纺织品染印原理-2015-第二章染色基本理论介绍优秀PPT.ppt

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1、纺织品染印原理巩继贤E-mail：gongjixian126 天津工业高校纺织学院轻化工程系其次章 染色基本理论p 染料从染液向纤维转移的趋势和程度p 染料上染纤维的速度及经验的过程染料对纤维的上染过程n染料对纤维的上染过程n染色本质上是染料和纤维在特定介质环境中的的相互作用l介质中染料的状态介质中染料的状态l介质中纤维的状态介质中纤维的状态l介质环境的因素介质环境的因素温度pH助剂：盐、表面活性剂溶解或分散溶解或分散上染上染固着固着纤纤维维染液染液染色基本理论n染料在水溶液中的状态n纤维在水溶液中的状态n染料在纤维上的吸附n染料在纤维中的扩散n上染过程的几个阶段染色基本理论n染料在水溶液中的

2、状态n纤维在水溶液中的状态n染料在纤维上的吸附n染料在纤维中的扩散染料在水溶液中的状态n染料上染纤维要通过确定的染色介质来完成，染料在介质中的存在状态干脆影响染色的速度和程度。n纤维中的微隙很小，只有单分子或离子状态的染料才能顺当进入纤维内部。染料分子的尺寸与其在纤维上的可及度有很大关系。染料在水溶液中的状态n染料在水溶液中的存在状态n溶于水n 与水形成水合离子或水合分子，形成染料水溶液。n干脆染料n活性染料n酸性染料n阳离子染料n还原染料隐色体n硫化染料隐色体染料在水溶液中的状态n染料在水溶液中的存在状态l不溶于水不溶于水 不溶于水，以颗粒状态分散在水中，形成染料的水分不溶于水，以颗粒状态分

3、散在水中，形成染料的水分散液，即悬浮液。散液，即悬浮液。不含离子基团或极性基的染料：还原染料、硫化染料含非离子极性基的染料：分散染料染料晶体 溶解的染料 分散于胶束中的染料染料在水溶液中的状态n染料的溶解n缘由n染料溶于水是由于染料受到极性水分子的作用，使得染料分子间作用力减弱或拆散。n结果n离子型染料溶解后形成水合离子，非离子型染料溶解后形成水合分子。离子基非离子极性基阴离子极性基阳离子极性基磺酸基、羧基、硫酸酯基、硫代硫酸酯基季铵盐基羟基、氨基、酰胺基染料在水溶液中的状态n染料的溶解l染料的电离染料的电离离子基一般都是强的电离基，习惯上称之为水溶性基团，其中以磺酸基应用最广。染料的水溶性基

4、团在水中发生电离，生成染料阴离子和金属阳离子。染料在水溶液中的状态n染料的溶解n染料溶解的影响因素n染料本身的结构n含离子型极性基团的染料能溶于水n温度n染料的溶解度一般随温度的上升而上升。n电解质n溶液中中性电解质的存在常使染料溶解度降低。n助溶剂n尿素n表面活性剂染料在水溶液中的状态n染料的聚集n缘由n染料分子间的疏水部分的氢键和范德华力作用n结果n染料在溶液中发生片状或球状聚集n影响因素n染料结构与浓度n温度n电解质n助剂染色基本理论n染料在水溶液中的状态n纤维在水溶液中的状态n染料在纤维上的吸附n染料在纤维中的扩散纤维在水溶液中的状态n纤维在水溶液中的双电层n纤维在水溶液中会获得负电荷

5、n纤维分子中基团的电离n纤维选择吸取溶液中的氢氧根离子n纤维定向吸取水分子n纤维表面的双电层结构n纤维表面所吸附正离子在纤维四周的分布n吸附层：被纤维猛烈吸引，纤维与液相相对运动时，不随液相运动n扩散层：受纤维的引力较小，易随液相运动纤维在水溶液中的状态nZeta电位（电位）n概念n吸附层和扩散层相对运动而产生的电位差n影响因素n纤维的种类n溶液pHn溶液中电解质n电位与染色n染料与纤维间的作用力：静电引力，分子间力，氢键n染料离子被纤维吸附过程中作用力的变更状况纤维在水溶液中的状态n纤维的溶胀n纺织纤维都是由线型大分子组成的。大分子排列整齐，定向度高的部分，形成结晶区。大分子排列不整齐，定向

