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塑木復(fù)合材料用木粉的染色工藝研究

摘要：將木粉經(jīng)陽(yáng)離子改性劑接枝改性后，利用篩選出的合適的直接耐曬型染料進(jìn)行染色。染色后的木粉具有較優(yōu)良的染色性能，上染百分率、染料保留率（水洗染色牢度）均比較理想，同時(shí)染色殘液補(bǔ)加染料后二次染色的木粉與初始染液染得木粉色差少。染色殘液可循環(huán)利用，減少污水的排放，達(dá)到環(huán)保的要求。
塑木復(fù)合材料兼具塑料的耐水防腐和木材的質(zhì)感等特性，因而成為一咱性能優(yōu)良并十分耐用的室外建材如地板、柵欄、椅凳、園林或水岸景觀等，還可替代港口、碼頭等使用的木質(zhì)構(gòu)件以及替代木材制造各種包裝物、托盤、倉(cāng)墊板等，其用途極為廣泛。由于加工中所用的塑料既可是新塑料，也可是廢舊塑料，所以塑木材料的出現(xiàn)大大減輕了塑料因難以自然降解而造成對(duì)環(huán)境的破壞。此外，我國(guó)作為一個(gè)森林覆蓋率極低的國(guó)家，對(duì)木材的有效利用或?qū)ふ倚碌哪静奶娲镌絹?lái)越重要。
使用塑料或回收塑料及廢舊木屑及至竹、花生殼、椰子殼、亞麻、秸稈、稻糠等天然植物纖維粉末為原料加工而成的塑木，在減輕污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，也能節(jié)約寶貴的自然資源，所以國(guó)內(nèi)外都在競(jìng)相開發(fā)塑木材料的相關(guān)技術(shù)，但尚未見有關(guān)塑木復(fù)合材料所用木粉的染色研究報(bào)道。木粉的染色屬于化學(xué)加工范疇，傳統(tǒng)染色技術(shù)常會(huì)產(chǎn)生廢水和潑液。因同時(shí)考慮到塑木多作為一種實(shí)用的戶外露天的水岸景觀或裝飾材料，筆者對(duì)木粉接枝改性，再進(jìn)行染色，探索一種工藝簡(jiǎn)單、染料上染百分率高、殘液可循環(huán)使用，廢水排放少且染色木粉耐曬牢度、水浸牢度高的染色工藝。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 原材料
木粉：江蘇南京市大源木塑有限公司
陽(yáng)離子改性劑1#：廣州創(chuàng)越化工有限公司；
陽(yáng)離子改性劑2#：廣東德美精細(xì)化工有限公司；
陽(yáng)離子改性劑3#：佛山市威騰化工有限公司
染料（直接染料系列、直接耐曬系列、酸性染料、陽(yáng)離子染料）：廣州市榮慶化學(xué)品有限公司；
元明粉：四川眉山天和化工有限公司；
滲透劑LSN：陰離子型，廣州市琪欣化工有限公司。
1.2設(shè)備和儀器
紫外可見分光光度計(jì)：UV756CRT型，上海佑科儀器儀表有限公司；
電子分析天平：BT125D型，稱量范圍0~120g，精度0.1mg,北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；
普通電子天平：DT1000A型，量程1000g，精度0.01g，常熟市意歐儀器儀表有限公司；
恒溫鼓風(fēng)干烘箱：上海索譜儀器有限公司；
循環(huán)水真空泵：SHZ-DⅢ型，鞏義市予華儀器有限公司
紅外線染色試樣機(jī)：HS-B型，鶴山精湛染整設(shè)備廠有限公司；
常溫?fù)u擺式小樣染色機(jī)：AS-12型，鶴山精湛染整設(shè)備廠有限公司；
電腦測(cè)色儀：Datacolor 600型，美國(guó)德塔公司。
1.3 染色原理及方法
木粉由纖維素、半纖維素和木素及少量其他成分組成，其中主要成分是纖維素。纖維素中含有豐富的親水性基團(tuán)，如羥基（-OH）、羥基（-COOH）等官能團(tuán)。染料可以通過氫鍵、范德華力或離子鍵作用力與木粉纖維相結(jié)合。為了獲得顏色均勻的透染效果，木粉染色主要采用小浴比常壓加熱浸染方式進(jìn)行加工。目前常用于木材染色的染料有直接染料、堿性染料、酸性染料、活性染料。但是活性染料染色相對(duì)比較麻煩，首先是染色中需加元明粉之類的強(qiáng)電解質(zhì)進(jìn)行促染，期次染色后期階段需加純堿固色來(lái)提高水洗牢度，可一部分染料在與纖維固色的同時(shí)，也有部分染料在純堿作用下水解，造成染色后的殘液與新配染液有差異，所以殘液無(wú)法重復(fù)使用，廢水處理成本高，所以筆者主要對(duì)比了直接染料、陽(yáng)離子染料、酸性染料的染色效果。
