姜黃植物染纖維可紡性能的優化

李秀秀，張玉清，姜 展

(青島大學 紡織服裝學院，山東 青島 266071)

1 引言

合成染料雖賦予紡織品豐富多樣的色彩，但它也有浪費水資源、污染水生生態系統以及威脅人體健康等問題[1～4]。植物染料由于低敏性、生物降解性和低毒性等優點，越來越受到人們的關注[5，6]。隨著社會生活的不斷發展，人們生活理念的不斷提高，以植物染紡織品為代表的健康環保產品開始受到人們的青睞。雖然目前市場上已有植物染紡織品[7]，但由于植物染纖維可紡性較差等問題限制了其進一步發展，難以實現植物染紡織品的產業化應用。植物染纖維的紡紗過程中會有嚴重的纏繞皮輥和細紗斷頭現象，李洋等人[8]研究發現出現以上問題與纖維表面附著顆粒含量高，纖維質量比電阻高、摩擦系數大等有關。因此想要優化植物染纖維的可紡性，要從去除纖維表面多余顆粒物，改善纖維表面性能入手。通過探究超聲波對植物染纖維的表面除雜效果發現超聲波除雜效果良好，結合養生工藝能有效提高植物染纖維的可紡性，但也存在超聲波處理效果不均勻且成本高的缺點。

胰加漂T作為離子型表面活性劑具有洗滌和分散作用，對染料顆粒從纖維表面的去除有重要作用。植物染料顆粒粘附在纖維表面主要是依靠分子間的范德華力，且僅在較少的一些點與纖維表面接觸、粘附[9]。胰加漂T的分子結構式和兩基示意圖如圖1所示[10]。

圖1 胰加漂T兩基示意圖

胰加漂T除了能促使染料顆粒脫離纖維表面，還有使脫附下來的染料顆粒分散在洗滌液中，不再沉積到纖維表面的作用。在洗滌液(水溶液)中，疏水基通過范德華力吸附于染料顆粒表面，親水基以靜電斥力或空間熵效應使分散體穩定，增加防止微粒重新聚集的能障，降低染料顆粒聚集的傾向，提高了顆粒在洗滌液中的穩定性[11]。靜電斥力作用如圖3所示。

圖2 染料顆粒的去除機理

圖3 靜電斥力

本文基于超聲波處理植物染纖維的原理，利用敲打力與胰加漂T的洗滌與分散作用對姜黃植物染纖維進行處理。在敲打過程中，纖維除受到敲打力，還會在外力作用下不斷來回移動，纖維表面與表面之間會因為移動而產生摩擦力，纖維表面的染料顆粒在摩擦力的作用下有脫附纖維表面的趨勢；胰加漂T能促進染料顆粒離開纖維表面，使脫附下來的染料顆粒被流動的溶液帶走。探究了胰加漂T的用量對纖維表面顆粒去除的影響，根據結果在最佳條件下處理姜黃植物染纖維，進行試紡。

2 實驗部分

2.1 姜黃植物染纖維表面染料顆粒的去除

2.1.1實驗材料與設備

姜黃植物染莫代爾纖維，1.49 dtex×39 mm(市購)、胰加漂T(市購)、蒸餾水；GZX-9240 MBE型鼓風干燥烘箱(上海博訊實業有限公司)、Cubis精密天平(德國賽多利斯有限公司)、UV-1800PC型紫外可見光分光光度計(上海美普達儀器)、S-3000N型掃描電鏡(日本Hitachi公司)。

2.1.2實驗方法

取姜黃植物染纖維20 g，胰加漂T溶液400 mL，浴比為1∶20，其中胰加漂T溶液有四個濃度水平，分別為0.1 g/L、0.3 g/L、0.5 g/L、1 g/L，采用控制變量法(每組三個平行樣)，通過改變胰加漂T溶液的濃度，在機械力的作用下去除姜黃植物染纖維表面多余的染料顆粒，探究胰加漂T的用量對纖維表面顆粒物去除效果的影響規律。

將處理完的纖維均勻放置在80℃的烘箱中處理3 h后制樣進行掃描電鏡觀察，將處理得到的姜黃染料洗液用紫外可見分光光度計在紫外最大吸收波長處測量其吸光度，進而計算洗液的濃度。

