染整工艺与原理教学课件

染整工艺与原理教学课件第一章染整基础与纤维结构纤维结构基础物理性质分析工艺意义了解纤维的基本构成和层次结构探讨纤维物理特性对染色的影响理解染整工艺的目的和实际应用纤维的基本结构天然纤维合成纤维主要由纤维素和蛋白质组成，分子链排由人工合成的高分子聚合物制成，分子列相对规整，具有天然的亲水性和良好结构规整但缺乏活性基团，染色性能与的染料吸附能力棉纤维、麻纤维以纤天然纤维存在显著差异需要特殊的染维素为主，羊毛、蚕丝以蛋白质为主要料和工艺条件才能实现良好的染色效成分果纤维素分子链含有大量羟基聚合物链缺乏活性基团••蛋白质纤维含有氨基和羧基结构致密影响染料渗透••天然结构利于染料渗透需要高温或载体助染••纤维的三层结构示意图表皮层（）Cuticle纤维的最外层，由鳞片状细胞组成，具有保护作用表皮层的完整性和开放程度直接影响染料的初始渗透羊毛纤维的鳞片结构特别明显，在染色前常需要进行适当的预处理以提高渗透性皮质层（）Cortex纤维的主体部分，含有大量的色素颗粒和结构蛋白这一层是染料主要结合的区域，其内部的微纤维结构为染料分子提供了丰富的结合位点皮质层的厚度和密度决定了纤维的染色深度髓质层（）Medulla纤维的物理性质对染色的影响孔隙率的作用孔隙率高的纤维表面积大，为染料分子提供更多的结合位点高孔隙率使染料能够快速渗透到纤维内部，实现深色染色然而，过高的孔隙率可能导致染料吸收过快，影响染色均匀性纤维粗细的影响细纤维具有更大的比表面积，染料吸收速度快，但可能出现染色过深的问题粗纤维染料渗透较慢，需要更长的染色时间或更高的温度纤维粗细的均匀性直接影响织物染色的一致性纤维密度与结构染整工艺的目的与意义外观美化功能性改善通过染色工艺赋予纤维丰富的色彩和图添加功能性染料和助剂，使纤维具备防案，改善织物的视觉效果和手感包括水、防火、抗菌、防紫外线等特殊性颜色调配、花纹印制、表面光泽处理等能这些功能性处理大大扩展了纺织品多个方面，满足不同的审美需求和时尚的应用范围，提高了产品的附加值和市潮流场竞争力个性化定制响应消费者对个性化和多样化产品的需求，通过先进的染整技术实现小批量、多品种的生产模式数字印花、按需染色等新技术使个性化定制成为可能现代染整工艺不仅是传统的着色过程，更是一门集化学、物理、机械工程于一体的综合技术，对提升纺织品价值和扩大应用领域具有重要意义第二章染料分类与化学原理01染料基础分类按化学结构和应用方式分类02结合机理分析物理和化学结合方式详解03分子结构与颜色化学结构决定光学性质04反应机理研究典型染色反应过程分析染料的基本分类活性染料直接染料含有活性基团，能与纤维形成共价键色泽鲜艳，色牢度优良，是纤维素纤维染色的主要选水溶性阴离子染料，直接与纤维结合，主要用择于纤维素纤维染色结构简单，操作方便，但色牢度相对较低酸性染料阴离子染料，在酸性条件下染色，主要用于羊毛、蚕丝等蛋白质纤维颜色鲜艳，匀染还原染料性好不溶于水，需在还原条件下转化为可溶性白体分散染料进行染色色牢度极佳，适用于深色和牢度要非离子型染料，以微细颗粒分散在染液中专求高的产品用于合成纤维染色，需要高温条件不同类型的染料具有独特的化学结构和染色机理，必须根据纤维性质和产品要求选择合适的染料类型，并采用相应的染色工艺参数染料与纤维的结合方式物理吸附机理染料分子通过范德华力、氢键、疏水相互作用等弱分子间作用力与纤维结合这种结合方式可逆性强，染料容易从纤维上脱落，因此色牢度相对较低范德华力分子间最弱的相互作用氢键作用在含羟基、氨基的体系中重要疏水作用非极性分子间的聚集倾向化学结合机理染料分子与纤维分子通过共价键、离子键等强化学键结合，形成稳定的化学结合体这种结合不可逆，色牢度优良，是高质量染色的基础共价键活性染料与纤维形成的强键合关键要点化学结合比物理吸附具有更高的结合强度和稳定性，但需要特定的反应条件和催离子键电荷相反的基团间静电吸引化剂配位键金属络合染料的特殊结合方式染料分子结构与颜色关系共轭双键系统染料分子中的共轭电子系统是产生颜色的根本原因共轭链越长，电子π跃迁所需能量越小，吸收光的波长越长，颜色越深苯环、萘环、蒽环等芳香体系是常见的共轭结构发色基团与助色基团发色基团如偶氮基（）、羰基（）等决定基本颜色；助色基团-N=N-C=O如羟基、氨基等调节颜色深浅和色调两者的协同作用形成了丰富多彩的染料色谱取代基对稳定性的影响不同位置和性质的取代基影响染料的光稳定性、热稳定性和化学稳定性电子给予基团通常提高稳定性，而电子吸收基团可能降低稳定性但增强染色力通过分子设计可以精确调控染料的颜色、强度和各种牢度性能，这是现代染料化学发展的重要方向染料的化学反应机理示意活性染料与纤维素纤维的反应机理活性染料分子中含有能与纤维素羟基反应的活性基团，如氯均三嗪基、乙烯砜基等在碱性条件下，纤维素分子链上的羟基以醇负离子形式存在，具有较强的亲核性反应过程包括碱性条件下纤维素羟基离子化

