第二节 活性染料
活性染料是20世纪50年代才发展起来的一类新型染料，而且新的品种不断出现。我国也是最早生产这类染料的国家之一。
活性染料能溶于水，分子结构中含有一个或一个以上的活性基团（也称反应性基团），在一定条件下，能与纤维素纤维上的羟基、蛋白质纤维上的氨基以及聚酰胺纤维上的氨基和酰氨基发生化学反应，形成共价键，从而牢固地染着在纤维上，故也称为反应性染料或键合染料。
活性染料具有色泽鲜艳、湿处理牢度和摩擦牢度较好、匀染性好、色谱较全、成本低且应用方便等优点，因此使用广泛。染料的产量逐年都有大幅度的增长，目前在针织物染色中已成为主要的染料品种。但活性染料也存在一定的缺点，染料在与纤维反应的同时，也能与水发生水解反应，其水解产物一般不能再和纤维发生反应，在染色过程中有一部分染料要受到破坏，染料的利用率不高，难染深色；有些活性染料品种的日晒、气候牢度也不理想；大多数活性染料的耐氯漂牢度较差。
活性染料可用于纤维素纤维、蛋白质纤维、聚酰胺纤维纺织品的染色。活性染料的染色一般包括吸附、扩散、固色三个阶段，染料通过吸附和扩散上染纤维，在固色阶段，染料与纤维发生键合反应而固着在纤维上。
一、活性染料的类型及其染色性能
活性染料的化学结构可用如下通式表示：
S—D—B—Re
式中：S是水溶性基团，一般为磺酸基；D是染料发色体；B是桥基或称连接基，将染料的活性基和发色体连接在一起；Re是活性基，具有一定的反应性。
活性染料结构中，每一部分的变化都会使染料的性能发生变化。活性基主要影响染料的反应性以及染料和纤维间共价键的稳定性；染料母体对染料的亲和力、扩散性、颜色、耐晒牢度等有较大的影响；桥基对染料的反应性及染料和纤维间共价键的稳定性也有一定的影响。
活性染料根据染料活性基的不同，可分为以下几类。
1.均三嗪型活性染料
这类染料的活性基是卤代均三嗪的衍生物。
（1）二氯均三嗪型。即国产X型活性染料，商品牌号有普施安MX（Procion MX）等，其典型的结构式为：
具有这类活性基的染料如：
活性艳橙X-GN
这类染料的分子结构中的活性基团连有两个氯原子，化学性质很活泼，能在低温（40℃以下）的碱液中与纤维发生反应，故也称为冷染型活性染料。但这类染料的稳定性较差，在储藏或使用过程中容易水解变质，特别是在湿热条件下，染料更易水解。这类染料相对分子质量比较小，扩散速率较高，但直接性较低，染料在纤维上的上染百分率低，一般只有40%～60%，在高温时更低。
（2）一氯均三嗪型。即国产K型活性染料，商品牌号有普施安H（Procion H）和汽巴克隆（Cibacron）等，其典型的结构式为：
具有这类活性基的染料如：
活性黄K-RN
这类染料的分子结构中，活性基团上只有一个氯原子，活泼性较前一类染料差，因此稳定性较高，溶解时可加热至沸而无显著分解，需要在较高浓度的碱液中，在较高温度（90～100℃）下，才能与纤维发生反应，故又称这类染料为热固型活性染料。
（3）一氟均三嗪型活性染料。这类染料是为低温染色而设计的，其反应性较高，反应活泼性介于X型和K型活性染料之间，适用于40～50℃染色，对棉有很好的固色效果，染料—纤维键的稳定性与一氯均三嗪型相同。这类活性染料主要有汽巴（Ciba）公司的Cibacron F型活性染料和德司达（DyStar）公司的Levafix EN型活性染料等。
2.卤代嘧啶型活性染料
这类染料的活性基为卤代嘧啶基。根据嘧啶基中卤素原子的种类和数目的不同，可分为三氯嘧啶、二氟一氯嘧啶、二氯一氟嘧啶、一氯嘧啶等类型的活性染料，其中以三氯嘧啶型和二氟一氯嘧啶型活性染料应用较广。
（1）三氯嘧啶型。该类活性染料的反应性较低，即使在高温酸性条件下也不水解，可与分散染料同浴染涤棉混纺织物，染料—纤维键耐酸、耐碱、耐水解稳定性能较好。这类染料有Drimarene X型活性染料和Reactone活性染料。
（2）二氟一氯嘧啶型。该类活性染料的反应性较高，有较高的固色率，适合40～80℃染色，染料—纤维键耐酸、耐碱的稳定性能较好，但价格较高。这类染料有国产的F型活性染料、国外的Drimarene R型活性染料和Verofix型活性染料等。
