塑木復合材料用木粉的染色工藝研究
摘要：將木粉經陽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行染色。染色后的木粉具有較優良的染色性能，上染百分率、染料保留率（水洗染色牢度）均比較理想，同時染色殘液補加染料后二次染色的木粉與初始染液染得木粉色差少。染色殘液可循環利用，減少污水的排放，達到環保的要求。
塑木復合材料兼具塑料的耐水防腐和木材的質感等特性，因而成為一咱性能優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、碼頭等使用的木質構件以及替代木材制造各種包裝物、托盤、倉墊板等，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大大減輕了塑料因難以自然降解而造成對環境的破壞。此外，我國作為一個森林覆蓋率極低的國家，對木材的有效利用或尋找新的木材替代物越來越重要。
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、保護生態環境的同時，也能節約寶貴的自然資源，所以國內外都在競相開發塑木材料的相關技術，但尚未見有關塑木復合材料所用木粉的染色研究報道。木粉的染色屬于化學加工范疇，傳統染色技術常會產生廢水和潑液。因同時考慮到塑木多作為一種實用的戶外露天的水岸景觀或裝飾材料，筆者對木粉接枝改性，再進行染色，探索一種工藝簡單、染料上染百分率高、殘液可循環使用，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 實驗部分
1.1 原材料
木粉：江蘇南京市大源木塑有限公司
陽離子改性劑1#：廣州創越化工有限公司；
陽離子改性劑2#：廣東德美精細化工有限公司；
陽離子改性劑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、陽離子染料）：廣州市榮慶化學品有限公司；
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設備和儀器
紫外可見分光光度計：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；
恒溫鼓風干烘箱：上海索譜儀器有限公司；
循環水真空泵：SHZ-DⅢ型，鞏義市予華儀器有限公司
紅外線染色試樣機：HS-B型，鶴山精湛染整設備廠有限公司；
常溫搖擺式小樣染色機：AS-12型，鶴山精湛染整設備廠有限公司；
電腦測色儀：Datacolor 600型，美國德塔公司。
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，如羥基（-OH）、羥基（-COOH）等官能團。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比較麻煩，首先是染色中需加元明粉之類的強電解質進行促染，期次染色后期階段需加純堿固色來提高水洗牢度，可一部分染料在與纖維固色的同時，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，所以殘液無法重復使用，廢水處理成本高，所以筆者主要對比了直接染料、陽離子染料、酸性染料的染色效果。
1.4染色性能測試
上染百分率：先利用紫外可見分光光度計掃描某染料溶液的最大吸收波長，測試并制得吸光度與染液濃度之間關系的標準曲線，隨后測得木粉染色后殘液的吸光度，并通過標準曲線獲知染料濃度，進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測試濾液的吸光度，通過標準曲線獲知染液濃度，并算出染色木粉水煮后掉下來的染料量，由掉下來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，在電腦測色儀上直接測試初次染色木粉和二次殘液染色木粉之間的色差值。
2 結果與分析
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（陽離子染料）、酸性金黃G對木粉進行染色。
系列直接染料和高濃玫瑰精的染色工藝為:按照浴比1：10，在規定量的常溫下的水中加入計量好的染料、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，繼續染15min，隨后冷卻到60℃，并抽濾，最后測試濾液的染料濃度。染色處方見表1，染色結果見表2.
酸性染料的染色工藝為：按照浴比1：10，在規定量的常溫下的水中加入冰醋酸調節到所需PH值，再加入計量好的染料、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℃，抽濾并測試濾液的染料濃度。染色結果如表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，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，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較高。但染料保留率還不是理想，所以后續要設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離子染料，而纖維素纖維在中性條件下不帶負電荷，陽離子染料與纖維之間主要是靠離子間作用力相結合，作用力不強，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木粉中的木素成分著色，對纖維素的上染率不高，對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象，耐水洗牢度還不理想，因此在木粉染色前試圖用不同陽離子改性劑先將木粉進行接技改性。隨后再用直接耐曬型染料染色，并通過染色效果評價改性劑的優劣。另因木粉已經是細小顆粒，滲透劑及元明粉的加入對提高上染百分率作用不大，同時考慮實際操作及成本，染色中未再加滲透劑及元明粉，結果見表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，耐水洗牢度大大改善，尤其是2#改性劑對染色木粉的染料保留提高幅度最大。主要是因為木粉接枝秘訣性后帶上陽電荷，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鍵，結合最為緊密，故其作用較為明顯，將其作為木粉的陽離子接枝改性劑。
2.3改性劑用量的確定
采用不同用量的2#改性劑對木粉進行改性，再用不同染料和染料用量進行染色，所測婁據見表5.
從以上實驗結果來年，染料用量增加即在染深色的時候，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。
綜合考慮成本，在染中淺色時接枝改性劑用量在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比
將接枝改性木粉染色后的濾液，在補加一定量的染料回到初始染色時染料深度的情況下，再加入接枝改性過的木粉進行染色，隨后抽濾測試濾液的染料濃度以及對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#改性劑對木粉進行改性后，用直接耐曬紅、耐曬橙和RBL初始染液再染的各項性能對比。表7、表9和表11示出采用5%用量的2#改性劑對木粉進行改性后，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性能對比。
從表6~表11可以看出，在初始染色殘液中補加入染料達到原來染液的濃度時，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，可心循環利用，這樣不公可以節省染料和水，還可以節省污水處理費用，更主要是減少對環境的污染。初始染液和補加染料的殘液染出來的木粉色光上稍有點偏差，但△E基本在0.3以內。
3 結論
通過系列試驗篩選出直接耐曬型染料對預先經過陽離子改性劑接枝改性過后木粉進行染色，提高上染百分率和水洗牢度，能滿足戶外塑木材料的要求。為節約成本，染中淺色時，接枝改性劑用量為2%即可，染深色時改性量為5%比較合適。且改性后再染色的新工藝對木粉染色來講，殘液染色色差變化不大，能控制在合理要求范圍內，染色后的殘液可以利用，不公可以節省染料和水，降低生產成本，還可以節約污水處理費用，有利于保護環境。
