李 悅 董偉偉 王夢婷 蔡再生

東華大學(xué)化學(xué)化工與生物工程學(xué)院，上海201620

黏膠纖維的分子結(jié)構(gòu)與棉纖維非常相似，因此，黏膠織物的多種性能與棉織物相近，如手感柔軟、吸濕排汗、穿著舒適等。黏膠纖維的優(yōu)良性能使其成為內(nèi)衣等服裝的常用原材料[1-3]。

黏膠纖維分子中的羥基易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可在改性后采用活性染料進(jìn)行無鹽染色，提高其染色性能[4-6]。邊振浩等[4]采用陽離子改性劑二乙烯三胺(DETA)對黏膠織物進(jìn)行改性處理，發(fā)現(xiàn)改性的黏膠織物的染色性能有所提高。王俊等[7]采用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)合成的陽離子化的聚甲基丙烯酸二乙氨基乙酯(Q-PDE)對棉織物進(jìn)行改性，探究了改性劑的用量、溫度和時(shí)間等參數(shù)對棉織物無鹽染色效果的影響，并與傳統(tǒng)有鹽染色織物進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，改性后經(jīng)無鹽染色的棉織物的染色效果明顯好于傳統(tǒng)的有鹽染色棉織物。活性染料具有分子結(jié)構(gòu)簡單、顏色鮮艷、染色過程簡單、色譜齊全和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于棉織物的染色工藝中[8-10]。因黏膠織物的性能與棉織物相近，同樣可將活性染料應(yīng)用于黏膠織物的染色中。但由于黏膠纖維表面存在庫倫斥力，需在染色階段加入大量無機(jī)鹽屏蔽纖維表面的負(fù)電荷以達(dá)到上染均勻的目的[11-13]，但染色后染液中殘留的大量無機(jī)鹽會(huì)造成水體污染和土地鹽堿化[14-16]。相關(guān)研究證明[15-16]，對黏膠織物進(jìn)行陽離子改性是解決這一問題的有效途徑[17-19]。

本試驗(yàn)首先采用季銨型陽離子改性劑CHPTAC(3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨)對黏膠織物進(jìn)行改性處理，然后用活性染料在無鹽條件下對其進(jìn)行染色，并采用商業(yè)用濕摩擦牢度提升劑FM-8對黏膠織物進(jìn)行后整理。最后探討改性工藝中CHPTA和助劑的用量、溫度、時(shí)間等參數(shù)對黏膠織物染色效果的影響，并與未進(jìn)行改性處理但經(jīng)有鹽染色處理的黏膠織物(原樣)進(jìn)行對照，分析改性后用活性染料在無鹽條件下進(jìn)行染色的黏膠織物的各項(xiàng)性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

1.1.1 黏膠織物

黏膠氨綸汗布(黏膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%，氨綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%，寧波獅丹努集團(tuán)有限公司)

1.1.2 試劑

陽離子改性劑CHPTAC水溶液(陶氏化學(xué))，安諾素黃、安諾素紅、安諾素黑(上海安諾其集團(tuán)股份有限公司)，濕摩擦牢度提升劑FM-8(上海邢州化工有限公司)，無水Na2CO3、NaOH(均為分析純)。

1.1.3 儀器

AL-104電子天平(梅特勒-托利多儀器有限公司)、DLS-1000A恒溫振蕩水浴鍋(韓國Daelim Starlet公司)、TM-1000掃描電子顯微鏡(日本日立株式會(huì)社)、DHG-9075A鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科技有限公司)、UV3310紫外分光光度計(jì)(日本日立公司)、Y571B摩擦色牢度試驗(yàn)儀(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)、電腦測色配色儀SF600 PSUS(美國Datacolor公司)。

1.2 改性處理

CHPTAC的改性原理和工藝流程分別如圖1a)和圖1b)所示。具體為：在浴比為1∶10的改性液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70 g/L的CHPTAC和20 g/L的NaOH；在NaOH的作用下，CHPTAC中的氯原子先被氫氧根離子取代，在黏膠織物表面形成氧負(fù)離子；氧負(fù)離子和CHPTAC發(fā)生醚化反應(yīng)可屏蔽黏膠織物表面的負(fù)電荷，完成黏膠織物的改性處理。