6、度较低的部分称为无定形区。在无定形区分子排列较松弛，有多数空隙分布其中。n纤维分子中含有极性基团(亲水基团)，当纤维与水或水蒸气接触时，纤维就吸取水分，使纤维发生润湿和溶胀。染色基本理论n染料在水溶液中的状态n纤维在水溶液中的状态n染料在纤维上的吸附n染料在纤维中的扩散染料在纤维上的吸附n动力/缘由n评价指标n吸附模型n影响因素n应用染料在纤维上的吸附n染料上染纤维的缘由/动力n物质由一种相或一种状态转移到另外一种相或一种状态时，必定伴随着化学位的变更。n一个过程可以自动地由高化学位的状态向低化学位的状态转移。两种状态的化学位差值越大，转移的倾向越大。染料在纤维上的吸附n染料上染纤维的缘由/动

7、力n染料在染液中的化学位（s）和纤维上的化学位（f）：n比较染料在染液和纤维上的化学位，可以推断染料是否可以有染液向纤维上转移（方向）及转移量的多少（程度）。n染料在溶液中的化学位高，而在纤维上的化学位低，所以染料可以自动地从溶液转移到纤维上，直至上染平衡。染料在纤维上的吸附n染料上染纤维的缘由/动力n上染平衡n染色初期，染液中染料浓度高，染料在染液中的化学位最大，上染的倾向最大；随着纤维上染料浓度的不断增加，染液中染料浓度的不断降低，染料在染液中的化学位不断降低，染料在纤维中的化学位不断增加；最终染料在纤维上和染液中的化学位相等时，染色达到平衡，纤维上和染液中的染料浓度不再变更。n上染过程是

8、可逆的，从染料个体来看，吸附与解吸是同时存在的。染色达到平衡时，吸附与解吸的速率相等，达到一种动态的平衡。n由化学位因素引起的染料从染液向纤维转移的过程，是大量染料分子运动的结果，是宏观的，统计数据。染料在纤维上的吸附n染料对纤维上染的评价指标n平衡吸附量n染色平衡时纤维上染料浓度。n平衡上染百分率n染色平衡时纤维上染料量占投入染料总量的百分率。n表示确定条件下染色时所能达到的最高上染百分率n上染百分率n纤维上染料量占投入染料总量的百分率。n半染时间n纤维上染料浓度到平衡吸附量一半所须要的时间n表示染色达到平衡的快慢染料在纤维上的吸附n染料对纤维上染的评价指标n上染速率n纤维上染料浓度对时间的

9、变更率。n上染速率曲线n恒温条件下染色，以纤维上染料浓度或上染百分率为纵坐标，以时间为横坐标做图，所得曲线为上染速率曲线。染料在纤维上的吸附n评价指标亲和力l染色过程中，染液中染料浓度不断降低，纤维上染染色过程中，染液中染料浓度不断降低，纤维上染料浓度不断增加；染料在溶液中的化学位不断降低，料浓度不断增加；染料在溶液中的化学位不断降低，而在纤维上的化学位不断增加，到二者相等时，达到而在纤维上的化学位不断增加，到二者相等时，达到染色平衡。染色平衡。f=f+RTlnaf;s=s+RTlnas 初始染色sf;平衡时s=f 则有:f+RTlnaf=s+RTlnas 移项得：-=-(f-s)=RTln(

