家庭服装洗涤中染料转移的研究进展

张真真　梁帅童　孟明珠　张红娟　王际平

摘要：染料转移是家庭服装洗涤中的常见问题，染料转移的难易程度与染料结构、纤维种类等因素密切相关。为了更好地解决家庭服装洗涤中染料转移的难题，延长服装的服用风格和服用时间，减少染料转移带来的环境污染问题，对染料转移机制、影响因素及评价指标进行了总结，为染料转移抑制剂的开发改进提供基础信息。通过对近几年相关文献的研究，介绍了染料转移机制与抑制过程，阐述了染料结构、纤维种类和洗涤工艺对染料转移的影响，并分析了颜色评价和定量评价的优缺点，指出目前染料转移的评价指标具有局限性，应根据研究目的选择合适的评价指标。

关键词：服装洗涤;染料转移;染料结构;纤维种类;洗涤工艺;评价指标

中图分类号：TS941文献标志码：A文章编号：1009265X（2022）03003108

Research progress of dye transfer in household garment washing

ZHANG Zhenzhen  LIANG Shuaitong MENG Mingzhu

ZHANG Hongjuan WANG Jiping

Abstract： Dye transfer is a common problem in home garment washing. The difficulty of dye transfer is closely related to dye structure， fiber types and other factors. In order to better solve the problem of dye transfer in household clothing washing， extend clothing style and life， and reduce the environmental pollution caused by dye transfer， the dye transfer mechanism， influencing factors and evaluation indexes are summarized. It provides basic information for the development and improvement of dye transfer inhibitors. Through the relevant research on the literature in recent years， the mechanism and inhibition process of dye transfer are introduced， the effects of dye structure， fiber types and washing process on dye transfer are described， the advantages and disadvantages of color evaluation and quantitative evaluation are analyzed， and it is pointed out that the current evaluation index of dye transfer has limitations， and the appropriate evaluation index should be selected according to the research purpose.

Key words： garment washing： dye transfer; dye structure; fiber type; washing process; evaluation index

在家庭服裝洗涤过程中，染料从有色衣物上脱落下来成为洗涤体系中的游离染料，染料可能会转移到其他衣物表面，使深色布料褪色，浅色布料染色，这种现象称为染料转移或串染[12]。染料转移迫使消费者频繁地更换衣物并造成损失，丢弃的衣物主要通过填埋或焚烧的方法进行处理，对环境造成了严重的污染[3]。为了避免染料转移带来的影响，人们常常把浅色衣服和深色衣服分开洗，不仅浪费了时间和精力，还会直接导致用水量的上升和碳排放的增加，不能满足纺织生态可持续发展的需求。由于中国家庭数目众多，无论是从提升消费者体验，还是从减轻环境压力的角度，研究洗涤过程中的染料转移都有其经济和现实意义。本文综述了有关家庭服装洗涤中染料转移的研究进展，详细介绍了染料转移的机制、影响因素和评价指标，为染料转移抑制剂的开发提供理论指导。

1基于DLVO理论的染料转移机制

与抑制过程为了解决洗涤过程中的染料转移问题，必须要了解染料的转移机制与抑制过程。在洗涤过程中，从织物上脱落下来的染料通过分子间弱相互作用力与织物结合[4]。DLVO（Derjaguin landau verwey overbeek）理论与染料转移过程示意如图1所示[5]，DLVO理论指出洗涤过程中染料转移是否发生取决于染料分子和浅色织物之间的相互作用，即范德华引力和双电层斥力的共同作用，这种共同作用产生的力称为合力，其计算如式（1）[6]：

式中：VT为合力，VA为引力，VR为斥力。

当VA占主导地位时，合力VT<0，体系呈现相互吸引的状态，染料分子与织物结合。需要指出的是，这种引力导致的结合可能出现1和2两种结合状态，如图1所示。处于状态1的结合方式较弱甚至可逆，但是状态2稳定存在不可逆。当VR占主导时，合力VT>0，体系呈现相互排斥的状态，染料分子不会吸附到织物表面。其中状态3为体系的主峰斥力，状态4为次级斥力。

以常用的阴离子表面活性剂和纯棉纤维为例，在洗涤过程中，当表面活性剂加入到洗涤体系后，带负电荷纤维表面的电势能上升，与带负电的染料分子之间的斥力增加，染料分子与纤维之间的合力处于状态1或状态2，但仍不足以阻止染料转移的发生[5]。

