纖維素纖維的陽離子改性及其吸色性能的研究

邱純利，李　娟，胡　娜

山東銀鷹化纖有限公司，山東高密 261500

非織造布在很多領域得到廣泛的應用。將具有吸附染料的纖維制成的吸色非織造布和混色衣物一起放置于洗衣機中，易掉色衣物脫落下來的染料分散在水中，吸色非織造布可迅速吸附這些染料并鎖牢，可解決洗衣機不同顏色衣物混洗及淺色衣物易被深色衣物串染的問題，且衣物光亮如新。在不同顏色衣物混洗時，加入吸色纖維制成的材料是理想的選擇。隨著吸色非織造布的應用，無紡市場上又有了新的纖維-吸色纖維素纖維[1]。據調研，僅國內對該纖維市場需求量為500～1 000 t/a。目前，國內宜賓絲麗雅有對其進行相關研究工作。

吸色纖維的制備方法是在堿性環境下，設定一定的溫度，用陽離子改性劑對纖維素纖維進行陽離子預處理，使纖維素纖維表面帶正電荷，然后水洗、上油、烘干，制得吸色纖維[2-5]。

1　實驗部分

1.1　原料

纖維素纖維，1.5 D×38 mm，山東銀鷹化纖有限公司生產;改性劑GX-2，陽離子型，蘇州恒旺化工有限公司;改性劑ZS-396，陽離子型，杭州綠典化工有限公司;改性劑GRE，陽離子型，常州美勝生物材料有限公司;改性劑SV-208，陽離子型，杭州綠典化工有限公司;滲透劑F-123，非離子型，常州美勝生物材料有限公司;滲透劑GR-1，非離子型，江蘇海安石油化工廠;氫氧化鈉，分析純，北京化工廠；油劑，工業用，南通臻越紡織材料有限公司；活性染料，高密市富源印染有限公司。

1.2　改性工藝流程

改性纖維素纖維工藝流程見圖1。

圖1　改性纖維素纖維工藝流程

1.3　吸色工藝

吸色過程模擬洗衣機洗衣過程，常溫下水溶解活性染料，活性染料濃度為0.2%。加入制備好的吸色纖維素纖維， 1 kg纖維加入100 L水不斷攪拌，翻動纖維，3 min后通過測試判斷吸色效果。

1.4　吸色效果的測定方法

改性后的纖維素纖維吸色后，水洗1～2次，將吸色后的殘液和水洗液置于25 mL容量瓶中，定容。用UV1102紫外分光光度計在最大吸收波長處測定其吸光度。

吸色百分率=(1-Ai/A0)×100%

式中，Ai為吸色殘液和水洗液的吸光度；A0為空白染液的吸光度。

K/S函數是測定染色試樣表面深度的簡便方法。由 Datacolor SF600測色儀測定，應用奧地利Anton Paar生產的SurPASS固體表面Zeta電位分析儀測試改性前后纖維素纖維表面的ζ-電位。K表示色料吸收系數，S表示色料散射系數，K/S值與染色深度c呈非直線線性關系。K/S值越小，則表示顏色越淺，K/S值越大，表示顏色越深。但應注意在比較染色試樣的表面深度時，最大吸收波長應相同，即各試樣應有相同的色相。

2　結果與討論

在堿性條件下，陽離子改性劑能與羥基結合，使纖維表面帶正電荷，帶負電荷的活性染料被吸附在纖維表面，使纖維素纖維與染料的親和力大大增強，提高了纖維素纖維吸色能力。

2.1　改性劑/滲透劑的選擇

陽離子改性劑濃度為4 g/L，滲透劑濃度3 g/L，氫氧化鈉濃度2 g/L，浴比1∶20，在75 ℃對纖維素纖維改性10 min，將得到的吸色纖維置于0.2%活性染料溶液中3 min，通過吸色效果對改性劑、滲透劑進行選擇。試驗結果見表1。

表1　不同改性劑/滲透劑對吸色纖維的吸色性能的影響

由表1可以看出，試驗用改性劑SV-208、滲透劑GR-1時，吸色百分率及K/S值是最高的。故后續試驗研究選用SV208作改性劑，GR-1作滲透劑。

2.2　陽離子改性劑SV-208的濃度對吸色效果的影響

固定滲透劑濃度3 g/L，氫氧化鈉濃度為2 g/L，浴比1∶20，采用不同改性劑濃度在75 ℃對纖維素纖維改性10 min，得到的吸色纖維置于0.2%活性染料的水溶液中3 min，得出吸色百分率與陽離子改性劑SV-208的濃度的關系，見表2。

表2　陽離子改性劑SV-208的濃度對吸色效果的影響

由表2可以看出，當改性劑濃度低于7 g/L時，纖維的吸色百分率隨陽離子改性劑SV-208濃度的增加而迅速增加；原因是纖維上的羥基結合了陽離子基團，使纖維表面帶上了正電荷，從而增強了與陰離子染料的結合。但當陽離子改性劑SV-208濃度高于7 g/L時，纖維的吸色百分率趨緩，繼續增加甚至有下降趨勢。這是因為纖維上羥基數量是有限的，當纖維上羥基與改性劑中陽離子基團結合達到飽和值后，繼續增加改性劑附著在纖維表面，會影響染料分子往纖維內部的滲透。因此選擇改性劑濃度為7 g/L。

