靛蓝染料的电化学还原效率及其染色性能的研究

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靛蓝作为染料历史悠久,属于还原染料的一种。靛蓝本身属于不溶性染料,因而需要使用适当的还原剂将其还原成为可溶性隐色体靛蓝,从而在溶液中渗透纤维,实现上染。目前牛仔领域最广泛应用的靛蓝还原方法,即以保险粉作为还原剂,在碱性溶液中将靛蓝还原成隐色体。在研究伊始,就有学者注意了电化学方法的天然优势,使得众多学者并未停下研究的脚步,至今在电化学还原染料方面已取得极大进展。
  本文采用以往研究中较为成熟稳定的硫酸铁-三乙醇胺络合体系为基础,不同往常对还原能力的研究,本实验着重关注其在应用方面的可能性。因此在选择电极时本着经济效率的原则,并进一步关注还原反应的电流效率,电极腐蚀,最后探讨其染色性能。本文对提高电还原电流效率,电极选材,减少电流腐蚀具有参考意义。
  本文以循环伏安曲线和线性扫描曲线为基础,对硫酸铁-三乙醇胺的电还原络合体系以及铁、镍电极的电化学性能进行了研究。在电化学还原过程中,铁和镍作为工作电极对硫酸铁-三乙醇胺络合体系的催化活性差距不大,镍由于其自身催化性能要稍微优于铁。综合考虑镍、铁的电催化性能及其各种性质、成本等因素,确定以金属镍作为电化学测试使用电极,而若是进行大剂量的以硫酸铁-三乙醇胺络合体系为媒介的电化学还原染色,亦或是进行工业化的推广应用,则是使用铁作为阴极材料较为经济。以硫酸铁-三乙醇胺络合体系为媒介的电化学还原反应的表观活化能Ea=9.09kJ·mol-1,反应的扩散系数D0=10.58×10-3cm2·s-1。以硫酸铁-三乙醇胺为媒介的电化学还原靛蓝体系可能存在两种反应机理。一种是以硫酸铁-三乙醇胺为媒介进行间接电化学还原的机理;另一种是以靛蓝隐色体与靛蓝在电极表面生成的靛蓝自由基为媒介进行电化学还原的机理。
  本文通过对电极材料、靛蓝质量浓度、电极比表面积以及间接电还原靛蓝时所通电流大小对间接电化学还原靛蓝过程电流效率和电极腐蚀的影响进行研究。硫酸铁-三乙醇胺(Fe3+-TEOA)配合物在还原靛蓝的间接电化学还原染色中电流效率的最佳应用工艺为:180目镍电极,恒定电流1A,还原靛蓝浓度3g·L-1。硫酸铁-三乙醇胺(Fe3+-TEOA)配合物体系间接电化学还原靛蓝过程与其电流效率的关系为:当电流为1A,比表面积为180目,材料为金属镍时,电流效率得到最优化;电流效率随着电极的比表面积的增加而增加。硫酸铁-三乙醇胺(Fe3+-TEOA)配合物体系间接电化学还原的过程会发生电极腐蚀,反应的阳极会部分溶解,镍电极有催化性更活泼,增加反应效率同时腐蚀更大,同样的产生气体体积更多;阴极镍产生沉积物更少。因此,如欲减少电极质量变换,可用铁为阳极,镍为阴极。
  本文通过研究电解液各组分浓度对白棉布的实际染色应用影响,优化了间接电还原体系,并通过与传统的还原染色方法染色各项性能的对比,探讨了其应用可行性。得出间接电化学还原靛蓝染色的最佳工艺体系为:硫酸铁质量浓度10g·L-1,三乙醇胺质量浓度30g·L-1,氢氧化钠质量浓度20g·L-1,染色时间30min,染色温度50℃。间接电化学还原染色的上染率较传统染色方法有小幅提升,固色率与K/S都能达到和传统染色效果相当,并且色牢度基本达到传统染色效果。
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