染料、纤维和水的相互作用：第二章优化

纺织品染色是一种古老的工艺，如第一章所述，我国和印度、埃及早在史前就有天然染料（natural dyes）染色的纺织品，1856年以后英国、德国等开始合成染料的染色，逐渐被推广到世界各国。

染色过程的研究开始得较晚，据文献记载，第一位科学地描述染色过程的是罗伯特·波伊尔（Robert Boyle）（1664年）。到19世纪40年代，沃特·奎姆（Walter Crum）对染色中的化学问题进行了研究，并应用到工业生产中，但这方面研究非常有限。直到帕金（W.H.Perkin）发明合成染料以后，人们了解了染料结构，才真正开始对染色过程中的化学问题和物理现象进行全面的研究，提出相关的染色理论。

我们先做个实验：把一束棉纤维浸入一定温度的直接染料水溶液中，可以观察到染液中的染料从水中转移到纤维上，水中染料逐渐减少。保持一段时间，纤维上颜色和水中的染料不再变化。在任何时间取出纤维，即使拧干，水分可以去除，但染料仍留在纤维上，说明该染料和纤维间存在相互作用力。染色就是染料结合在纤维上的过程。一个理想的染色过程，应该使纤维得到均匀的颜色，同时具有一定的染色牢度。

染色过程是在染料、被染物（纤维或织物）构成的染色体系中完成的。在以水为介质的染色体系中，染料分子、纤维分子、水分子间存在分子间相互作用，有染色助剂存在的体系中，又增加了染料分子、纤维分子、水分子与染色助剂分子间相互作用（图2-1）。但决定染料上染的关键是染料分子与纤维分子间的作用力。

染液中，染料分子之间、染料分子与水分子、染色助剂分子间存在相互作用力；水分子之间、水分子与染色助剂分子间存在相互作用力；染色助剂分子之间也存在相互作用力，从而形成相对稳定的染色溶液。在染料上染纤维时，染料分子与纤维分子之间作用力是染料上染的主要原因，同时存在的还有纤维分子之间、纤维分子与水分子、染色助剂分子间的相互作用。在溶胀的亲水性纤维孔道中，还存在染料分子与纤维分子之间、染料分子与染料分子之间、染料分子与水分子之间、染料分子与染色助剂分子间作用力。(www.xing528.com)

染料从染液中转移到纤维的过程中，存在一系列分子间力的拆散、新的分子间力的建立。最关键的是纤维分子与染料分子间作用力的建立，在多分子层吸附时还存在染料分子之间作用力的建立。被拆散的一是染料分子与水分子、助剂分子间的作用力，二是纤维分子与水分子、助剂分子间的作用力，三是染料分子与染料分子之间、纤维分子与纤维分子之间作用力。在分子间力的拆散和重建过程中，染色体系的染色热、染色熵也发生变化，具体见第三章。

本章将论述上染过程及相关术语，染料上染纤维时各种分子间作用力形式，运用超分子化学解释染料在溶液中的状态、染料上染纤维的组装过程及存在的状态。

图2-1　染色体系中的分子间作用力

1—纤维—染料间作用　2—染料在纤维中扩散　3—染料—染料间作用（缔合）　4—染料—助剂间作用　5—助剂—助剂间作用（缔合、胶束）　6—助剂—纤维间作用　7—助剂在纤维中扩散　8—染料—水间作用（水合）　9—水—水间作用（缔合）　10—纤维—水间作用（水合）　11—水在纤维中扩散　12—水—助剂间作用（水合）13—酸—染料间作用　14—酸—纤维间作用　15—酸在纤维中扩散　16—酸—助剂间作用　17—盐—助剂间作用18—盐—染料间作用　19—盐—纤维间作用　20—盐在纤维中扩散　21—纤维—纤维间作用