为了减少洗涤过程中染料转移的发生，洗涤剂厂家目前主要通过染料转移抑制剂来解决洗涤过程中染料转移问题[4]。染料转移抑制剂是指洗涤过程中对脱落染料具有吸收或抑制其再次沉积作用的物质，其中，聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone，PVP）是出现最早、用量最大的染料转移抑制剂[7]。PVP是非离子型染料转移抑制剂的一种，由N乙烯基吡咯烷酮聚合而成，具有良好的络合能力[8]。PVP分子结构中含有极性较大的内酰胺基，可以与染料分子中的氨基或羟基结合，在溶液中形成络合物，减少染料分子对织物的沾染[9]。Boardman等[10]研究指出在染料转移抑制剂的合成中，羟基的引入可以提高染料转移抑制剂在水中的溶解能力和与染料分子形成氢键的能力，可以更好地抑制染料转移。在洗涤系统中，染料转移抑制剂与染料结合，可以改变染料与纤维之间的合力，使染料处于状态3或状态4，若处于状态3，染料转移抑制剂的抑制作用达到最大。当然DLVO理论不足以解释所有染料转移的机制，染料结构、纤维类型和洗涤工艺等的变化对染料转移的影响很大。

2染料转移的影响因素分析

有关染料转移的研究主要集中于染料转移抑制剂的合成[1011]与应用[9，12]，染料和纤维对染料转移的影响较少有讨论。染料转移是一个复杂的物理化学过程，包括染料的解吸、脱落、吸附及扩散，在这个过程中，染料、纤维和洗涤工艺对染料转移的影响很大[1317]。研究染料与纤维对染料转移的影响机理，对抑制染料转移技术的开发具有重要意义。

2.1活性染料结构对染料转移的影响

在有关染料转移的研究中，常常忽略染料结构对染料转移的影响[1720]。活性染料因其色谱广、色彩鲜艳、高的湿处理色牢度、适用性强等优点而被广泛应用于棉织物的染色。Cotton等[3]通过洗涤实验发现，与分散染料相比，由活性染料染色的衣服在洗涤过程中更容易掉色。Guo等[14]、Fergusson等[21]指出家庭洗涤中，深色纤维面料容易褪色，尤其是深蓝色和黑色纯棉服装的掉色现象非常明显。Cai等[22]使用高效液相色谱法对活性蓝19染色织物的洗涤残液进行测定，结果表明，在洗涤过程中，从织物上脱落下来的染料主要为水解染料和未固定染料。然而，染料转移抑制剂的研究主要针对直接染料，Oakes等[23]研究發现，DTI聚合物可以有效抑制大部分直接染料对棉织物的吸附，但在抑制偶氮染料吸附方面不太有效。与直接染料相比，水解活性染料的平面性较差，其空间结构更为复杂[3]。此外，活性染料在市场上的占有份额远高于直接染料，其用量大，用途更广，因此，活性染料染色织物在家庭洗涤中的染料转移问题不容忽视[24]。

1956年，英国卜内门公司生产的第一个商品号为Procion的棉用活性染料的结构如图2所示[25]，图2中标出了活性染料的4个组成部分：染料母体、活性基团、连接基和水溶性基团。纺织品中染料转移能力的大小与染料的化学结构密切相关，任何一个部分的变化都会导致染料的空间结构和性能发生明显变化，进而影响染料的转移性能和染料转移抑制剂的选择[26]。

衣物上未固定及水解的染料在洗涤过程中会重新吸附到织物表面，吸附能力主要与染料母体有关。染料母体是活性染料的发色部分，与纺织品的颜色直接相关，对染料的沾色性有很大影响[27]。偶氮、蒽醌和酞菁是活性染料常见的染料母体。具有单偶氮和蒽醌结构的染料分子较小，其水解后的染料具有良好的易洗涤性能，对织物的沾染能力较弱。而具有双偶氮和酞菁结构的染料分子偏大，亲和力高，在溶液中容易聚集，如C.I.活性红120和C.I.活性蓝21这类分子量较大的活性染料，对织物的沾色效果十分明显[28]。