10、af/as)染料在纤维上的吸附n评价指标亲和力n亲和力（Affinity）n亲和力是纤维上染料标准化学位与染液中染料标准化学位差值的负值，即染液中染料标准化学位与纤维上染料标准化学位差值。n-=-(f-s)=RTln(af/as)n亲和力是染料从溶液向纤维转移的趋势和量度。n亲和力代表纤维对染料的吸附实力n亲和力对特定纤维而言是染料的属性，是温度和压力的函数，不受其他条件（如浓度因素）影响。染料在纤维上的吸附n评价指标亲和力n干脆性(Substantivity)n染料离开染液上染纤维的性能n一般用染色平衡时染料上染纤维的百分率大小表示n干脆性与染色工艺有关，亲和力对特定纤维而言是染料的属性。染

11、料在纤维上的吸附n染料在纤维上的吸附模型n探讨染色系统达到平衡时染料的安排状况n随染液中的染料浓度增加，纤维上的染料浓度的增加状况n类型：n能斯特（Nersnt）型n 弗莱因德利胥(Freundlich)型n 朗谬尔(Langmuir)型染料在纤维上的吸附n染料在纤维上的吸附模型n吸附等温线n在恒定温度下，上染达到平衡时，纤维上的染料浓度和染液中的染料浓度的关系曲线。n意义：n表示染色系统达到平衡时染料的安排状况，由此可判别染料对纤维的上染实力和安排特征，并可推想染料-纤维结合状况。n以染料吸附等温线为依据，对纤维上染料状态做确定假设以解决活度处理问题，从而进行亲和力计算。n类型：n能斯特（N

12、ersnt）型n 弗莱因德利胥(Freundlich)型n 朗谬尔(Langmuir)型染料在纤维上的吸附n染料在纤维上的吸附模型n能斯特（Nersnt）型n吸附等温线特征：n 纤维上染料浓度和染液中染料浓度呈直线关系 n数学表达式：n Df=KDs（K:亨利安排系数)单位：Df:mol/kg纤维 Ds:mol/ln特点n视染料为溶质,纤维为溶剂,并假设活度系数为1；n染色时纤维上染料量随Ds增加而增加,其上染量受纤维可及度制约；n适用于分散染料染涤、锦、醋酯纤维染色系统。染料在纤维上的吸附n染料在纤维上的吸附模型n能斯特（Nersnt）型n亲和力计算公式：-=RTlnDf/Dsn物理意义n

13、属于安排型吸附等温线，完全符合安排定律，即溶质在两种互不相溶的溶剂中的浓度之比为一常数。在染色平衡状况下，染料在纤维上的浓度与在染液中的浓度之比为一常数，纤维上的染料浓度与染液中的染料浓度成正比关系，随着染液浓度的增高而增高，直到饱和为止。染料在纤维上的吸附n染料在纤维上的吸附状态n弗莱因德利胥(Freundlich)型n吸附等温线特征：n 纤维上染料度Df随染液中染料浓度Ds增加而不断增加，但增加速率越来越慢；无明显吸附饱和值n数学表达式：n 阅历式：Df=KDns（0n1）对数形式：lgDf=lgK+nlgDsn特点n非定位系统吸附,染-纤作用力以范氏力、氢键为主的染色体系;染液中有电解质

14、存在的状况n干脆、还原染料隐色体纤维素纤维；活性染料在纤维素纤维上的吸附上染属于此类染料在纤维上的吸附n染料在纤维上的吸附状态l弗莱因德利胥弗莱因德利胥(Freundlich)型型亲和力计算公式：物理意义 属于物理吸附，即非定位吸附，纤维上染料浓度随染液中染料浓度增加而不断增加，但增加速率越来越慢，没有明显的极限。染料吸附在纤维上是以扩散吸附层存在。染料在纤维上的吸附n染料在纤维上的吸附状态n朗谬尔(Langmuir)型n吸附等温线特征：n 斜率随纤维上染料浓度的增加而不断减小，达到确定值后不再增加（纤维上染料浓度不再随染液中的染料浓度增加而增加，此时纤维上的染料浓度称为染色饱和值）n数学表达

