郭 晶, 沈蘭萍,王 瑄,陳 鵬,王 鵬

(1.西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院 寧波市先進(jìn)紡織技術(shù)與服裝CAD重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 寧波 315211;3.中國(guó)科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所,浙江 寧波 315201)

0 引 言

聚酯纖維(PET)具有彈性模量高、抗褶皺性好、服用性能良好等優(yōu)點(diǎn),在三大合成纖維中發(fā)展最迅速,應(yīng)用最廣泛[1], 產(chǎn)量占世界纖維總用量的1/3,被稱(chēng)為化學(xué)纖維之冠[2]。但其原料主要依賴(lài)于石油化工產(chǎn)品,會(huì)導(dǎo)致石油資源日漸匱乏,且造成嚴(yán)重的環(huán)境污染等問(wèn)題[3-4]。近年來(lái),全球?qū)Νh(huán)保和可持續(xù)發(fā)展高度重視,生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展對(duì)于可再生資源的利用具有深遠(yuǎn)意義[5],采用生物基資源代替石油化工原料已成為世界關(guān)注的課題[6]。與傳統(tǒng)石油基化纖相比,生物基化纖及其原料具有綠色、環(huán)境友好、原料可再生以及可生物降解等優(yōu)良特性[7],故其開(kāi)發(fā)與應(yīng)用將是一個(gè)重要方向[8]。其制備過(guò)程是以生物質(zhì)為原料,經(jīng)化學(xué)轉(zhuǎn)化或生物轉(zhuǎn)化得到聚合單體,再通過(guò)加聚反應(yīng)或縮聚反應(yīng)合成線(xiàn)型高分子化合物后經(jīng)紡絲工藝而得到的纖維材料[4]。呋喃基聚酯是指以2,5-呋喃二甲酸(FDCA)為主要單體合成的生物基或部分生物基高分子[9]。聚對(duì)苯二甲酸-2,5-呋喃二甲酸乙二醇共聚酯纖維(PEFT)是國(guó)內(nèi)首次采用熔融紡制備的纖維。紡織纖維在應(yīng)用前需經(jīng)過(guò)染整加工,為了加快PEFT纖維的工業(yè)化應(yīng)用,本文主要對(duì)其染色工藝進(jìn)行研究。

文中利用分散藍(lán)2BLN染料對(duì)PEFT纖維染色,以染色溫度、保溫時(shí)間和染料濃度作為變化因素,設(shè)計(jì)了單因素變量染色試驗(yàn)方案。測(cè)試上染率、固色率、K/S值、色牢度等指標(biāo)，分析不同染色條件下PEFT纖維的染色效果,優(yōu)選出PEFT纖維的最佳染色工藝。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料、試劑和儀器

(1) 材料 PEFT纖維長(zhǎng)絲(中國(guó)科學(xué)院寧波材料研究所),呋喃二甲酸乙二醇共聚酯(含量6%)，紡絲速度1 500 m/min，纖度43.78 dtex。

(2) 試劑 JS-101A去油靈，冰醋酸，乙酸鈉，氫氧化鈉，DMF，分散劑NNO，勻染劑平平加，保險(xiǎn)粉，分散藍(lán)2BLN，標(biāo)準(zhǔn)皂片。

(3) 儀器 YG186 縷紗測(cè)長(zhǎng)儀、JA3003 型電子天平(上海越平科學(xué)儀器有限公司)，pHBJ-260 便攜式pH計(jì)(上海雷磁儀器廠(chǎng))， IR-12SM 紅外線(xiàn)快速染色機(jī)(廈門(mén)瑞比精密機(jī)械有限公司)， 101型電熱鼓風(fēng)干燥箱(北京科偉永興儀器有限公司)， UV-1800PC 型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海美譜達(dá)儀器有限公司)，X-Rite Color i7 愛(ài)色麗測(cè)色儀(美國(guó)愛(ài)色麗公司)，SW-12A 型耐洗色牢度試驗(yàn)機(jī)(無(wú)錫紡織儀器廠(chǎng))，Y571B 型摩擦色牢度儀(寧波紡織儀器廠(chǎng))。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 去油處理工藝 去油靈20 g/L,浴比為10∶1,溫度90 ℃,保溫時(shí)間20 min, PEFT纖維去油處理后取出洗凈瀝干待用。

1.2.2 染色工藝 工藝處方:分散藍(lán)2BLN 1%～7%(owf)，分散劑1%(owf)，勻染劑平平加1%(owf)，pH=4,醋酸和乙酸鈉調(diào)節(jié)。溫度80～110 ℃,時(shí)間20～60 min,浴比10∶1。工藝流程如圖1所示。

