李秀秀，張玉清，姜 展

(青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266071)

1 引言

合成染料雖賦予紡織品豐富多樣的色彩，但它也有浪費(fèi)水資源、污染水生生態(tài)系統(tǒng)以及威脅人體健康等問題[1～4]。植物染料由于低敏性、生物降解性和低毒性等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們的關(guān)注[5，6]。隨著社會(huì)生活的不斷發(fā)展，人們生活理念的不斷提高，以植物染紡織品為代表的健康環(huán)保產(chǎn)品開始受到人們的青睞。雖然目前市場(chǎng)上已有植物染紡織品[7]，但由于植物染纖維可紡性較差等問題限制了其進(jìn)一步發(fā)展，難以實(shí)現(xiàn)植物染紡織品的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。植物染纖維的紡紗過程中會(huì)有嚴(yán)重的纏繞皮輥和細(xì)紗斷頭現(xiàn)象，李洋等人[8]研究發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)以上問題與纖維表面附著顆粒含量高，纖維質(zhì)量比電阻高、摩擦系數(shù)大等有關(guān)。因此想要優(yōu)化植物染纖維的可紡性，要從去除纖維表面多余顆粒物，改善纖維表面性能入手。通過探究超聲波對(duì)植物染纖維的表面除雜效果發(fā)現(xiàn)超聲波除雜效果良好，結(jié)合養(yǎng)生工藝能有效提高植物染纖維的可紡性，但也存在超聲波處理效果不均勻且成本高的缺點(diǎn)。

胰加漂T作為離子型表面活性劑具有洗滌和分散作用，對(duì)染料顆粒從纖維表面的去除有重要作用。植物染料顆粒粘附在纖維表面主要是依靠分子間的范德華力，且僅在較少的一些點(diǎn)與纖維表面接觸、粘附[9]。胰加漂T的分子結(jié)構(gòu)式和兩基示意圖如圖1所示[10]。

圖1 胰加漂T兩基示意圖

胰加漂T除了能促使染料顆粒脫離纖維表面，還有使脫附下來的染料顆粒分散在洗滌液中，不再沉積到纖維表面的作用。在洗滌液(水溶液)中，疏水基通過范德華力吸附于染料顆粒表面，親水基以靜電斥力或空間熵效應(yīng)使分散體穩(wěn)定，增加防止微粒重新聚集的能障，降低染料顆粒聚集的傾向，提高了顆粒在洗滌液中的穩(wěn)定性[11]。靜電斥力作用如圖3所示。

圖2 染料顆粒的去除機(jī)理

圖3 靜電斥力

本文基于超聲波處理植物染纖維的原理，利用敲打力與胰加漂T的洗滌與分散作用對(duì)姜黃植物染纖維進(jìn)行處理。在敲打過程中，纖維除受到敲打力，還會(huì)在外力作用下不斷來回移動(dòng)，纖維表面與表面之間會(huì)因?yàn)橐苿?dòng)而產(chǎn)生摩擦力，纖維表面的染料顆粒在摩擦力的作用下有脫附纖維表面的趨勢(shì)；胰加漂T能促進(jìn)染料顆粒離開纖維表面，使脫附下來的染料顆粒被流動(dòng)的溶液帶走。探究了胰加漂T的用量對(duì)纖維表面顆粒去除的影響，根據(jù)結(jié)果在最佳條件下處理姜黃植物染纖維，進(jìn)行試紡。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 姜黃植物染纖維表面染料顆粒的去除

2.1.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

姜黃植物染莫代爾纖維，1.49 dtex×39 mm(市購)、胰加漂T(市購)、蒸餾水；GZX-9240 MBE型鼓風(fēng)干燥烘箱(上海博訊實(shí)業(yè)有限公司)、Cubis精密天平(德國賽多利斯有限公司)、UV-1800PC型紫外可見光分光光度計(jì)(上海美普達(dá)儀器)、S-3000N型掃描電鏡(日本Hitachi公司)。

