染色理论研究内容主要是研究染色热力学和染色动力学，即染色平衡和上染速率的研究。 具体包括染色工艺条件（染料浓度、浴比、温度、pH值、电解质、染色助剂）、染色设备等对平衡上染程度及上染速率的影响。通过染色理论的研究，对于合理选用染料及助剂、提高染料利用率、上染速率、改善匀染性、降低染色成本、减少废水排放等染色工艺的制定以及设计制造生产效率高的染色设备具有重要指导意义。

染料和纤维分子间作用力

       染料吸附上纤维后可通过多种类型的作用力和纤维分子结合，这些作用力的强弱决定了染色牢度的大小：

       一、范德华力: 一种分子间作用力，存在于各种纤维和各类染料染色之中，但它的作用的重要性却各不相同。范德华力的能量较弱，比共价键低许多倍，由定向力、诱导力、色散力三部分组成。 范德华力的大小取决于染料与纤维的分子结构和形态、接触面积及分子间距离。如染料分子量大，极性大，共轭系统越长，分子的线型和同平面性好，且与纤维分子结构有良好的适应性，则范德华力强。

       二、氢键：一种分子间作用力。由俩个电负性较强的原子通过H原子而结合（能量与范德华力属同一数量级）。俩原子电负性越强，则俩者间形成的氢键的键能就越大。 氢键大小与H原子俩边所连原子的电负性大小有关，原子的负电性越强，氢键越强。氢键存在于分子之间，也可以产生于分子内部，染料与纤维之间也能产生。

       范德华力和氢键结合的能量较低，但在染色中起着重要作用，是染料对纤维具有直接性的重要因素。范德华力和氢键引起的吸附属于物理吸附，吸附位置很多，是非定位吸附。

       三、库仑力：盐式键/离子键，主要存在于具有相反电荷的染料和纤维之间，如强酸性染料染蛋白质纤维，阳离子染料染晴纶，染色牢度随电荷强弱而异。

       四、共价键：主要发生在含有活性基团的染料和具有可反应基团的纤维之间，如活性染料染纤维素纤维。共价键具有较高的键能，一般耐洗耐摩擦牢度比物理化学结合要高。

       五、配价键：一般发生在媒染染料及金属络合染料染色之中，如金属络合染料染羊毛。配位键的键能较高，作用距离较短，染色牢度好。

       离子键、共价键、配位键结合的键能均较高，在纤维中有固定的吸附位置，由这些键引起的吸附称为化学吸附，是定位吸附。

       这些不同性质或结合的力往往是同时存在的，但纤维与染料结合的系统不同，它们的重要性也不同。直接染料上染纤维素纤维时主要是借助范德华力和氢键；阳离子染料染晴纶主要是库仑力，氢键和范德华力作用较小；强酸性染料染羊毛主要是库仑力上染，弱酸性染料染羊毛时范德华力和氢键起重要作用。

染料的上染过程

       染料随染液（或介质）向纤维转移，并使纤维染透的过程。可分为三个阶段：吸附→扩散→固着 。

       1．染料的吸附：染料能对纤维发生吸附，主要是由于染料和纤维之间具有吸引力。这种吸引力主要是由分子间作用力构成的，它主要包括范德华力、氢键和库仑力等。（染料的吸附是一个可逆过程， 吸附和解吸同时进行，已上染到纤维上的染料会解吸而扩散到染液中，然后又重新被吸附到纤维的另一部分，如此反复有利于染色的均匀。）

       2、染料的扩散： A、染色初期，吸附在纤维表面的染料浓度比纤维内部的要高，使染料向纤维内部扩散，直至平衡； B、扩散速度与染料结构、纤维结构、染色温度、助剂等有关； C、扩散对染色速度和染色的匀染质量起着决定性作用，拼色时应选用性能相近的染料；

       3、染料的固着： A、扩散到纤维中的染料通过多种方式与纤维键结合，染料与纤维间的作用力一般分为俩类：一类是化学力，它包括共价键、配价键和离子键。另一类是物理力，它包括范德华力、氢键和聚集性； B、不同应用类别染料和纤维结合方式不同：如: 活性染料与纤维素纤维－共价键、弱酸性染料与蛋白质纤维－离子键＋分子间力、直接染料与纤维素纤维－范德华力＋氢键。染料与纤维间固着力的类型和大小对染色的色牢度起着决定性的作用。

