聚乳酸織物堿性染色工藝探討

于家學(xué)，王小艷，荊麗麗，杜金梅，孫 昌，許長(zhǎng)海

(1. 江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122； 2. 蓬萊嘉信染料化工股份有限公司，山東 蓬萊 265600)

聚乳酸(polylactic acid, PLA)纖維作為一種新型的生態(tài)紡織纖維，因具有優(yōu)異的生物相容性和生物可降解性而受到人們的重視[1-4]。其制品應(yīng)用前景廣泛，可用于醫(yī)療衛(wèi)生、家紡、工農(nóng)業(yè)材料、塑料新型材料、裝飾材料等方面，并且PLA染色產(chǎn)品可起到美化生活、區(qū)別產(chǎn)品等作用。但是PLA纖維屬于聚酯類(lèi)，存在諸如染色困難，染色產(chǎn)品手感偏硬、極光嚴(yán)重的問(wèn)題，因此在其染整加工過(guò)程中需要進(jìn)行減量處理[5-7]，并且PLA纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其在堿性條件下易于水解。常規(guī)PLA纖維的染整加工流程為：先在堿性條件下減量以改善手感，待水洗后再在酸性條件下采用分散染料染色，然后在堿性條件下還原清洗[8-10]。染色過(guò)程中，染浴的pH值先后由堿性變?yōu)樗嵝栽僮優(yōu)閴A性，反復(fù)的pH值調(diào)節(jié)容易導(dǎo)致工藝參數(shù)不穩(wěn)定，因此產(chǎn)品的重現(xiàn)率較低。此外，冗長(zhǎng)繁瑣的染色流程會(huì)消耗更多的能源和水，增加了經(jīng)濟(jì)、環(huán)境方面的壓力。耐堿分散染料可以在高溫堿性條件下使用[11-12]。為了簡(jiǎn)化工序，提高生產(chǎn)效率，本文探討了采用耐堿分散染料于堿性條件下對(duì)PLA織物進(jìn)行一浴一步染色的可行性，并對(duì)堿性染色產(chǎn)品與傳統(tǒng)工藝染色產(chǎn)品的染色效果進(jìn)行了對(duì)比。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料和藥品

PLA長(zhǎng)絲織物(8.33 tex×16.67 tex，1.25 g/cm3)，分散紅HA-G、分散黃棕H-2R、分散藍(lán)HA-RL(這3種顏色為該系列染料的三原色，其他顏色可由此三原色調(diào)配，三原色的染色參數(shù)可為多種顏色的開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ))，蓬萊嘉信染料化工股份有限公司；氫氧化鈉、冰醋酸(HAc)、碳酸鈉、保險(xiǎn)粉，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；高溫勻染劑，分析純，日華化學(xué)(中國(guó))有限公司；滲透劑JFC，分析純，德美化工有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

AHIBA IR型高溫高壓染色機(jī)(美國(guó)Datacolor公司)，AB204-N型電子分析天平(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)，HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋(江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司)，YG(B)026D-250型電子織物強(qiáng)力機(jī)(溫州大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠(chǎng))，Datacolor 650型反射光分光光度計(jì)(美國(guó)Datacolor公司)，SW-24E型耐洗色牢度試驗(yàn)機(jī)(溫州大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠(chǎng))，Y(B)571-II型色牢度摩擦儀(溫州大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠(chǎng))，EL-20型精密pH計(jì)(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 PLA織物減量

將PLA織物按浴比1∶20放入不同pH值處理液中(HAc，NaOH和Na2CO3用量均為1 g/L)。按1 ℃/min的升溫速率由室溫升至100 ℃，保溫30 min。自然冷卻到室溫，充分水洗后晾干備用。

1.3.2 PLA織物近中性染色

PLA織物按浴比1∶20進(jìn)行中性染色。染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，高溫勻染劑質(zhì)量濃度為1 g/L，按1 ℃/ min升溫速率升溫至100 ℃，保溫30 min。染色后分別進(jìn)行還原清洗和皂洗。

還原清洗：將質(zhì)量濃度為2 g/L的NaOH、 2 g/L的保險(xiǎn)粉、1 g/L的滲透劑JFC和水按浴比1∶20配置成清洗溶液，于60 ℃處理15 min。

皂洗：將質(zhì)量濃度為3 g/L的皂片與水按浴比1∶30配置成清洗溶液，于60 ℃處理10 min。

1.3.3 PLA織物堿性染色

PLA織物按浴比1∶20進(jìn)行堿性染色。染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，高溫勻染劑質(zhì)量濃度為1 g/L，NaOH質(zhì)量濃度為1 g/L，溫度為100 ℃，保溫30 min。

