任务二 染色理论基本知识
一、上染与染色
1.定义
染色是指染料与纤维间通过物理的、化学的或物理化学的作用，或者染料在织物上形成色淀，而使纺织品获得指定色泽，且色泽均匀而坚牢的加工过程。包括吸附、扩散及固着三个阶段。
2.解读
（1）上染与染色两个概念不完全等同。一般情况下，上染指染料的吸附与扩散阶段，即染浴中的染料向纤维转移，并进入纤维内部将纤维染透的过程。但染色的三个阶段并不是完全独立的，多数情况下是同时进行的，只有活性染料染棉时，固着是在加碱后进行的，有着较为明显的界限。所以两个概念有时混用。
（2）染料舍染液而向纤维表面转移的过程称为吸附。染料吸附的原因是染料对纤维的直接性。而在染料发生吸附的同时也发生染料的解吸，所以吸附过程是一个可逆平衡过程。
（3）染料由染液浓度高的地方向浓度低的地方运动及染料由纤维表面向纤维内部运动的过程，称为扩散。染料扩散的原因是在染液或纤维中存在染料浓度梯度差。影响染料扩散速率大小的因素主要有：染料的分子结构——结构简单，扩散速率较快；对纤维的直接性——其他染色条件相同时，直接性小，扩散速率快；纤维的种类与结构——纤维无定形区多，结构疏松，染料扩散容易；染色温度——染色温度升高，染料的扩散速率上升，从而缩短上染时间。
（4）不同染料染色过程一般有三种情况：染料上染纤维后，染色即完成，如阳离子染料染腈纶、分散染料染涤纶等即属该种情况；染料上染纤维后，要经过一定的化学处理，才能完成染色，如还原染料隐色体染棉后的氧化处理、酸性媒染染料上染羊毛后的媒染剂处理、活性染料上染棉后的加碱固着处理等；染料上染到纤维上后，为提高牢度，要经过固色剂固色处理后，染色才完成，如酸性染料染蛋白质纤维、直接染料染棉等。
二、上染百分率（简称上染率）
1.定义
指染色至某一时间时，上染到纤维上的染料量占投入染浴中染料总量的百分比。
2.解读
（1）上染百分率的数学表达式为：
式中：Et——染色至某一时间时染料上染百分率；
Dft——染色至某一时间时纤维上的染料量；
Dst——染色至某一时间时残留在染液中的染料量；
DT——染色时投入染液中的染料总量。
（2）染料上染百分率与染料上染纤维的亲和力大小及染色工艺有关。亲和力大的染料上染百分率高。
（3）一般而言，染料的上染百分率越高，说明染料的利用率越高。既可降低生产成本，又减轻了染色废水的处理负担。
（4）提高染料的上染百分率，是各种染料染色工艺改进的重要目标之一。
3.上染百分率测定
用722型可见分光光度计，无色染浴（除染料外，其他染色助剂按工艺加入的溶液）作参比，在染料的最大吸收波长处分别测定染色前后染浴的吸光度，从而计算出染料的上染百分率。方法如下：
（1）配制合适浓度的待测染料母液。
（2）按照染色工艺处方及浴比要求，吸取需要体积（如V）的染料母液置于染杯中，并加入需要的助剂、水等配好染液，搅匀，加热至入染温度。
（3）将被染物投入染液，按照规定的染色工艺进行染色。
（4）染毕后取出染杯，冷却至室温。取出被染物，并挤出纤维上的染液，并入染杯残液中。用少量蒸馏水冲洗被染物，将冲洗液也并入染色残液中，并将其移入100mL容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度，摇匀，待测色用。
（5）从已经配制好的染料母液中，吸取V（与染色用量相同）染液，并加入其他助剂等，移至另一100mL容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度，摇匀。在分光光度计上首先测定该染液的最大吸收波长，然后在其波长下测定其吸光度A1（即为染色前染液吸光度）。必须注意，为使测得的吸光度值和染液浓度之间有良好的线性关系，应尽可能使吸光度值在0.1～0.8之间。这可以通过初步试验，找到染液的合适冲稀倍数N1达到。
（6）对染色后残液按同样办法，首先找出合适的冲稀倍数N2后，测出其吸光度值A2（即为染色后染液吸光度）。
（7）将测得的染色前及染色后残液的吸光度值A1、A2代入下列公式计算出上染百分率：
式中：A2——染色后染液稀释一定倍数后的吸光度；
N2——染色后染液稀释倍数；
A1——染色前染液稀释一定倍数后的吸光度；
N1——染色前染液稀释倍数。
三、平衡上染百分率
1.定义
染色达到平衡时，纤维上的染料量占投入染浴中染料总量的百分比。即染色达平衡时染料的上染百分率。
2.解读
（1）平衡上染百分率是在一定染色条件下，染料可以达到的最高上染百分率。染色达到平衡后，染料的上染率不再随时间延长而变化。