15、式：n特点n离子型染料主要以静电引力上染纤维n以离子键在纤维中固着时，符合朗缪尔吸附。如酸性染料在强酸性浴上染羊毛，阳离子染料上染聚丙烯腈纤维。染料在纤维上的吸附n染料在纤维上的吸附状态n朗谬尔(Langmuir)型n亲和力计算公式：n物理意义n 属于化学吸附，即定位吸附。假定在纤维上有确定数量的吸附染料的位置，这些位置称为染座，染料的吸附就发生在纤维的这些染座上。全部染座都能同样的吸附染料而不发生相互干扰。一个染座上吸附了一个染料分子后便饱和而不能再发生进一步的吸附，即吸附是单分子层的。全部染座都被染料占据时，吸附达到了饱和。染料在纤维上的吸附n染料与纤维间的作用力l库仑力库仑力l范德华力范

16、德华力l氢键氢键l共价键共价键l配价键配价键l电荷转移分子间作用力电荷转移分子间作用力染料在纤维上的吸附n染料与纤维间的作用力n库仑力n纤维由于可电离基团的电离而带电，与带有相反电荷的染料离子接近时，产生静电引力，即库仑力。n染料因库仑力作用而被纤维吸附，发生离子键形式的结合，也叫盐式键。n蛋白质纤维、聚酰胺纤维在酸性染液中带正电荷，对染料阴离子产生库仑力。n聚丙烯腈纤维在染液中带负电荷，对染料阳离子产生库仑力。n纤维素纤维在中性和碱性染液中带有负电荷，对染料阴离子产生斥力，要削减或消退这种斥力。染料在纤维上的吸附n染料与纤维间的作用力l范德华力范德华力范德华力是分子间力，比较弱。染料和纤维间

17、的范德华力取决于分子结构与形态及其接触面积和分子间距离。范德华力存在于各类染料上染纤维时，但作用的重要性不同。染料在纤维上的吸附n染料与纤维间的作用力n氢键n氢键是两个电负性较强的原子通过氢原子而形成的取向结合，是一种定向的、较强的分子间引力。n各类染料对纤维的染色过程中，都有氢键的存在。n氢键和范德华力的结合能量比较低，但在染色中起重要作用，是染料对纤维具有干脆性的重要因素。n氢键和范德华力所引起吸附属于物理吸附，是非定位吸附。染料在纤维上的吸附n染料与纤维间的作用力l共价键共价键含反应性基团的染料和具有可反应基团的纤维之间发生共价结合。活性染料和纤维素纤维染料在纤维上的吸附n染料与纤维间的

18、作用力l配价键配价键酸性媒介染料或酸性含媒染料染色时，和纤维间发生的。配价键的键能高，作用距离短。离子键、共价键和配价键的键能均较高，在纤维中有固定的吸附位置，由这些键引起的吸附属于定位吸附或化学吸附。染料在纤维上的吸附n染料与纤维间的作用力l电荷转移分子间作用力电荷转移分子间作用力具有供电子体的分子与具有受体性质的分子因电子转移而产生的分子间结合。分散染色染聚酯染料在纤维上的吸附n染料上染纤维的影响因素n染色热n染色热（H）是指无限少的染料从标准状态的溶液中转移到标准标态的纤维上时，每摩尔染料染料转移所发生的热量（KJ/mol）。n染色热是染料与纤维的反应热，它定量地说明白温度对染色平衡的影

19、响。n绝大多数状况而下,H0，即染色热是负值n大多数染色体系中，染料的上染是放热反应n提高染色温度，染色平衡向吸热方向即解吸方向移动，平衡吸附量降低。染料在纤维上的吸附n染料上染纤维的影响因素n染色熵(Entropy of dyeing)n染色熵（S）是无限小量的染料从标准状态的染液中转移到标准状态的纤维上,每摩尔染料转移所引起的物系熵变;单位为KJ/（mol）。n熵是体系混乱程度的状态函数，染色熵反应的是上染过程中染料分子（染色体系）混乱程度变更。n绝大多数状况而下,S 0，即染色熵是负值n通常染色熵可以说是染料在纤维上的取向程度；负值确定值越大，表示染料在纤维上的取向度越高，被纤维吸附的可