1.3.4 染色溫度及堿劑用量影響

PLA織物按浴比1∶20進(jìn)行染色。分散紅HA-G質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，高溫勻染劑質(zhì)量濃度為1.5 g/L，堿劑Na2CO3質(zhì)量濃度為0～9 g/L，升溫速率為1 ℃/min，染色溫度分別為100、 105、 110和115 ℃，保溫40 min。

1.3.5 PLA織物傳統(tǒng)方法染色

PLA織物先在浴比為1∶20、NaOH質(zhì)量濃度為5 g/L的溶液中，于80 ℃堿減量30 min，水洗并酸中和，然后在100 ℃下利用分散紅HA-G質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的染液染色40 min，水洗后還原清洗，皂洗，水洗，烘干。

1.4 測(cè)試方法

1.4.1 表觀(guān)色深K/S值

主要測(cè)量表觀(guān)顏色深度K/S，以及表觀(guān)顏色(CIELAB)的L、a、b值。將織物對(duì)折成4層，使用Datacolor 650型反射光分光光度儀(小孔徑、D65光源和10°視角)測(cè)定產(chǎn)品的各項(xiàng)表觀(guān)顏色屬性。每一個(gè)樣品測(cè)10個(gè)不同位置點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果取其平均值。

1.4.2 斷裂強(qiáng)力

根據(jù)GB/T 3923.1—2013《紡織品織物拉伸性能第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)定條樣法》，使用YG026D-250型電子織物強(qiáng)力測(cè)試機(jī)測(cè)定織物的斷裂強(qiáng)力。

1.4.3 染色牢度

(1) 耐皂洗色牢度測(cè)定。根據(jù)GB/T 3921—2008《紡織品色牢度實(shí)驗(yàn)?zāi)驮硐瓷味取窚y(cè)定產(chǎn)品的耐皂洗色牢度；根據(jù)GB/T 251—2008《評(píng)定沾色用灰色樣卡》測(cè)定沾色牢度；根據(jù)GB/T 250—2008《評(píng)定變色用灰色樣卡》測(cè)定變色牢度。

(2) 耐水漬牢度測(cè)定。根據(jù)ISO 105—E01：2010(E)《紡織品耐水漬牢度測(cè)定》測(cè)定樣品的耐水漬牢度。

2 結(jié)果與分析

2.1 PLA織物減量

在PLA織物減量工序中，通過(guò)減輕纖維質(zhì)量可以改善織物的光澤及手感。鑒于PLA屬于脂肪族聚酯化合物，其酯鍵耐酸堿穩(wěn)定性低于滌綸纖維的酯鍵，本文研究了不同pH值下PLA織物的減量情況，結(jié)果如表1所示。

表1 PLA織物減量結(jié)果

由表1可知，隨著pH值的升高，織物的減量率增加且堿性條件下更有利于PLA織物的減量，而PLA織物的斷裂強(qiáng)力降低。這是因?yàn)樵诟邷貕A性環(huán)境中，酯鍵易于水解，纖維表面受到堿的刻蝕，纖維細(xì)度降低、質(zhì)量減輕。同時(shí)，經(jīng)緯紗交織點(diǎn)處由于吸收堿液量較多，受到堿的刻蝕也更為明顯，從而增加了織物交織點(diǎn)的空隙，外力作用下纖維間易于發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，使得織物剛性下降，產(chǎn)生柔軟手感。

2.2 PLA織物染色

分別對(duì)PLA織物在中性和堿性條件下進(jìn)行染色，對(duì)比了兩種染色條件下的PLA織物表觀(guān)顏色(L、a和b)、顏色深度(K/S)以及減量率，結(jié)果如表2所示。由表2可知，染浴加堿后染色織物的減量率顯著增大，染色明顯加深。這是因?yàn)楦邷貕A性條件下PLA纖維發(fā)生水解，纖維變細(xì)，減量率提高；同時(shí)，纖維變細(xì)導(dǎo)致纖維比表面積增大，使得更多染料上染纖維，致使產(chǎn)品的K/S值增大，顏色加深。此外，對(duì)比中性和堿性染色條件下PLA織物的表觀(guān)顏色可知，兩種條件下的織物的色調(diào)(h)并沒(méi)有發(fā)生顯著變化，顏色深度的差異主要是由亮度值(C)的變化所引起。由此可以斷定，堿性條件染色只是增加了分散染料的上染量，而對(duì)染料的色光不會(huì)造成影響。

表2 PLA織物染色結(jié)果

注：C為亮度；h為色調(diào)。

2.3 堿性染色條件對(duì)PLA織物染色深度及強(qiáng)力的影響

PLA纖維無(wú)定形區(qū)分子鏈在溫度高于PLA的玻璃化溫度后發(fā)生分子鏈段熱運(yùn)動(dòng)，使得染料分子進(jìn)入無(wú)定形區(qū)完成纖維染色。由此可知，染色溫度對(duì)PLA織物染色效果影響較大。此外，堿劑用量會(huì)影響PLA的水解程度，進(jìn)而影響織物的手感。鑒于高溫高壓下PLA的分子鏈在NaOH溶液里易發(fā)生較大程度的水解，因此選用Na2CO3作為堿劑進(jìn)行PLA堿性染色。染色溫度和堿劑用量對(duì)PLA織物顏色深度和強(qiáng)力的影響如表3所示。