2.2 姜黃植物染纖維的試紡實驗

2.2.1實驗材料與設備

經最佳條件處理的姜黃植物染纖維、超柔軟整理劑(市購)；GZX-9240 MBE型鼓風干燥烘箱(上海博訊實業有限公司)、Favimat-Airobot自動化單纖維強力測試儀(德國Textechno公司)、Istron-3300萬能材料試驗機(美國Instron公司)、DSBL-01型清梳聯合機、DSDr-01型數字式小樣并條機、FA498-12型粗紗機、FA518-60型細紗機。

2.2.2養生處理

經機械力作用后的姜黃植物染纖維，手感粗糙僵硬，且摩擦性能和靜電性能都有待提高。為了使紡紗順利進行，要先用柔軟劑對纖維進行柔軟處理，提高纖維的摩擦和靜電性能，以上過程稱為養生處理。

把超柔軟整理劑1%(owf)與蒸餾水按1∶20的比例配置為養生溶液，將在最佳條件下處理的姜黃植物染纖維(500 g)均勻鋪開，用噴壺將養生溶液均勻地噴灑到纖維上，噴灑完畢后將其密封好，在35℃的烘箱中處理12 h后放于恒溫恒濕室(溫度20℃±3℃，相對濕度65%±5%)中調濕24 h。

2.2.3試紡

將處理完畢的姜黃植物染纖維進行試紡，計劃紡18.2 tex的姜黃植物染單紗，試紡工藝流程如下：

DSBL-01型清梳聯合機(DSOp-01型開松機→DSFa-01型輸棉風機→DSMi-01型混棉機→DSFe-01自動喂棉機→DSCa-11A型梳棉機)→DSDr-01型數字式小樣并條機→FA498-12型粗紗機→FA518-60型細紗機

(1)DSBL-01型數字式清梳聯

試驗中采取了“充分混和、適中隔距、慢速度、減少打擊、早落防碎、少傷纖維”的工藝原則，同時提高纖維的轉移率，防止纖維過多的搓揉與糾纏。清梳聯的主要工藝參數配置如表1、表2所示。

表1 開松機與梳棉風機主要工藝參數

表2 混棉機主要工藝參數

注：自動喂棉機的振蕩板振動頻率為274 次/min。

在梳棉機工藝設計中，采用“緊隔距、強分梳、快轉移”的原則，兼顧梳理與減少損傷纖維。錫林刺輥間采用較大的速比，并盡可能減小錫林與刺輥、錫林與道夫隔距，這些措施利于纖維的良好轉移、充分梳理和減少纖維的返花、棉結的產生。蓋板速度200 mm/min，錫林轉速500 rpmn，刺輥轉速250 rpm。錫林與蓋板隔距0.25 mm、 0.23 mm 、0.20 mm、0.20 mm、0.23 mm。刺輥與錫林隔距0.18 mm。錫林與道夫隔距0.15 mm。道夫與剝棉羅拉隔距0.30 mm。

(2)并條工藝

為改善姜黃植物染纖維的伸直平行度，并條工藝總牽伸倍數要小于并合數，羅拉隔距和后區牽伸倍數偏大。采用兩道并條，按照“倒牽伸、輕定量、中隔距”的工藝原則，且末并的后區牽伸倍數小于頭并，這樣會對成紗條干水平的提高、單紗強力不勻率和棉結的降低產生有利影響。并條主要工藝參數見表3所示。

(3)粗紗工藝

粗紗工序中，適當增加了粗紗捻系數，從而增加了纖維轉移到紗條內部的幾率，有利于減少毛羽的產生。使用抗繞性較好的皮輥，減少了纏繞現象的產生。采用較小后區牽伸倍數，使具有緊密結構的紗條進入主牽伸區，利于保證條干均勻度。粗紗主要工藝參數如表4。