3.乙烯砜型活性染料
这类染料的活性基是β-硫酸酯乙基砜，结构通式为D—SO2CH2CH2OSO3Na，商品牌号有雷玛唑（Remazol）等，国产KN型活性染料属于此类。例如，活性艳橙KN-4R：
这类染料的反应性介于X型和K型之间，在酸性和中性溶液中非常稳定，即使煮沸也不水解，溶解度较高，但染料—纤维键耐碱性水解的能力很差。
4.膦酸基型活性染料
膦酸基型活性染料包括国产的P型活性染料、国外的Procion T型活性染料等，其结构通式为：
膦酸基型活性染料的固色催化剂为氰胺或双氰胺，染料可在弱酸性条件下与纤维素纤维发生反应，形成共价键结合。这类染料适用于分散染料/活性染料一浴法对涤纶/纤维素纤维混纺织物的染色，固色率高达90%左右。
5.α-卤代丙烯酰胺型活性染料
α-卤代丙烯酰胺型活性染料如汽巴（Ciba）公司的Lanasol染料等，结构通式如下：
6.羧基吡啶均三嗪型活性染料
羧基吡啶均三嗪型活性染料包括国内的R型活性染料、国外的Kayacelon React染料等，其结构式如下：
式中Ar为芳香环。这类染料对纤维素纤维染色时，直接性大，反应性强，能在高温和中性条件下与纤维素纤维反应，可用于涤纶/纤维素纤维混纺织物的一浴一步法染色。
7.双活性基活性染料
早期活性染料在印染过程中有水解副反应发生，活性染料的固色率不超过70%。为提高活性染料的固色率，出现了双活性基的染料，即在这类染料分子中，一般都含有两种不同的活性基团，以增加染料和纤维的反应性。目前这类染料的活性基主要有以下三种。
（1）一氯均三嗪基和乙烯砜基。这类染料的活性基为一氯均三嗪基和乙烯砜基（或β-硫酸酯乙基砜），如国产的M型、ME型、Megafix B型、EF型等活性染料，国外的Sumifix Supra型、Remazol S型等，结构通式为：
其中，β-硫酸酯乙基砜可处于对位或间位位置，如EF型活性染料的β-硫酸酯乙基砜处于对位位置，ME型活性染料的β-硫酸酯乙基砜处于间位位置。
这类染料的反应性较强，反应活泼性介于X型和K型活性染料之间，固色率高，具有良好的染色性能和染色牢度，染料—纤维键耐酸、碱的稳定性较K型、KN型染料好。因这类染料具有良好的染色性能，目前已成为一类重要的活性染料，染料品种较多，应用范围广泛。
（2）一氟均三嗪基和乙烯砜基。Cibacron C型活性染料中含有一氟均三嗪基和乙烯砜两种活性基，染料的结构为：
式中：L为连接基，可以是—C2H4—、—C3H6—、—C2H4OC2H4—等。这类染料的反应性强，染料母体分子较小，染料对纤维的亲和力和直接性较低，有良好的移染性和易洗涤性，染色牢度好，适用于轧染染色。
（3）两个一氯均三嗪基：国产的KE型、KP型活性染料属于此类染料。KP型活性染料的直接性很低，主要用于印花。
国产的各类活性染料，其反应性的高低顺序为：X型＞M型＞KN型＞K型。
近年来，为了适应染整加工的发展要求，如生态友好加工，采用活性染料对合成纤维进行染色，缩短生产流程等，人们开发出了一些新的活性染料，如低盐染色活性染料、活性分散染料等。
二、活性染料的染色方法
活性染料的染色方法可以分为浸染、卷染、轧染、冷轧堆染色等，一般用于中、浅色泽的染色，一些新型活性染料的染深性较好，可用于较深色泽的染色。
1.浸染
浸染法染色时，所用的染色设备有液流染色机和绳状染色机，都可用以下三种方法染色。其中应用最广泛的是绳状染色机。
活性染料采用浸染方法染色时，宜采用直接性较高的染料。不管应用哪种染色设备，都根据染色时染料和碱剂是否一浴以及上染和固色是否一步，可分为一浴一步法、一浴二步法、二浴法三种。
（1）一浴一步法。也称全浴法，是将染料、促染剂、碱剂等全部加入染液中，染料的上染和固色同时进行。这种染色方法操作简便，但由于染料水解较多，不适于续缸染色，染料的利用率较低。此法在染绞纱、毛巾等疏松产品时，使用较为普遍。应用此法较多的是X型活性染料，并且以染浅、中色为主。
（2）一浴二步法。此法是先在中性浴中染色，染色一定时间，染料充分吸附和扩散后，加入碱剂固色。加入碱剂后，由于破坏了原有平衡，染料上染率提高。该法主要适用于小批量、多品种的染色，染料吸尽率较高，被染物牢度较好。