1.醇负离子对活性基团进行亲核攻击

2.形成稳定的醚键连接

3.染料分子与纤维共价结合

4.氧化染料的聚合机理氧化染料如苯二胺类化合物在氧化剂作用下发生氧化聚合反应，形成高分子量的着色物质反应过程复杂，涉及自由基中间体的形成和聚合，最终产物具有优异的色牢度氧化染料的染色原理（以头发染色为例）01染料渗透苯二胺等小分子染料前体在碱性条件下渗透进入毛发皮质层碱性环境使毛发鳞片张开，促进染料分子的深1,4-入渗透02氧化反应过氧化氢将苯二胺氧化成醌亚胺中间体这是关键的氧化步骤，醌亚胺具有高度的反应活性，能够与偶联剂快速反应03偶联反应醌亚胺与偶联剂（如间苯二酚、间氨基酚等）发生偶联反应，形成具有特定颜色的染料分子不同偶联剂产生不同的颜色04聚合固色初步形成的染料分子继续氧化聚合，形成高分子量的色素聚合体，牢固地固定在纤维内部，形成持久的颜色效果这种氧化染色机理产生的颜色非常稳定，因为染料分子变大后难以从纤维中脱出，同时化学键合强度高，具有优异的色牢度偶联剂的作用与分类染料的安全性与环境影响健康风险评估环境污染问题某些染料特别是苯二胺类化合物具有致染料工业是水污染的重要源头，废水中敏性，可能引起接触性皮炎、过敏反应含有难降解的有机污染物和重金属离等健康问题长期或大量接触还可能对子色度高的废水还会影响水体的透光肝脏、肾脏造成损害性，破坏水生生态系统对氨基苯甲酸（）致敏风险较废水和值通常很高•PABA•BOD COD高某些染料具有生物毒性•重金属离子可能造成慢性中毒•重金属离子在环境中富集•某些偶氮染料可分解产生致癌物质•绿色替代方案开发天然染料、生物染料和可降解染监管要求欧盟法规对REACH料，采用清洁生产工艺，建立废水循环染料中有害物质含量有严格限处理系统，是实现染料工业可持续发展制，我国也制定了相应的安全的必由之路标准第三章染整工艺流程与安全注意工艺流程参数控制完整的染色工艺流程设计与优化温度、、时间等关键参数调节pH安全防护设备选择操作安全与环境保护措施不同染色设备的特点与应用染色工艺的基本流程预处理工序去除纤维上的天然杂质、油脂、蜡质等物质，为染色做准备包括退浆、煮练、漂白等步骤预处理质量直接影响染色的均匀性和色泽鲜艳度，是整个染色工艺的基础环节染色工序根据纤维性质和染料类型选择适当的染色方法浸染适用于小批量和深色产品，喷染效率高适合大批量生产，涂染则用于特殊效果的局部着色染色过程需要严格控制工艺参数后处理工序通过定色、水洗、干燥等步骤巩固染色效果定色处理提高色牢度，彻底水洗去除浮色，适当的干燥温度保证纤维性能后处理工艺的完善程度决定了最终产品的质量等级每个工序都有其特定的技术要求和质量标准，工序间的衔接和参数匹配对整体染色效果至关重要预处理的重要性杂质去除的必要性天然纤维含有果胶、木质素、蛋白质等天然杂质，合成纤维表面有纺丝油剂残留这些物质会阻碍染料渗透，造成染色不均、色泽暗淡等问题预处理的主要作用包括提高润湿性去除疏水性物质，增强纤维亲水性增加渗透性清除堵塞物，畅通染料渗透通道改善均匀性消除纤维间的差异，保证均匀染色提升吸附量暴露更多活性基团，增加染料结合点漂白对色彩的影响漂白处理去除纤维的天然色素，为后续染色提供洁净的底色不充分的漂白会影响浅色染色的纯度，过度漂白则可能损伤纤维强度工艺要点预处理工艺要根据纤维类型、杂质含量和后续染色要求进行个性化设计，既要保证清洁效果，又要避免纤维损伤染色工艺参数控制°分钟60-130C