书书
水解活性染料对羊毛染色的研究
高晓红!,宋心远"
(!#南通工学院,江苏 南通$ ""%&&’;"#东华大学化学与化工学院,上海$ "&&&(!)
摘$ 要:活性染料的母体结构是酸性或直接染料,研究活性艳红 )*+,和活性黑 -.*,在一定条件下水
解后对羊毛的可染性,对环保很有意义。本项目利用正交优化设计,确定水解活性艳红 )*+,和活性黑 -.*,
染羊毛的最佳工艺。研究表明,水解活性染料在酸性条件下染羊毛,具有较高的上染率和染色深度,各项皂
洗牢度和摩擦牢度均优于结构相似的酸性染料对羊毛的染色。
关键词:染色;活性染料;酸性染料;水解;羊毛
中图分类号:/0!1+2 34+$ $ $ 文献
码:5$ $ $ 文章编号:!&&& 6 4&!’("&&4)&( 6 &&&% 6 &4
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!$ 前言
活性染料由于其杰出的性能而被广泛用于纤维素
纤维的染色。但活性染料固色需大量的盐及碱,在染
色过程中大量活性染料发生水解,若排放这些染色残
液,会给环境造成严重的污染,并增加了污水处理的难
度,造成染料浪费。据保守估计,每年至少有 "& A活
性染料被作为废物而排放[!]。此外,活性染料易吸潮
水解,储存困难,尤其是国产活性染料的储存期一般不
超过两年。因此,科研工作者一直在寻找有效的方法
来提高活性染料的利用率。近年来对染料残液的再利
用报道很多,如美国 -:=B:B 州大学的 ,:CD;C:,研究将
残液如直接染料那样轧染棉,然后用阳离子固色剂处
理,但由于缺乏合适的固色剂,效果并不理想。另据有
关资料报道,采用染棉后的残液即用水解活性染料染
羊毛,染料上染率和染色深度较高,残液中的水解活性
染料几乎全部被纤维吸收。
活性染料本质上是含有一个或多个活性基团的酸
性或直接染料,本文选择两种水解后结构类似于酸性
染料的活性艳红 )*+,和活性黑 -.*,,使其充分水解。
研究染色温度、时间、浴比、EF值和中性盐用量等工艺
条件对水解活性染料染羊毛的影响,并比较其与相应
收稿日期:"&&+ 6 &1 6 &’
作者简介:高晓红(!1%3 6),女,江苏南通人,东华大学硕士研究生,南
通工学院讲师,主要从事环保型生态纺织品染整研究。
的酸性染料染羊毛的染色性能差异。
"$ 试验部分
7# 89 织物
430 G 430 粗纺羊毛织物
7# 79 染化药剂
活性艳红 )*+,、活性黑 -.*,、酸性红 7、酸性黑
!&,,元明粉(工业品)、冰醋酸(化学纯)、醋酸钠(化
学纯)、浓盐酸(化学纯)和中性皂片(上海制皂厂)。
7# :9 仪器
FF*0恒温水浴锅 、0E*!!&((’"!)型可见分光光
度计、0F5*H水浴恒温振荡器、IF0*"( 酸度计、J,(’!
!型摩擦牢度仪和 7?C;K:B<皂洗牢度仪。
7# ;9 试验及测试方法
"# 4# !$ 活性染料水解试验
称取染料配成 " > L M的染液,用纯碱调节 EF值至
!& N !!,加热至 3(O,在(3( P ")O的条件下保温水解
!# ( <,降温至 %&O,用 FHQ调节 EF值至 ’ N 3,备用。
"# 4# "$ 水解活性染料染羊毛试验
水解活性染料染羊毛的方法是:+&O入染,然后缓
慢升温至 ’(O以上,保温 ! <,浴比 (&R !,EF值 "# (。
"# 4# +$ 活性染料水解程度测定
通过比较活性染料、水解活性染料染棉的上染率
和目测试样染色深度来确定水解程度。
%
印9 染(7<<; =)> ?)9 ***> 1$@’> 1)A> 1’
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
万方数据
酸性皂洗剂的配方确
定与工作汇报
附录 1, 酸性皂洗剂项目任务书
2010 年研发立项书
项目编号 300R009 项目名称 酸性皂洗剂的开发
开始日期 2010.5.21 期望完成日期 2010.12.30 实际完成日期
项目类型 应用研发 重要程度 4 优先程度 3
提案方 考核验收人 孙明辉
组长 黎硕晨 小组成员 刘艾、陈立秋、胡达木
任务分解(组员的分工与协助):
