【甜菜碱在活性染料对棉织物低盐染色中的应用】活性染料对人体有害吗?

　　通过加入甜菜碱以提高活性染料对棉织物染色的颜色强度（K/S值），研究了甜菜碱浓度、碱剂浓度、固色时间、浴比和温度等对染色织物颜色强度的影响，得到加甜菜碱时的最佳染色工艺为：活性红B � 3BF 4%（o.w.f），NaCO3 35 g/L（入染时加入），甜菜碱 1.2 g/L，浴比 1∶10，温度 60 ℃，染色时间 80 min。结果表明，加入甜菜碱后活性红B � 3BF对棉织物染色可减少 60% 以上的无机盐（Na2SO4）用量，染色牢度也有所提高。并将甜菜碱应用于其它活性染料的染色，发现其染样的颜色强度都有不同程度的提高。
　　Betaine was used in reactive dye bath for cotton dyeing to lower the amount of inorganic salt. For this purpose, dyeing of cotton fabrics with reactive dyes using betaine and sodium sulfate was investigated. Factors affecting dyeability such as dye concentration, salt concentration, alkali concentration, fixation time, and dyeing temperature were also studied. Results showed that the color strength and fastness properties of dyed fabrics were improved and the hue of dyed fabrics was not changed by adding betaine to the dyebath. The overall results suggest that betaine has potential as an exhaust agent to reduce the amount of inorganic salt in reactive dyeing of cotton.
　　对纤维素纤维进行改性，如在纤维大分子上引入阳离子基、氨基等，提高活性染料对它的可染性，这是实现活性染料无盐染色的有效途径，但由于对纤维改性会大大提高其成本，同时在改性的过程中也会排放有害物质而造成环境污染，从而限制了此种方法的大规模工业化生产。用有机盐如柠檬酸三钠、聚羧酸钠等代替无机盐进行促染，可以减少环境污染，但要达到相同的颜色深度，需要加大有机盐的用量，而一般情况下，有机盐比无机盐昂贵，这必然提高染色成本，从而使有机盐的应用也受到限制。此外，一些公司如汽巴研制出低盐活性染料，此种染料分子中带有正电荷，染色时可以大大减少盐的用量，但此类染料的品种有限，颜色种类不足，且不易储存、价格昂贵，从而使其无法得到广泛应用。所以，从总的情况来看，活性染料染色没有真正全面实现低盐或无盐染色。
　　甜菜碱（Betaine，以下简称BT）是一种无毒易分解的两性化合物，最早发现于甜菜中，主要用于饲料改善膳食的口味。其分子中带有一个正电荷和一个负电荷，在染液中加入甜菜碱后，甜菜碱分子中的正离子与染料阴离子形成离子键结合，由于磺酸基的离解性比羧基的大，甜菜碱正离子与磺酸基阴离子结合后，将减少活性染料的负电量，从而减小染料与纤维之间的静电排斥，使染料对纤维的直接性增强。同时，由于甜菜碱中存在羧基，加入甜菜碱后，不会影响染料的溶解性能，染料的匀染性不会受到影响。
　　本文研究甜菜碱对活性染料染色性能的影响，通过在染液中加入甜菜碱促进染料的上染，同时结合改进优化染色工艺，与传统工艺进行对比，实现活性染料低盐染色。
　　1试验部分
　　1.1实验材料
　　1.1.1织物
　　织物为经退煮漂后的纯棉白布，120 g/m2，再经过 5 g/L碳酸钠和 2 g/L非离子型皂粉（实验纯，天津科密欧化学试剂有限公司）沸煮 20 min，之后充分洗涤到中性，室温晾干 待用。
　　1.1.2染料和化学药品