不同的活性基对活性染料染色织物的耐洗牢度影响不同，常见的活性基有均三嗪活性基和乙烯砜活性基。乙烯砜活性基与纤维素纤维形成的染料纤维键在pH为6～7、60 ℃时可以稳定存在，而一氯均三嗪在85 ℃和pH 10～12的洗涤环境下仍然可以稳定存在。乙烯砜活性基对pH和温度的变化更加敏感，在洗涤过程中更容易水解脱落，造成染料转移[29]。为了提高纺织品的耐洗牢度，市场大量推广异双活性基活性染料，特别是具有一氯均三嗪和乙烯砜活性基的双活性基染料，可以有效减少洗涤过程中染料的脱落[30]。

活性染料的连接基对染料分子的平面性有显著影响，Suwanruji等[31]指出，活性染料的平面性越好，直接性越高，在洗涤过程中容易沾染到纺织品表面，不易去除。染料分子中存在由单双键间隔相连的分子结构单元，即共轭体系，在共轭体系中，所有的原子处于同一平面[32]。共轭体系的增大使染料分子的能量趋于稳定，在这种分子中，任何一个原子受到外界试剂的作用，其他部分立即受到影响，其作用贯穿在整个体系中[33]。亚胺基（—NH—）是常见的连接基，当亚胺基上的氢被烷基取代时，可以降低均三嗪环和苯环间的共平面性，导致染料的平面性受到破坏，降低染料分子对纤维的直接性，使染料分子不容易吸附到纤维上[30]。

共轭体系大的染料对纤维的直接性更高，但是其直接性也同时受到染料结构中水溶性基团的影响。磺酸基团是活性染料中最常见的水溶性基团，随着染料磺化程度的增加，染料和纤维之间的静电排斥增加，可以减少染料分子对织物的沾染程度[34]。同时，水溶性基团多的染料更容易与水形成氢键，溶解在水中，对纤维的直接性降低，Suwanruji 等[31]指出低直接性的水解染料具有良好的洗去性能，不易沾染到纺织品表面。

2.2纤维类型对染料转移的影响

衣物通常是在弱碱性环境下洗涤的，洗涤溶液的pH不能超过10.6[35]。部分纤维的zeta电位示意如图3所示[5]，在碱性条件下，纤维表面所带的负电荷数从大到小依次为：羊毛、尼龙、丝绸、棉、粘胶。水解染料是一种阴离子染料，纤维表面的负电荷越少，与水解染料之间的静电斥力越小，因此，在洗涤过程中，纤维素纤维更容易串染。

纤维通过范德华力和氢键的形式与水解染料结合[36]，分子间作用力往往相对较弱且可逆，因此表现出较差的耐洗牢度[4]。纤维上的氨基和羟基能与染料分子中的氨基、羟基等极性基团形成氢键而相互吸引，提高了染料的直接性[27]。由于氧原子的电负性大，接纳电荷能力强，含有氨基的纤维更容易吸附染料，面料的颜色变化更加明显。

洗涤环境的变化对染料脱落也有很大的影响，活性染料与纤维素分子形成的染料纤维键在酸性和碱性条件下容易水解脱落[37]。蛋白质纤维在一般的洗涤条件下不易掉色，这是由于蛋白质纤维染色中的染料纤维键主要与氨基和巯基有关，这些键的键强度较大，对酸碱的依赖度低，在洗涤过程中不易断裂[38]。尼龙的掉色、沾色问题是困扰人们多年的问题，其水洗牢度随着洗涤温度的升高急剧下降，即使较低的温度（30～60 ℃）下，染料分子也可以从尼龙上脱落下来，经多次重复洗涤，尼龙的颜色强度逐渐减小;同时，脱落下来的染料分子也会对其他织物的颜色外观造成破坏[39]。尼龙又称锦纶，即聚酰胺纤维，是亲水性最高的合成纤维，尼龙分子中含有大量的酰胺键，分子末端有羧基、氨基及少量乙酰胺基等极性基团，容易与染料分子形成氢键，因此，尼龙在洗涤过程中很容易沾色[4041]。在含有直接染料的洗涤体系中，直接红对尼龙的沾染程度仅次于棉，而直接黑和直接蓝对尼龙的沾染情况最为严重，尼龙的沾色问题不容忽视[15]。