20、能性越小，亲和力越小。染料在纤维上的吸附n染料上染纤维的影响因素l亲和力和染色热、染色熵的关系染色基本理论n染料在水溶液中的状态n纤维在水溶液中的状态n染料在纤维上的吸附n染料在纤维中的扩散染料在纤维中的扩散n动力/缘由n评价指标n吸附模型n影响因素n应用染料在纤维中的扩散n染料在纤维中扩散的缘由n纤维表面和内部之间存在的浓度梯度n扩散的种类n依据扩散过程中扩散介质中的浓度梯度变更分类:n稳态扩散（Steady-state diffusion）n扩散过程中，介质中各处的浓度梯度始终维持不变的扩散过程n非稳态扩散（Non-Steady state diffusion）n扩散过程中，介质中各处的浓

21、度梯度不断变更的扩散过程染料在纤维中的扩散n扩散的规律菲克（Fick）定律n菲克第确定律n描述稳态扩散n扩散通量Fx(扩散速率）:单位时间内通过单位面积的染料数量（g/cm2s）n扩散系数D:在单位时间内，浓度梯度为1g/cm4时扩散经过单位面积的染料量（cm2/s）；用以衡量染料在纤维中的扩散性能，扩散系数在确定条件下是常数，确定于染料和纤维的化学结构及纤维的微结构。n浓度梯度 :扩散方向单位距离内的浓度变更(g/cm4)。染料在纤维中的扩散n扩散的规律菲克（Fick）定律n菲克其次定律n描述非稳态扩散n事实上染色时是非稳态扩散n径向扩散染料在纤维中的扩散n染料在纤维中扩散的特点扩散模型n孔

22、道扩散模型-适用于亲水性纤维n模型描述n 在溶胀的纤维里存在很多曲折而相互连通的小孔道。染色时,这些孔道里都充溢着水,染料分子(或离子)通过这些曲折、贯穿的孔道扩散进入纤维内部。在扩散过程中,染料分子(或离子)会不断发生吸附和解吸。孔道里游离状态的染料和吸附状态的染料成动平衡状态。染料在纤维中的扩散n染料在纤维中扩散的特点扩散模型l孔道扩散模型-适用于亲水性纤维扩散系数关系式散系数关系式CP为孔道内可以扩散的游离染料的浓度;Cf为吸附在孔道壁上的染料浓度;DP为染料在孔道染液中的扩散系数；为孔道在纤维内所占的比率;为孔隙的曲绕度。染料在纤维中的扩散n染料在纤维中扩散的特点扩散模型n自由体积模型

23、-适用于疏水性纤维(合成纤维)n模型描述n 纤维的自由体积指其总体积中没有被分子链占据的那部分空间,它以微小的空穴形式散布在纤维中。聚酯、聚丙烯腈等合成纤维染色时,染料分子吸附在纤维大分子链上,当温度大于Tg以后大分子的链段发生绕动,原来微小的空穴合并成较大的空穴,染料分子沿这些不断变更的空穴,逐个“跳动”扩散。染料在纤维中的扩散n染料在纤维中扩散的特点扩散模型l自由体积模型-适用于疏水性纤维(合成纤维)WFLWFL方程方程A、B为高分子物特性常数lgT为温度T时的移动因子扩散系数与扩散系数与T T的关系的关系 染料在纤维中的扩散n染料在纤维中扩散的影响因素l染料分子结构的大小染料分子结构的大