　　所使用的染料为B型（双活性基）染料，分别为：活性红B � 3BF、活性红B � 3BD、活性黄B � 4GLN、活性金黄B � 3RD、活性蓝B � RV、活性翠蓝B � BGFN、活性黑B � GFF，均为上海万德化工有限公司提供；甜菜碱，实验纯，天津天成制药有限公司生产；其它试剂如无水硫酸钠（SS）、碳酸钠等均为实验纯，天津科密欧化学试剂有限公司生产。
　　1.2染色条件
　　1.2.1甜菜碱最佳浓度的确定
　　在染料活性红B � 3BF的每个用量（2%、4%、6%、8%，o.w.f）下，分别加入不同浓度的甜菜碱，以确定单个染料用量下的最佳甜菜碱浓度，其中浴比均为 1∶30，Na2CO3的浓度分别为 20、20、30、40 g/L（对应以上的每个染料用量）。
　　1.2.2其它染色工艺参数的优化
　　为了最大限度地减少无机盐的用量，对其它染色工艺参数如染色温度、浴比、碱剂浓度、固色时间、无机盐浓度等进行优化，优化的过程中选用的染料为活性红B � 3BF，用量 4%（o.w.f），甜菜碱浓度为上述确定的最佳浓度；同时，为了考察甜菜碱的促染作用，对不加甜菜碱时的染色工艺参数也进行优化，以便于二者形成对比，加与不加甜菜碱的每步优化过程均在同一常温小样机（型号：ACS � 24，天津莱恩科技公司生产）中完成。
　　在每个参数优化的过程中，改变所要优化的参数，固定其它参数。
　　1.2.3皂洗处方
　　染样取出后水洗，之后再在含有皂粉为 2 g/L、浴比为 1∶20 的皂液中，于 98 ℃下皂洗 10 min，皂洗后充分水洗、晾干。
　　1.3测试与分析
　　1.3.1颜色测试
　　染样的颜色强度（皂煮前与皂煮后）以K/S值来表征，K/S值在Datacolor SF 600 plus测色配色仪上测得。
　　K/S值提升率以I表示，其计算公式如下：
　　式中，Kb为加入甜菜碱后或Na2SO4 60 g/L时染样皂煮后的K/S值；K0为不加甜菜碱或Na2SO4 30 g/L时染样皂煮后的K/S值。
　　1.3.2牢度测试
　　染样的耐水洗牢度测试按ISO 105 C02―1989；耐摩擦牢度测试按ISO 105 X12―1987。
　　2结果与讨论
　　2.1甜菜碱浓度的影响
　　每一个染料用量下都有一个最佳甜菜碱浓度，且每个最佳浓度都不相同，随着染料用量的增加，甜菜碱的最佳浓度也在增加，且与染料用量成比例的增加，但染料用量很大时，甜菜碱的最佳浓度却大为减小，由 6%（o.w.f）时的 1.6 g/L骤降到 8%（o.w.f）时的 0.4 g/L。这可能是因为染料浓度足够大时，甜菜碱与染料分子结合的几率快速增大，从而少量甜菜碱就可以起到较好的封闭效果。加入最佳浓度的甜菜碱后，染样的颜色强度都有了一定提高，且染料用量越大，染样颜色强度提高的幅度越大，到 8%（o.w.f）时，加入少量甜菜碱可以减少一半以上的盐量。为了最大程度地减少盐量，以下对其它工艺参数进行优化。
　　2.2温度的影响
　　不同染色温度下染样的K/S值。固定浴比 1∶30，Na2CO3 30 g/L，染色 40 min后升温加碱固色 40 min，甜菜碱 0 或 1.2 g/L，Na2SO4 30 g/L或 60 g/L。
　　有甜菜碱和无甜菜碱时都有一个最佳染色温度，即都为 60 ℃恒温染色。这主要是因为染色温度过低时，染料与纤维的反应活性不足，在一定时间内未反应的染料较多，染样的颜色强度低；而染色温度过高时，染料的水解反应加剧，不能上染的染料增多，染样的颜色强度也较低。在各个染色温度下，加入甜菜碱后，染样的颜色强度都有不同程度的提高，这表明，甜菜碱在各个温度下都可作为低盐染色剂。
　　2.3碱剂浓度的影响
　　Na2CO3浓度对染样颜色强度的影响。固定浴比为 1∶30，甜菜碱 1.2 g/L，Na2SO4 30 g/L或 60 g/L，改变Na2CO3浓度为 10、15、20、25、30、35、40 g/L。
　　在各碱剂浓度下，加入甜菜碱后，K/S值都有明显提高，且到Na2CO3浓度为 35 g/L时，K/S值提高的幅度最大，高于 35 g/L时，K/S值开始下降，这可能是因为在这个碱剂浓度下，羧基与磺酸基的电离度相差最大，甜菜碱封闭负电荷的效果最明显。继续增大碱剂浓度，一方面染料的水解大大加强，另一方面羧基也完全电离，不能封闭染料的负电荷，使染样的K/S值逐渐下降。
　　2.4固色时间的影响
