雙面雙色和多功能真絲素縐緞的制備及性能研究

2023-02-21 09:17:56崔豪杰曹紅梅朱亞偉

絲綢 2023年2期

崔豪杰, 艾麗, 曹紅梅, 徐明, 朱亞偉

(1.蘇州大學紡織與服裝工程學院,江蘇蘇州 215021; 2.武漢紡織大學化學與化工學院,武漢 430200;3.常州紡織服裝職業技術學院紡織學院,江蘇常州 213164; 4.常州喜萊維紡織科技有限公司,江蘇常州 213125)

炭黑是一種價格便宜的無定形碳材料,其結構類似于無序石墨,表面含有酚羥基、羧基、內酯基、酸酐基和醌基等極性基團,賦予炭黑優良的性能[1-2]。炭黑的導電性與分散性有關,也與炭黑和添加劑的結合狀態有關[3]。表面活性劑對炭黑粉末有很高的親和力,因非離子表面活性劑的分子結構和體積特性,非離子表面活性劑比陰離子表面活性劑能更好地潤濕和穩定水介質中的炭黑粉末[4]。炭黑的性能依賴于炭黑與助劑的相互作用及穩定性,添加炭黑的熔融紡絲工藝能制備良好抗靜電性PET或PBT纖維[5-6]。碳納米管—炭黑/聚二甲基硅氧烷(CNTs-CB/PDMS)復合材料和炭黑/聚氨酯材料具有較寬的應變感應靈敏度,能滿足運動監測的要求,可用于人體運動檢測的可穿戴的壓力傳感器[7-8]。與涂料一樣,炭黑缺乏與纖維的親和力,除共混改性外,可借助黏合劑和交聯劑制備炭黑表面改性的功能紡織品[9-10]。香云紗是以野生植物薯莨的塊莖為染料,對織物進行多次浸染和曝曬,之后再經過富含鐵質的塘泥涂覆而制成的一種雙面雙色的真絲綢產品。薯莨單寧氧化形成醌式結構而顯棕色或棕紅色,鐵離子與薯莨生成黑色的鞣酸亞鐵,是一種生態的染色技術[11-13]。

為制備雙面雙色和多功能真絲素縐緞,本研究選擇自制液體炭黑和市售涂料大紅,首先采用浸軋和烘干法,制得黑色素縐緞織物;再用涂料大紅對織物正面進行不滲色印花,經烘干和焙烘,制備出一面為炭黑面、另一面為涂料大紅面的真絲素縐緞織物。因涂料大紅色的不滲色,形成顏色疊加效應,正反面色澤既相互獨立,又相互影響,織物表現出正面為暗紅色和反面為深黑色的雙色織物。又因炭黑的多功能性,如此制備出多功能真絲素縐緞。這為雙色多功能真絲面料的開發提供了一種新方法,有潛在的應用前景。

1 實驗

1.1 材料

織物:平方米質量63.35 g/m2的真絲素縐緞(吳江和盛至美時裝面料有限公司)。

試劑:工業級粉狀炭黑2860F(安徽黑玨顏料新材料有限公司),工業級涂料大紅G-11(上海泗聯實業有限公司),工業級研磨劑AL50(陰離子和非離子表面活性劑復合物)和防沉劑AF(非離子聚合物)(蘇州常春藤進出口公司),工業級勻染劑MP-1、黏合劑E101和合成增稠劑PFN(諸暨市悅洲新型材料有限公司),工業級水性交聯劑SJ-1805(上海水集新材料科技有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 水性炭黑分散液制備

在自制氧化鋯研磨裝置中,將25.0 g粉狀炭黑2860F、6.25 g研磨劑AL50、2.5 g防沉劑AF和63.25 g水混合,研磨1.5 h,過濾制得質量分數為25.0%的水性炭黑分散液(CB),CB分散液的粒徑為120 nm;經自然放置1年,粒徑為125 nm,具有優異的穩定性。

1.2.2 雙面雙色織物制備

工藝流程:織物→浸軋CB分散液(二浸二軋)→烘干(90 ℃)→涂料色漿印花(織物正面)→烘干(90 ℃)→焙烘→雙面雙色織物。

CB分散液組成:由x% CB,y% E101,z% SJ-1805,1.5% MP-1和水組成。

涂料色漿:由2%大紅G-11、8% E101、2.0% PFN和水組成。

二浸二軋:在EL-400立式軋車(上海朗高紡織設備有限公司)上進行,軋液率100%。

焙烘:在DHG-9146A電熱鼓風干燥箱(上海精宏實驗設備有限公司)上進行,焙烘溫度150 ℃,焙烘時間3 min。

1.3 性能測試

顏色特征值:在Ultra scan-XE電腦分光測色配色儀(美國Hunter Lab公司)上測試織物顏色特征值(L*、a*和b*值)和可見光透射率,條件為D65光源,10°視角,測4次取平均值。

