分散染料染色机理及非水溶剂染色研究

发布时间：2017-04-17 09:23

  本文关键词：分散染料染色机理及非水溶剂染色研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：传统的分散染料染色消耗大量的水和化学品,排放的废水中含有各种难以去除的表面活性剂和未使用的染料,增加了污水处理成本。为了减少化学品的使用,克服水资源紧张等问题,本课题探索了一种新的非水溶剂染色方法,希望可以减轻传统水相染色工艺对环境的影响。本课题通过系统深入的研究,筛选出了非水溶剂染色介质,确立了基本的染色工艺条件,探索了非水溶剂染色相关的理论问题,实现了聚乳酸和涤纶纤维的无水染色。此外,本课题还研究了分散染料水相染色吸附过程,旨在加深对传统染色工艺的理解,为改善传统染色工艺对环境的影响提供一些参考。非水溶剂染色的关键就是要选择合适的溶剂作为染色介质,之前研究较多的卤代烃类溶剂对环境和人体健康有一定的影响。本文利用溶剂的溶解度参数和环境-健康-安全数据,从110种有机溶剂中筛选出了液体石蜡作为染色介质。考察了液体石蜡对聚乳酸纤维和分散染料的影响,结果表明液体石蜡对纤维和染料没有不良的影响,可以作为非水溶剂染色介质。聚乳酸纤维是一种新型的生物基纤维,在传统的水染色过程中会发生水解,水解问题严重限制了聚乳酸纤维在纺织工业中的应用。本文以液体石蜡作为染色介质,建立了聚乳酸纤维非水溶剂染色工艺,彻底解决了聚乳酸纤维的水解问题。研究结果表明聚乳酸纤维在130℃染色10min即可达到染色平衡,染色织物的牢度与水相染色牢度相当,但是上染率太低,不到10%。研究还发现聚乳酸纤维在染色过程中会发生因分子链段解取向导致的强力损失,断裂强力与纤维取向度之间存在明显的线性关系(r2=0.97)。染色后对织物进行张力热定型可提高取向度,恢复部分强力,在90℃定型45s可使强力损失从59.1%下降到16.7%。本文通过补充染料和溶剂,实现了聚乳酸纤维染色残液的循环使用。对实验室范围内聚乳酸纤维的染色工艺进行了量化评估,评估采用的指标为物耗、能耗、潜在的化学风险、潜在的生态风险以及cod/bod5比值,结果表明非水溶剂染色工艺比水染色更具有可持续性。本文建立的聚乳酸纤维非水溶剂染色工艺,也许可以为聚乳酸纤维在纺织工业中的应用提供一些参考。涤纶是消耗分散染料最多的纤维,传统的染色过程又消耗大量的水和化学品,因此非常有必要发展一种环境友好的染色方法以节约水资源,保护环境。本文利用已经建立的聚乳酸纤维非水溶剂染色方法,实现了涤纶纤维的无水染色。研究结果表明液体石蜡对涤纶纤维也没有不良的影响,可以作为涤纶纤维无水染色的介质。在染料浓度为5%owf,染色温度130℃,浴比15:1的条件下,染料在涤纶纤维中的上染率较大,约为43%;染色织物牢度可以满足应用要求。本文还测定了涤纶纤维表面的低聚物含量,发现非水溶剂染色可以有效减少表面低聚物含量,染色后表面低聚物含量由0.21%降到0.02%。研究结果还表明在一定的使用次数内,因染浴回用造成的低聚物累积不会影响染色织物质量。而且涤纶纤维溶剂染色工艺与水染色相比,可以节约大量的水和化学助剂,回收的低聚物还可以再次用于聚合物的合成。因此,本文建立的涤纶纤维非水溶剂染色工艺节约了大量的化学品和水资源,有利于环境保护。为了充分理解分散染料非水溶剂染色过程,本文研究了液体石蜡中分散染料上染聚乳酸纤维的热力学和动力学。研究发现在非水溶剂染色中,染料聚集体可能会对染料吸附造成一定的影响,导致吸附等温线偏离nernst型。研究还发现焓变和扩散活化能与染料分子表面积之间存在良好的线性关系,因此,本文结合热力学与动力学补偿效应,建立了以染料分子表面积为基础的预测亲和力与扩散系数的模型。研究结果表明该模型非常简单有效,只需要染料分子表面积和温度就可以做出准确的预测。这种结构与性能之间的定量关系为理解非水溶剂介质中分散染料的吸附和扩散提供了一个新的视角。为了进一步考察分散染料非水溶剂染色技术的适用性,本文采用已经建立的扩散系数模型,结合反演设计方法筛选出了适合聚乳酸纤维染色的配伍性分散染料,并进行了实验验证。本文首先收集了132种分散染料,依据经验公式计算了不同温度下各个染料的扩散系数并对数据进行了聚类分析,依据聚类分析结果和染料的使用状况,最终筛选出了一组三原色染料:分散橙30、分散红54与分散蓝165:1。测定了三只染料各自的上染速率曲线、半染时间和扩散系数,结果表明三只染料的上染速率曲线、扩散系数和半染时间都非常相近,初步认为三只染料具有很好的相容性。随后对三只染料进行配色实验,测定了混合染料染色织物的色相角和色度图,结果表明染色织物的色相角基本不变,色度图曲线重叠程度很高,因此认为三只染料具有很好的相容性,可以作为聚乳酸纤维在非水溶剂染色中的三原色染料进行使用。为了加深对传统染色过程的理解,进一步减轻传统染色工艺对环境的影响,本文还考察了水相染色中分散染料在涤纶纤维表面的吸附。本文从实验和分子动力学模拟两方面研究了染料分子及染料聚集体对吸附的影响。首先测量了130℃时纯分散蓝56在涤纶上的吸附等温线,结果表明分散蓝56在涤纶上的吸附等温线基本符合nernst型,当染料浓度较高时等温线稍有偏差。这可能是因为染料浓度较高时,染料聚集体参与了吸附。染料聚集体对涤纶纤维的亲和力小于单分子状态,这种较小的亲和力可能导致吸附等温线发生了稍许偏差。为了进一步考察染料聚集体对吸附的影响,本文进行了分子动力学模拟,从分子层面上研究染料聚集体在涤纶表面的吸附。通过分子模拟看到了染料在染浴中的聚集以及聚集态染料在涤纶表面的吸附。模拟结果表明研究体系中有7-14%的二聚体染料,吸附的染料中有4-5%为二聚体染料,聚集态染料对吸附的影响较小但不可忽略。本文结合实验和分子动力学模拟研究了染料聚集体对吸附的影响,这也许可以为加深对传统染色过程的理解提供一个新的视角。本课题建立了聚乳酸与涤纶纤维的非水溶剂染色工艺,节约了大量的水和化学助剂。此外,本文还考察了分散染料聚集体对吸附的影响,加深了对染色工艺的理解。希望这些工作可以为改善传统染色工艺对环境的影响提供一些参考,为纺织工业的发展做出一些贡献。
【关键词】：无水染色 聚乳酸 涤纶 可持续性 吸附过程 分子模拟
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TS193.1
【目录】：