（3）二浴法。此法是先在中性浴染色，染色一定时间后，再在碱性浴中固色。由于上染和固色是在两个浴中分别进行，染料水解较少，可续缸染色，染料利用率高。
2.卷染
活性染料卷染一般采用一浴二步法染色。X型、M型和KN型染料较适于卷染，可采用较低温度染色，对节约能源有利。卷染的染色和固色一般采用相同的温度，以便于控制，X型染料为30℃，KN型、M型为60～65℃。
3.轧染
织物在轧染时，染液是通过浸轧转移到纤维上的，采用直接性较低的染料容易匀染，前后色差小，而且水解染料容易洗净。
（1）轧染分类。活性染料的轧染有一浴法和二浴法两种。
①一浴法。一浴法染液中含有染料和碱剂，其工艺流程为：
浸轧染液→烘干→固色（汽蒸或焙烘）→水洗→皂洗→水洗→烘干
②二浴法。二浴法轧染的染液中，一般不加碱，染液的稳定性较好，在固色液中一般用较强的碱，可在较短的时间内固色。二浴法轧染的工艺流程为：
浸轧染液→烘干→浸轧固色液→汽蒸→水洗→皂洗→水洗→烘干
（2）助剂。
①尿素。在染液中，通常加入适量的尿素，尿素能促进染料的溶解、纤维的吸湿和溶胀，有利于染料在纤维中的扩散，提高染料的固色率。尿素的用量一般为0～100g/L，X型、KN型染料可用较少量的尿素，K型、M型染料可用较多量的尿素。
②润湿剂。为使染液便于渗透到织物内部，可加润湿剂1～3g/L。织物浸轧染液后进行烘干时，宜用红外线或热风预烘，以减少染料的泳移。
③碱剂。活性染料固色时，对于反应性高的染料（如X型）或耐碱性差的染料（如KN型），一般采用较弱的碱，如小苏打；对于反应性低的染料（如K型），可采用较强的碱剂，如碳酸钠。
（3）固色。活性染料轧染的固色方法有汽蒸固色法和焙烘固色法，一般X型染料适合于汽蒸固色，得色较深，汽蒸温度100～103℃，汽蒸时间根据染料的反应性、碱剂的种类和用量决定，一般在1～2min。K型宜用焙烘固色法，焙烘温度150～160℃，热风焙烘3min或远红外线焙烘30～40s。
4.冷轧堆染色法
冷轧堆染色具有设备简单、匀染性好、能耗低、染料利用率较高的特点。其工艺流程为：
浸轧染液→打卷堆置→后处理（水洗、皂洗、水洗、烘干）
冷轧堆染色一般选择反应性和扩散性较高的活性染料染棉或黏胶纤维，可获得较好的染色效果。
冷轧堆染色的轧染液中含有染料、碱剂、助溶剂、促染剂、渗透剂等。染料可采用X型、K型、KN型、M型等。
碱剂应根据染料的类型选择，X型一般用纯碱，用量为5～30g/L；K型一般用烧碱12～15g/L；KN型和M型可用磷酸钠5～8g/L+烧碱3～4g/L。由于碱性较强，通常将染料和碱剂分别配制，染色时，将染料和碱剂通过混合器计量加入轧槽。
浸轧时，轧余率一般控制在60%以下，带液过多，容易产生深浅色的横档。
织物浸轧染液后，平整地打成卷，用塑料薄膜包裹起来，在缓慢转动的情况下进行堆置。堆置时间根据染料的反应性和用量、碱剂的种类和用量决定，一般X型为2～4h，K型为16～24h，KN型和M型为4～10h。
为了缩短反应性低的染料的堆置时间，可采用保温堆置的方法，即在打卷时用蒸汽均匀地加热织物，打卷后放入保温蒸箱中堆置。
5.短流程湿蒸工艺
活性染料连续轧蒸染色工艺简单，生产速度快，应用广泛，但工艺流程较长，轧液后需进行烘干，能耗较大。20世纪80年代，赫司特（Hoechst）公司提出了Eco-Steam活性染料短流程湿蒸染色工艺，简称为湿短蒸工艺。织物浸轧染液后，不进行烘干，而是利用安装在固色箱前部的电热红外加热器对织物进行加热，然后在固色箱中进行湿态汽蒸。固色箱中的加热介质是少量的蒸汽和干热空气组成的混合气体，通过调节固色箱内的干、湿球温度，控制固色的温度和相对湿度，使活性染料在织物低带液率的条件下充分渗透和固色。染色后进行后处理，去除浮色。
活性染料采用短流程湿蒸工艺染色时，染料与碱剂处于同一染浴中，其中活性染料可采用K型、KN型、M型、ME型、B型等类型的染料，染料用量根据染色深度决定；碱剂可采用碳酸氢钠，用量为10～20g/L。与传统的浸轧→烘干→焙烘工艺和浸轧→烘干→浸轧→汽蒸工艺不同，在湿短蒸染色工艺的染色液中，可不添加尿素，同时可降低碱的用量。
