基于紡織品的浸軋-藍曬工藝優(yōu)化及性能評價

魏云航 杜姍 譚宇浩 周美玲 盧士艷 楊紅英 周偉濤

摘要：為了研究紡織品藍曬工藝的最佳實驗條件，用K/S值對比棉、亞麻和蠶絲織物藍曬效果，通過感光劑擴散及藍曬實驗分析顏色差異的原因，得到潤濕性對載體藍曬效果影響顯著，調(diào)控載體表面感光劑擴散性對藍曬效果至關重要。通過優(yōu)化浸軋-藍曬工藝，研究感光劑濃度、混合比例、曝光時間等因素對藍曬效果的影響；利用掃描電鏡、熱重儀表征藍曬棉織物形貌變化以及溫度-質(zhì)量變化關系，探討普魯士藍沉積機理。結(jié)果表明：浸軋-藍曬法棉織物最佳工藝為感光劑濃度140 g/L、混合比例VA∶VB=1∶1、曝光時間20 min；藍曬棉織物表面均勻沉積大量固體顆粒，平均直徑約（0.42±0.16 ） μm，且熱重分析殘渣率提升至14.22%，表明普魯士藍經(jīng)過浸軋-藍曬工藝成功沉積于棉織物表面；藍曬棉織物強力損失約24.5%，伸長率無明顯變化，耐水洗牢度4級，滿足服用要求。

關鍵詞：浸軋；藍曬；潤濕性；工藝優(yōu)化；K/S值

中圖分類號：TS193.5

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2023）02-0191-06

藍曬攝影技術是以鐵鹽為感光劑，利用紫外線曝光將照片或圖案顯影于載體上的一項手工印相技術。其載體包括相紙、水彩紙、宣紙等紙面及棉、絲綢等紡織品，所得圖案呈現(xiàn)經(jīng)典的單一藍色調(diào)，樸素典雅，持久保存，廣泛用于工程圖紙、裝飾壁掛畫及文創(chuàng)商品（書簽、布藝包、團扇、香囊）等［1］。但由于其過分依賴于傳統(tǒng)手工、生產(chǎn)效率低，致使其在家居和服用紡織品等大批量傳統(tǒng)紡織品中應用困難。

為拓展藍曬攝影技術在紡織領域的應用，紡織研究者進行了一些嘗試，用傳統(tǒng)紡織面料替代相紙，嘗試將藍曬攝影技術作為一種印染技術移植到紡織印染行業(yè)，并取得一定的進展。梁惠娥等［2］研究了棉織物退漿處理對藍曬效果的影響，所得藍曬制品顏色鮮艷，成像邊緣清晰；單珊珊等［3］分析藍曬圖案、色彩藝術特性，指出藍曬技藝在紡織品創(chuàng)新設計中的應用的可行性。劉楊樺等［4］研究藍曬工藝對藍曬效果的影響，并將其用于棉織物的創(chuàng)新設計應用；侯倩倩等［5］通過對比分析負載材料和面料，利用光化學反應儀調(diào)控涂抹感光劑環(huán)境，研究藍曬圖案清晰度，得出最佳藍曬條件。這些研究多采用傳統(tǒng)手工藍曬方法，效率低，且不同紡織品藍曬效果差異大，限制了其在紡織服裝領域的應用。

浸軋法連續(xù)高效，是一種常用紡織品加工工藝［6-7］。本文嘗試用表觀得色量（K/S值）評價負載織物的藍曬效果，通過不同紡織品潤濕性對比分析其藍曬效果差異的原因。探討浸軋-藍曬工藝可行性，并優(yōu)化其工藝；通過電子顯微鏡及熱重分析探討普魯士藍沉積機理，并考察其色牢度及機械性能。