圖1 CHPTAC的改性原理和改性工藝流程

1.3 染色處理

黏膠織物的無鹽染色工藝曲線如圖2所示。其中，染料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，染液浴比為1∶20，Na2CO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 g/L，皂洗液中皂洗劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 g/L。

圖2 黏膠織物的染色工藝曲線

1.4 摩擦色牢度提升整理工藝

采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的濕摩擦牢度提升劑FM-8處理經(jīng)改性和無鹽染色加工的黏膠織物。工藝參數(shù)包括：整理液浴比1∶10，溫度30 ℃，時(shí)間20 min，烘干后于150 ℃條件下再次焙烘2 min。

1.5 性能測試

1.5.1 纖維的微觀形態(tài)

用大量清水沖洗經(jīng)CHPTAC改性、無鹽染色處理和濕摩擦牢度提升劑FM-8處理的黏膠織物試樣(簡稱為改性試樣)，超聲清洗半小時(shí)后烘干，采用TM-1000型掃描電子顯微鏡在1 000、2 000和6 000倍數(shù)下觀察改性試樣的表觀形貌，并與黏膠織物原樣做對比。

1.5.2 上染率、反應(yīng)率和固色率

在V3310型紫外分光光度計(jì)下測定染色前、后和皂洗后染液最大波長處的吸光度，根據(jù)式(1)～式(3)分別計(jì)算改性試樣的上染率E、反應(yīng)率R和固色率F：

F%=E%×R%

(3)

式中：A0——染色前染液的吸光度；

A1——染色后染液的吸光度；

A2——皂洗后染液的吸光度。

1.5.3 表面色深k/s值

將改性試樣折疊為8層，采用SF600 PSUS型電腦測色配色儀在10°視野、D65光源下多次測量并計(jì)算其表面色深k/s值并取平均值[式(4)]。

1.5.4 勻染性

按式(5)計(jì)算改性試樣的勻染性Sr。Sr又稱為相對不均勻度，該值越小說明織物的勻染性越好。

1.5.5 摩擦色牢度

根據(jù) GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐摩擦色牢度》，采用Y571B型摩擦色牢度儀測試改性試樣的干、濕狀態(tài)下的摩擦色牢度。

根據(jù)GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗(yàn) 耐皂洗色牢度》，測試改性試樣的耐皂洗色牢度。

2 結(jié)果討論與分析

2.1 改性工藝參數(shù)對試樣染色性能的影響

2.1.1 CHPTAC的用量

由圖3a)可知，改性試樣的上染率E、反應(yīng)率R和固色率F隨CHPTAC用量的增加呈先增加后下降的趨勢。當(dāng)CHPTAC的用量為80 g/L時(shí)，改性試樣的上染率、反應(yīng)率和固色率達(dá)最高。這是因?yàn)殡S著CHPTAC用量的增加，試樣表面的聚合物增多，可吸附的染料量增加，導(dǎo)致反應(yīng)率減小。試樣的表面色深k/s先增大后減小[圖3b)]，與圖3a)中試樣固色率的變化趨勢一致。試樣的染色均勻度Sr隨CHPTAC用量的增加而逐漸增加，在CHPTAC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100 g/L時(shí)，Sr為0.28，小于傳統(tǒng)的有鹽染色[7]。因此，CHPTAC的最佳改性濃度為80 g/L。

圖3 CHPTAC用量對活性染料上染率(E)、反應(yīng)率(R)、固色率(F)、染色織物表面色深(k/s)和相對不勻度(Sr)的影響

2.1.2 NaOH的用量

隨著助劑NaOH用量的增加，試樣的上染率E先增加后趨于平緩，其固色率先增加后減小[圖4a)]。 在CHPTAC改性階段，助劑NaOH用量的增加提高了黏膠織物試樣的上染率，在趨于飽和后不再增加。采用活性染料對試樣進(jìn)行無鹽上染的反應(yīng)率隨NaOH用量的增加先增加后減小。這是因?yàn)楫?dāng)NaOH的用量達(dá)飽和后，殘留的CHPTAC會(huì)吸附染料，導(dǎo)致試樣表面浮色增多。試樣的表面色深k/s值的變化與其上染率、固色率保持一致，均隨助劑NaOH用量的增加而先增加后減小[圖4b)]。因此，改性工藝中，助劑NaOH的最佳用量為20 g/L。

