木质素磺酸盐的结构特征及其作为染料分散剂的性能

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木质素磺酸盐是一种以苯丙烷基(C3-C6)为疏水骨架和以磺酸根为主要亲水性基团的高分子表面活性剂,因其来源丰富、价格低廉,具有良好的高温分散稳定性,在印染行业受到广泛的关注和重视。但是木质素磺酸盐的结构复杂,不同原料和制浆方法所得的木质素具有很大的结构差异性,关于其作为染料分散剂的构效关系的研究还比较薄弱,使木质素系分散剂在印染助剂方面的广泛利用受到限制。本文以国内常用的七种粗木质素磺酸盐(杨木木钠、杨木木钙、蔗渣木镁、松木木钙、UltrazineNa、提纯磺化碱木质素、马尾松木钙)为研究对象,通过紫外、红外、自动电位滴定等测试技术研究其结构特征,并探索其作为染料分散剂对分散蓝79的分散助磨效果、还原性、热稳定性及上染效果等性能的影响。从而揭示出不同种类木质素磺酸盐的结构特征对作为染料分散剂的应用性能的影响,为高效木质素系染料分散剂的原料选择和改性提供指导。不同来源木质素磺酸盐的结构分析结果表明,UltrazineNa和提纯磺化碱木质素的纯度较高,木本类木质素其次,蔗渣木镁的纯度较低,木质素含量为38%;提纯磺化碱木质素的分子量较小,Mw为2517,其色度值最高,马尾松木钙的分子量最大,Mw为16047,颜色较浅,其余几种木质素磺酸盐的分子量都在5000以上,但是蔗渣木镁的分子量分布较宽,颜色也较浅;从亲水官能团含量来看,杨木木钙和蔗渣木镁的亲水官能团含量最高,分别为5.57mmol·g-1和5.48mmol·g-1,UltrazineNa的酚羟基和羧基的含量都较低,磺酸基含量适中。性能测试结果表明,上述七种木质素磺酸盐基本具有较好的助磨效果,球磨后染料粒径保持在2.5μm左右,而杨木木钠和蔗渣木镁分散剂的助磨性较差,染料的粒径分别为3.56μm和6.31μm;高温处理后,以提纯磺化碱木质素为分散剂的染料粒径从2.33μm增大为67.07μm,说明低分子量会导致高温稳定性下降。加入木质素磺酸盐后,染料的还原水解率从5%大幅增加至30%左右。除了提纯磺化碱木质素外,其它木质素磺酸盐都可以维持85.5%(±1%)左右较高的上染率。除马尾松木钙的不匀性值达到5.48之外,其余分散剂的匀染性都比较差;从分散剂对涤纶纤维的沾污程度看,UltrazineNa和马尾松木钙的沾污都比较轻,提纯磺化碱木质素对纤维沾污严重。综合分析认为分子量和亲水官能团含量都会影响高温稳定性;分散剂对染料的还原作用主要是由分散剂的酚羟基引起的;温度、酚羟基含量、分子量及色度值都是影响沾污的重要因素。本研究利用2.5kDa、5kDa和50kDa三种规格的超滤膜超滤膜对木质素磺酸钠(简称木钠,SL)进行提纯,研究超滤法对木钠作为染料分散剂的性能影响。结果表明,随着截留分子量的增大,木钠分子量增大,酚羟基和磺酸基含量降低,木钠的愈创木基比例增大,颜色变深。高分子量的木钠具有更好的助磨性和分散稳定性;木质素磺酸钠对染料的还原水解率随着小分子木钠的除去而降低至7%-9%左右,最终导致上染率从84.5%增加89.7%。截留分子量大于2500的木钠的不匀性值最小,可达到3.74。此外,分子量的提高对降低沾污也有一定效果。本论文还研究了酚羟基封闭法对木钠结构及其作为染料分散剂性能的影响。通过加入不同含量的环氧氯丙烷进行自由基反应封闭酚羟基,可以得到系列不同酚羟基含量的木钠。结果表明,封端后的木钠酚羟基含量从1.07mmol·g-1降至0.19mmol·g-1,重均分子量从9010增加到17893,分子量分布变宽,助磨性和高温分散稳定性都是先降低后有所提高。封端后的木钠对染料的还原水解有较好的抑制作用,还原水解率从26%减小至12%。综合木钠的高温分散稳定性及对染料的还原水解作用使得染料的上染率有所提高,从84.5%增加到91.7%。当环氧氯丙烷的添加量为0.5mmol·g-1木钠时,产物的性能最好,球磨后染料粒径为3.04μm,高温后染料粒径为31.52μm,对染料的还原水解率降至12.4%,上染率提高到91.8%,不匀性值达到2.69的最小值,且对纤维的沾污程度减轻。
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