纤维和染料分子间的相互作用力

关于染料为什么能上染纤维并固着在纤维中的问题，可以从纤维与染料分子之间引力及能量变化两方面去研究。纤维和染料分子之间的吸引力是染料上染和固着的本质。染料离开溶液上染纤维，拆散了纤维与水、染料与水的结合，生成了染料与纤维的结合，并使染料与水的规整度发生变化，从而造成能量上的变化。

纤维与染料分子之间的吸引力主要有范德瓦尔斯力、氢键力、库仑力、共价键结合力、配价键结合力等。

（一）范德瓦尔斯力

范德瓦尔斯力是分子间引力，可分为取向力、诱导力、色散力三种。取向力是两个具有永久偶极的分子之间的作用力。诱导力是一个具有永久偶极的分子与另一个被它诱导极化的分子（产生诱导偶极）之间的作用力。色散力是在两个没有偶极的分子之间，由于电子的运动和原子核的振动，电子云对原子核发生瞬时位移，结果产生瞬时偶极，这时瞬时偶极又可以引起邻近分子的极化，产生诱导偶极，于是在两者之间就产生相互吸引力。色散力在任何分子之间都存在。

染料和纤维之间的范德瓦尔斯力大小取决于分子的结构和形态，并和它们的接触面积及分子间的距离有关，染料的相对分子质量越大，共轭系统越大，分子呈直线长链形，同平面性好，并与纤维的分子结构相适宜，则范德瓦尔斯力一般较大。

范德瓦尔斯力在各种纤维、各类染料染色时都是存在的，但它的作用的重要性却各不相同。

（二）氢键

氢键是一种定向的较强的分子间引力，它是由两个电负性较强的原子通过氢原子而形成的结合，若A、B 为两个电负性较强且原子半径较小的原子（或原子团），当A—H 和B 接近时，形成A—H…B 的相互结合，这就是氢键。这里A—H 称为供氢基团（或称供质子基团），B 称为受氢基团（接受质子基团），A—H 的供氢性越强或B 的受氢性越强，即A、B 两原子的电负性越强，两者间形成的氢键的键能就越大。常见的氢键结合能量见表3－1。

表3－1　常见氢键的平均键能

范德瓦尔斯力和氢键结合的能量较低，一般在41.8kJ／mol 以下，但在染色中起着重要作用，是染料对纤维具有直接性的重要因素。范德瓦尔斯力和氢键引起的吸附属于物理吸附，吸附位置很多，是非定位吸附。

（三）库仑力

有些纤维具有可以电离的基团，在染色条件下，这些基团发生电离而使纤维带有电荷，当具有相反符号电荷的染料离子与纤维接近时，产生静电引力（库仑力），染料因库仑力的作用而被纤维吸附，生成离子键形式的结合，离子键也称盐式键。例如，酸性染料染羊毛时，羊毛中的氨基在酸性染色条件下吸酸（吸收H＋）成W—N＋H3，带有正电荷，可与电离成D— 的酸性染料通过库仑力结合，染色时由于库仑力作用而生成离子键结合：(www.xing528.com)

用阳离子染料染腈纶时也生成离子键结合。生成的离子键的强弱与两者的电荷强弱成正比。

（四）共价键

染料和纤维发生共价键结合主要发生在含有活性基团的染料和具有可反应基团的纤维之间。例如活性染料和纤维之间可在一定条件下发生反应而生成共价键结合的染色产物：

共价键的作用距离为0.07～0.2nm，共价键一般具有较高的键能，即生成的键比较稳定。

（五）配价键

配价键一般在酸性媒染染料及金属络合染料染色时发生，例如1 ∶1 型金属络合染料可与羊毛生成配价键结合。

配价键的键能较高，作用距离较短。

离子键、共价键、配价键结合的键能均较高，在纤维中有固定的吸附位置，由这些键引起的吸附称为化学吸附或定位吸附。

上述不同性质（或结合）往往是同时存在的，但纤维—染料系统不同，它们的重要性也各不相同。例如用直接染料染纤维素纤维时，主要由于范德瓦尔斯力和氢键的作用使染料上染和固着。阳离子染料上染腈纶主要是由库仑力和离子键的作用，氢键和范德瓦尔斯力作用较小。强酸性染料染羊毛主要是库仑力上染，以离子键固着。弱酸性染料上染羊毛时范德瓦尔斯力和氢键起重要作用。活性染料染棉主要依靠范德瓦尔斯力、氢键上染，但在纤维中的固色则主要是形成共价键。