織物透光率(TVS,%):在測色配色儀上測試透射率,計算350～750 nm波長內透射率的平均值,其值越小,織物越不容易透光。

抗靜電性:在S-5109靜電測試儀(日本Shishico公司)上參照GB/T 12703.1—2021《紡織品靜電性能試驗方法》測試織物的靜電電壓(EV,kV)和靜電壓半衰期(SHP,s),條件為溫度20℃,濕度35%,試樣平衡24 h,測3次取平均值。A級抗靜電織物的半衰期≤2.0 s。

織物電阻:在ST-2258C型多功能數字式四探針測試儀(蘇州晶格電子有限公司)上參照GB/T 1551—2009《硅單晶電阻率測定方法》測試織物電阻(Rs),測5次取平均值。

抗紫外線性能:在UV-1000F紡織品抗紫外因子測試儀(美國Labsphere公司)上,測試織物UVA(315～400 nm)、UVB(290～315 nm)透射率(TUVA、TUVB)和紫外輻射防護系數(UPF,388 nm),測3次取平均值。

透氣性:在YG461G全自動透氣儀(寧波紡織儀器廠)上參照GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》測定織物透氣性。測試條件為孔面積20 cm2,壓力100 Pa,測試3次取平均值。

透濕性:在FX350全自動織物透濕量測試儀(瑞士TEXTEST公司)上參照GB/T 12704.2—2009《紡織品織物透濕性試驗方法:蒸發法》測試透濕性。測試條件為織物半徑3.5 cm的圓,溫度38 ℃,相對濕度50%,測試3次取平均值。

織物風格:在KES織物風格儀(日本京都大學)上參照FZ/T 01054.1—1999《織物風格試驗方法總則》測試。測試條件為溫度20 ℃,濕度65%,試樣平衡24 h,熱源臺溫度設定為20 ℃,貯熱板標準溫度為30 ℃。

導熱性:在KES-F7精密瞬間熱物測試儀(日本KES加多技術有限公司)上測試織物的導熱系數,測3次取平均值。

拒水性:在OCA40全自動微觀液滴潤濕性測量儀(德國Dataphysics公司)上參照GB/T 1872—2016《紡織品表面潤濕性能的測定接觸角法》測試織物表面水接觸角,測試3次取平均值。

力學性能:在Instron 5967萬能材料試驗機(美國INSTRON公司)上參照GB/T 3923.1—2013《紡織品織物拉伸性能第一部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定條樣法》測試織物強力和伸長率。

摩擦色牢度:在Y571B摩擦色牢度儀上參照GB/T 3920—2008《紡織品色牢度試驗耐摩擦色牢度》測試。

耐久性測試:在SW-24型水洗色牢度儀上進行耐水洗性實驗,水洗溫度40 ℃,皂液5 g/L,時間30 min,浴比1︰50。

紅外光譜:在Nicolet 5700紅外光譜儀(美國Thermo Nicolet公司)上進行織物的衰減全反射紅外光譜(ATR-FTIR)測試,掃描范圍為4 000～400 cm-1。

表面形貌(SEM):在Regulus 8100掃描電鏡(日本日立公司)上拍攝織物的表面形貌。

2 結果與分析

2.1 水性炭黑乳液的工藝優化

2.1.1 水性炭黑質量分數對織物性能的影響

固定黏合劑E101為10%,改變CB質量分數,CB質量分數對織物性能影響如表1所示。

表1 炭黑質量分數對織物性能的影響Tab.1 Influence of carbon black mass fraction on fabric properties

當CB質量分數為0～9%時,隨著CB質量分數增加,織物色深度(L*值)增加,透光率(TVS)明顯下降,TUVA和TUVB明顯下降,織物具有優良的抗紫外線和低的透光性,且黑色織物有良好的耐摩擦色牢度(≥4)。這是因為真絲素縐緞的TVS、TUVA和TUVB分別為83.0%、26.7%和9.2%,是一種高透光率織物,不具有抗紫外線性能。織物經9% CB染色,借助黏合劑作用,CB能在纖維表面形成一層覆蓋均勻的膜,CB對可見光和紫外光有極強的吸收作用,明顯提高了抗紫外線(TUVA和TUVB下降了90.7%和75.1%)和低的透光性(TVS下降了95.8%)。進一步提高CB質量分數,上述指標不再明顯變化,這是織物上CB膜性能(類似涂料的涂層效果)決定的。

