染色實務特論 纖維結構與染色、整理之關係介紹 王權泉 教授 中國文化大學紡織工程學系

一 、纖維種類及基本結構 纖維的分類

B.纖維的基本組成結構 纖維素纖維結構組成 (一)纖維素纖維(Cellulose fibers) 一般主要常用的纖維素纖維的種類包括: 棉纖維(cotton fiber)、蔴纖維(Linen)、及再生纖維素纖維(嫘縈 (rayon) )、天絲棉(Tencel)、摩代爾(Modal)、醋酸纖維(Acetate 等)，此類纖維素纖維的基本化學組成，除了醋酸纖維外，皆由葡 萄糖分子所構造而成，主要的染色官能基(染著席位)為-OH(羥 基)，其化學結構如下: 纖維素纖維結構組成

醋酸纖維結構組成

(二)蛋白質纖維(Protein fibers) 羊毛纖維結構組成

(三)合成纖維 屬於高疏水性纖維，一般需採高疏水性染料(例如分散性染料)進行染色；聚酯纖維的化學結構如下： TPA＋EG→BHT＋水 即 聚酯纖維結構組成

(2)聚醯胺纖維(Polyamide fibers)

(3)聚丙烯腈纖維(Polyacrylonitrile fibers) 目前已對陽離子性染料具有良好染色性的酸性基改質聚丙烯腈纖維佔生產的大部分，因此改質聚丙烯腈纖維的主要染色官能基為酸性基(-SO3H)或鹼性基(-CONH2)，因染色官能機種類的不同，所適用的染料亦異。其改質纖維的化學結構如下(以酸性基為例)

二、纖維構造與染著席位(Site)

三、染料與纖維的結合 1.染料與纖維的結合 染料得以染著在纖維的官能基，必須兩者之間有超過某值以上的結合力相互作用方可。與染色有關之結合力，依其結合能(energy)的大小可分如下二種。 (1)物理結合 結合能達數仟卡/摩爾(kcal/mol)者。 例：凡得瓦爾(Van der walls)力，氫鍵結。 (2)化學結合 結合能達數十卡/摩爾(kcal/mol)，或以上者。 例：離子鍵，共價鍵，配價鍵。

2.主要纖維與染料的結合 主要纖維與染料的結合之例，由化學結合與物理結合可分類如下。實際上染色是兩者同時進行以助長其染著。 (1)化學結合之例 ①離子鍵結合 羊毛以酸性染料(酸性浴)染色即為其例。 W‧D分別表示纖維‧染料的基本構造。

②共價鍵結合 纖維以反應性染料染色，即為其例。 ③配價鍵結合 羊毛以酸性媒染染料(鉻鹽後處理法)染色，即為其例。纖維上的酸性媒染染料即以鉻鹽(Chrome)處理，即形成染料之鉻色澱(Chrome lake)，而固著發色。

(2)物理性之結合 ①氫鍵結合 纖維素以直接染料染色，即其為例。 ②凡得瓦爾(Van der walls)結合 以分散染料染色乙酸纖維酯，似以極性凡得瓦爾結合為主。在尼龍、聚酯、丙烯腈等，以分散染料染色之際，此種結合亦佔有很重要的地位。其他非極性凡得瓦爾結合，對染著亦產生種種影響，這一點已引起學者重視。

四、染料種類及染著纖維原理 (A)染料分類及適染性 染料品種很多，不同染料適用於不同纖維的染色，如下表所示。不同染料又具有不同的染色堅牢度與染色方法，因此選用染料時，首先必需對染料的性質有所了解。以下介紹紡織上常用的幾種染料。

染料化學發展年表 年 1845 由煤焦油提煉苯 1856 發明最初之合成染料（Perkin） 1858 重氮化之發明 此後偶氮染料漸行發達 1845 由煤焦油提煉苯 1856 發明最初之合成染料（Perkin） 1858 重氮化之發明 此後偶氮染料漸行發達 1860 發明苯胺黑（Aniline Black）之染色法 1865 確定茜素（alizarin）之構造及其合成 1873 開始製造硫化染料 1876 Witt氏提出發色團學說 發明酸性染料Orange Ⅱ 1880 靛藍構造之確定及合成（Bayer） 發明Para Red 1884 Congo Red之發明 此後直接棉染料漸行發達 1887 發現顯色染料Primuline Red堅牢度增進法 1890 發明靛藍製造改良法 1901 陰丹士林（Indanthrene）染料（蒽醌系甕染料） 1912 Naphthol AS的發明 1915 金屬錯鹽性染料的發明 1921 發明Indigosol染料（可溶性甕染料）的發展 1928 新發色團phthalocyanine的發現 1929 螢光增白劑的發展 1930 Rapidogen染料之發明 1938 Pigment Resin Color的發展 1956 以反應染料共價鍵結合的染色方式開始出現 1971 了解聯苯胺（benzidine），β-萘胺（β-naphthylamine）等為引發癌症之物 質，多數工廠已停止此項製造。