黎硕晨:具体实施者,总负责。所有讨论、汇报、阶段总结的组织者。
刘艾:利用质谱等方法剖析市场同类产品产品的结构。
陈立秋:在项目后期,开展工厂大试评价皂洗酶的效果。
胡达木:在项目后期,联系工厂验证皂洗酶的效果。
项目组长签字确认接受项目任务书(签字、时间)
项目进度
(由组长填写)
3 月
实际进度:
半月汇报,实验
,图、表等
(本行写日期)
半月汇报,实验报告,图、表等
(本行写日期)
半月汇报,实验报告,图、表等
(本行写日期)
项目评价、结论:
工作
与汇报
酸性皂洗剂可以减少一道酸洗或几道水洗,减轻污水处理的压力,节约用
水,降低织物水洗成本和时间。产品的确有很多优点,也是目前的研发热点,市
场上也存在着很多同类产品,产品质量良莠不齐,有的甚至是炒作和跟风。
目前市场上的酸性皂洗剂存在两个缺陷:
1,酸性不够,即使往皂洗剂中拼混很多的醋酸甚至硫酸、盐酸,但是用酸性皂洗
剂去中和始终没有用醋酸中和那么彻底、安全可靠。酸性皂洗剂的酸性不够会导
致不同缸次的工作液 pH 值不稳定,最终皂洗结果不稳定。
2,酸性的皂洗剂省掉过醋酸这道水,但是存在的问题就是前面的水洗不够,缸
内有大量的元明粉在里面,目前常见的皂洗剂如马丙酸类皂洗剂耐盐性能很差,
导致酸性的皂洗效果差。少了一道酸洗,又不能保证每缸的元明粉残量是否一样,
从而导致皂洗的缸差比较严重。
因此,研发部针对于市场上普遍反映的两个缺陷进行改进与研发。
实验原料:
马来酸-丙烯酸共聚物 40%液体
醋酸 85%
硫酸 50%
羧乙基硫代丁二酸-CETSA 55%
实验思路:
目前市场上主要的酸性皂洗剂都采用用未中和的酸性马-丙酸共聚物为主体
原料,为了提高酸性拼进一些有机或无机酸,拼醋酸是最安全、最简单的方法,
但是稍微一闻就特别容易辨别出里面复配了醋酸,从而变得没有技术含量不利于
酸性皂洗剂在染厂的推广。
目前常用的是无机酸,例如盐酸、硫酸等,无色无味,从而可以宣传皂洗剂
没有添加任何酸类物质,是其自身的酸性。长期使用添加硫酸、盐酸等无机酸的
皂洗剂会对设备产生极其严重的腐蚀后果,这种腐蚀并不是立竿见影,而是需要
慢慢的积累,因此许多客户忽视了这种危害,甚至时间久了,设备被腐蚀,也找
不出哪一方面的问题。
寻找一种既具有皂洗功能,自身又具有较强的酸性,无疑是最佳的选择。马
丙聚合物并不具备这特点,其酸性只是未反应完全的原料,残余的马来酸或丙烯
酸带来的酸性,酸性很弱,有时为了提高酸性,故意残留较多的原料。
近年来新兴的一种净洗剂羧乙基硫代丁二酸-CETSA,具有较强的分散与净洗
功能,目前已经应用在了一些金属的表面酸洗工艺,其最大的特点是分子中含有
一个丁二酸结构和硫基结构,同时具有丁二酸和磺酸的酸性,因此也是目前最强
的有机酸。
实验过程:
设计了四种配方,分别如下所示:
配方 1, 40%的酸性马来酸-丙烯酸共聚物
配方 2, 40%的酸性马来酸-丙烯酸共聚物,复配 10%的盐酸
配方 3, 40%的酸性马来酸-丙烯酸共聚物,复配 10%的硫酸
配方 4, 55%的羧乙基硫代丁二酸-CETSA
测试与比较
一, 酸性比较
取 1g 的皂洗剂,中和多少的纯碱,数据如下:
1g 1 号配方的皂洗剂,中和 0.22g 纯碱
1g 2 号配方的皂洗剂,中和 0.42g 纯碱
1g 3 号配方的皂洗剂,中和 0.51g 纯碱
1g 4 号配方的皂洗剂,中和 0.68g 纯碱
可见,4号配方的酸性最强,并且没有添加任何的酸类物质。
二, 皂洗性能比较
羧乙基硫代丁二酸-CETSA 出色的酸性净洗功能已经在金属表面和工程塑料
的酸洗等领域得到了应用,但是在纺织领域,尤其是活性染料的皂洗,还没有可
以借鉴的实验数据,因此我们自己设计了一系列的实验,针对多种活性染料,比
较了羧乙基硫代丁二酸、马来酸-丙烯酸共聚物、脂肪醇聚氧乙烯醚 EO=9、净洗
剂 209 四种皂洗剂原料的皂洗结果。
皂洗力度:羧乙基硫代丁二酸=马来酸-丙烯酸共聚物>脂肪醇聚氧乙烯醚>净洗剂
209
织物湿磨牢度:羧乙基硫代丁二酸=马来酸-丙烯酸共聚物>脂肪醇聚氧乙烯醚>
净洗剂 209
织物干磨牢度:羧乙基硫代丁二酸=马来酸-丙烯酸共聚物>脂肪醇聚氧乙烯醚>
净洗剂 209
泡沫:羧乙基硫代丁二酸无泡,马来酸-丙烯酸共聚物无泡
