硫化黑染色棉織物的臭氧脫色動力學分析及性能表征

2022-10-17 10:35:20別必涵易長海左丹英

紡織科技進展 2022年9期

帥旗,徐浪,別必涵,易長海,左丹英,*

(1.武漢紡織大學省部共建紡織新材料與先進加工技術國家重點實驗室,湖北武漢 430200;2.武漢紡織大學先進紡紗織造及清潔生產國家地方聯合工程實驗室,湖北武漢 430200)

牛仔服裝相比于其他服裝最鮮明的特色是仿舊處理,仿舊穿起來具有年代感。硫化黑染色牛仔布的傳統洗水方法是使用氧化劑,如次氯酸鈉、高錳酸鉀和過氧化氫等強氧化劑,破壞硫化黑的顯色基團,但是硫化染料染色含有大量的硫元素,普通的氧化方法對環境污染很大[1]。

臭氧是一種強氧化氣體,具有氧化能力強、反應快、無二次污染的特點,因其強氧化性而替代氯與H2O2廣泛應用于造紙業與工業廢水處理[2-4]。紡織領域中臭氧的應用與研究多集中于棉織物染色前的漂白處理,臭氧可與木素大分子中的苯環、雙鍵、共軛羰基等反應,使顯色基失去“生色”能力達到漂白目的[5-6],并且臭氧漂白無需化學試劑便可以在室溫條件下用更短的時間、更少的水實現同樣的工藝效果[7-8]。目前,應用臭氧進行染色牛仔脫色的研究漸漸增多,如靛藍、活性染料、偶氮染料牛仔布等,研究結果普遍認為,臭氧使染色織物脫色的原因主要是臭氧與染料分子中C=O、C=C等不飽和鍵反應產生醛基、羰基或羧基等,使生色基失色[9-13]。然而對于硫化黑染色牛仔棉織物的脫色研究較少,本次試驗對硫化黑染色的棉織物進行臭氧脫色,探究臭氧脫色硫化黑棉織物的動力學過程及脫色機理,并對脫色織物性能進行測試,為硫化黑織物的臭氧洗水工藝參數提供試驗依據。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

硫化黑染色的棉織物為3/1斜紋棉織物,質量為135 g/m2,厚度為0.24 mm,經密為298根/(10 cm),緯密為312根/(10 cm),由廣東省均安牛仔研究院提供。

1.2 試驗方法

在溫度25℃、濕度60%的恒溫恒濕環境中,將臭氧發生器(FL-810ET,深圳飛立電器有限公司)旋鈕旋轉到最大濃度“100%”對應的刻度100 mg/L,氣流量5 L/min,尾氣處理后由通風櫥排出,接著打開氣控開關和臭氧開關,在洗水反應裝置內通臭氧約3 min后,排除裝置內的空氣,將潤濕好(含濕量150%)的面料樣品放入洗水反應裝置內,面料放入開始計時,共處理120 min,前30 min內每5 min取一次樣,30 min后每10 min取一次樣,在自然環境下風干,待完全干透用來測試。

1.3 性能測試與表征

采用掃描電鏡(型號JSM-7800F,日本電子株式會社)觀察織物的纖維表面形貌。采用HG026H型電子織物強力機(溫州大榮紡織儀器有限公司)進行織物的拉伸性能測試,測試過程參照國家標準GB/T 3923.1—2013《紡織品織物拉伸性能第1部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定》。摩擦牢度在Y571B型染色牢度摩擦儀(溫州方園儀器有限公司)進行測試,過程參照國家標準GBT 3920—2008《紡織品色牢度試驗耐摩擦色牢度》。采用美國愛色麗Colori7測色配色儀測試K/S值以及L*、a*、b*值,每個樣品測5次,求出平均值,測試環境溫度為25℃,濕度為60%。

2 結果與討論

2.1 硫化黑染色棉織物的色坐標和K/S值

硫化黑染色的棉織物的K/S值為24.891 6,L*為15.61,a*值為0.43,正值,面料稍稍泛紅光,b*為-0.642,負值,則表示面料泛藍光,且數值很小,偏差不大。

2.2 臭氧脫色后的硫化黑染色織物的色坐標變化與K/S值變化

圖1是硫化黑染色的棉織物在p H值為7、含濕量為150%時不同氧化時間的織物的ΔL*、Δa*、Δb*,試驗中的測試指數ΔL*、Δa*、Δb*,是未處理的原樣和脫色樣品的L*、a*、b*的差值。由圖1可以得出,ΔL*值呈現有規律的增加,臭氧處理織物后使織物的得色量降低,色深變淺,亮度也有一定程度的增加;織物經過長時間的臭氧處理后a*由正值變為負值,表示織物由偏紅變為偏綠;織物經過長時間的臭氧處理后b*值慢慢減小,表示織物偏藍的程度在加大。經過長時間的臭氧處理后,通過目測可以看見織物顏色變淺,并有一定程度的泛綠。處理時間越長,最后的顏色越淺,呈現青綠色,尤其是Δb*在最后10 min的變化比較急促,其速率變大可能是導致最后10 min內K/S值變化的原因。

圖1 臭氧處理后的織物ΔL*、Δa*、Δb*值變化

圖2是臭氧脫色后棉織物K/S值的變化情況,K/S值在前80 min的下降幅度明顯大于后40 min的下降幅度,前80 min內棉織物的K/S值下降了約16個單位,后40 min只下降了2個單位。經過120 min臭氧處理后,棉織物的顏色已經明顯變淡,亮度提高。表明隨著臭氧脫色的進行,棉織物上染料不斷遭到破壞,染料濃度降低,由于臭氧更容易直接與織物表面的染料發生作用,纖維內部的染料較少被氧化,這也可能是處理后期K/S值降低速率變慢的原因之一。

