帶壓染色壓力對羊毛結構和親水性能的影響

張 凱 王 榮 胡吉永 楊旭東

1. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室(中國) 2. 江蘇丹毛紡織有限公司(中國)

近年來，隨著經濟的發展和社會進步，人們對服裝舒適性的要求越來越高。品質感和科技感融為一體的產品日益受到廣大消費者的青睞，對高檔吸濕快干面料的需求逐漸增長。在此背景下，羊毛纖維作為優良的天然蛋白質纖維，因具有彈性優異，手感柔糯，吸濕性好等眾多優點而成為高檔面料的首選材質[1]。但羊毛纖維鱗片的天然屏障作用使吸收的汗液不能及時排出，會給人體造成一種極不舒適的冷濕感，這極大限制了羊毛纖維夏季面料的開發應用[2]。

目前，主要采用物理化學改性[3-7]的方法對羊毛進行處理，通過破壞羊毛表面鱗片提高羊毛的吸濕性能。此外，后續染色加工過程中的各種工藝因素也可能影響羊毛的結構及吸濕性能。黃元麗[8]探究了不同染色時間、溫度、壓力和染料用量對染色效果的影響。試驗表明，在一定的染色溫度和相同的染色時間與染料用量條件下，羊毛散纖維的表觀顏色深度隨著壓力的增加而增加。李俊升等[9]探究了微波低溫等離子體處理的羊毛的染色性能，發現環境氣體壓力達到20 MPa時，K/S值達最大值，說明此時等離子體對羊毛的刻蝕效果最明顯。張娟等[10]探究了超臨界CO2染色對羊毛纖維力學性能的影響，發現隨著壓力的不斷增加，CO2流體的傳質擴散能力使得羊毛纖維受到的彎曲、扭轉和剪切作用增強，從而影響短絨率和拉伸斷裂性能。楊德明等[11]提出了一種全流程低溫帶壓染色工藝。研究表明，在羊毛染色過程中施加壓力，可以降低羊毛的損傷，大大改善其染色性能與力學性能，回潮率也有一定的提高。上述研究均表明，在染色的過程中引入壓力，對羊毛結構及表面鱗片有一定程度的損傷破壞，進而改變其力學性質和染色性能。但以往的研究未系統分析壓力對于其結構和親水性能的影響。

基于此，本文將采用控制變量法定量分析不同染色壓力對羊毛結構和親水性能的影響，實現羊毛的低溫染色并減少羊毛纖維損傷，探究影響其親水性能的主要結構因素。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

單纖線密度為7.4 tex的防縮毛條(江蘇丹毛紡織有限公司)。

1.2 試驗儀器

試驗儀器如表1所示。

表1 試驗儀器

1.3 試驗方法

采用控制變量方法，保持染色溫度、毛用活性染料用量和Na2CO3用量等其他條件不變，在染色過程中分別對羊毛進行0.35、0.43和0.52 MPa的壓力處理，烘干后將毛條放入丙酮中浸泡2 h，然后用去離子水對毛條進行洗滌并自然晾干。

1.4 性能測試

1.4.1 表觀形貌測試

采用掃描電子顯微鏡測試表征羊毛經不同染色壓力處理后的表層鱗片層破壞程度。隨機選取一定量的羊毛纖維試樣，采用導電雙面膠將其固定在載物臺上，對試樣進行噴金處理，采用掃描電子顯微鏡放大3 000倍觀察羊毛纖維的表面形態。

1.4.2 結晶度測試

采用DSC測試表征羊毛內部結晶結構的變化。用剪刀將羊毛試樣剪碎成粉末，采用精度為0.1 mg的電子天平準確稱取試樣(質量范圍為0.3～0.5 mg) 進行結晶度測試。氮氣流量為20 mL/min，鋁鉗鍋，升溫程序為升至50 ℃保溫2 min， 再以20 ℃/min的加熱速度加熱到260 ℃。

1.4.3 接觸角測試

通過接觸角測試表征羊毛纖維經不同染色壓力處理后的親水性及表面張力變化情況。具體操作如下，取一部分毛條將其梳理平整，再用雙面膠將毛條拉平整后固定在載物臺上進行接觸角測試，每組試樣測試5次，結果取平均值。

