还原试验的影响

按照图1所示工艺曲线，依次加入染料、氢氧化钠、二氧化硫脲。在染料浓度为4g/L，氢氧化钠浓度为10g/L的条件下，分别加入二氧化硫脲的浓度为1g/L、3g/L、5g/L、7g/L、10g/L、15g/L、25g/L，还原30min后测试溶液的电位值。

2.3 测试指标

采用笔式ORP-286型电位仪测试溶液还原后的电位值，将电位仪插入溶液中搅动均匀后静置，待显示读数稳定后读取还原电位值。

3 靛蓝染料还原工艺参数对溶液电位值的影响

3.1 染料用量

染料用量对溶液还原电位值的影响结果如表1所示。

表1 染料用量对溶液还原电位值的影响

由表1可知，随着染料用量的增加，溶液还原电位值逐渐增加，当染料浓度达到10g/L时，溶液的还原电位值趋于平衡。分析原因是当染料浓度低于10g/L时，溶液中染料用量较少，而二氧化硫脲用量相对较多，染料充分被还原成隐色体，使得溶液的还原电位值较高。

3.2 氢氧化钠用量

氢氧化钠用量对溶液还原电位值的影响如表2所示。

表2 氢氧化钠用量对溶液还原电位值的影响

在此反应中氢氧化钠的作用主要有：(1)保证二氧化硫脲反应成成甲脒亚磺酸，使还原液有一定的还原电位值；(2)使靛蓝染料转变为隐色体钠盐的形式，保证染料的上染率；(3)中和二氧化硫脲分解产生的酸式盐，保证溶液中的碱性，能够使得反应过程顺利进行[5]。

由表2可知，随着溶液中氢氧化钠含量的增加，溶液还原电位值逐渐增大，当溶液中氢氧化钠浓度超过10g/L时，溶液的还原电位值增长放缓。表明氢氧化钠浓度达到10g/L时已基本满足还原剂所需的碱性环境，而通过二氧化硫脲还原靛蓝染料的反应机理可知1mol的二氧化硫脲分解需要1mol的氢氧化钠，因此，氢氧化钠不仅要促使二氧化硫脲分解，同时还要维持还原体系的碱性环境。

3.3 二氧化硫脲用量

二氧化硫脲用量对溶液还原电位值的影响如表3所示。

表3 二氧化硫脲用量对溶液还原电位值的影响

由表3可知，随着二氧化硫脲用量的增加，溶液的还原电位值先增大后减小，在二氧化硫脲浓度为10g/L时达到最大还原电位值。分析原因是二氧化硫脲用量低于10g/L时，增加二氧化硫脲的浓度，有利于靛蓝染料还原成隐色体，而当二氧化硫脲浓度高于10g/L时，二氧化硫脲相对于靛蓝染料属于过量，使染料结构发生过还原，电位值下降。

4 最优还原工艺探讨

4.1 正交试验设计

选择靛蓝染料用量、强氧化纳用量及二氧化硫脲用量这3个工艺参数为正交试验因素，每个因素设计为4水平，依据单因素试验结果所确定的各水平值，如表4所示。

表4 正交试验因素水平表

4.2 正交试验结果与分析

正交试验数据结果如表5所示。

表5 靛蓝染料还原电位值结果

由表5可知，3个因素的极差大小顺序为：强氧化纳用量>染料用量>二氧化硫脲用量。靛蓝染料的最优还原工艺参数方案为A2B4C2，即染料用量为7g/L，氢氧化钠用量15g/L，二氧化硫脲用量7g/L。

5 结论

靛蓝染料在碱性条件下被二氧化硫脲还原为隐色体钠盐形式，其最佳还原条件为：染料用量为7g/L，氢氧化钠用量15g/L，二氧化硫脲用量7g/L，通过本试验的探讨可以为纺织印染行业提供参考。

[1] 闫丽君. 靛蓝染料染色影响因素分析[D]. 石家庄： 河北科技大学， 2010.

[2] 郑明远. 硫化染料染色新型氧化还原体系的应用[D]. 石家庄： 河北科技大学， 2014.

[3] 杨壁玲. 植物靛蓝染色传统工艺原理及应用现状[J]. 染整技术， 2008, 30(3): 13-15.

[4] 罗小勤， 樊增禄， 陈庭春， 等. 靛蓝的电化学还原及其染色工艺的探讨[J]. 印染助剂， 2008, 25(3)： 21-26.

[5] 闫丽君， 姚继明. 靛蓝染料染棉织物时还原剂的应用研究[J]. 轻纺工业与技术， 2010,39(6)： 12-13.

2016-06-28

福建省教育厅科技项目(JA15592)

孙浪涛(1986-)，男，硕士，讲师，研究方向：纺织材料改性技术。

TS193.2

A

1008-5580(2016)04-0081-03