圖2 臭氧處理后的織物K/S值變化

2.3 染色織物的臭氧脫色動力學分析

光線照射到織物表面,大部分都會被織物吸收和散射,只有少部分才會被反射,織物對光的吸收主要由染料的性質決定[14-15]。根據理論,K/S值是關于測試物在可見光400～700 nm范圍內反射率的函數,其中最大波長處K/S值可以直觀地反映出測試物的顏色深淺,同時因為K/S值有加和性,其加和性可以反映出染料微粒對光的吸收能力和散射能力還與染料濃度皆成正比[16]。故可以分析染色棉織物的K/S值來分析織物上染料的濃度和分布均勻程度。臭氧脫色染色棉織物的過程可以通過K/S值來間接表征織物上染料的濃度,通過脫色動力學來判斷臭氧脫色過程的復雜程度。臭氧脫色過程與織物染色過程類似,臭氧脫色反應與臭氧在織物上的擴散作用有關,纖維表面的臭氧濃度高,纖維內部存在濃度梯度,臭氧在纖維內部的擴散程度是決定脫色快慢的關鍵,因為K/S值與織物上染料濃度存在線性關系,本試驗無法直接測得染料濃度,將樣品測得臭氧脫色后的K/S值代入動力學方程進行處理,分析硫化黑染色棉織物的臭氧脫色機理。

由圖2可知,K/S值與時間t不呈現線性關系,所以硫化黑染色棉織物的臭氧脫色不能用零級動力學方程((K/S)t=(K/S)0-kt)進行模擬。一級、二級、三級動力學方程式見式(1)、(2)、(3)。

一級反應:

二級反應:

三級反應:

式中:(K/S)t為處理時間t時的K/S值;(K/S)0為原樣的K/S值;k為反應速率常數;t為臭氧脫色反應時間。

表1 硫化黑染色純棉織物臭氧脫色動力學方程擬合結果

如圖3(a)所示,采用一級動力學方程進行模擬時發現,在較短的時間內(15 min)或者較長的時間內(100～120 min),擬合的直線明顯偏離數據點,相對應的R2為0.975 79,同理,對于采用三級動力學方程進行擬合時,同樣在較短的時間內(15 min)或者較長的時間內(100～120 min),擬合的直線明顯偏離數據點。如圖3(c)所示,相對應的R2為0.961 44,但是,當采用二級動力學方程進行擬合時,如圖3(b)所示,在整個時間范圍內,擬合的直線與數據點非常一致,此時二級反應方程擬合的R2數值最大,為0.992 6,表明線性擬合的效果非常好,臭氧脫色隨著時間的變化關系傾向于二級動力學方程。

圖3 染色棉織物臭氧脫色隨時間變化的動力學分析

有研究表明,臭氧對染料溶解在水中的脫色作用一般遵循準一級反應[17],而在本試驗的臭氧脫色過程中,臭氧不僅與染料分子發生作用,也會與纖維上基團發生作用,甚至可能還會有染料上的基團與棉纖維上任意羥基組成的化學鍵受臭氧的影響而分解破壞,其反應過程比單純的臭氧氧化染料液體要復雜得多。試驗結果說明臭氧脫色面料的動力學過程滿足準二級動力學方程,也說明臭氧脫色染色棉織物的過程比臭氧脫色染色溶液的過程要復雜得多。

2.4 臭氧處理不同時間的織物結構和性能分析

圖4是臭氧氧化不同時間的織物表面電鏡照片,可以看出,未經臭氧處理的棉纖維表面完整并光滑,無明顯的附著物和破損,符合棉纖維的形態特征,隨著臭氧處理時間的增加,纖維開始有細微破損,40 min后,纖維表面出現細微但較長的裂紋。再隨著時間的增加,當處理時間達到60 min時,織物上可以看到帶狀或小面積的破損,其轉曲部分有孔洞存在,破損應該是木質素和木聚糖的分解產物,棉纖維表面有很多附著的木質素和木聚糖物質,當處理時間為80 min時纖維出現剝離性斑塊,這些斑塊應該是木質素和木聚糖物質脫落導致的。最后,在其他適宜條件下臭氧處理120 min時,纖維表面產生了很多裂痕,也有大面積的條狀溝痕,此時纖維表面非常粗糙,纖維受損嚴重,這是織物斷裂強力下降的原因。

圖4 不同時間臭氧處理后面料的電鏡圖

2.5 臭氧處理不同時間下織物的性能分析

臭氧處理讓織物脫色的原理是破壞織物上染料的發色基團,但是臭氧也會對棉織物中的纖維素或木素進行氧化分解,所以織物的力學性能無可避免地會受到一定程度的損傷,由表2的數據可以看出,織物的干摩擦色牢度比濕摩擦色牢度要好,經過長時間的臭氧處理,織物的干摩擦色牢度變化不大。從表2得出:影響最為明顯的是拉伸強力,拉伸伸長率的變化卻不大。隨著臭氧處理時間的延長,織物的拉伸強度逐漸下降,當臭氧處理60 min左右時,拉伸強力最低,這是由于氧化使得織物纖維表面的染料與纖維素部分降解,使得纖維的強度下降,但隨著時間的延長,強力趨于穩定,甚至還有小幅度的上升,此時織物會有一定的脆性,織物的厚度也有一定程度的增加,這可能是由于隨著氧化的繼續進行,臭氧分子較難進入纖維內部,氧化速率下降,同時溶脹的纖維的結晶度得到一定的提高,厚度也有所增加,因此表現出強度有所增強,但對比原樣,還有約有17%左右的下降。