2 結果與分析

2.1 不同染色壓力對羊毛纖維表面形貌的影響

在不同染色壓力下染色后的毛條試樣中，隨機取6根纖維觀測其典型表面形貌，分別如圖1～圖3所示，并統計其在測試纖維中出現的比例。

圖1a)～圖1c)所示為經0.35 MPa帶壓染色后羊毛呈現出的典型表面形貌，圖1d)為未處理羊毛的表面形貌。與未處理的羊毛相比，染色后的羊毛鱗片溝壑較淺且表面相對光滑，呈現翹角上揚[圖1a)]、鱗片層排列較疏松[圖1b)]或鱗片層排列較緊密[圖1c)]狀態。在所測的6根纖維中，有3根 羊毛纖維表層同時呈現圖1a)、圖1b)和圖1c)所示形態，另有3根羊毛纖維表面同時呈現圖1b)和圖1c)所示形態。

圖2所示為經0.43 MPa帶壓染色后羊毛所呈現的典型表面形貌。經0.43 MPa帶壓染色后,羊毛主要表現為鱗片層溝壑清晰可見[圖2a)]和鱗片被溝壑較淺且光滑[圖2b)]的形態。由于染色壓力增大，也出現了局部表面鱗片層破裂，并形成孔洞的現象，如圖2c)所示。在所測的6根羊毛纖維中，有5根纖維同時呈現出圖2a)、圖2b)和圖2c)所示形態，1根纖維呈現出圖2b)和圖2c)所示形態。

圖3為經0.52 MPa帶壓染色后羊毛所呈現的典型表面形貌。由圖3可以看出，經0.52 MPa帶壓染色后，羊毛主要表現出如下形態：表層鱗片出現很多裂紋，形成許多小塊狀，如圖3a)所示；鱗片層脫落，如圖3b)所示；表層鱗片脫落嚴重并產生較大的凹陷，如圖3c)所示。在所測6根羊毛纖維中，有4根纖維同時呈現出圖3a)、圖3b)和圖3c)所示形態，1根纖維同時呈現出圖3a)和圖3b)所示形態，另有1根纖維僅出現了圖3a)所示形態。

由上述試驗結果不難得出，隨著染色壓力從0.35 MPa增至0.52 MPa，羊毛纖維鱗片層出現局部破壞的程度越來越大。當染色壓力為0.52 MPa時，羊毛鱗片層出現嚴重脫落并產生凹陷現象。這是因為染色過程中羊毛會因吸水而發生膨脹，并且壓力的作用使羊毛鱗片張開，從而出現破裂及脫落。

2.2 不同染色壓力對羊毛纖維結晶度的影響

從經不同染色壓力處理的毛條中分別選取5根纖維，測試其差示掃描量熱(DSC)曲線，結果如圖4所示，其熔融峰值列于表2。每個試樣測試3次，結果取平均值。其中：tm1為第一個熔融峰溫度是DSC系統自動計算結果，tm2為第二個熔融峰溫度是人工測試結果。

圖4 不同染色壓力處理后羊毛的DSC曲線

由圖4和表2可知，經0.35、0.43和0.52 MPa壓力處理的羊毛，其熔融焓分別為16.994 7、15.596 0和14.395 5 J/g。隨著壓力從0.35 MPa增至0.52 MPa，羊毛纖維的熔融焓降低，表明羊毛纖維的結晶度下降。這是因為，隨著壓力增加，羊毛表層鱗片被破壞的比例增加，導致硫胺酸中的二硫鍵斷裂，大分子鏈斷裂進而導致結晶度下降。

表2 不同染色壓力作用后羊毛纖維的熔融峰參數

2.3 不同染色壓力對羊毛纖維親水性能的影響

從不同染色壓力處理的毛條中，隨機取5束羊毛纖維進行接觸角測試，測試結果如圖5所示。

圖5 不同染色壓力處理前后羊毛試樣的接觸角

由圖5可知，經0.35、0.43和0.52 MPa染色壓力處理后，羊毛的接觸角分別為120.61°、114.23°和108.89°，親水性能均比未處理的羊毛好。隨著染色壓力的增加，接觸角呈下降趨勢，表明羊毛纖維的親水性能提升。

隨著染色壓力的增加，羊毛鱗片層的破壞程度增大，使得鱗片內層化學性質活潑的極性氨基酸暴露出來，增加了其與水的接觸面積，使羊毛的親水性能提升。此外，染色壓力破壞了羊毛中硫胺酸上的二硫鍵，使羊毛結晶度下降，從而導致表面張力下降，親水性能提高。因這兩方面因素綜合作用，隨著染色壓力的增大，處理后羊毛的親水性提升。

3 結論

本文針對羊毛纖維的帶壓染色工藝，討論染色壓力對羊毛纖維結構和親水性能的影響。研究發現，隨著染色壓力增加，羊毛鱗片層的破壞程度加劇，親水性能提升，但結晶度下降。在今后的羊毛纖維親水性能研究中，可考慮采用增加染色壓力的方式，提高其親水性能。