胡 釩,張紅娟,郭 靜,王際平

(1.上海工程技術大學 紡織服裝學院, 上海 201620; 2.上海工程技術大學 上海紡織化學清潔生產工程技術研究中心, 上海 201620)

絲綢以光澤柔和、手感細膩、吸濕透氣性良好等優(yōu)點備受人們喜愛,被廣泛用于服裝、絲巾、工藝品等高檔產品的制造[1-2]。

早期研究者使用絳草、黃梔等天然染料對絲綢進行染色,染色后的絲綢顏色多樣,但天然染料普遍存在染色牢度低、色光黯淡等缺點,不能滿足高檔面料的要求。隨著合成染料工藝的發(fā)展,酸性染料、活性染料成為絲綢織物染色的重要選擇。絲綢作為一種蛋白質纖維,分子結構中的羧基(—COOH)能夠與酸性染料以離子鍵結合,與天然染料相比,酸性染料染色色牢度得到了顯著改善,但在洗滌過程中,仍極易出現(xiàn)褪色的問題[3-5],嚴重影響了桑蠶絲服用性能。隨著消費者對桑蠶絲高檔服裝的需求,桑蠶絲織物褪色與洗護之間的關系也成為研究的熱點。

近年來,桑蠶絲織物家庭洗滌研究主要集中在纖維損傷、外觀平整度、色牢度、尺寸穩(wěn)定性等方面[6-8]。周慧玲等[9]指出停時間、轉時間、洗滌轉速及洗滌轉速與負載量的交互作用對素縐緞織物光澤度的影響最為顯著。唐文彬等[10]通過制備了牛奶、炭黑和食用油污漬布樣,研究了洗滌轉停比、洗滌溫度、洗滌時間對綜合污漬去污率和桑蠶絲織物的縮水率、平整度、色變等性能的影響。盡管夏天等[11]已經探究了活性染料染色棉織物的褪色及護色性能,但酸性染料染色桑蠶絲織物與活性染料染色棉織物的結合方式完全不同,目前關于洗滌過程中桑蠶絲織物褪色行為的規(guī)律性研究較少。因此,本文詳細探究洗滌參數(shù)對桑蠶絲織物褪色的影響規(guī)律,繼而建立預測模型,以對減少絲綢在家庭洗滌中的褪色提供參考。

1 試 驗

1.1 試驗材料及儀器

試驗材料:酸性湖藍5GM染料染成的桑蠶絲織物(16 mm緞,織物成分為 100% 桑蠶絲,經緯向密度1 300、520根/(10 cm),面密度為71.0 g/m2,浙江絲綢科技有限公司),酸性湖藍5GM染料結構如圖1所示。不銹鋼珠(直徑6±0.5 mm,深圳振華五金制品有限公司)。試驗使用國標洗衣液,參考GB/T 13174—2021《衣料用洗滌劑去污力及循環(huán)洗滌性能的測定》進行洗滌試驗,洗滌液配方如表1所示。

表1 國標標準洗滌液配方Tab.1 Formula of national standard washing liquid

圖1 酸性湖藍5GM染料分子結構式Fig.1 Molecular structural formula of acid lake blue 5GM dye

試驗儀器:SW-24C型耐洗色牢度試驗機(寧波紡織儀器廠);UV-2600紫外可見分光光度計 (島津企業(yè)管理有限公司);Waters e2695高效液相色譜儀(HPLC,Waters公司);Datacolor 800測色配色儀(德塔顏色商貿上海有限公司);TESCAN VEGA3 鎢絲燈掃描電子顯微鏡(TESCAN公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 洗滌參數(shù)水平的選取

為確定不同洗滌參數(shù)對酸性湖藍5GM染色桑蠶絲褪色的影響程度,使用JMP設計6因素3水平(如表2所示)50組試驗[12-13]。設計空間比例圖在0.8時對應的預測方差為0.31,表明只需1次試驗就可以達到3次試驗的精度。

表2 洗滌參數(shù)與測試水平Tab.2 Washing parameters and test levels

1.2.2 洗滌方法

以2 g的酸性湖藍5GM染色絲綢作為洗滌樣品,按照JMP試驗設計依次進行各組洗滌,考慮到滾筒內洗滌環(huán)境復雜,洗滌后產生的殘液中殘留較多雜質,故采取SW-24C型耐洗色牢度試驗機進行洗滌試驗,主洗1次后漂洗1次,漂洗脫水后,將織物放進恒溫恒濕室自然晾干。