圖 1 染色工藝流程Fig.1 Dyeing process

1.2.3 后處理工藝 (1) 還原清洗工藝:保險(xiǎn)粉3 g/L,氫氧化鈉3 g/L,溫度70 ℃(升溫速度3 ℃/min),時(shí)間10 min,浴比10∶1。(2) 溫水漂洗:溫度40 ℃;時(shí)間5 min;浴比10∶1。(3) 酸洗:醋酸0.3%(owf),溫度40 ℃;時(shí)間5 min;浴比10∶1。(4) 室溫清洗:時(shí)間5 min，浴比10∶1。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 上染率 采用殘液法測(cè)定分散染料上染百分率,將空白染液及染色后殘液分別稀釋一定倍數(shù),再分別吸取稀釋后的空白染液及染色后殘液,各吸取4mL于10mL的容量瓶中[10],加入DMF至刻度,測(cè)定吸光度。按式(1)計(jì)算上染百分率[11]。

上染百分率=[1-A1n1/(A0n0)]×100%

(1)

式中:A1為染色殘液稀釋n1倍數(shù)后在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)得的吸光度;A0為空白染液稀釋n0倍數(shù)后在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)得的吸光度。

1.3.2 固色率 收集染色后樣品的還原清洗殘液,空白染液及還原清洗殘液分別稀釋一定倍數(shù),再分別吸取稀釋后的空白染液及還原清洗殘液,各吸取4 mL于10 mL的容量瓶中,加入DMF至刻度,測(cè)定吸光度。按式(2)計(jì)算固色率。

(2)

式中:A2為還原清洗殘液稀釋n2倍數(shù)后在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)得的吸光度;A0為空白染液稀釋n0倍數(shù)后在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)得的吸光度。

1.3.3 表觀染色深度(K/S) 在Color i7測(cè)色配色儀上測(cè)定,采用D65光源和10°觀察角,在不同的部位測(cè)試6次,取平均值。

1.3.4 色牢度 (1)耐摩擦色牢度測(cè)試:按照國(guó)標(biāo)GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度實(shí)驗(yàn) 耐摩擦色牢度》對(duì)染色樣品的耐摩擦牢度進(jìn)行測(cè)試。(2)耐皂洗色牢度測(cè)試:按照國(guó)標(biāo)GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度實(shí)驗(yàn) 耐皂洗色牢度》對(duì)染色樣品的耐皂洗色牢度進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 染色溫度對(duì)PEFT纖維染色性能的影響

按照1.2.2的染色工藝,在保溫時(shí)間40 min,染料濃度3%(owf)，染色溫度分別為80，90，100，110 ℃時(shí)，通過(guò)單因素變量實(shí)驗(yàn)研究染色溫度對(duì)PEFT纖維染色性能的影響。測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知,隨著染色溫度的升高,纖維的上染率、固色率、K/S值都呈現(xiàn)出先增大后略有下降的趨勢(shì)。80 ℃～90 ℃之間,染色性能隨著溫度的升高而迅速增加。溫度升高,染料分子的動(dòng)能增大,纖維分子鏈段運(yùn)動(dòng)加劇,纖維無(wú)定形區(qū)產(chǎn)生的順勢(shì)空隙會(huì)更多,可以容納更多的染料[12],最終染透纖維[13]。當(dāng)溫度到達(dá)90 ℃～100 ℃時(shí),升高溫度染色性能的提升較為緩慢,說(shuō)明此時(shí)染色已經(jīng)趨于平衡。隨著溫度的繼續(xù)升高,110 ℃時(shí)染色性能有下降趨勢(shì)。原因在于染色過(guò)程是放熱反應(yīng),染色平衡之后染料在纖維和染液之間尋找新的平衡,溫度的提高不利于染色平衡向上染方向移動(dòng)[14],染料與纖維的親和力也隨著溫度上升而降低[15],導(dǎo)致染色性能反而有所下降。因此,選擇100 ℃為PEFT纖維的最佳染色溫度。

(a) 上染率

(b) 固色率

(c) K/S值圖 2 溫度對(duì)PEFT纖維染色性能的影響Fig.2 Effect of temperature on dyeing properties of PEFT fiber

2.2 保溫時(shí)間對(duì)PEFT纖維染色性能的影響

按照1.2.2的染色工藝,在染色溫度100 ℃,染料濃度3%(owf),保溫時(shí)間分別為20 min,30 min,40 min,50 min,60 min時(shí)，通過(guò)單因素變量實(shí)驗(yàn)研究保溫時(shí)間對(duì)PEFT纖維染色性能的影響。測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知,隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),PEFT纖維的上染率,固色率呈現(xiàn)出先提高后略有降低的趨勢(shì),K/S值呈現(xiàn)先增大后明顯降低的趨勢(shì)。保溫時(shí)間40 min時(shí),纖維的上染率、固色率、K/S值達(dá)到最高值。在染色的初始階段,染料從染液向纖維表面吸附，從纖維表面向纖維內(nèi)部擴(kuò)散速度較快[16],隨著時(shí)間的延長(zhǎng),有利于染料充分吸附、擴(kuò)散,染透纖維[17],因此染色性能提高較快。