活性染料短流程湿蒸染色工艺流程为：
浸轧染液→湿蒸→水洗→皂洗→水洗→烘干
染液的浸轧采用均匀轧车，根据织物的不同，轧液率为60%～70%；另外，浸轧液温度不宜过高，以防止染料水解，染液温度一般在20～25℃。轧槽的容积应尽可能小（如20～25L），以减少色差。湿蒸时，蒸汽的相对湿度和温度应根据染色所用的染料种类确定，如ＫＮ型活性染料在干球温度120℃、相对湿度25%～30%的条件下固色；反应性较低的Ｋ型活性染料，湿蒸条件为干球温度160℃、相对湿度40%～45%；M型或ME型活性染料，湿蒸条件为干球温度140℃、相对湿度35%左右。湿蒸时间一般控制在2min左右。
活性染料短流程湿蒸染色工艺具有工艺流程短、节能、重现性好、固色率和得色量高、色泽鲜艳等特点，而且还可避免由于烘燥不匀所产生的染料泳移现象，匀染性好。
三、影响活性染料染色的主要因素
1.亲和力
活性染科的亲和力是各不相同的，图4-1是三种亲和力不同的染料的上染曲线。图中曲线1是亲和力特别高的染料，曲线3是亲和力特别小的染料，曲线2是亲和力中等的染料。在染色的第一个阶段，纤维上染料的吸附量，主要决定于染料的亲和力，亲和力高的染料上染快，上染百分率高。曲线1说明亲和力特别高的染料在第一阶段的染色期间，绝大部分染料已上染纤维，在加碱固色时，上染百分率提高不多，这类染料适用于高温染色，不加或少加食盐，以便提高染料的匀染性。曲线2说明亲和力中等的染料在加碱固色时，上染百分率有明显的提高；该类染料的固色率、匀染性和染色的重现性均较好，是理想的一类染料。曲线3说明亲和力小的染料在加碱固色时，上染百分率急剧增加，染色的匀染性和重现性差。
图4-1 三种亲和力不同的染料的上染速率曲线
在使用亲和力很大的染料染色时，具有比较高的上染百分率，有利于提高染料的利用率。但由于水解而未固着的染料，不易从纤维上洗去，在后处理时，必须加强洗涤，否则会影响染色物的水洗和摩擦牢度。
2.浴比
试验证明，活性染料染色时，染料在水溶液中和纤维中的浓度比，不论在什么样的条件下，其比值近于常数。显然，在染料用量不变，其他染色条件相同的情况下，浴比小有利于染料的上染，特别对于直接性比较小的染料，影响更为显著。因此活性染料染色时，在不影响匀染的条件下，应尽量减小浴比，一方面提高了固色率，同时也减少了活性染料在染浴中的水解。
3.温度
和其他染料染色一样，在染色能达到工艺平衡的条件下，上染百分率将随着温度的下降而提高。但在实际生产中，由于时间的限制，染色过程往往不能达到平衡状态，如降低温度，染色速率也随之降低，要达到染色平衡所需要的时间就更长。因此，染色时降低染色温度，往往并不能获得较高的上染百分率，相反，为了提高反应速率和使染料能在短时间内扩散到纤维内，可获得染透染匀的效果。较稳定的K型活性染料，就有必要在较高温度下染色，但X型活性染料，随着温度的升高，可促进染料的水解，则不能在高温下染色。因此，提高染色温度，要根据各类染料的性能加以考虑。
4.碱剂
活性染料在碱性介质中，与纤维素分子键合固着的同时，染料也会发生遇碱水解，虽然染料与纤维的反应速度快，但如果处理不好，染料的水解性会有所增加。
染料与纤维或水的反应，随pH的不同而异。在中性染液中，染料与纤维或水的反应极慢，而在碱性条件下，反应进行加快，但若pH过高时，会因纤维素负离子的增加而使纤维与含有磺酸基的染料的斥力变大，同时染料会迅速水解，使染料在纤维上的固着率大大降低。因此，在保证固色的情况下，尽可能选用较低的pH，一般控制在10～11为宜。
5.电解质
活性染料分子较小，扩散性能良好，匀染效果好，因此染色时可加入较多量的电解质进行促染。电解质对活性染料的作用和对直接染料的相似，只是活性染料的上染率低，更需加入电解质以有效地提高上染百分率。电解质促染作用的大小，视染料的直接性大小而有不同，对直接性低的染料促染作用显著。但电解质的用最过多也会造成染色不匀。因此，在可能的情况下，可合理地缩小浴比，少加电解质；浴比减小了，染料的上染百分率可提高，又不致染花。