1.2.3 染料掉落量的測定

在洗滌試驗前準確稱取1 g酸性湖藍5GM染料,攪拌、溶解(溶液為去離子水),定容于100 mL容量瓶中,制得酸性湖藍5GM的母液,質量濃度為0.01 g/mL。分別取不同量的酸性湖藍5GM置于10 mL容量瓶中,稀釋定容至染料質量濃度為2、5、8、11、14 mg/mL,分別測定其吸光度,以染料質量濃度為橫坐標、吸光度值為縱坐標,得到酸性湖藍5GM染料的標準曲線。

在每次洗滌試驗后,取20 mL洗滌殘液,在623 nm(酸性湖藍5GM的最大吸收波長)處測定殘液的吸光度,再根據(jù)染料吸光度標準曲線及洗滌用水量,計算出殘液中游離染料的質量。

1.2.4 織物的顏色測試

洗滌后的樣品在恒溫恒濕室內(溫度(20±2) ℃,濕度(65±2)%)平攤至完全晾干,使用Datacolor 800測色配色儀測試試樣的顏色參數(shù),測試條件為D65光源、大孔徑、鏡面光澤為不包含、濾鏡為100%UV,在每個樣品的正面隨機取5個位置測量其表觀深度K/S值,并取平均值。

2 結果與討論

2.1 染料掉落成分分析

酸性染料與絲綢主要通過離子鍵結合,如圖2所示[14]。本文采用HPLC進一步分析了掉落染料和原染料的差異,如圖3所示。洗滌殘液中掉落染料和染色用酸性染料的出峰時間相同,即均在4.5和14.5 min出現(xiàn)一個較強的吸收峰,這也說明當染色桑蠶絲在水中洗滌時,由于洗滌劑與機械力的存在,酸性染料上的陰離子部分或者未與纖維以離子鍵結合的酸性染料很容易從織物上脫落下來,導致絲織物褪色。

圖2 酸性湖藍5GM染料上染絲綢機制圖Fig.2 The mechanism of silk dyed with acid lake blue 5GM

圖3 掉落染料與純染料的HPLC分析Fig.3 High performance liquid chromatography.(a) Solution of pure dye;(b) Solution of residual after washing

2.2 掉落量顯著性影響因素分析

在完成50組JMP設計的洗滌試驗后,匯總試驗數(shù)據(jù),通過標準最小二乘法的擬合模型(RSM)逐步分析在不同測試水平下滾筒洗滌各參數(shù)與染料掉落量之間的關系,如表3所示。概率>|t|的數(shù)值小于0.05,則表明該參數(shù)是影響試驗結果的關鍵參數(shù),t值的絕對值大小,代表此項對于試驗結果影響的程度,t值為正代表正影響,為負則是負影響。隨著洗滌時間、洗滌溫度、洗滌劑質量濃度及浴比增加,染料的掉落量均隨之增加,且洗滌劑質量濃度和浴比對其影響較大。

表3 染料掉落量RSM模型項系數(shù)Tab.3 The RSM model term coefficient of dye shedding

從洗滌劑的配方可知,除了85%的三級水外,占比最多的組分是中性表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉和非離子型表面活性劑聚乙氧基化脂肪醇,二者協(xié)同作用可以有效降低桑蠶絲織物的表面張力,使絲織物更容易被水潤濕發(fā)生溶脹作用,導致以離子鍵與絲織物結合的酸性染料很容易溶于水中,且由于表面活性劑膠束對酸性染料的增溶作用,進一步促使染料從絲織物表面掉落[15-17]。浴比和洗滌溫度也是造成染料掉落的顯著因素,當浴比增大時,洗滌用到的水量也在增多,在織物表面形成的初始動壓更大,在洗滌過程中織物內部的流體流動加快,也增加了洗滌后染料的掉落量[18]。洗滌溫度的升高增加洗滌劑的溶解度,進一步增加染料的掉落量。此外,溫度的增加也會加速纖維的膨脹,使染料更易掉落。

2.3 布樣表觀深度顯著性影響因素分析

通過標準最小二乘法的擬合模型逐步分析滾筒各洗滌參數(shù)與染料掉落量之間的關系。如表4所示,洗滌時間的t值絕對值最大,機械力次之,說明洗滌時間是造成絲織物K/S值下降的最顯著因素,其次是機械力。

表4 K/S值的RSM模型項系數(shù)Tab.4 RSM model term coefficient of K/S value

這是因為洗滌過程中主洗時間越長,織物所受的溫濕作用及洗滌機械力作用的時間越長,桑蠶絲織物的磨損程度也會越大,而機械力越大,洗滌后織物的K/S值越小。增加鋼珠數(shù)帶來的強機械力會對布樣表面造成損傷,易導致纖維斷裂,布樣表面容易發(fā)生起毛起球,進而影響光線在布樣上的折射或反射行為,使布樣色差發(fā)生明顯變化[19-20]。

