绝大部分染整工程师其实并不真正关心机理性问题,内心深处认为那是院校研究机构才应该关心的问题,是花架子,对自己的实际工作帮助并不大。导致很多染厂工程师或助剂开发/服务的技术人员,对于一些染整基本问题的认知,其实有很多的误解和错误,这里面流传最广误解最深的,可能当属用染色基座理论去解释纤维素的上染过程。
其实在染整工艺原理教科书中对此早有定论,染色基座理论适合的范围是“酸性染料上染蛋白质纤维和聚酰胺纤维、阳离子染料上染腈纶纤维”,对于纤维素纤维并不适用。
而在具体的生产实践中,也能观察到大量实践数据,来证明基座理论对于纤维素纤维并不适用。
1,一个葡萄糖环上有三个羟基,即162的分子量可提供三个反应基团。即使这些羟基的可及度只有30%,即只有30%能够参与反应,那么根据基座来计算:
(1)假设是和单活性基活性染料反应,染料的平均分子量为1000,那么理论上,162g纤维素可以上染900g染料,即染料用料owf可以做到555%。
(2)假设是和双活性基活性染料反应,染料的平均分子量为1000,那么理论上,162g纤维素可以上染450g染料,即染料用量owf可以做到278%。
以上两个染料用量owf即可上染染料数均明显且异常的高于正常染色的染料用量(正常染色用料owf一般为0-8%),即纤维素所提供的羟基即染色基座是明显过剩,远多于染料上染所需的。
按照正常双活性染色最大用量owf8%来计算,只需要纤维素的总羟基的0.9%左右,按照只有30%的可及羟基来计算,也大概只需要可及羟基2.78%就可以完成与8%owf的染料的完全反应。还有97%的可及羟基是剩余未反应的。
因此,在可及羟基过剩的情况下,决定一个纤维素纤维织物染深性的主要决定因素并不是它的可及羟基数量,即不是所谓的染色基座。
2,用抗皱整理剂整理棉布,当先抗皱交联后染色时,染色深度会大幅变浅,但当先染色,后做抗皱交联整理时,在深色布仍然获得抗皱效果仍然非常优良。如果引用基座理论,能够解释前者,但解释不了后者。而孔隙理论可以很好的同时解释两者,即纤维素的羟基是过剩的,所以先染色后抗皱交联时,都有大量未反应羟基可供染料上染和交联剂反应,所以都能有良好的效果,但先抗皱交联后染色时,交联剂会造成纤维素内部的孔隙堵塞,让大分子的活性染料无法进入纤维内部,从而染深性很差。而大分子染料先于交联剂反应时,其堵塞的仅仅是染料能够进入的大孔隙,不能堵塞小分子交联剂能够进入的小孔隙,因而对交联剂进入纤维内部基本无影响。同时,反过来讲,也又可以表明,基座实际是过剩的,否则后道抗皱交联就会因没有足够的基座而导致抗皱效果差。
3,还可以在抗皱整理前后棉织物的回潮率、抱水率、轧余率数据变化中,来佐证纤维素与反应性基团(如染料、交联剂)反应是更符合基座理论还是孔隙理论。
一个纤维的亲水性基团对水分子的结合吸收,这个又被称为化学结合水,可以用纤维得回潮率来表征它;另一个层面是是纤维内部孔隙对水的吸收,这个又被称为束缚水,这个可以用纤维的抱水率来表征;第三个是纱线间、纤维间的流动水,它主要依靠水的表面张力停留在这些组织缝隙中,被称为自由水,这个可以用轧余率来表征。可以近似的这样认为,回潮率的数值高低和可及羟基数量多少直接相关,抱水率大小和孔隙体积大小直接相关。
棉织物做抗皱交联处理后,其回潮率基本无变化,仍然在8%左右,但其抱水率会发生下降。也就是说,抗皱交联整理并未让可及羟基数量发生显著变化,但让孔隙体积发生了显著下降。这种可及羟基数量未发生明显变化也表明可及羟基是极大过剩的,只有存在极大过剩的可及羟基,才可以在被占用一部分后,其数量基本变化不大。
因此,在可及羟基极大过剩的前提下,基座理论是站不住脚的,也无法对纤维/织物的染深性做出合理解释,而孔隙理论能偶很好解释关于纤维素染深性的所有现象,其具体的机理将在这个系列的(二)(三)篇中再谈。