pH4-1130-120染色温度溶液酸碱度染色时间不同染料和纤维组合需要特定的温值影响染料电离状态和纤维表面需要足够时间达到吸附平衡时间pH度范围活性染料，分散电荷酸性染料，活性染料过短上染不足，过长可能导致染料60-80°C pH4-6染料需高温分解130°C pH10-111:10-50浴比控制纤维与染液的重量比例影响染料浓度和传质效果小浴比节能环保温度曲线控制吸附平衡理论染色过程通常采用程序升温，避免急剧升温造成染色染色过程实质是染料在纤维和染液间的分配平衡平不均典型曲线包括衡位置受到温度、、离子强度等多种因素影响pH等温吸附模型常用于描述这一平衡关系Langmuir低温入染（），保证均匀渗透•40-50°C缓慢升温（），防止染料聚集•1-2°C/min高温保温，促进染料与纤维充分反应•控制降温，避免染料重新析出•染色设备介绍浸染设备喷染设备连续染色设备适用于批量染色，包括绞纱染色机、筒子纱染色采用高压喷嘴将染液均匀喷洒在纤维表面，适合包括浸轧、烘干、汽蒸等单元的连续化生产线机、布匹染色机等特点是染色均匀性好，但生大批量连续生产染液用量少，能耗低，但对染生产效率高，产品质量稳定，但设备投资大，适产效率相对较低设备投资成本适中，操作灵液的均匀性和喷嘴维护要求较高合大规模标准化生产需要精确的工艺控制系活统设备选择需要综合考虑生产批量、产品种类、质量要求、投资成本等多个因素现代染色设备普遍采用计算机自动控制，提高了工艺稳定性和重现性染色后的定色处理定色剂的作用机理定色剂通过以下方式提高染色牢度络合作用与染料分子形成稳定络合物交联反应在染料和纤维间形成桥梁包膜作用在纤维表面形成保护膜填充效应填充纤维空隙，减少染料迁移常用定色剂类型阳离子定色剂如季铵盐类化合物，适用于阴离子染料；金属盐定色剂如铬盐、铜盐，形成金属络合物；树脂类定色剂通过交联反应固定染料洗涤工艺要点定色后的充分洗涤是保证产品质量的关键步骤洗涤可以去除未反应的染料、定色剂余量和反应副产物，防止在使用过程中的色迁移洗涤工艺包括冷水洗涤，去除表面浮色

1.热水洗涤，清除深层残留

2.中性洗涤，调节值

3.pH最终清水洗涤，确保洁净

4.合理的定色和洗涤工艺能够显著提高产品的各项色牢度指标，满足不同用途产品的质量要求染整工艺中的安全防护个人防护装备通风排毒系统操作人员必须佩戴防化学手套、防护眼镜、防尘口罩染整车间必须配备强制通风设备，及时排除有害气体等个人防护用品对于挥发性强的染料和助剂，需要和粉尘局部排风装置应安装在染料配制、投料等关使用防毒面具防护服应选择防渗透材料制成键工位空气净化装置能够进一步降低环境污染应急冲洗设施在化学品使用区域设置紧急冲洗淋浴器和洗眼器，一旦发生化学品溅射可立即冲洗冲洗水应为清洁的温水，冲洗时间不少于分钟15化学品管理制度建立完善的化学品分类存储、标识管理、使用记录、废料处置等管理制度不同性质的化学品应分开存放，避免相互反应定期检查容器密封性，防止泄漏污染安全提醒染整工艺涉及多种化学品，必须严格遵守安全操作规程，定期进行安全培训和应急演练染料过敏与健康风险常见过敏症状预防措施接触性皮炎皮肤红肿、瘙痒、起疹使用前进行皮肤敏感性测试，观察小时48无不良反应方可正常使用选择低致敏性呼吸道反应咳嗽、气喘、呼吸困难染料产品，避免使用含禁用成分的劣质染眼部刺激结膜炎、流泪、疼痛料系统性反应严重时可能引起过敏性休克应急处理方法高风险染料成分立即脱离接触源，脱去污染衣物