(a) 上染率

(b) 固色率

(c) K/S值圖 3 保溫時(shí)間對(duì)PEFT纖維染色性能的影響Fig.3 Effect of holding time on dyeing properties of PEFT fiber

保溫時(shí)間40 min時(shí),纖維上染料的吸附量達(dá)到飽和狀態(tài),保溫時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng),吸附在纖維上的染料可能會(huì)發(fā)生部分水解[18],同時(shí)存在染料的解吸,因此上染率、固色率會(huì)有小幅度的降低。K/S值降低的原因在于染色平衡后,保溫時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng),染料逐漸向纖維內(nèi)部滲透[19],從而導(dǎo)致K/S值下降。因此綜合考慮染色時(shí)間對(duì)染色性能的影響,PEFT纖維的最佳染色時(shí)間是40 min。

2.3 染料濃度對(duì)PEFT纖維染色性能的影響

按照1.2.2的染色工藝,在染色溫度為100 ℃,保溫時(shí)間40 min時(shí)通過(guò)單因素變量實(shí)驗(yàn)對(duì)染料濃度進(jìn)行研究,染色濃度(owf)分別為1%,3%,5%,7%。染色后對(duì)其進(jìn)行染色性能測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

(a) 上染率

(b) 固色率

(c) K/S值圖 4 染料濃度對(duì)PEFT纖維染色性能的影響

由圖4(a),(b)可知,隨著染料濃度的提高,纖維的上染率、固色率、K/S值先提高后略有下降趨勢(shì),在染料濃度為3%(owf)時(shí),上染率與固色率達(dá)到最高值,纖維染色達(dá)到飽和狀態(tài),濃度超過(guò)3%(owf)染料對(duì)PEFT纖維的提升性較差[18]。在染料濃度較低時(shí),隨著染料濃度的增加纖維吸附的染料逐漸增多,纖維的K/S值增加較快;當(dāng)染料濃度達(dá)到3%時(shí)纖維吸附染料達(dá)到飽和狀態(tài),纖維的K/S值達(dá)到最大。綜合考慮,選擇3%作為PEFT纖維染色時(shí)的染料濃度。

2.4 PEFT纖維的色牢度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)1.3.4的纖維色牢度測(cè)試方法,對(duì)染色纖維進(jìn)行摩擦色牢度和皂洗色牢度測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表1所示。

紡織品的色牢度是指染色或者是印花織物在加工或者是使用過(guò)程中整體顏色的褪色程度[20]。由表1可知,染色溫度、保溫時(shí)間、染料濃度等都會(huì)影響染色纖維的色牢度。溫度低于100 ℃時(shí),纖維的牢度較差,溫度較低時(shí)纖維分子的鏈段運(yùn)動(dòng)能力較低,染料分子的擴(kuò)散動(dòng)能較低,染料會(huì)較多的聚集在纖維表面,因此色牢度較差[21]。溫度升高至100 ℃達(dá)到染色平衡后,染料均勻的分布在纖維中,染色牢度有所提升。

保溫時(shí)間小于40 min時(shí),纖維的色牢度較差,主要原因是保溫時(shí)間較短,染料并沒(méi)有完全從纖維表面擴(kuò)散至纖維內(nèi)部,未完成固色,因此在摩擦和水洗時(shí)容易掉色,牢度較低。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),纖維上的染料吸附與染料從纖維表面向纖維內(nèi)部的擴(kuò)散達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí),染色纖維具有較好的牢度。

表 1 染色纖維色牢度測(cè)試結(jié)果

染料濃度對(duì)于纖維色牢度的影響主要在于染料濃度高于染色平衡染料濃度時(shí),多余的染料會(huì)吸附在纖維表面,導(dǎo)致染料濃度較高時(shí),纖維的色牢度略低。染色溫度100 ℃，保溫時(shí)間40 min，染料濃度3%(owf)時(shí),纖維的摩擦色牢度和皂洗色牢度均在4級(jí)以上。

3 結(jié) 論

(1) 采用分散藍(lán)2BLN對(duì)PEFT纖維進(jìn)行染色,通過(guò)單因素變量?jī)?yōu)化出的染色工藝為染色溫度100 ℃，保溫時(shí)間40 min,染料濃度3%(owf)。在最佳工藝條件下,上染率達(dá)到97.4%,固色率97.38%,K/S=30.579,且摩擦色牢度和皂洗色牢度均在4級(jí)以上,符合服用要求。

(2) PEFT纖維的最佳染色溫度為100 ℃,因此該纖維可實(shí)現(xiàn)常壓沸,這與PEFT纖維的特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)。