黏膠織物的陽離子改性及活性染料無鹽染色工藝

李 悅 董偉偉 王夢婷 蔡再生

東華大學化學化工與生物工程學院，上海201620

黏膠纖維的分子結構與棉纖維非常相似，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)生化學反應，可在改性后采用活性染料進行無鹽染色，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)對棉織物進行改性，探究了改性劑的用量、溫度和時間等參數(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構簡單、顏色鮮艷、染色過程簡單、色譜齊全和價格低廉等優(yōu)點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鹽屏蔽纖維表面的負電荷以達到上染均勻的目的[11-13]，但染色后染液中殘留的大量無機鹽會造成水體污染和土地鹽堿化[14-16]。相關研究證明[15-16]，對黏膠織物進行陽離子改性是解決這一問題的有效途徑[17-19]。

本試驗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)對黏膠織物進行改性處理，然后用活性染料在無鹽條件下對其進行染色，并采用商業(yè)用濕摩擦牢度提升劑FM-8對黏膠織物進行后整理。最后探討改性工藝中CHPTA和助劑的用量、溫度、時間等參數(shù)對黏膠織物染色效果的影響，并與未進行改性處理但經(jīng)有鹽染色處理的黏膠織物(原樣)進行對照，分析改性后用活性染料在無鹽條件下進行染色的黏膠織物的各項性能。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器

1.1.1 黏膠織物

黏膠氨綸汗布(黏膠質量分數(shù)95%，氨綸質量分數(shù)5%，寧波獅丹努集團有限公司)

1.1.2 試劑

陽離子改性劑CHPTAC水溶液(陶氏化學)，安諾素黃、安諾素紅、安諾素黑(上海安諾其集團股份有限公司)，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(日本日立株式會社)、DHG-9075A鼓風干燥箱(上海一恒科技有限公司)、UV3310紫外分光光度計(日本日立公司)、Y571B摩擦色牢度試驗儀(南通宏大實驗儀器有限公司)、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的改性液中加入質量分數(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離子；氧負離子和CHPTAC發(fā)生醚化反應可屏蔽黏膠織物表面的負電荷，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，染料的質量分數(shù)為2%，染液浴比為1∶20，Na2CO3的質量分數(shù)為10 g/L，皂洗液中皂洗劑的質量分數(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

采用質量分數(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、反應率和固色率

在V3310型紫外分光光度計下測定染色前、后和皂洗后染液最大波長處的吸光度，根據(jù)式(1)～式(3)分別計算改性試樣的上染率E、反應率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 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 耐皂洗色牢度》，測試改性試樣的耐皂洗色牢度。

2 結果討論與分析

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CHPTAC的用量為80 g/L時，改性試樣的上染率、反應率和固色率達最高。這是因為隨著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，導致反應率減小。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的質量分數(shù)為100 g/L時，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行無鹽上染的反應率隨NaOH用量的增加先增加后減小。這是因為當NaOH的用量達飽和后，殘留的CHPTAC會吸附染料，導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，其反應率隨改性溫度的升高先增加后降低，在70 ℃達最佳。這是因為隨著改性溫度的升高，改性劑處理量達到飽和后繼續(xù)增加的改性劑會吸附染料，進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達到最佳用量后，試樣上的染料在堿性條件下逐漸水解，當水解量大于其固色量后，試樣的上染率降低。試樣的反應率隨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Na2CO3的用量為10 g/L時, 黏膠織物試樣的固色率和k/s值達最大。

圖6 Na2CO3對活性染料上染率(E)、反應率(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，說明改性工藝不會改變原試樣的表面，因此，CHPTAC改性處理不會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果對比 (級)

3 結論

(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。