1實驗

1.1材料與儀器

實驗材料：棉織物（14.6/27.8 420/340，228 g/m2）、亞麻織物（36.4/36.4 240/210，186 g/m2）、蠶絲織物（22Dⅹ2/22D 960/400，85 g/m2），均為市售；檸檬酸鐵銨、鐵氰化鉀、氫氧化鈉、冰乙酸、碳酸鈉、過氧化氫、硅酸鈉，均為分析純，購自上海麥克林生化科技試劑有限公司。

實驗儀器：Datacolor SF850X型電腦測色配色儀（美國Datacolor公司）；Phenom Pure型臺式電鏡（荷蘭飛納科學儀器有限公司）；Discovery SDT 650型熱重測試儀（美國TA儀器公司）；YG（B）026D-250型電子織物強力儀（西安明克斯檢測設備有限公司）。

1.2織物的預處理

將織物剪成30 cm×30 cm于質(zhì)量分數(shù)0.5%碳酸鈉溶液中煮沸30 min，大量清水漂洗，重復處理3次以去除織物表面殘留的雜質(zhì)。處理后的織物自然晾干備用。

1.3感光劑溶液配置

分別稱取一定質(zhì)量檸檬酸鐵銨和鐵氰化鉀，室溫下攪拌溶解30 min，得檸檬酸鐵銨溶液和鐵氰化鉀溶液，室溫靜置脫泡20 min，抽濾分別標記溶液A和B，備用。

1.4浸軋-藍曬工藝

避光環(huán)境下，將所配溶液A和B按一定體積比混合均勻，得實驗所用感光劑；將預處理織物浸于感光劑中，經(jīng)二浸二軋，控制軋余率70%，固定于熱定型機中60 ℃烘干15 min，得到富積感光劑平整織物。將其與負片（圖案或空白）貼合，用2 mm超白玻璃壓平固定，置于太陽光下曝光10～30 min（夏季13∶00-14∶00），用蒸餾水沖洗顯影后晾干。

1.5性能測試與表征

避光下，用移液槍吸取50 μL感光劑分別滴于基布表面，控制不同的潤濕時間（快速吸走未滲入液體），自然晾干后，陽光下暴曬20 min，用水沖洗顯影，晾干后用數(shù)碼相機拍照，依據(jù)圖案形狀和顏色差異評價其潤濕或擴散性能。

用Datacolor SF850X型電腦測色配色儀測試其不同參數(shù)下藍曬顯影織物表面的色度值（K/S值），用于表示其表觀得色量。

用Phenom Pure型臺式電鏡（荷蘭飛納科學儀器有限公司）觀察其微觀形貌。樣品噴金60 s，加速電壓為5 kV。通過Nano Measure1.2軟件取100個普魯士藍顆粒直徑測量，得平均值。

采用Discovery SDT 650型熱重測試儀（美國）對藍曬前后棉織物進行熱重分析。測試條件：N2氣氛，升溫速率10 ℃/min，溫度范圍30～700 ℃。

參照GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗 耐皂洗色牢度》測試藍曬織物的耐水洗牢度。參照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能》，用YG（B）026D-250型電子織物強力儀測定藍曬織物的斷裂強度和斷裂伸長率，夾持長度為50 mm，拉伸速度為100 mm/min，連續(xù)測量5次，求平均值。

2結(jié)果與分析

2.1棉、亞麻和絲織物藍曬性能對比

為了對比棉、亞麻和蠶絲織物藍曬效果，相同藍曬條件下（感光劑濃度140 g/L、混合比例VA∶VB=1∶1、曝光時間20 min）3種織物的K/S值被用于評價其藍曬效果，結(jié)果如圖1所示。藍曬后織物在300～600 nm范圍內(nèi)有明顯的吸收峰，在450 nm出現(xiàn)了歸屬于普魯士藍的特征吸收峰。另外，棉、亞麻和蠶絲織物的K/S值存在較大差異。亞麻織物的K/S值最高，表明該織物的表觀得色量最高［8］，其次為棉織物，蠶絲織物的表觀得色量最低。因此，亞麻織物顏色最深，蠶絲織物顏色最淺，棉織物居中，與侯倩倩等報道一致［5］。