表 染料與纖維關係表

(1)Dyeing as a mass transfer process （B）染料染著纖維原理 (1)Dyeing as a mass transfer process DYEBATH DYE FIBER INTERFACE

在由纖維，染料，水所構成的染色系統中，若檢討染浴中的染料染著於纖維，即至染色完了為止的過程，一般可分為如下三個階段。 ① 在染浴中的染料擴散至纖維表面。 ② 染料被吸著於纖維表面上。 ③ 染料由表面擴散至纖維之內部。

染色進行至飽和狀態，即不再發生染料之吸著或脫除之時，謂之染著平衡。 (2)染著平衡 染色乃染料被吸著於纖維的反應，可以下方式表示。 染色進行至飽和狀態，即不再發生染料之吸著或脫除之時，謂之染著平衡。 於一定溫度下的染著平衡狀態，染料D分配於纖維F與染浴S二相時，纖維相的染料濃度（[D]F）與染浴相的染料濃度（[D]S）間有一定的關係式存在。此關係式謂之吸著等溫式，其關係曲線，謂之吸著等溫線。

圖 染色過程

表 染料對纖維的三種等溫吸附型態

五、染料特性及對纖維之作用 (1)直接染料 直接染料以雙偶氮和三偶氮結構為主，分子結構較大，且呈狹長扁平的線狀結構，分子結構中含有磺酸基（－SO3Na）、羧酸基（－COOH）等水溶性基團，可溶於水。另外，由於在許多直接染料分子中都含有聯苯胺等禁用芳香胺，屬於禁用染料之列，因此直接染料的應用在一定程度上受到了限制，需謹慎選用。

染料分子與纖維素中所含的多數羥基間，形成氫鍵，（參閱染色化學Ⅰ）成為如下圖所示的結合而染著。 圖 染料中之各基與纖維素之氫鍵結合

圖 直接染料之染著

（2）酸性染料（Acid dyes） 酸性染料分子中含有磺酸基和羧基等水溶性基團，是水溶性染料。與直接染料相比，酸性染料的分子結構大都較小，較簡單。根據染料分子結構和染色性能可分為強酸性浴酸性染料、弱酸性浴酸性染料及中性浴酸性染料。 酸性染料對蛋白質纖維具有較高的親和力，主要對羊毛、蠶絲、尼龍、皮革等進行染色，染色方法主要為浸染法。

羊毛纖維的等電點為pH=4.2~4.8。當染浴的pH值在纖維的等電點以下時，纖維以氨基正離子形式存在，纖維帶正電荷⊕，能與染料陰離子以離子鍵結合而固著在纖維上。當染浴的pH值在纖維的等電點以上時，纖維以羧基負離子Ө形成存在，染料上染纖維主要靠分子間凡得瓦爾力作用。 若以W表羊毛基本構造，羊毛的一般式以H2N．W．COOH表示，則其關係式如下：

Fiber－NH2 ＋ HSO3－Dye Fiber－NH3＋－SO3－Dye Fiber with basic amino group Dye with acidic sulfonic acid group Dyed fiber with salt linkage between dye and fiber

(3) 酸性媒染染料及金屬錯鹽酸性染料 (Acid Mordant dyes and Metal complex Acid dyes) 酸性媒染染料是含有能與金屬離子絡合的配位基團的酸性染料，且在分子結構中含有磺酸基等水溶性基團，所以是水溶性染料。常用於羊毛染色，染色時依弱酸性染料染色方法染色，然後再用金屬媒染劑(如重鉻酸鹽)媒染，此方法稱為後媒法，較為常用。

金屬錯鹽酸性染料是在染料分子結構中，已經具有金屬螯合結構的一種酸性染料，它所含有的金屬離子一般也是鉻離子，少數品種為鈷離子。 金屬錯鹽酸性染料具有染色操作工程較簡便，染色牢度好等優點，主要用於羊毛、蠶絲和尼龍的染色，染色的方法主要是浸染法。 根據金屬離子和染料分子絡合形式又分為1：1型及1：2型金屬錯鹽酸性染料。1：1型金屬錯鹽酸性染料需要在強酸性染浴中進行染色，主要適用於對羊毛染色；而1：2型金屬錯鹽酸性染料，可以在中性染浴中進行染色，故又名為中性染料，既可以對羊毛染色，也可以對蠶絲尼龍染色。