織物抗靜電性與織物表面的炭黑固著量和炭黑均勻分布有關,當CB質量分數為9%時,織物靜電電壓(EV)、靜電壓半衰期(SHP)和電阻(Rs)雖已明顯下降,但仍達不到抗靜電織物A級(SHP≤2 s)的要求。這是因為織物的導電性取決于CB聚集膜的三維連續導電網絡層的構建,取決于纖維表面CB的質量。為此,當CB質量分數為15%時,織物的EV為0 kV(無感應靜電產生),Rs為4.44 kΩ,具有優良抗靜電性(達A級);但因增加了CB質量,導致耐摩擦色牢度下降(0.5級),為此,后續實驗中優化了黏合劑和交聯劑質量分數,來提高耐摩擦色牢度。

2.1.2 黏合劑和交聯劑對織物性能的影響

固定CB為15%,改變黏合劑E101質量分數,E101質量分數對織物性能影響如表2所示。

表2 黏合劑E101質量分數對織物性能的影響Tab.2 Influence of binder E101’s mass fraction on fabric properties

由表2可知,與E101為10%相比,增加E101質量分數,L*和TVS變化率分別低于4.5%和8.0%,TUVA和TUVB變化率都低于10.5%;當E101為10%～25%時,織物的EV為0 kV,最高的Rs為61.28 kΩ,具有優良的抗靜電性。當E101質量分數較高(25%)時能提高耐摩擦色牢度(增加0.5級),但會影響到織物手感。優選的黏合劑E101為15%,此時,TUVA和TUVB都低于2.0%,抗靜電為A級。

在上述優化的工藝條件下,添加水性交聯劑SJ-1805,其質量分數對織物性能影響如表3所示。

表3 水性交聯劑SJ-1805質量分數對織物性能的影響Tab.3 Influence of aqueous crosslinking agent SJ-1805’s mass fraction on fabric properties

2.2 雙面雙色素縐緞織物的性能

2.2.1 雙面雙色織物的顏色特征及色牢度

圖1為雙面雙色織物和對比織物K/S值光譜曲線,表4為雙面雙色顏色特征及色牢度。

由圖1和表4可知,織物(PR-P)在520～555 nm處有較大吸收峰,這是涂料紅的吸收峰,其a*值和b*值分別為57.54和30.73,是一種鮮艷紅色印花織物。織物(CB-D)在400～750 nm處有均勻的吸收峰,這是炭黑的吸收峰,其a*值和b*值分別為0.08和1.48,是一種純正的黑色染色織物。在黑色染色織物(正面)上進行涂料紅印花,織物反面(BS-CB)在400～750 nm處也呈均勻吸收,其K/S值光譜曲線與織物(CB-D)很接近,L*、a*和b*都沒有發生明顯變化,其a*值和b*值分別為0.77和1.73,L*值僅增加了0.31,仍是一種純正的黑色,即鮮艷的紅色未發生滲透,說明黑色未受到涂料紅的明顯影響。黑色染色織物正面(FS-PR)在400～545 nm處有均勻吸收,在570～750 nm處吸收峰較低,在600 nm處呈最低吸收。這是因為涂料大紅印花面受到炭黑染色面的影響,顏色由鮮艷紅色轉變為暗紅色,L*值、a*值和b*值分別下降了23.59、45.7、20.41,這是黑色和大紅色的疊加引起的。因此,制備的織物具有雙面雙色效果,且具有良好的耐干、濕摩擦色牢度和水洗色牢度,耐摩擦色和水洗色牢度達3～4級。

圖1 K/S光譜曲線Fig.1 K/S spectral curve注:CB-D為15%CB染色織物,PR-P為2%涂料紅印花織物,BS-CB為雙面雙色織物反面,FS-PR為雙面雙色織物正面。

表4 雙面雙色織物顏色特征及色牢度Tab.4 Color characteristics and color fastness of double-sided color fabrics

2.2.2 雙面雙色的功能性和耐久性

表5為雙面雙色素縐緞的功能性和耐久性。與未處理織物相比,TVS降低了94%,TUVA和TUVB降低了89%,UPF值高于50+,靜電電壓降低了93%,靜電半衰期小于2 s(達A級),這說明織物具有優良的低透光率、抗靜電性和抗紫外線性能。織物黑色面(反面)具有優良的拒水性,水接觸角為127.3°;織物深紅色面(正面)具有良好的親水性,水接觸角為58.0°。

表5 雙面雙色織物的功能性和耐久性Tab.5 Functionality and durability of double-sided color fabrics