2.3　滲透劑的濃度對吸色效果的影響

固定改性劑濃度7 g/L，滲透劑濃度0～5 g/L，氫氧化鈉濃度為2 g/L，浴比1∶20，在75 ℃對纖維素纖維改性10 min，置于0.2%活性染料的水溶液中3 min，考察滲透劑GR-1的濃度對吸色效果的影響見表3。

表3　滲透劑的濃度對吸色效果的影響

由表3可以看出，沒有滲透劑的情況下進行改性，吸色百分率較小；隨著滲透劑濃度的增加，吸色百分率先升高后下降。是因為滲透劑的加入，促進了改性劑往纖維內部的滲透，利于纖維吸色。而滲透劑濃度太高，滲透劑分子堵塞在纖維表面，改性劑及染料分子無法滲入纖維內部，造成吸色百分率有所下降。綜合考慮，選擇滲透劑濃度為2 g/L。

2.4　氫氧化鈉的濃度對吸色效果的影響

陽離子改性劑SV-208濃度為7 g/L，滲透劑濃度2 g/L，氫氧化鈉濃度為0～10 g/L，浴比 1∶20，在75 ℃對纖維素纖維改性10 min，然后置于0.2%活性染料的水溶液中3 min，考察吸色百分率與氫氧化鈉濃度的關系見表4。

由表4可知，隨著氫氧化鈉濃度的增加吸色百分率有較大提高。這是因為：在堿性條件下，陽離子改性劑SV-208才能與羥基發生結合，使纖維表面帶正電荷；氫氧化鈉濃度達到4 g/L時吸色百分率最高。但堿濃度并非越高越好，隨著堿濃度的增大吸色百分率下降。這是因為陽離子改性劑SV-208被濃堿液破壞，導致改性效果下降。綜合考慮，選擇氫氧化鈉濃度為4 g/L。

表4　氫氧化鈉的濃度對吸色效果的影響

2.5　改性溫度對吸色效果的影響

陽離子改性劑SV-208濃度為7 g/L，滲透劑濃度2 g/L，氫氧化鈉濃度為4 g/L，浴比1∶20，在不同溫度下對纖維素纖維改性10 min，再將其置于0.2%活性染料的水溶液中3 min。考察改性溫度對吸色效果的影響見表5。

表5　改性溫度對吸色效果的影響

由表5可知，纖維的吸色百分率隨溫度升高呈現先增大后減小，在60 ℃時達到最高值。說明隨著溫度的升高，改性劑與纖維的碰撞增大，纖維中的羥基與改性劑中陽離子基團的結合度不斷提高，在60 ℃時結合度最高。而繼續升溫，吸色百分率下降，這是由于在堿性和高溫條件下，陽離子改性劑的穩定性以及陽離子改性劑與纖維間結合的穩定性下降所導致。因此選擇最適宜改性溫度60 ℃。

2.6　改性時間對吸色效果的影響

陽離子改性劑SV-208濃度為7 g/L，滲透劑濃度2 g/L，氫氧化鈉濃度為4 g/L，浴比1∶20，在60 ℃條件下，采用不同的改性時間對纖維素纖維改性得吸色纖維，再將其置于0.2%的活性染料的水溶液中3 min，改性時間對吸色效果的影響見表6。

表6　改性時間對吸色效果的影響

由表6可以看出，隨著時間的增長，纖維吸色百分率均是先增大后趨于平衡。這是因為，隨著時間的增長，纖維上羥基與改性劑SV-208中陽離子基團的結合越來越完全，當達到一定的程度之后，引入的陽離子數目不再變化，吸色百分率趨于平衡。綜合考慮，改性時間選擇14 min為宜。

2.7　改性前后纖維素纖維的ζ-電位分析

ζ-電位的符號和大小直接影響吸色能力，一般而言，ζ-電位負值越大，纖維吸色越困難。測定未改性纖維素纖維與用陽離子改性劑SV-208改性過的纖維素纖維在水溶液中的ζ-電位見表7。

由表7可知，改性前的纖維素纖維帶負電，經陽離子改性劑SV-208改性后帶正電荷，改性前后，纖維素纖維與陰離子染料的電荷互斥轉為電荷互吸，大大提高了纖維素纖維與染料的親合力。

3　結論

1)陽離子改性劑SV-208對纖維素纖維有很好的改性效果，改性后的吸色百分率明顯提高。

2)試驗得出吸色纖維素纖維適宜的改性工藝條件：改性劑SV-208濃度為7 g/L；滲透劑GR-1濃度為2 g/L；氫氧化鈉濃度為4 g/L；改性溫度為60 ℃；時間為14 min。

3)改性后的纖維對染料吸色比較徹底，吸色速度快。艷藍吸收效果要好于桃紅。改性后的纖維做成吸色無紡布后，可以實現衣物混洗不被染色。

[1]孫劍鋒. 吸色纖維及吸色非織造布的制備方法： 中國， 103938298A[P]． 2014-07-23．

[2]GYORGY S，ATTILA D，SZILVIA K，et al． Molecular structure and properties of cellulose acetate chemically modified with caprolactone [J]．EuropeanPolymerJournal，2008，44 (2) :357-365．

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[5]崔淑玲，宋心遠． 交聯胺化改性劑TETS改性棉纖維染色性能的研究[J]．印染助劑，2006，23(7)：18-20．