防沾色: 马来酸-丙烯酸共聚物>羧乙基硫代丁二酸>脂肪醇聚氧乙烯醚>净洗剂
209
总结:羧乙基硫代丁二酸在皂洗力度,织物牢度,泡沫完全可以代替马来酸-丙
烯酸共聚物,在防沾色方面,稍差于马来酸-丙烯酸共聚物。
针对以上的实验,我们确定了两个配方:
1#配方:针对于防沾色要求较低的品种,配方为 55%的羧乙基硫代丁二酸-CETSA;
单独使用羧乙基硫代丁二酸即可。
2#配方:针对于防沾色要求较高的白地防沾污酸性皂洗剂品种,配方为 55%的羧
乙基硫代丁二酸-CETSA 与 40%的酸性马来酸-丙烯酸共聚物按照 2:1 拼混。
!" #" #$ 活性、酸性染料上染率测定(残液法)
在分光光度计上测得 !%&’处染色前后染液吸光度
!,计算上染率 "(():
"(#)$[() % !))& !*]’ )**
式中:!) ———染色后残液吸光度;
!* ———染色前原液吸光度。
!" #" +$ 皂洗和摩擦牢度测试
皂洗牢度$ 按 ,- . / 01!)" )2)113 测定。
摩擦牢度$ 按 ,- . / 01!*2)113 测定。
0$ 结果与讨论
!" "# 染料的最大吸收波长
用分光光度计测得,活性艳红 420-与水解活性艳
红 420-的最大吸收波长均为 +#* 5%;活性黑 672-与
水解活性黑 672-的最大吸收波长均为 8*+ 5%。即所
选择的两种活性染料水解前后色光没有变化,活性染
料在试验条件下的水解,只是活性基团发生水解,而染
料的母体结构不变。此外,所选择活性染料的母体结
构类似于强酸性染料,为进一步研究水解活性染料对
羊毛染色性能的影响提供了基础。
!" $# 活性染料水解程度测定
为确定活性染料水解程度,比较活性染料水解前
后对棉上染率的变化,结果见表 )。
表 "# 水解前后活性染料对棉的上染率
染料(浓度 *" # 9 . :) 上染率(()
活性艳红 420- !0" ##
水解活性艳红 420- )" !+
活性黑 672- )#" )!
水解活性黑 672- !" 3!
$ $ 由表 ) 可知,活性染料水解后对棉纤维的上染率
很低,几乎不上染。此时,活性染料已充分水解。
!" !# 染色时间对水解活性染料染羊毛的影响
为了更好地了解水解活性染料对羊毛的染色性
能,本项目研究了恒温条件下,不同染色时间对染色性
能的影响(见图)。
图$ 不同染色时间水解活性染料对羊毛的上染率曲线
注:浓度 ! ((;<=),浴比 +*> ),?@值 !" +,7&!AB# !* 9 . :,温度
3+C。
由图可知,在恒温(3+C)染色条件下,随染色时间
的延长,水解活性艳红 420-和水解活性黑 672- 的上
染率逐渐增加,#* %D5 后趋于稳定。这是由于活性艳
红 420-和活性黑 672-水解后结构类似于酸性染料,
其上染速率曲线类似于酸性染料染羊毛。
由图还可看出,水解活性艳红 420- 初染率比水解
活性黑 672-高,染 + %D5后,上染率分别达到 #E" E# (
和 0*" E+ (。这可能是水解活性艳红 420-对羊毛纤维
的直接性比水解活性黑 672- 高。从而确定水解活性
艳红 420-和水解活性黑 672-染色时间为#* F1* %D5。
!" %# 染色温度对水解活性染料染羊毛的影响
温度是影响水解活性染料染羊毛的重要因素之
一。由表 ! 可知,随温度升高,两种水解活性染料的上
染率逐渐提高。水解活性黑 672- 在 1+C时,上染率
达到最高;而水解活性艳红 420- 则在 E+C时,上染率
达到最高,再升高温度,上染率反而略有下降。这可能
是由于此时染料分子运动的动能大于染料与纤维间的
作用力,导致部分染料解吸到染浴中。此外,水解活性
艳红 420-结构简单,类似于匀染性酸性染料,在常温
下一般以单分子(或离子)分散状态存在,染料分子上
染速率较快。
表 $# 染色温度对水解活性染料染羊毛的影响
温度(C)
上染率(()
水解活性艳红 420- 水解活性黑 672-
+* +#" +) )1" +8
8+ 31" +* #3" +1
3+ 1)" !+ 8*" +1
E+ 1!" 03 81" #3
1+ E#" E1 1!" !*