1.4染色性能測(cè)試
上染百分率：先利用紫外可見分光光度計(jì)掃描某染料溶液的最大吸收波長(zhǎng)，測(cè)試并制得吸光度與染液濃度之間關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)曲線，隨后測(cè)得木粉染色后殘液的吸光度，并通過標(biāo)準(zhǔn)曲線獲知染料濃度，進(jìn)而換算出染料剩余量。由上染染料量與投入染料量算出上染百分率。
染料保留率：按照浴比1：10，將染色木粉在98℃熱水中煮10min，真空抽濾后用紫外可見分光度計(jì)測(cè)試濾液的吸光度，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線獲知染液濃度，并算出染色木粉水煮后掉下來(lái)的染料量，由掉下來(lái)的染料量與染色木粉水煮前上染的染料總量間按算出染料保留率，保留率越高，說明染色木粉的水浸牢度或耐熱水洗牢度高。
總色差△E：染色后的木粉真空抽濾，然后分別將濾餅狀木粉烘干，在電腦測(cè)色儀上直接測(cè)試初次染色木粉和二次殘液染色木粉之間的色差值。
2 結(jié)果與分析
2.1 染料篩選
分別用不同類型的普通型直接紙張綠(HGF)、耐曬型直接造紙黃（H-DL）、直接耐曬蘭（BRL）、高濃玫瑰精（陽(yáng)離子染料）、酸性金黃G對(duì)木粉進(jìn)行染色。
系列直接染料和高濃玫瑰精的染色工藝為:按照浴比1：10，在規(guī)定量的常溫下的水中加入計(jì)量好的染料、滲透劑攪勻，再加入木粉，攪拌下按一定的升溫速率升到95℃，染15min后，再加入元明粉，繼續(xù)染15min，隨后冷卻到60℃，并抽濾，最后測(cè)試濾液的染料濃度。染色處方見表1，染色結(jié)果見表2.
酸性染料的染色工藝為：按照浴比1：10，在規(guī)定量的常溫下的水中加入冰醋酸調(diào)節(jié)到所需PH值，再加入計(jì)量好的染料、滲透劑攪勻，隨后加入木粉，攪拌下按一定升溫速率升到95℃，直接染30min，隨后冷卻到60℃，抽濾并測(cè)試濾液的染料濃度。染色結(jié)果如表3所示。
從表2和表3可以看出，普通的直接張綠HGF和直接造紙黃H-DL在加促染劑元明粉及滲透劑的情況上，上染百分率稍有提高，但均不理想，染液中殘余染料較多，可能是普通的直接紙張綠HGF及造紙黃H-DL與纖維之間的作用力不強(qiáng)，造成上染百分率不高。同樣原因，即使上染到木粉后，在熱水洗過程中染料也被洗下來(lái)，直接耐曬染料則因其分子量比一般直接染料高，與木粉的親和力大，上染百分率與染料保留都相對(duì)較高。但染料保留率還不是理想，所以后續(xù)要設(shè)法提高直接耐曬染料的耐水洗牢度。高濃玫瑰精是一種不溶性陽(yáng)離子染料，而纖維素纖維在中性條件下不帶負(fù)電荷，陽(yáng)離子染料與纖維之間主要是靠離子間作用力相結(jié)合，作用力不強(qiáng)，所以上染百分率和耐水洗牢度不夠好。
表3中采用的是酸性染料，它的染料保留率相對(duì)較高，但酸性染料是一種水溶性陰離子染料，在酸性條件下主要對(duì)木粉中的木素成分著色，對(duì)纖維素的上染率不高，對(duì)木粉的總體上染百分率不高，所以不宜作為木粉色用染料。
2.2接枝改性劑的選擇
直接耐曬型染料的上染百分率較高，但染色后熱水洗過程中仍有一定程度掉色現(xiàn)象，耐水洗牢度還不理想，因此在木粉染色前試圖用不同陽(yáng)離子改性劑先將木粉進(jìn)行接技改性。隨后再用直接耐曬型染料染色，并通過染色效果評(píng)價(jià)改性劑的優(yōu)劣。另因木粉已經(jīng)是細(xì)小顆粒，滲透劑及元明粉的加入對(duì)提高上染百分率作用不大，同時(shí)考慮實(shí)際操作及成本，染色中未再加滲透劑及元明粉，結(jié)果見表4.