在染料转移中，纤维扮演着一个重要的角色，染料从纤维上解吸进入洗涤溶液中，在洗涤环境的影响下重新吸附到纤维表面，纤维即是染料的“供体”，又是染料的“受体”。然而，关于纤维种类对染料转移的影响却鲜少研究。哪种纤维容易掉色、沾色，以及在什么样的洗涤条件下容易发生染料转移都是需要研究的重点。只有充分了解纤维的性能，才能对纺织品的加工处理及洗涤用品的配制进行改进，降低染料转移的可能性。

2.3洗涤工艺对染料转移的影响

由于服用织物是由纤维构成的多级结构的多孔材料，洗涤过程中流体在其内部孔隙流动并同时伴有化学反应和染料的沉积及释放，其基于孔隙率物质浓度的控制方程如式（2）所示[42]：

式中：φ为孔隙率，C为染料浓度，Dm为物质扩散系数，m为反应物的摩尔质量，n为反应阶数，Aexp-ERT为阿伦尼乌斯项。

需要指出的是，由于织物内部空间尺度较小，一般认为织物内部对流加速度项v·ΔC由固液交界面的特性所决定，也就是由毛细动力所驱动[43]。同时洗涤过程中的染料沉积和脱离一般发生在固体纤维的表面，因此需要对局部对流项φCt，及阿伦尼乌斯项进行修正才能得到较好的预测效果[44]。

由式（2）可以看到，染料在织物中的脱离，沉积和转移受到织物的结构（孔隙率）、织物内的流动速度，反应活化能和沉积速率、温度的影响。其中织物内的流动速度还受到洗涤过程中织物外部水流初始动能、流体性质和边界条件的影响，如洗涤用水量，筒壁的形态，洗涤流体的表面张力等。

洗涤过程中染料的脱落主要发生在洗涤阶段，从衣物上脱落下来的染料大约是漂洗阶段的3～4倍[45]，这是由于洗涤时间长和洗涤过程中较高浓度的表面活性剂造成的[20]。此外，洗涤剂中的氧化漂白剂（过硼酸钠或过碳酸钠）也会导致染料纤维键的水解，在洗涤和漂洗过程中引起染料的解吸[21]。水的硬度主要指水中钙、镁离子的含量，钙、镁等阳离子的存在会促进染料聚集，导致染料沉淀，在织物表面形成明显的色斑[46]。

3染料转移的评价指标

染料转移的评价指标主要分为颜色评价和定量评价两种方法。颜色评价以织物洗涤前后的颜色变化作为染料转移的评价指标，主要使用测色配色仪对织物洗涤前后的颜色进行测量。颜色评价指标以色差ΔE为主，其他颜色评价指标还有色彩深度K/S[22]，明度（或亮度）L[47]和白度W[48]。定量评价以织物洗涤前后溶液中染料分子的数量变化作为评价指标，主要使用紫外可见分光光度计对洗涤前后的溶液进行测量，通过染料浓度的变化确定染料的量[49]。

3.1颜色评价

ΔE是最常用的颜色评价指标，对于人类来说，当ΔE在2.3左右时，人眼可以明显察觉到织物颜色的变化[50]。在衡量染料转移的程度时，可以用ΔE=2.3作为标准，ΔE<2.3时，可以忽略染料转移带来的影响。色差ΔE的计算方法如式（3）：

式中：L表示明度变化，a表示色光的红绿变化，b表示色光的黄蓝变化[51]。

ΔE越大，說明织物洗涤前后的颜色变化越明显。值得注意的是，ΔE是一个绝对值，只能判断织物洗涤前后颜色差距的大小，无法判断织物颜色的深浅。

在纺织工业中，通常使用K/S值表示织物表面的颜色深度，一般来说，染料浓度越高，织物颜色越深[22]。由于染料结构的不同，染料颜色的深浅不同，对于同种染料而言，可以用K/S值表示染料转移的程度。K/S值用库贝尔卡蒙克（Kubelka Munk）方程计算如式（4）[45]：