1.大量清水冲洗接触部位分钟

2.15-20对苯二胺是最常见的致敏原，过敏率PPD轻微过敏可外用抗过敏药膏约为其他高风险成分包括间苯二

3.1-4%胺、甲苯二胺、氨基酚类等含镍、铬等严重反应需立即就医治疗

4.重金属的染料也可能引起接触性过敏重要提醒过敏反应具有个体差异性，即使之前未出现过敏也不能掉以轻心，每次使用前都应做好防护措施染整工艺的环保挑战20%70%90%工业废水占比废水回用率目标去除率COD纺织染整行业产生的废水约占全球工业废水总量的通过先进的处理技术，染整废水回用率可达到以采用生物物化组合工艺，可实现以上的去除70%-90%COD，是水环境污染的重要来源上，大幅减少新水消耗率，满足排放标准要求20%主要环境污染问题水污染问题染整废水色度高、有机物浓度大、波动大，含有难生物降解的染固废污染染料污泥、废包装材料、废滤料等固体废物需要安全处置，避免二次pH料分子和助剂重金属离子超标也是常见问题污染大气污染挥发性有机化合物排放、粉尘污染、恶臭气体等影响空气质量能源消耗染整工艺耗能高，特别是热能消耗大，增加了碳排放压力VOCs和周边环境染整工艺的创新技术纳米技术应用生物染料开发可降解染料技术纳米染料粒径小、比表面积大，具有优异的染色性能从植物、微生物中提取天然染料，或通过生物工程技设计具有特定降解位点的染料分子结构，在使用后能和功能特性纳米可赋予织物自清洁和抗紫外线术生产染料微生物发酵法生产靛蓝染料已实现工业够被环境微生物分解光降解染料在紫外光作用下分TiO₂功能，纳米银具有持久抗菌效果纳米载体技术实现化，藻类、真菌等微生物成为新的染料来源基因工解为无害物质，酶降解染料通过特异性酶催化反应实了染料的缓释和靶向释放程技术可定向改造微生物，提高染料产量和品质现降解可逆染料技术使纺织品可多次重新染色数字化染色技术数字喷墨印花技术实现了按需染色，减少了废料产生计算机配色系统通过光谱分析和数学模型，精确预测染色配方，提高一次成功率人工智能算法优化工艺参数，实现自动化和智能化生产染整工艺案例分析棉织物活性染色活性染料与棉纤维结合机理活性染料分子中的活性基团（如氯均三嗪基、乙烯砜基）在碱性条件下与棉纤维分子链上的羟基发生亲核取代反应，形成稳定的共价醚键这种化学结合方式使得染色具有优异的耐洗和耐摩擦色牢度01前处理工序退浆去除浆料，煮练去除天然杂质，漂白提高白度处理后的棉织物羟基充分暴露，为后续染色创造条件02冷轧堆染色室温下将织物浸轧含活性染料的染液，然后堆置小时使染料充分扩散和反应此法染液用量少、色泽鲜艳8-2403碱处理固色用碱液浸轧织物，使染料与纤维发生化学反应形成共价键碱浓度、温度和时间是关键控制参数04后处理清洗充分水洗去除未反应染料和碱剂，然后皂洗提高色牢度，最后进行柔软整理改善手感工艺关键控制点包括染液值、碱处理温度、反应时间分钟等参数的精确控制pH11-1280-100°C60-90染整工艺案例分析羊毛酸性染色酸性染料与蛋白质纤维结合羊毛纤维含有丰富的氨基和羧基等离子性基团，在酸性条件下氨基质子化带正电荷，与阴离子酸性染料发生离子键结合同时还存在氢键、范德华力等辅助结合方式结合机理包括•离子键结合（主要）•氢键辅助结合•疏水相互作用•分子间范德华力染色工艺流程与优化润湿入染高温保色40°C温水中加入润湿剂，使羊毛充分润湿然后加入已溶解的酸性染料，pH调至4-5，开始低温98°C保温30-60分钟，确保染料充分上染和固色此阶段决定最终的染色深度和均匀性染色1234缓慢升温降温洗涤以1-2°C/min速度升温至98°C，升温过程中染料逐步上染温度过快会造成染色不均，损伤纤自然降温至60°C