表3 并條主要工藝參數

表4 粗紗主要工藝參數

(4)細紗工藝

采用大的捻系數，后區大羅拉隔距、小牽伸倍數，降低細紗車速和提高車間溫濕度等措施來改善姜黃植物染纖維成紗質量。細紗主要工藝參數如表5。

表5 細紗主要工藝參數

在標準條件下對試紡得到的18.2 tex姜黃植物染單紗進行成紗質量指標測試。

3 結果與分析

3.1 姜黃植物染纖維表面染料顆粒的去除

3.1.1電鏡觀察表面狀態

用不同濃度的胰加漂T處理后的姜黃植物染纖維的表面狀態如圖4～圖6所示。

圖4 未處理

圖5 經機械敲打

圖6 胰加漂T0.1 g/L后經機械敲打

圖7 胰加漂T0.3 g/L后經機械敲打

圖8 胰加漂T0.5 g/L后經機械敲打

圖9 胰加漂T1 g/L后經機械敲打

從圖可以看出，與未經任何處理(圖4)的姜黃植物染纖維相比，經機械敲打(圖5)和胰加漂T作用(圖6～圖9)后的姜黃植物染纖維表面附著的染料顆粒明顯減少，纖維表面更光滑。經機械敲打(圖5)的姜黃植物染纖維表面與添加了胰加漂T(圖6～圖9)后經機械敲打的纖維表面相比，無明顯差別，說明由機械敲打引起的敲打力、摩擦力，溶液流動產生的流體拖曳力是染料顆粒脫附的主要原因，胰加漂T產生的洗滌、分散作用在顆粒脫附纖維表面的過程中起輔助、促進的作用。

3.1.2洗液吸光度的測試和濃度計算

用紫外-可見光分光光度法測量姜黃染料洗液的濃度[12]。首先繪制姜黃植物染纖維的標準曲線。配制姜黃染料的標準溶液，濃度分別為0.06 g/L、0.1 g/L、0.14 g/ L、0.18 g/L、0.22 g/L，用紫外可見分光光度計分別測定相應的吸光度，根據測得的數據繪制曲線，如圖10所示，曲線的回歸方程為：y=4.315x-0.0719，R2=0.99992，其中x為質量濃度(g/L)，y為吸光度值。方程表明染料顆粒物的質量濃度在0.06 g/L～0.22 g/L的范圍內呈線性關系。

圖10 姜黃植物染纖維染料顆粒物標準曲線

將處理得到的姜黃染料洗液用紫外可見分光光度計在紫外最大吸收波長處測量其吸光度，后根據方程y=0.3950x-0.0816計算洗液的濃度，結果如圖11所示。

圖11 胰加漂T的用量對纖維表面顆粒物去除效果的影響

由圖11可知，空白組的洗液濃度是最低的，加入胰加漂T后，洗液濃度有明顯增大，說明胰加漂T能提高纖維表面染料顆粒的去除效果。隨著胰加漂T用量的增大，得到的姜黃染料洗液濃度也不斷增大，說明從纖維表面去除的染料顆粒不斷增多，其中胰加漂T的濃度從0.3 g/L升至0.5 g/L時洗液濃度增大的速度最快，但當濃度到1 g/L時洗液濃度增大不明顯。出現這種現象的原因與胰加漂T的臨界膠束濃度(CMC)有關。以CMC值為界，在一定范圍內，表面活性劑水溶液的物理化學性質將發生突變。當胰加漂T溶液的濃度稍高于其CMC值(5.5×10-4mol/L～8.2×10-4mol/L，換算為質量濃度為0.23 g/L～0.35 g/L)時，其洗滌作用最好，當溶液濃度再繼續變大時，其洗滌作用不會有明顯提高[11]。

綜合作用效果和成本等因素，選0.5 g/L為最佳胰加漂T水溶液濃度，在最佳濃度下對姜黃植物染纖維進行機械處理和養生后試紡。

3.2 姜黃植物染纖維的試紡

在標準條件下對試紡得到的18.2 tex姜黃植物染單紗進行成紗質量指標測試，測試結果如表6所示。

表6 姜黃植物染紗線質量指標

由表6可知，試紡得到的姜黃植物染紗線的質量較好，達到了預期的效果；整個試紡過程比較順利，清梳、并條工序少有纏繞現象，粗紗、細紗工序中出現的斷頭現象在正常范圍內；目前常規色紡紗線中有色纖維的混紡比例一般不超過35%，本實驗得到的姜黃植物染纖維能滿足色紡紗生產的要求，可進行不同類型的紗線設計。

4 結論

本文通過實驗發現，胰加漂T能夠對姜黃植物染纖維表面顆粒的去除產生積極影響，綜合各方面因素考慮，選擇最佳溶液濃度為0.5 g/L；在0.5 g/L的胰加漂T溶液中對姜黃植物染纖維施加機械作用力，并對處理完的纖維進行養生，可有效提高姜黃植物染纖維的可紡性，滿足色紡紗生產的要求，為植物染纖維應用于色紡紗提供一定的理論基礎。