織物經10次和15次水洗,抗靜電性、抗紫外性和水接觸角的變化都較小,說明雙面雙色功能素縐緞織物的多功能具有優良的耐久性。

上述性能可從紅外光譜和織物表面形貌得到證實,如圖2和圖3所示。

圖2 炭黑染色織物的衰減全反射紅外光譜Fig.2 ATR-FTIR spectrum of carbon black dyed fabrics

由圖2可知,炭黑染色真絲(CB-D)的紅外特征峰與未處理真絲纖維(Silk)相同,波數3 275 cm-1為羥基伸縮振動峰,1 620 cm-1為β-折疊鏈結構,1 510 cm-1為酰胺鍵的C—H伸縮振動峰,1 450 cm-1為C—H彎曲振動峰,1 220 cm-1為酰胺鍵伸縮振動峰,1 070 cm-1為絲肽骨架伸縮振動。這是因為炭黑表面含有羧基、酚羥基、醚基、醌基和內酯基等極性基團,其特征吸收峰與絲蛋白質纖維重合。由此可見,雙面雙色織物的炭黑染色面具有大量的極性基團,這與真絲纖維上的羧基和羥基等極性基團類似,是織物具有優良抗靜電性的主因。

炭黑能均勻地固著于纖維表面,可見清晰的紗線結構,如圖3(a)所示;在炭黑層未見常規無定形炭的球狀結構,炭黑形成粗糙的微納米表面,如圖3(b)所示;涂料和黏合劑成膜層均勻地覆蓋在炭黑層上,表面的平整度較好,如圖3(c)所示;炭黑聚集體具有微細的多孔結構,未見球狀炭黑結構,炭黑呈片層狀結構,如圖3(d)所示。均勻CB膜結構的形成是提高織物抗紫外線能力,降低透光率和改善拒水性的主因。對比織物正面(FS-PR)和反面(BS-CB)的水接觸角可知,織物拒水性的提高是由CB膜形成的,但黏合劑和交聯劑也是有貢獻的。

現代心理學研究指出，一個正常完備的人格角色應當具備三個層次：“首先是生命層次，作為一個人要表現出自然的生命力，健康、蓬勃向上、昂揚、充滿力量；其次即社會層次，作為一個社會個體，所處時代的觀念、風尚，體現著特定時代的世界觀和價值觀，即應受到社會的選擇；再者是異性審美層次，人類世界的兩性，都應受到來自異性的選擇，選擇的標準不同，但應當是平等的，一個完整的人格應受到這三個力的制約⑧。”然而這種理想的人格在歷來傳統的女性中沒有并出現過。女性生命力的層次在男權社會中被普遍抑制和弱化，女性美是作為一種可供觀賞的價值性而存在的，這并非女性本身所固有的一種價值狀態。

圖3 雙面雙色織物的表面形貌Fig.3 SEM photos of fabrics with double colors on both sides

使用黏合劑和交聯劑,可能對織物風格、透濕性、透氣性和力學性能產生影響,如表6和表7所示。

表6 雙面雙色織物的力學性能、透氣和透濕性Tab.6 Mechanical property, breathability, and moisture permeability of fabrics with double colors on both sides

由表6和表7可知,與未處理織物相比,制備的雙面雙色織物的透氣性增加了6.7%,導熱系數增加了12.2%,透濕性僅下降了7.2%,斷裂強度下降了19.8%,斷裂伸長率增加了20.2%,這說明織物具有良好的透氣性、透濕性、導熱性和服用性,增加了織物服用的涼爽性。其中,雙面雙色織物透氣性的增加主要與炭黑的微多孔和片層狀結構有關,且涂料印花對織物透氣性的影響也較小,如織物經炭黑染色,透氣性增加了58.3%;織物經涂料印花,透氣性僅下降了11.5%。因織物上存在黏合劑和交聯劑膜結構,改變了素縐緞的風格特征,明顯增加了折彎剛度(B),降低了織物反彈性(2HB),纖維剛性增加導致織物不易彎曲;但表面粗糙度(SMD)、動摩擦平均系數(MIU)和摩擦系數平均偏差(MMD)的變化較小,織物仍具有真絲素縐緞的表面平整和光滑特性。與涂料紅印花面相比,炭黑染色面的MIU、MMD和SMD更大,說明炭黑染色面更容易被壓縮和有凹凸感。結合透氣性和透濕性測試結果,炭黑結構由常規的無定形球狀結構轉變為片層狀炭黑聚集體,即使在炭黑層上再施加涂料層,因涂料層很薄和均勻,不影響到片層狀炭黑微細的多孔結構,仍保持了優異的透氣性和透濕性。在黏合劑和交聯劑作用下,具有豐富微孔和片層狀的炭黑能在織物表面產生微納米表面層,導致水滴能黏附在其表面,提高了水接觸角,具有優良的拒水性;在炭黑的微納米表面層上再經涂料色漿的覆蓋,因涂料色漿形成的膜有一定的親水性,且在纖維表面生成了粗糙的膜結構,導致織物印花面具有親水性。