圖 纖維與染料間無直接親和性時，須用特殊媒染劑處理才能夠染色，此種染法，謂之媒染。

酸性媒染染料

1：1型金屬錯鹽酸性染料 1：2型金屬錯鹽酸性染料，Acid Violet 78

(4) 還原染料(Vat dyes and sulfur dyes) 還原染料分子中不含水溶性基團，故不溶於水，但含有兩個或兩個以上的羰基，能在鹼性、還原劑(如保險粉-----低硫酸鈉)條件下被還原成隱色體上染纖維。上染完畢，經空氣氧化或氧化劑氧化，隱色體轉變成不溶性染料而固著在纖維上，並顯出真實色澤。還原染料還原過程和隱色體氧化過程表示如下：

甕染料之還原及氧化 圖 靛藍的隱色鹽(淡黃色) 圖 靛藍的隱色鹽(淡黃色) 甕染料與纖維素的結合，是由於(1)依氫鍵結而吸著，(2)具有共軛雙鍵結，含有如蜂巢狀的染料分子，密著於纖維表面，產生凡德瓦爾結合。

硫化染料之還原及氧化 溶解性 普通硫化染料並不直接溶於水。但若於硫化鈉之溶液中加熱使之還原，則成無色化合的鈉鹽，而可溶於水。 溶解性 普通硫化染料並不直接溶於水。但若於硫化鈉之溶液中加熱使之還原，則成無色化合的鈉鹽，而可溶於水。 R-S-S-R 2R-S-H 2R-SNa 2H 還原 硫化染料 無色化合物 無色鹽 (b)染色性 硫化染料之無色鹽吸著於纖維素後，經氧化而恢復其原來的硫化染料，進行染色。 2 R – S – Na R – S – S – R + 2 NaOH O H2O 原來染料(纖維上) 無色鹽(吸著於纖維)

(5) 反應性染料(Reactive dyes) 此類染料的分子結構中因含有能與纖維發生反應的活性基團而得名，又稱反應性染料。由於他與纖維的結合是靠共價鍵相聯，所以牢度好，色澤鮮艷，均染性好，使用方便。但因染料中的活性基團也能遇水發生分解作用，所以在染色時有一部分染料會受到破壞而浪費掉。主要用於棉、麻、絲、毛等纖維的染色。

反應染料，主要是以偶氮系，蒽醌系的酸性染料為母體，係具有能與纖維起共價結合的反應基的染料。反應染料的一般式如下。 D：母體染料分子 S – D – T – X S：水溶性基 反應染料的一般式 T：反應基與母體染料分子的連結基 X：反應基 [例1] Reactive Black 1 堅牢度 耐 光 6~7 洗 濯 5

反應染料在鹼性溶液中，以如下的共價結合與纖維素起反應，而相互連結，共反應機構有如下兩種類型。 置換型反應染料 茲以下列的二氯三氮口井(dichlorotriazine)染料為例，以一般式表示其結合狀態。具有兩個官能基的反應染料，對纖維素發生的反應有 圖 置換型反應染料

加成型反應染料

(6) 陽離子染料(鹽基性染料，Basic dyes) 陽離子染料是在早先鹽基性染料的基礎上發展起來的，它與上述染料不同之之處是色素離子帶的是陽電荷，而不是陰電荷，故得此名，具水溶性，現在主要用於壓克力的染色，色澤鮮，牢度好，尤其耐晒。由於壓克力在聚合過程中加入了第三單體，使得纖維分子中含有一定數量的帶有負電荷基團，染色時可以與陽離子染料的正電荷以離子鍵結合。

(7) 分散性染料 (Disperse dyes) 分散性染料是非離子型染料，其分子結構簡單，由於染料分子中不含有水溶性基團、氨基等極性基團，因此難溶於水或微溶於水，要靠分散劑將染料分散成極細的顆粒後進行染色。昇華性能是分散染料特有的性能。分散染料有低溫型(E型)、高溫型(H和S型)和通用型(中溫型)(SE型)。

染料擴散滲入 纖維中 懸浮液中的 溶液中的單個 纖維表面上的 染料顆粒 染料分子 染料分子 圖 合成纖維用分散染料染色原理

分散染料對醋酸纖維的染著機構 主要是分散染料擴散分配在纖維(固體溶劑)中，且染料中的-OH、-NH2、-NHR及-NO2等基與醋酸纖維酯中的乙醯氧基之間，產生如下式的氫鍵結。 F：乙酸纖維酯 其他分散染料與醋酸纖維酯間是藉凡得瓦爾力(分子間引力)的作用而染著。

(B) 分散染料對聚酯纖維的染著機構 聚酯纖維與染料的結合，如下所述，係與纖維的酯基間形成氫鍵結使然，其他亦有經由凡得瓦爾力(Van der Waals)結合。 圖 聚酯纖維及染料(分子配列模型)