2.1.2實(shí)驗(yàn)方法

取姜黃植物染纖維20 g，胰加漂T溶液400 mL，浴比為1∶20，其中胰加漂T溶液有四個(gè)濃度水平，分別為0.1 g/L、0.3 g/L、0.5 g/L、1 g/L，采用控制變量法(每組三個(gè)平行樣)，通過改變胰加漂T溶液的濃度，在機(jī)械力的作用下去除姜黃植物染纖維表面多余的染料顆粒，探究胰加漂T的用量對(duì)纖維表面顆粒物去除效果的影響規(guī)律。

將處理完的纖維均勻放置在80℃的烘箱中處理3 h后制樣進(jìn)行掃描電鏡觀察，將處理得到的姜黃染料洗液用紫外可見分光光度計(jì)在紫外最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)量其吸光度，進(jìn)而計(jì)算洗液的濃度。

2.2 姜黃植物染纖維的試紡實(shí)驗(yàn)

2.2.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

經(jīng)最佳條件處理的姜黃植物染纖維、超柔軟整理劑(市購)；GZX-9240 MBE型鼓風(fēng)干燥烘箱(上海博訊實(shí)業(yè)有限公司)、Favimat-Airobot自動(dòng)化單纖維強(qiáng)力測(cè)試儀(德國Textechno公司)、Istron-3300萬能材料試驗(yàn)機(jī)(美國Instron公司)、DSBL-01型清梳聯(lián)合機(jī)、DSDr-01型數(shù)字式小樣并條機(jī)、FA498-12型粗紗機(jī)、FA518-60型細(xì)紗機(jī)。

2.2.2養(yǎng)生處理

經(jīng)機(jī)械力作用后的姜黃植物染纖維，手感粗糙僵硬，且摩擦性能和靜電性能都有待提高。為了使紡紗順利進(jìn)行，要先用柔軟劑對(duì)纖維進(jìn)行柔軟處理，提高纖維的摩擦和靜電性能，以上過程稱為養(yǎng)生處理。

把超柔軟整理劑1%(owf)與蒸餾水按1∶20的比例配置為養(yǎng)生溶液，將在最佳條件下處理的姜黃植物染纖維(500 g)均勻鋪開，用噴壺將養(yǎng)生溶液均勻地噴灑到纖維上，噴灑完畢后將其密封好，在35℃的烘箱中處理12 h后放于恒溫恒濕室(溫度20℃±3℃，相對(duì)濕度65%±5%)中調(diào)濕24 h。

2.2.3試紡

將處理完畢的姜黃植物染纖維進(jìn)行試紡，計(jì)劃紡18.2 tex的姜黃植物染單紗，試紡工藝流程如下：

DSBL-01型清梳聯(lián)合機(jī)(DSOp-01型開松機(jī)→DSFa-01型輸棉風(fēng)機(jī)→DSMi-01型混棉機(jī)→DSFe-01自動(dòng)喂棉機(jī)→DSCa-11A型梳棉機(jī))→DSDr-01型數(shù)字式小樣并條機(jī)→FA498-12型粗紗機(jī)→FA518-60型細(xì)紗機(jī)

(1)DSBL-01型數(shù)字式清梳聯(lián)

試驗(yàn)中采取了“充分混和、適中隔距、慢速度、減少打擊、早落防碎、少傷纖維”的工藝原則，同時(shí)提高纖維的轉(zhuǎn)移率，防止纖維過多的搓揉與糾纏。清梳聯(lián)的主要工藝參數(shù)配置如表1、表2所示。

表1 開松機(jī)與梳棉風(fēng)機(jī)主要工藝參數(shù)

表2 混棉機(jī)主要工藝參數(shù)