• 摘要4-9
• ABSTRACT9-15
• 第一章 绪论15-46
• 1.1 传统的分散染料染色方法及存在的问题15
• 1.2 非水介质染色方法15-17
• 1.3 非水溶剂染色研究进展17-24
• 1.4 聚乳酸纤维染色研究现状24-30
• 1.5 分散染料水相染色理论30-34
• 1.6 本课题的主要研究内容及创新点34-35
• 参考文献35-46
• 第二章 分散染料非水溶剂染色工艺研究—聚乳酸纤维46-68
• 2.1 研究背景46-47
• 2.2 实验部分47-49
• 2.3 可持续性评估49-50
• 2.4 结果与讨论50-64
• 2.5 结论64
• 参考文献64-68
• 第三章 分散染料非水溶剂染色工艺研究—涤纶纤维68-82
• 3.1 研究背景68-69
• 3.2 实验部分69-71
• 3.3 结果与讨论71-79
• 3.4 结论79
• 参考文献79-82
• 第四章 分散染料非水溶剂染色热力学和动力学研究82-103
• 4.1 研究背景82
• 4.2 实验部分82-84
• 4.3 热力学与动力学参数的计算84-86
• 4.4 结果与讨论86-101
• 4.5 结论101
• 参考文献101-103
• 第五章 分散染料非水溶剂染色配伍性研究103-116
• 5.1 研究背景103-104
• 5.2 实验部分104-106
• 5.3 结果与讨论106-113
• 5.4 结论113
• 参考文献113-116
• 第六章 分散染料水相染色吸附研究116-132
• 6.1 研究背景116-117
• 6.2 实验部分117-122
• 6.3 结果与讨论122-128
• 6.4 结论128-129
• 参考文献129-132
• 攻读博士学位期间发表论文情况132-133
• 致谢133-134
• 附录134-145
• 附录1 溶剂和染料的溶解度参数134-139
• 附录2 附录1中前20种有机溶剂的环境-健康-安全数据139-141
• 附录3 PLA织物非水溶剂染色与水染色工艺的可持续分析141-145

  本文关键词：分散染料染色机理及非水溶剂染色研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：312929