染料在溶液中的状态

      按染料在水中的状态来分，染料可分为离子型染料（包括阳离子型染料、阴离子型染料）和非离子型染料。离子型染料因含有可电离的水溶性基团，一般溶解度较高，会直接溶解在水中，如直接染料、活性染料、酸性染料等；非离子型染料因只含极性较小的亲水性基团（如羟基、氨基等），一般溶解度较低，只能分散悬浮在水中，如分散染料。

      离子性染料一般含有水溶性基团，如磺酸基、羧基等，这类染料能溶解在水溶液中，溶解度的大小与染料种类、温度、染液pH值等因素有关。水溶性染料一般都是电解质，在溶液中会发生电离，生成染料离子， 影响染料电离、溶解的因素有以下几点：

       1、含水溶性基团（-SO3H、－OSO3H）的染料比含亲水性基因（-OH、-COOH）的染料溶解度要好。

       2、相对分子质量大的染料，因染料分子间作用力较大，溶解度一般较低；相反，相对分子质量小的染料，因染料分子间作用力较小，溶解度一般较高。

       3、一般而言，改变染液的PH值，若有利于染料的电离或离子化，则有利于染料的溶解。

       4、随着温度的上升，溶解度上升，在考虑染料中添加剂及染料本身能承受的情况下，升温有利助溶。

      5、染料中助溶剂的加入可以使溶解度增加，它是通过助剂本身与染料分子间内形成氢键而助溶的，而中性电解质的加入容易使溶解度下降。

       不溶性染料（如分散染料、还原染料）是借助于一些表面活性剂使染料在水中成悬浮液而上染纤维，影响悬浮液稳定性的因素有：

       1、颗粒大小：染料颗粒越小悬浮体越稳定，一般要求颗粒<2um。

       2、温度的影响：温度上升，颗粒间的碰撞上升，容易沉淀。配还原染料悬浮体染液时，温度不可太高，可加入保护胶体（防泳移剂）来提高分散液的稳定性，如加中性电解质会使稳定性下降。悬浮液放置一段时间后要搅拌，但不可太剧烈。

       3、分散剂的影响：分散剂的分散能力越强，用量越大，染料分散液越稳定。

       染料在溶液中受到水和其它物质的作用，发生溶解或电离，使染料成单分子或离子状态分布在染液中。同时染液中的染料分子或离子之间，由于H键和范德华力，特别是色散力（非极性分子相互靠拢时，由于电子的不断运动和原子核的不断振动，要使每一瞬间正、负电荷中心都重合是不可能的，在某一瞬间总会有一个偶极存在，它们的瞬时偶极矩之间会产生很弱的吸引力，这种吸引力称为色散力）的作用，会发生不同程度的聚集，使染料溶液具有胶体性质。

       在溶液中染料以离子、胶束或胶粒状态同时存在，染料的聚集是染料溶解的逆过程，在染液中，染料离子、分子及其聚集体之间存在着动态平衡关系。染料对纤维的上染是以单分子或离子状态进行的，随着染液中染料分子或离子的不断上染纤维，染液浓度逐渐降低，染料聚集体不断解聚，直至染色达到平衡。影响染料在溶液中的状态的因素主要有：

       1、染料分子结构：染料分子结构复杂，分子量大，具有同平面的共轭体系，含有的水溶性基团越少，则染料容易聚集。亲水性基团在染料分子中间的比在俩端的不易聚集。

       2、染液温度：染液温度低，染料聚集倾向大，温度升高，有利于染料聚集体的解聚。

       3、电解质的影响：染液中加入电解质，会使染料的聚集显著增加，甚至出现沉淀。

       4、染料浓度：染料浓度高，聚集倾向大 。

       5、PH值的影响：PH值降到一定范围后，某些染料的聚集程度急速增高，甚至引起沉淀。

       6、表面活性剂：一般来说，带离子基的染料和带相反电荷的表面活性剂通过库仑引力有较强的作用；而各类表面活性剂都可通过它们的疏水组分和染料疏水组分发生范德华引力， 特别是色散力的作用；表面活性剂分子的适当基团还可和染料分子的某些基团发生氢健结合，使染料聚集程度增加，不利于匀染。