注：自動(dòng)喂棉機(jī)的振蕩板振動(dòng)頻率為274 次/min。

在梳棉機(jī)工藝設(shè)計(jì)中，采用“緊隔距、強(qiáng)分梳、快轉(zhuǎn)移”的原則，兼顧梳理與減少損傷纖維。錫林刺輥間采用較大的速比，并盡可能減小錫林與刺輥、錫林與道夫隔距，這些措施利于纖維的良好轉(zhuǎn)移、充分梳理和減少纖維的返花、棉結(jié)的產(chǎn)生。蓋板速度200 mm/min，錫林轉(zhuǎn)速500 rpmn，刺輥轉(zhuǎn)速250 rpm。錫林與蓋板隔距0.25 mm、 0.23 mm 、0.20 mm、0.20 mm、0.23 mm。刺輥與錫林隔距0.18 mm。錫林與道夫隔距0.15 mm。道夫與剝棉羅拉隔距0.30 mm。

(2)并條工藝

為改善姜黃植物染纖維的伸直平行度，并條工藝總牽伸倍數(shù)要小于并合數(shù)，羅拉隔距和后區(qū)牽伸倍數(shù)偏大。采用兩道并條，按照“倒?fàn)可?、輕定量、中隔距”的工藝原則，且末并的后區(qū)牽伸倍數(shù)小于頭并，這樣會(huì)對(duì)成紗條干水平的提高、單紗強(qiáng)力不勻率和棉結(jié)的降低產(chǎn)生有利影響。并條主要工藝參數(shù)見表3所示。

(3)粗紗工藝

粗紗工序中，適當(dāng)增加了粗紗捻系數(shù)，從而增加了纖維轉(zhuǎn)移到紗條內(nèi)部的幾率，有利于減少毛羽的產(chǎn)生。使用抗繞性較好的皮輥，減少了纏繞現(xiàn)象的產(chǎn)生。采用較小后區(qū)牽伸倍數(shù)，使具有緊密結(jié)構(gòu)的紗條進(jìn)入主牽伸區(qū)，利于保證條干均勻度。粗紗主要工藝參數(shù)如表4。

表3 并條主要工藝參數(shù)

表4 粗紗主要工藝參數(shù)

(4)細(xì)紗工藝

采用大的捻系數(shù)，后區(qū)大羅拉隔距、小牽伸倍數(shù)，降低細(xì)紗車速和提高車間溫濕度等措施來改善姜黃植物染纖維成紗質(zhì)量。細(xì)紗主要工藝參數(shù)如表5。

表5 細(xì)紗主要工藝參數(shù)

在標(biāo)準(zhǔn)條件下對(duì)試紡得到的18.2 tex姜黃植物染單紗進(jìn)行成紗質(zhì)量指標(biāo)測(cè)試。

3 結(jié)果與分析

3.1 姜黃植物染纖維表面染料顆粒的去除

3.1.1電鏡觀察表面狀態(tài)

用不同濃度的胰加漂T處理后的姜黃植物染纖維的表面狀態(tài)如圖4～圖6所示。

圖4 未處理

圖5 經(jīng)機(jī)械敲打

圖6 胰加漂T0.1 g/L后經(jīng)機(jī)械敲打

圖7 胰加漂T0.3 g/L后經(jīng)機(jī)械敲打

圖8 胰加漂T0.5 g/L后經(jīng)機(jī)械敲打

圖9 胰加漂T1 g/L后經(jīng)機(jī)械敲打

從圖可以看出，與未經(jīng)任何處理(圖4)的姜黃植物染纖維相比，經(jīng)機(jī)械敲打(圖5)和胰加漂T作用(圖6～圖9)后的姜黃植物染纖維表面附著的染料顆粒明顯減少，纖維表面更光滑。經(jīng)機(jī)械敲打(圖5)的姜黃植物染纖維表面與添加了胰加漂T(圖6～圖9)后經(jīng)機(jī)械敲打的纖維表面相比，無明顯差別，說明由機(jī)械敲打引起的敲打力、摩擦力，溶液流動(dòng)產(chǎn)生的流體拖曳力是染料顆粒脫附的主要原因，胰加漂T產(chǎn)生的洗滌、分散作用在顆粒脫附纖維表面的過程中起輔助、促進(jìn)的作用。

