染料吸附等温线与染色亲和力关系探究

所谓的吸附等温线，就是在恒定温度下，上染达到平衡时，纤维上的染料浓度与染液中的染料浓度之间的关系曲线。目前主要有以下三种类型，如图5-4所示。

1.能斯特（Nernst）吸附等温线A

能斯特吸附等温线是用分散染料染涤纶、聚酰胺纤维和醋酯纤维绘制出来的。可以看出：纤维上的染料浓度[D]f随染液中染料浓度[D]s的增大而增大，[D]f／[D]s的　比 值　是 一　个 常 数，而 且 当[D]s增大到一定浓度时，[D]f不再随[D]s的增大而增大，存在着染色饱和值。

因此，对染料在纤维上的状态做了这样的假设：分散染料染涤纶、聚酰胺纤维和醋酯纤维相当于分散染料溶解在纤维的无定形区，分散染料在纤维无定形区的溶解度就是染色饱和值。因此，分散染料在纤维上的活度就是分散染料在纤维上的浓度。

根据这种假设，分散染料在涤纶上的活度αf就是分散染料在涤纶上的浓度[D]f，而非离子型分散染料在溶液中的活度αs就是分散染料在溶液中的浓度[D]s，因此分散染料对涤纶的染色亲和力可以用下式来求：

图5-4　染料吸附等温线

2.朗格缪尔（Langmuir）吸附等温线B

朗格缪尔吸附等温线是用阳离子染料染腈纶以及匀染型的酸性染料染羊毛等蛋白质纤维绘制出来的。从中可以看出：[D]f随[D]s的增大而增大，且[D]f／[D]s逐渐变小，存在着染色饱和值。

因此对染料在纤维上的状态做了这样的假设：纤维上有固定吸附染料的位置叫染座，对于腈纶来说就是含有的磺酸基或羧基的位置，对于羊毛等蛋白质纤维来说就是含有的氨基正离子的位置，每个染座上只能吸附一个染料分子，不再吸附第二个染料分子，属于单分子层吸附，因此存在染色饱和值。根据这种假设可以求染色亲和力。

染料的吸附速率与染液中染料的浓度以及纤维上未被染料占去的染座成正比，可以表示如下：

染料的解吸速率与纤维上的染料浓度成正比，可以表示如下：

式中，[S]为染料对纤维的染色饱和值；K1、K2分别为吸附和解吸速率常数。在染色的开始阶段，吸附速率大于解吸的速率，随着上染时间的进行，吸附的速率逐渐减小，解吸的速率逐渐增大，当上染达到平衡时，吸附速率与解吸速率相等，则有：

令K1/K2＝K

则有：　

此时，若染料在纤维上的活度为af，则有：

图5-5　1/［D］f-1/［D］s曲线

当在标准状态下：af＝1，θ＝0.5。染料在纤维上的化学位：

如果染料为HZD，在水中离解成H+和DZ-，则H+在纤维上的活度af（H+）和DZ-在纤维上的活度af（DZ-）分别为：

则H+和DZ-对纤维的亲和力分别为：

3.弗莱因德利胥（Freundlich）吸附等温线C

弗莱因德利胥吸附等温线是在含有食盐电解质的染液中采用直接染料、活性染料、还原染料隐色体钠盐、硫化染料隐色体钠盐以及不溶性偶氮染料色酚钠盐对纤维素纤维的染色以及采用弱酸浴或中性浴染色的酸性染料对羊毛等蛋白质纤维的染色绘制出来的。从中可以看出：[D]f随[D]s的增大而增大；[D]f／[D]s会逐渐降低。

因此，对这些染料在纤维上的状态做出了这样的假设，认为染料在纤维上属于多分子层吸附，纤维属于无限的吸附剂，没有染色饱和值。

根据弗莱因德利胥吸附等温线对上述染料在纤维上的状态做了假设，就可以求出染料对纤维染色的亲和力。

式中：K为常数，0＜n＜1，该式也可以写成：

染料在纤维表面发生吸附，分子的热运动驱使染料分子在染液中的纤维附近作扩散层的分布。这样染料在纤维的界面附近形成一个浓度逐渐降低到和染液本体浓度基本一致的扩散吸附层，如图5-6所示。该曲线代表染料浓度随纤维界面距离的变化情况，达到A—A界面时浓度已基本与染液的本体浓度相当。根据上述假设，设每千克干纤维所含有吸附层的容积为V（L），染料的大分子NaZD会离解成Na+和DZ-，分布在扩散边界层中，染料在染液中和纤维中的活度分别为：

则亲和力为：

这是一个典型的弗莱因德利胥方程式。(www.xing528.com)

图5-6　染料在界面的扩散吸附层

可见，只有绘制染料的吸附等温线，才可以对染料在纤维上的状态做假设，进而就可以求出某一温度下上染达到平衡时染料在纤维上活度αf，从而才可以求出某一温度下染料对纤维的染色亲和力-Δμ⊖。