圖4 NaOH用量對活性染料上染率(E)、反應(yīng)率(R)、固色率(F)、染色織物表面色深(k/s)和相對不勻度(Sr)的影響

2.1.3 改性溫度

由圖5a)改性溫度(T)對黏膠試樣的染色上染率、反應(yīng)率和固色率變化趨勢圖可知，黏膠試樣的上染率隨改性溫度的升高而先升高后趨向于穩(wěn)定，其反應(yīng)率隨改性溫度的升高先增加后降低，在70 ℃達(dá)最佳。這是因?yàn)殡S著改性溫度的升高，改性劑處理量達(dá)到飽和后繼續(xù)增加的改性劑會(huì)吸附染料，進(jìn)一步增加了黏膠試樣表面的浮色。其固色率隨改性溫度的增加先增加而后減小。

圖5b)是改性溫度對黏膠試樣染色k/s和勻染性的變化圖，k/s的變化和上染率、固色率保持一致，隨著改性溫度的增加先增加后減小。染色勻染性好于傳統(tǒng)有鹽染色，最佳改性溫度為70 ℃。

圖5 改性溫度對活性染料上染率(E)、反應(yīng)率(R)、固色率(F)、染色織物表面色深(k/s)和相對不勻度(Sr)的影響

2.1.4 Na2CO3用量

在固色階段，隨著Na2CO3用量的增加，試樣的上染率先增加后降低[圖6a)]，其原因是在Na2CO3達(dá)到最佳用量后，試樣上的染料在堿性條件下逐漸水解，當(dāng)水解量大于其固色量后，試樣的上染率降低。試樣的反應(yīng)率隨Na2CO3用量的增加變化不大。試樣的固色率和上染率基本成正比，都隨Na2CO3的增加先增加再減小。由圖6b)可以看出，試樣的k/s及其上染率和固色率都隨Na2CO3用量的增加先增加后降低，當(dāng)Na2CO3的用量為10 g/L時(shí), 黏膠織物試樣的固色率和k/s值達(dá)最大。

圖6 Na2CO3對活性染料上染率(E)、反應(yīng)率(R)、固色率(F)、染色織物表面色深(k/s)和相對不勻度(Sr)的影響

2.2 測試結(jié)果分析

2.2.1 纖維微觀形態(tài)

在放大1 000、2 000和6 000倍的電鏡圖(圖7)下對比原樣和改性試樣后發(fā)現(xiàn)，原樣表面較光滑，改性試樣的則有一層膜覆蓋，但其表面未受損傷，說明改性工藝不會(huì)改變原試樣的表面，因此，CHPTAC改性處理不會(huì)對織物性能造成影響。

圖7 織物電鏡圖

2.2.2 上染速率曲線

從圖8可以看出，改性黏膠織物試樣的染料上染率大于經(jīng)有鹽染色的黏膠織物，30 min后加入Na2CO3后，因改性劑在堿性條件下會(huì)發(fā)生解吸，對染料存在吸附現(xiàn)象，所以改性試樣沒有發(fā)生二次上染，其上染率反而降低。

圖8 黏膠織物有鹽染色和改性黏膠織物無鹽染色上染率曲線對比

2.2.3 織物牢度測試

由表1黏膠織物有鹽和無鹽染色牢度測試結(jié)果對比可知，經(jīng)濕摩擦牢度提升劑FM-8處理后改性試樣的耐摩擦牢度和耐皂洗牢度明顯好于原樣。

表1 黏膠織物有鹽和無鹽染色牢度測試結(jié)果對比 (級(jí))

3 結(jié)論

(1)改性最佳工藝參數(shù)包括：陽離子改性劑CHPTAC的用量為70 g/L，助劑NaOH的用量為20 g/L， 溫度為70 ℃。

(2)黏膠織物經(jīng)陽離子改性劑CHPTAC處理后，其表面沒有明顯褶皺和裂紋，改性處理工藝對黏膠試樣的性能影響較小。

(3)改性后無鹽染色試樣各項(xiàng)染色性能E、R、F、k/s、Sr和摩擦牢度均優(yōu)于傳統(tǒng)有鹽染色。