       7、尿素：尿素作为助溶剂，可使染料的溶解性能提高，减少染料的聚集。

纤维在水溶液中的状态

       纺织纤维都是由线性大分子组成的。大分子排列整齐，定向度高的部分，形成结晶区，在结晶区大分子排列紧密，空隙小而少；定向度低的部分，大分子排列不是很整齐，形成无定型区（非结晶区），在无定型区中分子排列松弛，有无数空隙分布其中。如果纤维分子中含有极性基团（亲水基团），当将纤维投入到染液中时，纤维的非结晶区将会吸湿发生膨胀，从而使纤维分子链间的微隙增大，这将大大有利于染料的上染。不同纤维，由于其结构不同，其吸湿能力也不同，纺织纤维的吸湿能力可用其在一定湿度下的回潮率来衡量。

       纤维的吸湿膨化发生在无定型区域，纤维在水溶液中，水分子进入无定型区，削弱了无定型区分子间的相互作用力，纤维发生了溶胀，直径变粗，微隙增大。 宏观上看，纤维吸湿膨化后，纤维直径（微隙）增加；微观上看，纤维吸湿膨化后，纤维无定型区增加。

       纤维无定型区分子间结合的距离构成空隙，组成无数大不不等而贯通的孔隙，微隙的大小和多少影响着染色的进程。孔隙的大小是指空隙的直径，它主要影响染色的速度；孔隙的多少是指空隙的容积，它将影响染料的上染百分率。

       所有纤维（除俩性纤维）在水溶液中，纤维表面都带有负电荷，其原因有：

       1、纤维大分子中某些基团的电离（-C00H/-SO3H）：

        A、棉纤维漂白过程中由于部分-OH氧化，使分子中含有一定量的羧基-COOH；

       B、涤纶大分子的末端有些是羧基-COOH；

       C、腈纶大分子中含有磺酸基-SO3H或羧基-COOH；

       D、蛋白质纤维、锦纶分子中含有氨基-NH2、羧基-COOH；

       F、粘胶纤维制造过程中部分氧化，含一定量的羧基-COOH。

       2、对分子中不含酸性电离基的纤维，如聚乙烯和聚丙烯纤维，在水中可能优先吸着水中的氢氧根离子，也可能是极性的水分子在纤维表面上定向吸着，使纤维表面带有负电荷。

       3、由于纤维的介电常数（介电常数代表了电介质的极化程度，也就是对电荷的束缚能力，介电常数越大，对电荷的束缚能力越强。）小于染液的介电常数，由经验可知，在接触的俩相之间，介电常数小的物质带负电，介电常数大的物质带正电，因此纤维在染液中表面带有负电荷。 羊毛与锦纶在强酸性浴中纤维的介电常数大于染液，此时纤维是带正电荷的。

       由于纺织纤维（非俩性纤维）在溶液中都带有负电荷，在使用阳离子染料染色时，由于染料阳离子和纤维表面电荷相反，则静电引力和分子间引力（氢键、范德华力）作用方向相同，染料容易发生吸附。如果染料离子电荷与纤维相同（如直接染料染纤维素纤维），则静电斥力和分子间作用力具有相互抵消的作用。由于静电与距离的二次方成反比，作用距离较远；而分子间引力与分子间距离的六次方成反比，只有在分子靠近时，分子间引力才发挥较大的作用，因此当染料从溶液中向纤维表面移动到一定距离的时候，斥力将大于引力，为了继续靠近纤维，染料分子必须克服这种斥力（电位壁垒），故染料分子必须具有一定的能量（相当于斥力最大值），这种能量称为染色活化能。也就是说，当纤维表面和染料分子持有相同电荷时，纤维表面动电层电位较高，电位壁垒高，染色困难，为了吸附所需的染色活化能就要较高。当染料分子克服斥力而更靠近纤维时，分子间引力起主要作用，这时染料被纤维表面所吸附。

       对阴离子型染料，染液中加入盐时，染液中Na+、Cl-提高，钠离子很容易就被纤维表面吸附，中和纤维表面的阴离子，钠正离子对纤维表面的负电荷的遮蔽作用，降低了纤维表面电荷对染料色素阴离子的排斥作用，即染料向纤维表面转移的能阻，电动层变薄，吸附活化能下降，有利于染料阴离子向纤维表面移动，上染速率提高，此时盐起促染作用。

       对阳离子型染料，染液中加入盐，染液中Na+、Cl-提高，钠离子很容易就被纤维表面吸附，中和纤维表面的阴离子，钠正离子对纤维表面的负电荷的遮蔽作用，降低了纤维表面电荷对染料色素阳离子的吸引作用，不利于染料离子向纤维表面移动，此时盐起缓染作用。