$ $ 注:染色条件为:染料浓度 ! ((;<=),浴比 +*> ),?@值 !" +,
时间 8* %D5。
由表 !知,+*C时,水解活性艳红 420- 的上染率为
+#" +) (,而水解活性黑 672-结构相对稍复杂,+*C时
上染率为 )1" +8 (。当温度大于 +*C,羊毛溶胀不断增
加,二硫键逐渐打开,染料的上染率不断增加。从表 !看
出,水解活性艳红 420-以 3+ FE+C染羊毛较合适;水解
活性黑 672-在 3+ F1+C之间染羊毛较适合。
!" 中性盐用量对水解活性染料染羊毛的影响
染液中中性盐的用量对水解活性染料上染羊毛也
有一定影响(见表 0)。
表 !# 中性盐用量对水解活性染料染羊毛的影响
7&! AB#(9 . :)
上染率(()
水解活性艳红 420- 水解活性黑 672-
* 1+" !# 8*" +1
!* 1)" !+ #0" 1E
#* 38" 0E 01" 18
8* 3+" +E 0*" **
E* 3#" E) !E" 8!
3
$ 水解活性染料对羊毛染色的研究 印# 染($’’% ()* &)
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
万方数据
! ! 注:温度为 "#$,其他条件同 %& ’。
由表 % 可知,随着盐用量的增大,上染率逐渐下
降。由于羊毛纤维本身具有两性性质,随着染料分子
结构变化,盐在不同 () 值的染浴中所起的作用不同。
当染浴 ()值在羊毛等电点以上时,羊毛纤维带负电
荷,硫酸钠等盐的加入对染料上染起促染作用;而当染
浴 ()值在羊毛等电点以下时,盐对染料有较强的缓
染作用,本试验染浴 ()值 *& #,在羊毛等电点以下,硫
酸钠起缓染作用。此外,在活性染料水解过程中加入
一定量的纯碱、盐酸调节染液 () 值,此时所配的水解
活性染浴未加元明粉已存在一定量食盐。+,-. 的生
成对水解活性艳红 /0%1 和水解活性黑 2+01 上染羊
毛也起了一定的缓染作用。因此,水解活性染料染羊
毛以不加盐为宜。
!" #$ %&值对水解活性染料染羊毛的影响
表 ’$ 染液 %&值对水解活性染料染羊毛的影响
() 值
上染率(3)
水解活性艳红 /0%1 水解活性黑 2+01
* 4*& 56 7#& 7#
% 78& #7 "8& **
’ 87& *7 8"& 6’
# ’%& #4 %7& *6
8 %7& 77 **& 66
! ! 注:除 ()值外,其他工艺条件同 %& #。
由表 ’可知,随着染液 ()值的增大,水解活性染料
对羊毛的上染率呈逐渐下降的趋势。这种现象和酸性
染料上染羊毛很相似。从而确定水解活性艳红 /0%1和
水解活性黑 2+01染羊毛的 ()值为 * 9’。
!& ($ 浴比对水解活性染料染羊毛的影响
除了时间、温度、盐用量、() 值影响染色效果外,
浴比对水解活性染料上染羊毛也有一定影响。浴比对
染色的影响可以从染料对织物重不变和染料浓度不变
两方面考虑。
(6)染料对织物重不变(:;<,* 3),其染色结果如
表 # 所示。
表 )$ 浴比对水解活性染料染羊毛的影响
浴比
上染率(3)
水解活性艳红 /0%1 水解活性黑 2+01
%5= 6 8’& %% ’"& "6
#5= 6 46& 56 85& 7%
"5= 6 48& #5 88& %#
655= 6 4"& 7’ "5& %#
*55= 6 4"& "5 87& 44
! ! 注:改变浴比,其他工艺条件同 %& #。
由表 # 可知,恒定染料对织物重,增大染色浴比,
染料上染率逐渐增加。浴比增大,一方面染料浓度下
降,导致染料上染率下降;另一方面盐用量下降,考虑
到盐对染色的影响(见 %& #),上染率又有所上升。当
浴比很小时,由于在水解过程中加入了一定量的盐酸
和纯碱,生成的氯化钠对水解活性染料染羊毛有一定
的缓染作用。随着浴比的不断增大,染浴中食盐的浓
度迅速下降,缓染作用不再明显,所以大浴比条件下染
色的上染率较小浴比增大。当浴比为 6 = *55 时,食盐
浓度已相当低,影响甚微,而染料浓度较浴比为 6= 655
时又减小了一半,因而上染率有下降趋势。
(*)染料浓度不变(5& ’ > ? @),染色结果见表 8。