表3 染色溫度和堿劑用量對(duì)PLA織物顏色深度和強(qiáng)力的影響

由表3可知，在相同染色溫度下，隨著堿劑用量的增大，PLA織物顏色深度逐漸變大且斷裂強(qiáng)力不斷減小。這可能是因?yàn)椋阂环矫妫S著堿劑用量的增加，纖維表面受到堿的刻蝕增大，形成更多的小凹穴，纖維表面積增大，吸附染料的量增加，顏色變深；另一方面，染色溫度的升高將使得酯鍵的反應(yīng)活性提高，纖維表面蝕刻程度增大，導(dǎo)致纖維粗細(xì)不勻，易發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致織物斷裂強(qiáng)度降低。由表3還可知，相同堿劑用量下，隨著染色溫度的升高，PLA織物染色深度增大。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，無(wú)定形區(qū)大分子鏈運(yùn)動(dòng)加劇，出現(xiàn)空隙的機(jī)會(huì)增多，易吸附更多的染料分子從而織物顏色變深。

2.4 堿性染色PLA織物的色牢度

聚酯類(lèi)纖維染色后一般需要進(jìn)行還原清洗以去除浮色和染色中析出的聚酯低聚物等雜質(zhì)。PLA纖維屬于聚酯類(lèi)纖維，其結(jié)構(gòu)與滌綸接近，故常規(guī)染色后需要進(jìn)行還原清洗。對(duì)減性染色PLA織物的耐水洗色牢度和耐水漬色牢度進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4和5所示。由表4和5可知，不同貼襯材料的沾色和堿性染色PLA織物褪色等級(jí)都在4級(jí)以上，產(chǎn)品的染色牢度較高。對(duì)比是否進(jìn)行還原清洗的兩組產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)，兩組樣品間無(wú)顯著差別。這可能是由于以常規(guī)工藝染色時(shí)纖維內(nèi)部的低聚物會(huì)擴(kuò)散到纖維表面形成色斑、色塊，而堿性染色工藝中染料的上染與堿對(duì)纖維的水解同時(shí)進(jìn)行，堿可以不斷剝離纖維表面的碎片，導(dǎo)致低聚物無(wú)法附著于纖維表面。由此可見(jiàn)，堿性染色工藝具有與還原清洗同等的效果，故其可免還原清洗。

表4 堿性染色時(shí)PLA織物的耐水洗色牢度

表5 堿性染色PLA織物的耐水漬色牢度

2.5 PLA織物堿性染色與傳統(tǒng)染色比較

PLA纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)不同于滌綸纖維，其在高溫強(qiáng)堿條件下易發(fā)生大規(guī)模水解。根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知，PLA織物的傳統(tǒng)染色方法即先堿減量再染色。堿減量工藝參數(shù)可設(shè)置為：NaOH質(zhì)量濃度為5 g/L，染色溫度為80 ℃，染色時(shí)間為30 min。堿減量的織物經(jīng)充分洗滌后，再在100 ℃下染色40 min。兩步法獲得的織物K/S值為20.48。在Na2CO3質(zhì)量濃度為5 g/L、染色溫度為100 ℃、染色時(shí)間為40 min條件下進(jìn)行的堿性染色工藝中，獲得的PLA染色織物的K/S值為21.09(見(jiàn)表3)。對(duì)比堿性染色和傳統(tǒng)染色方法所得織物的K/S值可知，堿性染色方法所得織物的顏色更深；對(duì)比堿性染色和傳統(tǒng)染色工序及配方可知，堿性染色工藝更加節(jié)省能源、水以及時(shí)間。

3 結(jié) 論

(1) PLA織物可利用耐堿分散染料在堿性條件下進(jìn)行高溫高壓染色，可同時(shí)完成織物的堿減量及染色工序，其染色產(chǎn)品的手感較好且顏色較深。

(2) 堿性染色時(shí)PLA織物受染色溫度及堿劑用量的影響較顯著。隨著堿劑用量的增大，PLA織物顏色逐漸變深且斷裂強(qiáng)力不斷下降；隨著染色溫度的升高，PLA織物染色深度增大。

(3) PLA織物堿性染色時(shí)產(chǎn)品色牢度好，且染色后無(wú)需還原清洗。

(4) 與傳統(tǒng)染色工藝(染色前堿減量處理，染色后還原清洗)相比，PLA織物的堿性染色工藝可簡(jiǎn)化工藝流程，提高生產(chǎn)效率。