（2）染色工艺条件相同时，具有较高亲和力的染料，其平衡上染百分率也较高。
（3）上染是放热过程，提高上染温度会使染色亲和力降低，平衡上染百分率下降。
3.平衡上染百分率测定
平衡上染百分率测定同上染百分率一样，可以通过测定染色后残液吸光度的方法，计算出平衡上染百分率。以活性染料对棉织物染色为例，方法如下：
（1）按制订的工艺处方要求配制染液，并按规定的染色工艺对裁剪好的棉布小样（如2g/块）进行染色。
（2）染色过程中染杯加塞（避免水分蒸发），染色至一定时间，在振荡中吸取染液2mL置于25mL容量瓶，同时染杯中补加2mL水，测定取出染液的吸光度（稀释一定倍数）。
（3）随着染色时间的延长，吸附达到平衡，染液的吸光度值不再发生变化。
（4）此时计算得出上染百分率，即表示该染料的平衡上染百分率，同时也可表示染料直接性的大小。
四、上染速率曲线
1.定义
在恒定温度条件下染色，通过测定不同染色时间下染料的上染百分率，以上染百分率为纵坐标，染色时间为横坐标作图，所得到的关系曲线称为上染速率曲线。
2.解读
（1）上染速率曲线反映了染色趋向平衡的速率和平衡上染百分率大小。它是在固定染色温度条件下染料上染过程的特征曲线，也称为恒温上染速率曲线。
（2）上染速率通常用半染时间（t1/2）来表示。半染时间就是指染色达到平衡上染百分率一半时所需要的时间。t1/2值越小，表示染色趋向平衡的时间越短，染色速率越快。
（3）在实际生产中，测定染料上染速率即半染时间的重要意义是：几只染料拼混染色时，应选择上染速率接近的染料，即半染时间（t1/2）相同或相近的染料，以获得所需色泽。
3.上染速率曲线测定
在实际染色时，整个染色过程中温度常随染色时间而变化，但在测定上染速率曲线时，温度应保持不变。即保持染色温度恒定不变的条件下，通过测定不同时间的染料上染百分率，作出上染百分率和时间的关系曲线。以测定活性染料染棉的上染速率曲线为例，方法如下：
（1）按染色处方和浴比要求配制染液，并把配好染液的染杯置于水浴锅加热至规定温度（保持恒温）。
图1-3-2 染料上染速率曲线
（2）将准备好的棉织物投入染液开始计时，染至5min、10min、20min、40min时取染液2mL至25mL容量瓶中，每次取完后，向染液里补加2mL相同温度的水（保持染液体积不变）。
（3）从加碱固色起，同样在染至5min、10min、20min、40min时各取染液2mL至25mL容量瓶中，在每次取完后向染液里补加2mL同样温度的水。
（4）将容量瓶定容，按时间顺序编号测A值，并计算出对应的上染百分率。
（5）建立坐标系，以上染百分率为纵坐标，时间为横坐标作图。得到规定温度下的染料上染速率曲线。如图1-3-2所示为A、B两种染料的上染速率曲线。
注意：该方法操作容易，但不够严格，是一种近似方法，同一结构的染料所得上染速率曲线会由于染料商品化条件的不同而有差异。
五、吸附等温线
1.定义
温度恒定的条件下，染色达到平衡时，纤维上的染料浓度［D］f与染液中的染料浓度［D］s的分配关系曲线。
2.解读
（1）不同类型的染料在上染纤维时，对纤维的吸附性质有着显著区别。吸附等温线可以直观地表示出随着染料用量的改变，纤维上和染液中的染料量（浓度）的分配规律。从吸附等温线的形状上可推断出染料上染纤维的基本原理，从而可判断合理的染料用量范围。
（2）染料吸附等温线有三种类型：分配型吸附等温线、弗莱因德利胥（Freundlich）型吸附等温线、朗格缪尔（Langmuir）型吸附等温线。
图1-3-3 分配型吸附等温线
（3）分配型吸附等温线又称能斯特型（Nernst）或亨利（Henry）型吸附等温线，如图1-3-3所示。染料的吸附性质表现为：染料的上染可看成是染料在纤维中的溶解，上染机理又称固溶体机理。如分散染料上染涤纶、腈纶、锦纶符合分配型吸附等温线。
（4）弗莱因德利胥型吸附等温线如图1-3-4所示。染料的吸附性质表现为：染料的上染属于多分子层物理吸附，该上染机理又称多分子层吸附机理。如色酚钠盐、活性染料、还原染料隐色体、直接染料等离子型染料染棉，以氢键、范德华力吸附、固着，符合此类型等温线。
（5）朗格缪尔型吸附等温线如图1-3-5所示。染料的吸附性质表现为：染料上染属于化学定位吸附，该上染机理又称为成盐机理。如阳离子染料染腈纶、强酸性染料染羊毛等，染料以单分子（离子）以离子键吸附在染座上，当单分子占完染座时，染料对纤维染色达到饱和。
图1-3-4 弗莱因德利胥型吸附等温线
图1-3-5 朗格缪尔型吸附等温线