為進一步分析其顏色差異的原因，設計織物表面感光劑擴散及藍曬實驗，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出3種織物的感光劑擴散及藍曬性能差異明顯。感光劑在棉織物上的擴散速度較快，但泳移現(xiàn)象明顯。起初3 s潤濕較慢，浸潤直徑為9 mm；而后擴散加快，潤濕時間從5 s延長到7 s，擴散面積提升明顯，達68.88 mm2；9 s基本完成擴散，擴散直徑達18 mm。這歸因于棉織物良好的親水性。要想得到良好的藍曬效果，需要調(diào)控其表面感光劑擴散性，得到均勻分散的感光劑。與棉織物比，感光劑在亞麻織物上擴散更快，3 s擴散直徑可達15 mm，5 s基本擴散結(jié)束，擴散直徑達22 mm，無明顯泳移現(xiàn)象（見圖2（b））。這可能是由于亞麻織物表面的果膠（維系麻纖維長度及可加工性），有利于吸濕性能增強，進而提高亞麻織物表面的擴散性［9］。且其輪廓呈近似橢圓形，這應該是由于所選用亞麻織物經(jīng)緯密差異所致。蠶絲表面感光劑擴散性及藍曬效果相對較差（見圖2（c））。擴散速度與亞麻相當，5 s擴散基本結(jié)束，但擴散直徑僅為8 mm，這可能是實驗用蠶絲織物結(jié)構(gòu)致密和蠶絲吸濕、透濕性強所致［10］。

2.2浸軋-藍曬工藝優(yōu)化

感光劑擴散均勻性對織物藍曬效果至關重要。為獲得擴散均勻的感光劑效果，以棉織物為載體，經(jīng)二浸二軋，控制軋余率70%，而后與藍曬工藝結(jié)合，研究曝光時間、感光劑濃度及混合比對得色量的影響，優(yōu)化藍曬工藝參數(shù)，結(jié)果如圖3所示。保持感光劑濃度140 g/L、混合比VA∶VB=1∶1不變，棉織物K/S值隨曝光時間的變化規(guī)律如圖3（a）所示。曝光10 min，在450 nm出現(xiàn)歸屬于普魯士藍的特征吸收峰，但K/S值較小，表明僅有少量普魯士藍生成，這是因為曝光時間短，感光劑接受的紫外線量少所致。曝光20 min，K/S值大幅提升，表明布面顏色加深明顯；延長曝光時間至30 min，K/S值增加不明顯（約29）。這是因為當所有的感光劑均被曝光后，不再生成藍色，顏色穩(wěn)定。因此，曝光時間應控制在20～30 min。

感光劑濃度對織物顏色強度影響顯著（見圖3（b））。當感光劑濃度為35 g/L時，普魯士藍顏色淡，K/S值為8.38。濃度增加到70 g/L，K/S值略有提高，這是因為濃度低，紫外曝光后沉積在織物上的普魯士藍少。當濃度達到140 g/L時，K/S值為29.37，提升明顯，且最大吸收波長為450 nm。當感光劑濃度增加到200 g/L，K/S值提升不明顯，且最大吸收波長幾乎不變。因此，感光劑濃度控制在濃度為140 g/L為宜。

保持其他實驗條件不變，感光劑的混合體積比例對K/S值的影響如圖3（c）所示。感光劑混合體積比對藍曬織物K/S值影響不大，但主峰的位置發(fā)生偏移，說明織物的色光可能發(fā)生了改變。VA∶VB=1∶2時，鐵氰化鉀含量較多，溶液顏色趨于黃綠色，吸收峰向低波數(shù)偏移至445 nm；VA∶VB=2∶1時，檸檬酸鐵銨含量較多，溶液趨于紅棕色，吸收峰向高波數(shù)偏移至453 nm；當VA∶VB=1∶1時，吸收峰的波長為450 nm，為普魯士藍的特征吸收峰，這是因為溶液中Fe3+與鐵氰根離子［Fe（CN）6］3-達到平衡狀態(tài)并生成藍色鐵氰化亞鐵銨鹽（Fe4［Fe（CN）6］3），此條件下織物上沉積的普魯士藍色最佳［3］。