(8) 顏料(Pigments) 用塗料色漿對織物進行的染色方法稱塗料染色或塗料印花。塗料染色的牢度主要決定於黏著劑與纖維結合的牢度。塗料染色近年來應用日趨廣泛，因為它適用於各種纖維的上色，且色譜齊全，色澤鮮艷，加工簡單，且污染少。 Pigments + Binder Printing (顏料) (黏著劑) (印花加工)

六、纖維結構與整理加工的關係 （一）纖維素纖維的整理加工 纖維素因含有大量的－OH基（羥基），為其反應基，一般可與整理加工劑形成共價的酯基（ester）或醚基（ether）。

（A）纖維素織物的防縐加工 （1）二羥甲基脲樹脂與纖維素織物的－OH基（羥基）起如下的反應，形成醚基，同時樹脂間亦進行樹脂化反應，使棉織物獲得良好防縐性。

（2）二羥甲基二羥基乙烯脲樹脂（DMDHEU）；又稱2D樹脂，其結構中存在具有反應性的兩個羥甲基及羥基，可與纖維素纖維產生交鏈反應，形成醚基，也可自身聚縮合，使棉織物產生良好防縐效果。

（3）丁烷四羥酸（BTCA）多元羧酸其防縐作用是依靠纖維素分子－OH基和整理 劑之間產生酯鍵 交鏈。其反應分兩步進行，首先多元羧酸在高溫及催化劑的作用下，相鄰的兩個羧基脫水形成酸酐，然後酸酐再和纖維素分子的羥基進行酯化反應，形成交鏈。反應如下：

(B)纖維素纖維織物的柔軟加工 (1)酸酐類衍生物柔軟劑: 酸酐類衍生物柔軟劑可以和-OH、-NH2、-COOH、產生反應，處理後，織物具有耐洗、耐酸、耐鹼和撥水性能，且手感柔軟。一班用於纖維素纖維的柔軟整理，且可以應用於毛織物、尼龍織物。

(2) 羥甲基硬脂醯胺: 羥甲基硬脂醯胺分子中含羥甲基反應基團，在高溫中，經酸性催化可與纖維素纖維反應，反應式如下:

(C)纖維素織物的撥水加工 (1)吡啶季銨鹽類衍生物:此類柔軟劑除了具有良好的柔軟性能外，還具有優良的撥水性能。國外商品有Velam PF和Zeilan PA。Velam PF對熱較敏感，高溫處理後，一部份分子與纖維素分子上的羥基或蛋白質上的氨基產生化學鍵合，另一部份則變成具有高疏水性的雙硬脂醯胺甲烷，包覆於纖維表面，使織物具有耐久的柔軟，撥水性能，反應式如下:

(2)矽酯撥水劑:矽酯與纖維分子結合，以撥水基覆蓋於表面上而達撥水效果。 圖矽酯之撥水機構

(D)纖維素織物的防燃加工 (1)脲-燐酸法 燐酸在脲的存在下與纖維素反應，生成含氮之磷酸纖維酯，而具有防火性。以磷酸鹽代替磷酸，及以烷基胺(alkylamine)與二氰二胺(dicyano diamide)之混合物代替脲亦可。 布經處理壓吸，乾燥後，150℃熱處理10分鐘的方法，叫做Bancroft法。使用於軍服的防火加工。

(2)鈦-銻錯化合物法 將布浸漬在四氯化鈦(TiCl4)與三氯化銻(SbCl3)的水溶液中，輕度壓擠乾燥後，以碳酸鈉水溶液中和之。

(3)THPC法 英國稱為普羅邊(Proban)法，與三羥甲基三聚氰胺(trimethylol melamine)、脲等之熱固性樹脂併用，可發揮耐洗滌性良好的防火效果。其處理方法，是將布經壓吸、乾燥後，於140℃，熱處理4~5分鐘，水洗、乾燥之。

七、結論 紡織染色及整理加工是紡織產業中極為重要的一環，不 僅可增加織物的美觀性，及提高產品附加價值，且可促 進消費者購買慾，及擴大產品應用範圍，因此學習紡織 專業知識，若不懂得染色整理加工，可謂祇學得紡織工 程的表面，未來就業機會喪失大半。其次，欲獲得良好 的染色及整理效果，則須深入了解纖維結構與染料及助 劑間的作用機構，方能知其所以然，舉一反三，開發新 產品或改良織物的機能性，進而提升產業的競爭力及價 值。

參考文獻 邱永亮，魏盛德，紡織化學，徐氏基金會。 Warren S. Perkins, Textile Coloration and Finishing, Carolina Academic Press. 林杰、田麗，染整技術，中國紡織出版社。