　　Na2CO3加入时间对颜色强度的影响。固定浴比 1∶30，甜菜碱 1.2 g/L，Na2SO4 30 g/L或 60 g/L，温度 60 ℃，改变固色时间为 20、30、40、50、60、70、80 min。
　　加或不加甜菜碱时不同固色时间下染样的K/S值，不加甜菜碱的传统染色工艺中染样的K/S值随固色时间的延长是先增大后减小，在上染 30 min后加碱固色 50 min时，染样的K/S值达到最大。而加入甜菜碱后，染样的颜色强度是随固色时间的延长而增大，在入染时加入碱剂染样的K/S值最大，这主要是由于在一定碱性条件下，甜菜碱与染料的电离度相差较大，封闭阴离子的作用更明显，从而这种封闭作用时间越长，染料的上染率越大；另外，加入甜菜碱后染样的颜色强度比传统工艺的大，这表明加入甜菜碱后，合理控制各项染色参数，可以进行低盐的一浴一步染色，进而可以简化染色工艺。
　　2.5染色浴比的影响
　　浴比对染样颜色强度的影响。固定Na2CO3 30g/L，甜菜碱 1.2 g/L，Na2SO4 30 g/L或 60 g/L，改变浴比为 1∶50、1∶40、1∶30、1∶20、1∶10。
　　浴比对活性染料染色有较大影响，浴比减小，染料的浓度梯度增大，上染动力增强，使染样的K/S值增大，在各染色浴比下，加入甜菜碱后，染样的K/S值都有所提高。进行小浴比染色时，在增大染样颜色强度的同时，不但可以减少废水的排放，而且能够大大减少盐的用量，加入甜菜碱后，盐的用量减少，实现活性染料对棉织物的低盐小浴比染色，对环境保护和提高企业效益有利。
　　2.6甜菜碱在其它活性染料染色中的应用
　　不同甜菜碱浓度下经其它染料染色后棉织物的K/S值。染料用量 4%（o.w.f），Na2CO3 30 g/L，浴比 1∶30，Na2SO4 30 g/L或 60 g/L。
　　加入甜菜碱后各个染料对棉织物的染色强度都有不同程度的提高，这进一步说明甜菜碱可以作为活性染料的低盐染色剂。同时还发现，各个染料的最佳甜菜碱用量都不相同，且K/S值提高的幅度也不同，这可能是因为各个染料的结构和所带的磺酸基数量不同所致。
　　经过对各个染色工艺参数进行优化后，得到加甜菜碱时活性红B � 3BF对棉织物染色的最佳工艺为：染料 4% （o.w.f），Na2CO3 35 g/L，甜菜碱 1.2 g/L，浴比 1∶10，温度 60 ℃，染色初期加碱固色 80 min。
　　为了考察甜菜碱减少盐量的最大程度，在各个盐量下，分别使用加与不加甜菜碱时活性红B � 3BF的最佳工艺进行染色。
　　2.7无机盐浓度的影响
　　不加甜菜碱时，染样的颜色强度随无机盐浓度的增加而增加；加入甜菜碱后，无机盐浓度为 0 时，染样的颜色强度比不加甜菜碱时为低，加入少量盐、浓度低于 10 g/L时，染样的颜色强度随无机盐浓度的增加而快速增加，盐浓度高于 30 g/L后染样的颜色强度在误差范围内趋于平衡，这主要是因为加入甜菜碱后甜菜碱封闭了染料的阴电荷，再加入少量的无机盐就可以封闭纤维所带的阴电荷，从而加入少量盐就可使染样的颜色强度大为增强。加入 1.2 g/L甜菜碱后，盐浓度为 10 g/L时染样的颜色强度与不加甜菜碱、盐浓度为 60 g/L时的颜色强度相当，这表明少量甜菜碱能为活性红B � 3BF减少 80% 的无机盐量，实现了低盐染色的目标。
　　2.8对色牢度的影响
　　加或不加甜菜碱时染样的水洗和摩擦色牢度。染料浓度：4%（o.w.f）；Na2CO3 30 g/L；浴比为 1∶10；Na2SO4 10 g/L；甜菜碱 0 g/L或 1.2 g/L。于 60 ℃入染，30 min后加碱固色 50 min，然后水洗、皂洗、水洗、晾干、测各项色牢度。
　　在染液中加入甜菜碱后，各染料染色织物的水洗色牢度和摩擦色牢度没有降低，有的甚至有所提高。这是由于加入甜菜碱后染料的水溶性和在棉纤维内的扩散性不受影响反而有所增加之故。
　　3结论
　　经以上研究表明，加甜菜碱时的最佳染色工艺为：活性红B � 3BF 4%（o.w.f），NaCO3 35 g/L（入染时加入），甜菜碱 1.2 g/L，浴比 1∶10，温度 60 ℃，染色时间 80 min。加入甜菜碱后活性红B � 3BF对棉织物染色可减少 60% 以上的无机盐用量，染色牢度也有所提高。并将甜菜碱应用于其它活性染料的染色，发现其染样的颜色强度都有不同程度的提高。
　　参考文献（略）