24、小l染料浓度影响染料浓度影响 这种影响与染料和纤维的种类有关。在用非离子型染料染非离子纤维时,染料浓度对扩散系数的影响较小；离子型染料上染具有相反电荷的纤维时，染料浓度对扩散系数的影响较大，扩散速率随染料浓度的提高而增加。l纤维的微隙大小和纤维结晶度纤维的微隙大小和纤维结晶度l染料与纤维分子间的作用力染料与纤维分子间的作用力l染色温度染色温度染料在纤维中的扩散n匀染n概念n染料在被染物表面以及纤维内部匀整分布的程度。n习惯上所说的匀染是指染料在被染物表面各部分分布匀整。n习惯上将染料纤维内部匀整分布称为透染。n影响因素n纤维本身的匀整性n前处理的匀整性n浸染过程中初染速率太高或上染速率太快n

25、染料在纤维中的扩散n匀染n浸染过程中限制匀染的途径n缓染n限制温度n加入缓染剂n移染n保温确定时间n加快染液循环n轧染过程中限制匀染的途径n保证浸轧匀整n前后色差的限制n避开烘干时染料的泳移n 染色基本理论n染料在水溶液中的状态n纤维在水溶液中的状态n染料在纤维上的吸附n染料在纤维中的扩散n上染过程的几个阶段染料对纤维的上染过程n上染过程的几个阶段n染料随染液流淌靠近纤维界面n染料通过扩散边界层向纤维表面扩散n染料分子被纤维表面吸附n染料向纤维内部扩散并固着在纤维内部染料对纤维的上染过程n上染过程的几个阶段n染料随染液流淌靠近纤维界面n此阶段主要受染液流淌速率的影响n越靠近纤维边界的区域，染液

26、流淌越慢，形成染液本体与纤维界面间的速度梯度。n动力边界层n 染液流速从染液本体到纤维表面流速降低的区域称为动力边界层。n动力边界层的体积虽小，但在染料的传递过程(包括染色和水洗)中却起着特别重要的作用。n动力边界层的厚度与纤维表面的染液流速有关。染料对纤维的上染过程n上染过程的几个阶段n染料通过扩散边界层向纤维表面扩散n此阶段主要靠染料自身的扩散以靠近纤维表面n动力边界层内靠近纤维表面的染液几乎是静止的，该液层称为扩散边界层。n扩散边界层中的染料浓度从染液本体到纤维表面是渐渐降低的，存在着浓度梯度，染料的扩散方向由染液本体指向纤维表面。n扩散边界层的存在会阻碍或降低纤维对染料的吸附或解吸。n

27、可通过提高染液与被染物之间的相对运动速率来降低扩散边界层的厚度，以获得良好染色效果。染料对纤维的上染过程n上染过程的几个阶段l染料分子被纤维表面吸附染料分子被纤维表面吸附纤维对染料的吸附主要是通过物理吸附（范德华力和氢键）与化学吸附（离子键、共价键）来完成的。吸附速率的影响因素纤维表面电荷纤维表面电荷染料结构与电荷染料结构与电荷染料溶解性染料溶解性染料在扩散边界层的扩散速率染料在扩散边界层的扩散速率吸附平衡的影响因素温度温度染料对纤维的上染过程n上染过程的几个阶段l染料向纤维内部扩散并固着在纤维内部染料向纤维内部扩散并固着在纤维内部此阶段主要靠染料在纤维内部扩散这种扩散直到纤维和染液间的染料浓度达到平衡，纤维内外表面染料染料浓度相等即纤维染透为止。扩散速率的影响因素染料结构因素（分子大小、电荷数、与纤维作用力）纤维结构温度染料浓度染色基本理论n染料在水溶液中的状态n纤维在水溶液中的状态n染料在纤维上的吸附n染料在纤维中的扩散n上染过程的几个阶段人有了学问，就会具备各种分析实力，明辨是非的实力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富学问，培育逻辑思维实力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培育文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的学问面。有很多书籍还能培育我们的道德情操，给我们巨大的精神力气，鼓舞我们前进。