3.1.2洗液吸光度的測(cè)試和濃度計(jì)算

用紫外-可見光分光光度法測(cè)量姜黃染料洗液的濃度[12]。首先繪制姜黃植物染纖維的標(biāo)準(zhǔn)曲線。配制姜黃染料的標(biāo)準(zhǔn)溶液，濃度分別為0.06 g/L、0.1 g/L、0.14 g/ L、0.18 g/L、0.22 g/L，用紫外可見分光光度計(jì)分別測(cè)定相應(yīng)的吸光度，根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制曲線，如圖10所示，曲線的回歸方程為：y=4.315x-0.0719，R2=0.99992，其中x為質(zhì)量濃度(g/L)，y為吸光度值。方程表明染料顆粒物的質(zhì)量濃度在0.06 g/L～0.22 g/L的范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。

圖10 姜黃植物染纖維染料顆粒物標(biāo)準(zhǔn)曲線

將處理得到的姜黃染料洗液用紫外可見分光光度計(jì)在紫外最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)量其吸光度，后根據(jù)方程y=0.3950x-0.0816計(jì)算洗液的濃度，結(jié)果如圖11所示。

圖11 胰加漂T的用量對(duì)纖維表面顆粒物去除效果的影響

由圖11可知，空白組的洗液濃度是最低的，加入胰加漂T后，洗液濃度有明顯增大，說明胰加漂T能提高纖維表面染料顆粒的去除效果。隨著胰加漂T用量的增大，得到的姜黃染料洗液濃度也不斷增大，說明從纖維表面去除的染料顆粒不斷增多，其中胰加漂T的濃度從0.3 g/L升至0.5 g/L時(shí)洗液濃度增大的速度最快，但當(dāng)濃度到1 g/L時(shí)洗液濃度增大不明顯。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與胰加漂T的臨界膠束濃度(CMC)有關(guān)。以CMC值為界，在一定范圍內(nèi)，表面活性劑水溶液的物理化學(xué)性質(zhì)將發(fā)生突變。當(dāng)胰加漂T溶液的濃度稍高于其CMC值(5.5×10-4mol/L～8.2×10-4mol/L，換算為質(zhì)量濃度為0.23 g/L～0.35 g/L)時(shí)，其洗滌作用最好，當(dāng)溶液濃度再繼續(xù)變大時(shí)，其洗滌作用不會(huì)有明顯提高[11]。

綜合作用效果和成本等因素，選0.5 g/L為最佳胰加漂T水溶液濃度，在最佳濃度下對(duì)姜黃植物染纖維進(jìn)行機(jī)械處理和養(yǎng)生后試紡。

3.2 姜黃植物染纖維的試紡

在標(biāo)準(zhǔn)條件下對(duì)試紡得到的18.2 tex姜黃植物染單紗進(jìn)行成紗質(zhì)量指標(biāo)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 姜黃植物染紗線質(zhì)量指標(biāo)

由表6可知，試紡得到的姜黃植物染紗線的質(zhì)量較好，達(dá)到了預(yù)期的效果；整個(gè)試紡過程比較順利，清梳、并條工序少有纏繞現(xiàn)象，粗紗、細(xì)紗工序中出現(xiàn)的斷頭現(xiàn)象在正常范圍內(nèi)；目前常規(guī)色紡紗線中有色纖維的混紡比例一般不超過35%，本實(shí)驗(yàn)得到的姜黃植物染纖維能滿足色紡紗生產(chǎn)的要求，可進(jìn)行不同類型的紗線設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，胰加漂T能夠?qū)S植物染纖維表面顆粒的去除產(chǎn)生積極影響，綜合各方面因素考慮，選擇最佳溶液濃度為0.5 g/L；在0.5 g/L的胰加漂T溶液中對(duì)姜黃植物染纖維施加機(jī)械作用力，并對(duì)處理完的纖維進(jìn)行養(yǎng)生，可有效提高姜黃植物染纖維的可紡性，滿足色紡紗生產(chǎn)的要求，為植物染纖維應(yīng)用于色紡紗提供一定的理論基礎(chǔ)。