竹束染色工艺及机理研究

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当前竹材颜色单一、应用于竹材的染料类型较少且染色工艺不成熟等问题始终制约着竹材的多功能应用。本论文以毛竹竹束为原材料,采用两种性质(酸性和活性)的红、黄和蓝染料对竹束进行浸染试验,研究了染色工艺对竹束的上染率和耐光色牢度的影响并探究了染色竹束光变色规律和影响因子,以此综合比较分析了酸性和活性染料染色竹束各自的上染率、表观颜色与耐光性能。采用扫描电镜、傅里叶红外光谱等方法在微观层面对两种染色竹束进行表征,并分析了竹束染色动力学,揭示了染色机理。主要研究结论如下:(1)酸性染料染色竹束时,升高温度、延长时间与降低p H值均可有效提高竹束上染率。明确了各因素水平对应的耐光色牢度等级,由此可知染色竹束的耐光性能则随着温度的升高而增加,随着时间的延长先增后减。通过对上述结论的综合分析,得出三种酸性染料的较佳染色工艺分别为:酸性红(温度90℃、时间10 h、染液浓度0.5%、p H=4)、酸性黄(温度100℃、时间6 h、染液浓度0.7%、p H=4)、酸性蓝(温度90℃、时间10 h、染液浓度0.3%、p H=4)。控制光照时间为单一变量,可知酸性染料染色竹束的色差随着光照时间的延长而增大,分析染色竹束的明度(ΔL*)、红绿品指数(Δa*)、黄蓝品指数(Δb*)与总色差(ΔE*)的相关性,得出:酸性红染色竹束Δa*对ΔE*线性影响最显著,酸性黄、蓝染色竹束的Δb*对ΔE*线性影响最显著,其线性方程得到的R2均大于0.85。(2)活性染料染色竹束时,上染率随着染色温度升高、染色时间延长和元明粉浓度增加而上升,随着染液浓度降低而增加。明确了活性染料染色工艺各因素水平对应的耐光色牢度等级,可知耐光色牢度随着染色时间延长先增加后减小。综合分析以上结论,得出三种颜色活性染料的较佳染色工艺为:染色时间5 h、染液浓度0.7%、元明粉浓度70 g·L-1,染色温度分别为:活性红和活性蓝90℃、活性黄80℃。控制光照时间为单一变量,可知活性染料染色竹束的色差随着光照时间延长而增加,分析三个色度指标(ΔL*、Δa*、Δb*)与总色差(ΔE*)的相关性,得出结论为活性红染色竹束的Δa*对ΔE*线性影响最显著,活性黄、蓝染色竹束的Δb*对ΔE*线性影响最显著,其线性方程得到的R2均大于0.97。(3)通过对酸性染料和活性染料的上染率比较,得出活性红上染率比酸性红高30%,活性黄比酸性黄高6%,活性蓝上染率比酸性蓝高约36%。参考打靶计分规则,对比了不同染料染色竹材的耐光性能,得出活性染料染色竹束的耐光性能整体高于酸性染料。测试不同染料最佳工艺下的耐光色牢的等级,酸性红、黄、蓝染色竹束的耐光色牢度等级依次为:4级、3.5级、3.5级,活性红、黄、蓝依次为:4级、4.5级、3.5级。对不同染色竹材进行色度测量,可知活性红染色竹材明度值L*和红绿指数a*分别为27.01、17.10,酸性红为25.83、15.90,其他指标接近;活性黄染色竹材明度值L*和黄蓝指数b*分别为29.93、13.21,酸性黄为32.82、18.20,色彩饱和度接近;活性蓝染色竹材黄蓝指数b*和色彩饱和度C*分别为-2.96、3.61,酸性蓝为-8.62、8.79。具体表现为:活性红染色竹束的颜色比酸性红更明亮,酸性黄染色竹束的颜色比活性黄更纯正且明亮,酸性蓝染色竹材颜色比活性蓝更纯正,色彩更鲜艳。(4)对酸性和活性染料染色前后的竹束进行红外光谱分析,表明经酸性染料染色竹束的官能团无发生明显变化,经活性染料染色的竹束,羰基明显减少,分析可知酸性染料与竹束没有发生化学结合,活性染料与竹束发生了亲核取代反应或亲和加成反应。对两种类型染料的染色竹束进行扫描电镜观察,可知酸性染料染色材的微观组织与未染色材相比,导管内壁表面变得粗糙,导管内壁孔隙中有不同程度的堵塞,梯状纹孔变少,说明染料有效附着于竹束上;经过活性红染色的竹束导管与纤维表面都聚集了大量染料颗粒,经过活性黄、蓝染料染色的竹束,其导管上的纹孔界限感减弱。对竹束进行染色动力学分析,得出随着染色温度的上升,竹束的平衡上染率逐渐增大,温度对活性黄、蓝染料染色竹束的上染率影响较大;较高的温度对应较长的半染时间和较小的染色速率常数,这主要是因为三种染料在不同温度下的平衡上染率差别较大。
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