以下，清水洗涤去除浮色，柔软剂处理改善手感，最后脱水干燥维染整工艺案例分析合成纤维分散染色分散染料的特点与应用分散染料是非离子型染料，分子量小、结构紧凑，在高温下能够渗透进入合成纤维的无定形区由于合成纤维缺乏亲水性基团，只能通过物理吸附和分子间作用力结合，需要特殊的染色条件高温染色法载体染色法热熔染色法130°C高温下染色，利用高温使纤维分子链段运动加剧，增加自由体积，便于染料分100°C下使用载体（如邻苯基苯酚）促进染料渗透载体能溶胀纤维，降低玻璃化温将染料以固体形式涂布在纤维表面，然后高温热处理使染料升华渗入纤维适用于纤子渗透需要密闭的高压设备，适用于聚酯等耐热纤维度，使染色在较低温度下进行但载体有环境污染问题维和织物的连续化染色，效率高但设备要求高分散剂的关键作用分散染料在水中溶解度极低，需要分散剂的帮助形成稳定的悬浮体系分散剂的选择直接影响染料的分散稳定性、渗透性和最终的染色效果•阴离子型分散剂电荷稳定为主•非离子型分散剂空间稳定效应•高分子分散剂综合稳定效果染整工艺的质量检测方法耐洗色牢度测试按照标准洗涤条件测试染色纤维在洗涤过程中的褪色程度包括40°C、60°C不同温度条件，使用标准洗涤剂和钢球增加摩擦通过灰色标准卡评定变色和沾色等级耐摩擦色牢度使用白色标准布在一定压力下摩擦试样表面，测试干摩擦和湿摩擦条件下的掉色情况摩擦头直径16mm，压力9N，往返摩擦10次，评定沾色等级耐光色牢度在标准光源照射下暴晒一定时间，比较暴晒前后的颜色变化使用氙灯或碳弧灯模拟日光，照射强度控制在标准范围内通过蓝色羊毛标准对比评定等级色差仪定量分析显微镜观察分析使用分光色差仪测量试样的反射光谱，计算CIE L*a*b*色彩参数通光学显微镜和电子显微镜可以观察染料在纤维中的分布状态、渗透深过数值比较精确评定颜色差异，△E值小于1为优秀，1-3为良好，大度、聚集程度等微观结构偏光显微镜能够分析染料的取向性和结晶于3为差状态主要参数包括观察要点•L*值明度，0为黑，100为白•染料分布均匀性•a*值红绿轴，正值偏红，负值偏绿•纤维表面和内部染色差异•b*值黄蓝轴，正值偏黄，负值偏蓝•染料颗粒大小和形状•纤维结构变化染整工艺未来展望智能化发展绿色环保个性定制人工智能、机器学习、物联网技术与染整工艺深度融合自动配色系统、智能质量检测、预测性维清洁生产工艺、零排放技术、循环利用系统成为发展重点生物染料、超临界CO₂染色、等离子体数字印花、按需染色、快速响应制造满足个性化需求3D打印、纳米材料、智能纺织品等新技术护等技术提高生产效率和产品质量数字双胞胎技术实现工艺过程的虚拟仿真和优化处理等绿色技术工业化应用建立从染料生产到废料处理的全产业链环保体系拓展应用领域柔性制造系统实现小批量、多品种、快交付的生产模式总结与展望染整工艺传统与创新的完美融合技术融合创新染整工艺成功融合了化学原理、机械工程、材料科学等多学科知识，通过精确的工艺控制实现纤维性能的全面提升从分子层面的染料设计到宏观层面的设备集成，体现了现代工业技术的综合性特征安全环保理念安全生产和环境保护已成为染整工艺发展的核心约束条件和驱动力绿色染料开发、清洁工艺技术、废料循环利用等方面的持续创新，推动行业向可持续发展方向转型升级智能化转型人工智能、大数据、物联网等新一代信息技术与染整工艺的深度融合，开启了智能制造新时代自动化控制、智能决策、预测性维护等技术应用，大幅提升了生产效率和产品品质稳定性染整工艺的未来发展将以绿色化、智能化、个性化为主导方向，在满足人们对美好生活向往的同时，承担起保护地球环境的重要责任技术创新永不止步，可持续发展理念将引领行业迈向更加美好的明天。