式中：K为漫反射的吸光系数，S为散射系数，R为织物的反射率。

明度L表示织物的明暗程度，L值越小，表示明度越暗，转移至织物表面的染料越多，染料转移情况越严重[47]。

白度W表示织物表面的白色程度，白度值越小，表示织物的白色程度越低，织物表面的染料越多[48]。

3.2定量评价

目前主要采用紫外可见分光光度法（Ultravioletvisible spectrophotometry）对染料转移进行定量研究。紫外可见分光光度法是通过物质的吸收光谱来研究物质的成分、结构及物质间相互作用。朗伯比尔（LambertBeer）定律是紫外可见分光光度法定量分析的基础[52]。不同结构的染料分子对光的吸收性能不同，邓旭山等[2]采用紫外可见分光光度法来定量研究洗涤过程中织物上染料掉落以及串色的量。使用郎伯特比尔定律可以计算洗涤过程中染料转移的量如式（5）[27]：

式中：A为吸光度;ε为摩尔吸光系数;c为浓度，mol/L;l为光程长度，cm。

通过郎伯特比尔定律可以计算洗涤前后染料浓度的变化，确定洗涤过程中染料转移的量[53]。但是，紫外可见分光光度法的使用有很大的限制，适合低浓度溶液的测量，洗涤剂的加入以及温度的变化，都会对紫外光谱产生干扰[27]。洗涤剂中的主要成分表面活性剂可以通过分子间相互作用与染料结合，形成复合物，使染料呈聚集状态[54];洗涤剂中的其他成分，如漂白剂，会导致染料发色团的氧化，使染料颜色发生变化，使吸收光谱产生偏移，不能对染料进行准确的定性及定量分析[22，54]。在制备染料样品时，应尽可能保持样品的纯净，避免其他杂质的影响。溶液的温度对染料分子的聚集状态有直接影响，在低温下，溶液中的染料容易聚集在一起，染料分子之间的距离将缩小，染料分子的电荷分布会受到邻近染料的干扰，从而影响染料的吸光能力，使吸收光谱发生改变[55]。因此，新制备的染料溶液的温度应该保持在50 ℃左右，使染料分子分散在溶液中[56]，可以提高测试的准确性。

颜色变化是染料转移最直观的表达方式，却忽略了染料分子自身性质的影响。染料的颜色有深浅之分，单单观察织物的颜色变化很难比较染料转移的程度。对于浅色染料来说，尽管有许多的染料分子沾染到织物表面，颜色外观的变化可能不如少量的深色染料明显。染料转移抑制剂应尽可能多地去除洗涤体系中游离的染料分子，使用颜色评价和定量评价两种方法，可以更好地评估染料转移抑制剂的性能。从目前的情况来看，紫外可见分光光度法的使用有很多的局限性，并且很容易产生误差。因此，开发新的定量评价的方法，对于抑制染料转移技术的开发具有重要意义。

4结论与展望

本文回顾了染料转移机制与抑制过程，指出了染料、纤维及洗涤工艺对染料转移的影响，并对现有的染料转移评价指标进行分析。有关染料转移研究的相关结论及未来的研究方向如下：

a）文章从DLVO理论的角度出发，解决染料转移问题的关键在于增大染料转移抑制剂与染料分子之间的引力和染料分子与纤维之间的斥力，只有当引力大于斥力时，才能更好地起到抑制染料转移的作用。

b）在研究家庭洗涤中染料转移的相关问题时，应该注意染料、纤维和洗涤工艺三者之间的相互作用对染料转移的影响。在此基础上，后续研究可以针对用量较大、染料转移严重的染料，有针对性地设计染料转移抑制剂的结构，优化洗涤工艺和配套的织物后整理工艺，从而提升染料转移抑制效果，减少洗涤次数和衣物废弃，降低水耗和碳排放。

c）在染料转移的评价指标方面，颜色评价指标的发展相对完善。色差可以比较织物洗涤前后颜色差距的大小，色彩深度可以准确分析同种染料对织物颜色的影响，明度可以判断织物的明暗程度，白度适用于无彩色的分析。然而，染料转移的定量评价方法仍存在很大的误差，开发一种更敏感、更精确的测量方法，可以为染料转移的研究提供有力支撑。

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收稿日期：20210610网络出版日期：20211122

基金项目：国家自然科学基金项目（22108169）;上海市青年科技英才扬帆计划（21YF1416000）;新疆生产建设兵团重大科技计划（2019AA001）

作者简介：张真真（1996-），女，河南平顶山人，硕士研究生，主要从事纺织品护理方面的研究。

通信作者：梁帅童，Email： liangst@sues.edu.cn