阳离子聚合物乳胶粒在纤维表面的吸附与固色作用机理

颜料染色是比染料更环保的染色方法。由于棉和聚酯等纤维表面通常带负电荷，纤维与阴离子乳胶粒和颜料粒子之间存在静电斥力，因此在加热固色过程中，该染色体系会在纤维表面无选择性地形成聚合物薄膜，影响染色后织物的手感和牢度，从而阻碍颜料染色的广泛应用。本项目通过对纤维和阳离子聚合物乳胶粒的Zeta电位和结构进行调控，在两者之间构建较强的静电吸引力和界面结合力，考察阳离子乳胶粒和颜料粒子对纤维的吸附，建立吸附模型，探索使阳离子乳胶粒在纤维表面有选择性地形成聚合物薄膜，将颜料粒子固着在纤维上的方法，解决阴离子染色体系因与纤维之间存在静电斥力，造成的牢度和手感问题，建立新的颜料染色理论，为开发节能环保印染技术奠定基础。本项目不仅对于了解阳离子多相多组分体系中粒子之间、粒子与纤维间的界面相互作用具有学术价值，而且对于开发能对多纤维组分织物染色的新型着色材料，促进纺织工业的可持续发展，具有现实意义。

节能减排和技术转型升级是纺织印染行业面临的重大挑战。本项目针对印染行业因使用染料所产生的高能耗、高水耗和高废水排放，以及传统颜料印染所存在的手感和牢度相互矛盾、活性染料染色湿牢度差等重大技术问题，研究阳离子乳胶粒结构和性能的调控方法、棉及其混纺织物纤维表面结构的改性方法以及阳离子乳胶粒在纤维表面的吸附和分布行为，揭示了阳离子乳胶粒在纤维表面的成膜过程和对染料、颜料的固色机理。研究结果表明，通过改变合成阳离子乳液聚合使用的乳化剂、阳离子单体和非离子单体以及合成方法，能够有效调控阳离子乳胶粒表面的Zeta电位、粒径和分布。例如，当用苯乙烯和丙烯酸丁酯为非离子单体时，用不可聚合的乳化剂合成的阳离子乳胶粒比用可聚合乳化剂合成的阳离子乳胶粒具有更均匀的球形结构、更高的表面电荷密度和玻璃化转变温度；与单疏水链表面活性剂相比，双疏水链表面活性剂合成的乳胶粒表面电荷密度更高、粒径更大、单分散性更好。对于棉纤维来说，由于其表面的负电荷数量较少且分布不够均匀，因此大部分乳胶粒在棉纤维表面的吸附呈现单层和多层粒子吸附共存的现象。用CMC对棉纤维进行改性，不仅可以提高棉纤维表面的负电荷数量，而且可以使阳离子乳胶粒在纤维表面的吸附符合Langmuir模型。对于棉／涤混纺织物来说，由于两种纤维表面负电荷数量和疏水性的差异，阳离子乳胶粒在涤纶纤维上的吸附量很少。通过用碱和十六烷基三甲基氯化铵使涤纶纤维表面大分子链中的酯键水解，可以调控阳离子乳胶粒在两种纤维上的吸附量和分布均匀性。对于棉／罗布麻混纺织物来说，用等离子体对织物进行预处理，可以增加阳离子乳胶粒在纤维表面的吸附量。阳离子乳胶粒先通过与纤维之间的静电吸引力吸附于纤维表面，染色时由于纤维表面带正电，阴离子染料分子或颜料粒子通过静电吸引力吸附于纤维表面的乳胶粒上，在烘干过程中乳胶粒熔融，其表面吸附的染料分子或颜料粒子转向纤维表面，与纤维形成范德华力和氢键等作用力，使染料分子或颜料粒子固着于纤维上，而乳胶粒内部的疏水性聚合物大分子，在烘干过程中，由于表面张力低，指向空气，在纤维表面形成了疏水性的聚合物膜。所形成的膜进一步提高了染色织物的牢度。本项目的理论研究成果已经被成功地应用于印染生产的涂料印花和活性染料染色工艺中，解决了印染行业涂料印花牢度和手感相互矛盾、活性染料染色湿牢度低等重大技术难题。