2.4 染料掉落量與K/S值之間的關系

洗滌試驗后,在JMP軟件中用染料掉落量擬合K/S值,線性擬合如圖4所示,擬合匯總如表5所示,可以看出染料掉落量與K/S值并沒有一致性。

表5 染料掉落量與K/S值擬合匯總Tab.5 Fitting summary of shedding dye and K/S value

圖4 染料掉落量與K/S值二元擬合Fig.4 Binary fitting of dropped dye and K/S

為了進一步解釋織物K/S值下降的原因,從50組試驗中選取洗滌時間分別為20、40、60 min的絲綢布樣,且這3種布樣染料掉落量相近(差值小于10-4g),具體參數(shù)如表6所示。利用TESCAN VEGA3 鎢絲燈掃描電子顯微鏡觀察表6所示3種織物的表面形貌,結果如圖5所示。

表6 對照布樣具體洗滌參數(shù)值Tab.6 Specific washing parameter values of cross-referenced fabric samples

圖5 樣品照片(×1 200)Fig.5 Images of fabrics sample (×1 200). (a) Unwashed sample; (b) 20 min washed sample; (c) 40 min washed sample; (d) 60 min washed sample

如圖5所示,隨著洗滌時間的增加,絲織物表面磨損程度逐漸變大。這進一步說明洗滌后織物的K/S值下降是多種因素作用的結果,與染料的掉落量并不存在絕對的一致性。

3 模型建立驗證

3.1 模型建立

使用桑蠶絲織物的洗滌時間、洗滌溫度、洗滌劑質量濃度、水硬度、浴比、機械力擬合染料掉落量及K/S值,擬合匯總如表7所示,洗滌參數(shù)試驗中的調整R2達到0.80,說明該模型擬合效果很好。洗滌參數(shù)中的均方根誤差數(shù)值都遠小于響應均值。

表7 模型擬合匯總Tab.7 Fitting summary ofmodel

通過染料掉落量及K/S值模型方差分析(表8)可知,該模型中染色掉落量和K/S值的F值分別達到了34.6和36.3,而概率P值小于0.000 1,說明試驗誤差影響F值的概率非常小,因此該模型能夠很好地預測絲織物的染料掉落量和K/S值。

表8 染料掉落量及K/S值模型方差分析Tab.8 Model variance analysis of dye shedding and K/S value

通過JMP軟件可以進一步得到絲織物染料掉落量和K/S值的預測表達式分別為:

Y1=-0.724 2+0.003 8X1+0.010 5X2+

0.211 7X3-0.000 5X4+0.003 2X5+

0.003 4X6

Y2=23.09-0.046 67X1-0.005 9X2+

0.084 50X3+0.001 1X4+0.009 8X5-0.209 4X6

式中:X1為洗滌時間,min;X2為洗滌溫度,℃;X3為洗滌劑質量濃度,g/L;X4為水硬度(CaCO3含量),mg/L;X5為浴比;X6為機械力(即鋼珠數(shù));Y1為染料掉落量;Y2為K/S值。

3.2 染料掉落量及布樣色深模型驗證

為了驗證3.1節(jié)中染料掉落量及K/S值模型的準確性,在JMP軟件中隨機生成了3組洗滌試驗進行驗證,每組洗滌程序重復3次取平均值,具體的洗滌試驗如表9所示。

表9 洗滌驗證試驗參數(shù)Tab.9 Parameters of washing validation test

表10為染料掉落量及布樣K/S值驗證的預測值與實測值的比較情況。預測值與實際值的差值較小,表明該預測表達式有較高的適用性,也說明試驗結果的可靠性。

表10 預測值及實際值比較Tab.10 Comparison of predicted and actual values

4 結 論

通過JMP軟件設計試驗,利用最小二乘法逐步分析在洗滌過程中洗滌時間、洗滌溫度、洗滌劑質量濃度、水硬度、浴比、機械力因素對酸性湖藍5GM染色桑蠶絲絲織物的表觀深度(K/S值)及染料掉落量的影響,得出結論如下:

①絲織物在洗滌過程中的褪色不僅與染料的掉落有關,還與織物表面的磨損有關。

②洗滌時間和機械力為絲織物表觀深度影響最顯著的因素,這和纖維表面受磨損有關,在染料掉落相同時,織物的表觀深度也會有明顯差異。

③酸性染料掉落受洗滌劑濃度的影響最顯著,這主要和洗滌劑與酸性染料之間的強相互作用有關,其中洗滌劑濃度越大,浴比越大,溫度越高,染料越易掉落。