從表4看出，相比較未改性試樣，木粉改性后的上染百分率得到提高的同時(shí)，耐水洗牢度大大改善，尤其是2#改性劑對(duì)染色木粉的染料保留提高幅度最大。主要是因?yàn)槟痉劢又γ卦E性后帶上陽(yáng)電荷，染料與木粉之間的作用力在原有的范德華力、氫鍵的基礎(chǔ)上增加了離子鍵，提高了木粉與染料的親和力，故染料的上染百分率和牢度都有所提高。2#改性劑與木粉形成共價(jià)鍵，結(jié)合最為緊密，故其作用較為明顯，將其作為木粉的陽(yáng)離子接枝改性劑。
2.3改性劑用量的確定
采用不同用量的2#改性劑對(duì)木粉進(jìn)行改性，再用不同染料和染料用量進(jìn)行染色，所測(cè)婁據(jù)見表5.
從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)年，染料用量增加即在染深色的時(shí)候，染料的上染百分率及染色木粉的耐水洗牢度都有所下降，但是在木粉改性劑用量多的情況下，上染百分率和染料保留下降幅度低一點(diǎn)。
綜合考慮成本，在染中淺色時(shí)接枝改性劑用量在2%即可，若染深色，改性量5%比較合適。
2.4 殘液二次染色與初始染色的對(duì)比
將接枝改性木粉染色后的濾液，在補(bǔ)加一定量的染料回到初始染色時(shí)染料深度的情況下，再加入接枝改性過的木粉進(jìn)行染色，隨后抽濾測(cè)試濾液的染料濃度以及對(duì)比兩次染色木粉的色差△E。
表6、表8和表10示出采用2%用量的2#改性劑對(duì)木粉進(jìn)行改性后，用直接耐曬紅、耐曬橙和RBL初始染液再染的各項(xiàng)性能對(duì)比。表7、表9和表11示出采用5%用量的2#改性劑對(duì)木粉進(jìn)行改性后，用直接耐曬紅、耐曬橙和BRL初始染液與二次染液再染的各項(xiàng)性能對(duì)比。
從表6~表11可以看出，在初始染色殘液中補(bǔ)加入染料達(dá)到原來(lái)染液的濃度時(shí)，它的上染百分率和染料保留率與初始染液的相差不大，這說明染色后的殘液不需要排入，可心循環(huán)利用，這樣不公可以節(jié)省染料和水，還可以節(jié)省污水處理費(fèi)用，更主要是減少對(duì)環(huán)境的污染。初始染液和補(bǔ)加染料的殘液染出來(lái)的木粉色光上稍有點(diǎn)偏差，但△E基本在0.3以內(nèi)。
3 結(jié)論
通過系列試驗(yàn)篩選出直接耐曬型染料對(duì)預(yù)先經(jīng)過陽(yáng)離子改性劑接枝改性過后木粉進(jìn)行染色，提高上染百分率和水洗牢度，能滿足戶外塑木材料的要求。為節(jié)約成本，染中淺色時(shí)，接枝改性劑用量為2%即可，染深色時(shí)改性量為5%比較合適。且改性后再染色的新工藝對(duì)木粉染色來(lái)講，殘液染色色差變化不大，能控制在合理要求范圍內(nèi)，染色后的殘液可以利用，不公可以節(jié)省染料和水，降低生產(chǎn)成本，還可以節(jié)約污水處理費(fèi)用，有利于保護(hù)環(huán)境。

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