表 #$ 浴比对水解活性染料染羊毛的影响
浴比
上染率(3)
水解活性艳红 /0%1 水解活性黑 2+01
6= *# 85& 5" 84& **
6= #5 #5& 6# #8& "*
6= 655 ’#& 57 %8& 8’
6= *55 %#& ’5 %*& ##
! ! 注:染料浓度为 5& ’ > ? @,其他条件不变。
由表 8 可知,染料浓度保持不变,随着浴比增大,
水解活性艳红 /0%1 和水解活性黑 2+01 对羊毛的上
染率逐渐增加。这是由于浴比增大,染浴中的绝对染
料量增加,而羊毛上可用的染座一定,因此上染率明显
下降,但样品得色量却有一定程度的增加。
!& *$ 正交试验
根据以上各染色工艺所确定的范围,对水解活性
艳红 /0%1和水解活性黑 2+01 分别进行 @4(%
’)正交
优化试验,确定其最佳染色工艺如下:
! ! ! ! ! ! 水解活性艳红 /0%1! 水解活性黑 2+01
()值 * 9 % *
浴比 #5= 6 #5= 6
温度($) 7# 4#
时间(ABC) ’5 45
!& +$ 水解活性染料与酸性染料染色性能比较
按正交试验确定的最佳染色工艺,分别对羊毛进
行染色,并将其与酸性染料染羊毛的染色性能进行比
较,结果见表 "。
表 ($ 水解活性染料与酸性染料的染色性能比较
染料
(5& ’> ? @)
上染率
(3) ! " #值 !$
摩擦牢度(级)
干摩 湿摩
皂洗牢度(级)
褪色 棉沾 毛沾
水解活性
艳红 /0%1 7’& 8* %%& 547 "6& #*% ’ ’ 9 # % 9 ’ * 9 % ’
酸性红 D 4#& 58 ’5& "74 "#& 6"7 ’ * 9 % 6 9 * 6 9 * * 9 %
水解活性
黑 2+01 47& 8# %8& 856 84& "66 ’ 9 # % 9 ’ % * ’
酸性黑 651 47& "8 ’*& 654 "5& "7’ ’ 9 # % 9 ’ ’ 9 # 6 %
7
印$ 染(,--’ ./" ))$ 000" 1234" 1/5" 14
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
万方数据
! ! 由表 " 知,用水解活性染料染羊毛,上染率、染色
! " #值和 !$值均接近于酸性染料染羊毛,而各项染色
牢度高于酸性染料对羊毛的染色。因此,在适当的染
色条件下,用部分水解活性染料对羊毛进行染色,可解
决染棉后残浴染料浓度较高及大量的过期活性染料造
成浪费和污染的问题。
#! 结论
!$"# 水解活性艳红 %&’(和水解活性黑 )*&(在酸性条
件下进行羊毛染色,上染率、染色深度较高,牢度基本符合
要求。较低的 +,值、较高的温度可使染色效果更好。
!$ $# 水解活性艳红 %&’(和水解活性黑 )*&( 在确定
的最佳工艺条件下染色,织物各项牢度均优于结构相
似的酸性染料染色。
!$ %# 利用水解活性染料上染羊毛,可以解决活性染料
染纤维素纤维后残浴染料浓度较高及大量的过期活性
染料造成的浪费和污染,且染色工艺简单,值得推广应
用 """"""""。
参考文献:
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’P Q #F$
[N]! ,>7L8 R$,J5>LA>2 S$ <81@A/B8 C:89 +>98 L1/2 +6>D78L /2
@>7>6 @7812 E =+[I]$ R2A8621A/>217 T:86,-MM#,-"M(-):-M$
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[#]! 金咸穰$ 染整工艺试验[U]$ 北京:中国纺织出版社,
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印染,NOON,(P):## Q #P$
M
! 水解活性染料对羊毛染色的研究 印# 染($&&! ’() *)
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
万方数据