2.3藍曬棉織物表征分析

圖4為藍曬前后棉織物的電鏡照片。從圖4（a）可以看出，原棉布纖維表面光滑，表明棉織物預處理效果良好，高倍照片顯示其表面較為光滑，呈扁平帶狀。經(jīng)最佳的浸軋-藍曬工藝之后，棉織物中纖維仍保持纖維形貌，表面均勻沉積大量固體顆粒（見圖4（b）），平均直徑約（0.42±0.16 ） μm，表明普魯士藍經(jīng)過浸軋-藍曬工藝成功沉積于棉織物表面。

其機理過程如圖5所示，在光的作用下，混合溶液中的Fe3+還原成Fe2+，檸檬酸鐵銨被氧化成丙酮二羧酸，亞鐵離子（Fe2+）與鐵氰根離子（［Fe（CN）6］3-）反應生成性能優(yōu)良不溶于水的藍色鐵氰化亞鐵銨鹽（普魯士藍）與棉織物結(jié)合，而沒有被日光照射的即沒有反應的部分則溶于水而洗去［5］，反應方程如式（1）、式（2）所示。

2Fe3++C（OH）COOH（CH2COOH）22Fe2++CO（CH2COOH）2+CO2+2H+（1）

Fe2++K++［Fe（CN）6］3－+H2OKFe［Fe（CN）6］·H2O↓（2）

為進一步證明藍曬處理棉織物的重量發(fā)生變化，對藍曬前后的棉織物進行熱重分析，曲線如圖6所示。原棉布脫水率為7.72%，與原棉布相比，藍曬棉織物的脫水率略有增大，達8.97%，這是因為生成的普魯士藍中含有一分子水所致（見式（2））。原棉布的殘渣率為1.61%，藍曬后其殘渣率提高明顯，達14.22%，這表明普魯士藍成功沉積在棉織物表面。從圖7可以看出，普魯士藍染色效果明顯，分布均勻，圖案清晰，證明浸軋-藍曬工藝可行。

2.4強力與牢度分析

織物藍曬處理前后的斷裂強力和染色牢度如表1所示。原棉布的斷裂強力達到641.70 N，斷裂伸長率為4.00%。藍曬處理后，隨著感光劑濃度的增加，棉織物斷裂強力明顯下降。當感光劑質(zhì)量濃度增大到140 g/L時，所得深色藍曬棉織物的強力下降了24.5%，但斷裂伸長率變化不明顯。隨感光劑濃度的增加，藍曬處理所得淺色、中色、深色棉織物耐水洗牢度均達到4級，符合服用性能要求。

3結(jié)論

本文以浸軋-藍曬工藝構(gòu)筑普魯士藍棉織物。通過研究不同種類織物的藍曬效果，用K/S值評價其表觀得色量，得到亞麻織物顏色最深，蠶絲織物顏色最淺，棉織物居中。結(jié)合浸軋法，在感光劑混合濃度為140 g/L，體積混合比為1∶1、曝光時間為20 min條件下，棉織物的藍曬效果最佳。藍曬棉織物表面均勻沉積大量固體顆粒，平均直徑約0.42 μm，且熱重分析殘渣率提升至14.22%，表明普魯士藍經(jīng)過浸軋-藍曬工藝成功沉積于棉織物表面；藍曬棉織物強力損失約24.5%，伸長率無明顯變化，耐水洗牢度4級，滿足服用要求。

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Textile-based dip-padding-cyanotype optimization and performance evaluation