       强酸性染料染色时，在等电点以下羊毛纤维带有正电荷，染料与纤维之间的主要作用力为库伦引力，当然范德华力也起一定的作用。食盐电解质起到的是匀染的作用，作用离子为氯离子，羊毛带正电荷，氯离子比染料阴离子分子量小，扩散较快，先被羊毛纤维表面正电荷吸引占位，但染料阴离子对纤维的亲和力大于无机阴离子对纤维的亲和力，随着染色的进行，染料阴离子会逐渐取代氯离子而与纤维结合，这样就降低了吸附速率起到了匀染的作用。

       染料所带电荷与质量之比（荷质比）越大，盐效应越明显。盐对染色盐效应的影响主要取决于盐中金属离子的化合价和离子半径的大小。

染色热、动力学基础

       染色热力学主要研究染料在染色各过程中能量的转换规律、染色过程进行的方向和进行的程度。染色热力学可以判断上染、染料聚集等过程能否进行以及进行的最大程度，也可判断某种纤维的可染性和某种染色方法的可行性。

       染料从染液上染纤维是一个可逆过程。染色开始时吸附作用大于解吸作用，随着时间的推移吸附下降解吸上升，当吸附与解吸速率相当时，达到染色动平衡。若其它条件不变，再延长染色时间，纤维上的染料浓度和溶液中的染料浓度也不再发生变化，这就是染色平衡。

       染色平衡是染液中的染料与纤维表面染料保持的平衡，纤维表面与纤维中心部分染料保持的平衡，染色平衡受外界条件如温度、电解质、染液pH值等因素的影响。达到染色平衡一般需要较长时间，对于一定的纤维和染料来说，这一时间主要取决于温度和染料在纤维中的扩散性能，若染色温度高，染料的扩散性能好，则到达染色平衡所需的时间短，另外纤维的表面积、细度、染液循环等因素也影响达到染色平衡所需的时间。

       在染色的吸附、扩散、固着这三个阶段中，染料向纤维的吸附几乎是瞬间完成的，固着的时间也相对较短，所以染色过程的控制主要在第二阶段，即染料向纤维中的扩散。 扩散是一种分子运动，单个分子染料向各方向的运动概率是相同的，对于大量分子的运动结果是染料从高浓度向低浓度迁延，所以染料在纤维中的扩散动力是染料在纤维表面和纤维内部的浓度梯度。 在上染过程中，染料随染液流动达扩散边界后，依靠这种分子运动通过扩散边界层，在纤维表面吸附，并进而向纤维内部扩散。染料在染液中的扩散比较迅速，但在纤维中的扩散比较缓慢，后者对上染过程的速率起着决定性作用。染料在纤维中的扩散性能决定于染料和纤维的性质，并随设备、染料浓度及染色助剂、染色工艺（包括PH值、染色温度、升温速度、保温时间等）的变化而变化。 染料在纤维中的扩散性能将会影响染色时间的长短和染色的色泽、匀染性、透染性、色牢度等。

       影响染料向纤维内部扩散的主要因素有：纤维结构的致密性（位阻）、染料与纤维之间的作用力（能阻）及外因。

       1、位阻：纤维的结构分结晶区和非结晶区，纤维内部的结晶度越高，分子排列越整齐，染料分子在纤维内部的扩散阻力就越大，扩散速率就越慢。染料颗粒越大，纤维中的微隙越小，染料分子进入纤维内部的阻力就越大，扩散速率就越慢。

       2、能阻：染料与纤维之间的亲和力越大，染料分子脱离纤维表面吸附的阻力就越大，扩散速率就越慢。染料的分子量越大，亲水性越小，染料自聚的能量就越大，染料分子脱离聚合体的阻力就大，分散速率就慢。

       3、外因：纤维表面与纤维内部的浓度差越大，扩散速率就越大；染液中加入对染料分子有一定的解聚作用，同时对纤维有一定的溶胀作用的助染剂（如尿素）会加快扩散速率；染液中加入能提高染料和纤维之间的静电引力，降低俩者之间的静电斥力的促染剂（如食盐）会加快扩散速率；提高染色温度，染料的自聚作用减弱，分子本身的扩散动能增加，扩散速率就增加；提高染色温度，纤维的溶胀膨化程度提高，纤维的孔道变大，染料分子进入纤维内部的阻力减少，扩散速率就增加。