WEI Yunhang1a， DU Shan1a， TAN Yuhao1a， ZHOU Meiling1a， LU Shiyan1a， YANG Hongying1a， ZHOU Weitao1b，2

（1a.College of Textiles; 1b. Institute of Textile and Garment Industry， Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 451191， China;

2.Zhengzhou Key Laboratory of Green Dyeing & Finishing， Zhengzhou 451191， China）

Abstract：

Cyanotype photography is a manual printing technology that uses iron salt as a sensitizer via ultraviolet exposure to develop photos or patterns on the carrier. The obtained pattern presents a classic single blue tone， which is simple， elegant and long lasting， and the pattern is widely used in engineering drawings， decorative wall paintings and cultural and creative goods. However， due to its excessive dependence on traditional handwork and low production efficiency， it is difficult to be applied in large quantities of traditional textiles， such as household and clothing textiles. In order to expand the application of cyanotype photography technology in the textile field， textile researchers have made some attempts to replace photo paper with traditional textile fabrics and try to transplant cyanotype photography technology as a printing and dyeing technology to the textile printing and dyeing industry， and have made some progress. However， these studies mostly use traditional manual cyanotype processes， which have low efficiency and large differences in the cyanotype effects of different textiles， limiting their applications in the field of textiles and clothing.

In order to clarify the influence of wettability on the carrier's cyanotype effects， cotton， linen and silk are used as carriers， and their cyanotype effects are evaluated by the apparent color yield K/S values. The reasons for color difference are analyzed by sensitizer diffusion and cyanotype experiments. In order to improve the uniformity of photosensitizer agents on the fabric surface and realize batch production， we attempt to combine the traditional dip-padding process with the cyanotype process. Parameters， like photosensitizer concentration， mixing ratio and exposure time， are optimized and investigated to evaluate the feasibility of dip-padding and cyanotype method. SEM and TG analyzer are applied to characterize the morphological investigations and temperature-mass change relationship of the Prussian blue （PB）-load cotton fabric， followed by the deposition mechanism of PB. It is found that PB-loaded cotton fabric has a good feasibility with dip-padding-cyanotype method. The best loading process is identified as follows： the photosensitizer concentration of 140 g/L， a mixing ratio of VA∶VB=1∶1， and an exposure time of 20 min. A large amount of PB particles are deposited onto the cotton fabric with an average size of 0.42±0.16 μm. TG analysis shows that compared with the pristine cotton fabric， the residue rate of the PB-loaded cotton fabric increases to 14.22%， demonstrating that PB is successfully deposited onto the cotton fabric. Its breaking force declines dramatically by 24.5%， whilst there is no obvious change in breaking elongation. The color fastness to rubbing is grade 4. These performances are compliant with the wearing criteria in China.

In this paper， the traditional dip-padding process is combined with cyanotype technology to develop the dip-padding-cyanotype process and optimize its process with the goal of K/S value， which may provide a way to the batch production of cyanotype-styled fabrics. The research and evaluation methods will provide insight into the modernization of ancient handcrafted techniques. The results can provide a reference for the design， development and batch production of cyanotype-styled textiles.

Keywords：

dip-padding; cyanotype; deposition mechanism; wettability; process optimization; K/S value

收稿日期：20220713

網(wǎng)絡出版日期：20221101

基金項目：河南省高等學校青年骨干教師培養(yǎng)計劃（2021GGJS108）；河南省高等學校重點科研項目（22A540002）；“紡織之光”中國紡織工業(yè)聯(lián)合會高等教育教學改革研究項目（2021BKJGLX484，2021BKJGLX486）；中原工學院“學科青年碩導培育計劃”項目（SD202219）

作者簡介：魏云航（1998—），男，河南商丘人，碩士研究生，主要從事紡織品智能化印染技術方面的研究。

通信作者：杜姍，E-mail：shandu@zut.edu.cn