酸性染料对羊毛粉体／粘胶共混纤维染色研究

2013-01-11李高雯李文斌

纺织科技进展 2013年2期

李高雯，李文斌

（1.武汉纺织大学，湖北武汉430200；2.东华大学，上海201620）

近年来，国内外科学家都在不断研究如何利用废弃纺织原料再生和开发新的原料，以往人们对废弃羊毛进行回收利用的主要方式是使纤维形态不发生改变［1］，如毛纺厂的废毛经过开松、粗梳、纺纱，在剑杆织机上作为纬纱来织造斜纹织物［2］。近几年，国内外正研究将羊毛角蛋白制备成角蛋白高分子溶液，用于蛋白质再生纤维、生物膜的制备和蛋白涂层材料的生产等［3］。

本文的羊毛粉体／粘胶共混纤维是蛋白质纤维素共混纤维，其中纤维素为主要成分，羊毛粉体是以废弃羊毛为原料制得超细羊毛粉体，采用湿法纺丝将超细羊毛粉体分散液与粘胶原液共混纺丝，制得以粘胶为基体的材料，以超细羊毛粉体为增强材料的纤维素蛋白质纤维，兼具蛋白质纤维和纤维素纤维的优点，具有毛感及良好的弹性、吸湿性、耐腐蚀性、蓬松性等，且原料来源广泛，使废弃羊毛得到有效应用，既保护环境又节约成本，具有广泛的市场前景。

1 实验部分

1.1 材料及设备

材料：羊毛粉体含量分别为0（普通粘胶纤维）、5%、10%、15%、20%的羊毛粉体／粘胶共混纤维（山东海龙股份有限公司），酸性大红GR（武汉申试化工仪器网络有限公司），渗透剂JFC，无水硫酸钠，柠檬酸，磷酸氢二钠（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。

设备：YP5002型电子天枰（上海佑科仪器仪表有限公司），XH－KG55B型染色机（佛山航星科技有限公司），UV－2550型紫外可见分光光度计（日本岛津）。

1.2 试验方法

1.2.1 预处理

称取纤维每份重1g，将纤维用2g／L的渗透剂JFC在80℃下，浴比为1∶50，处理30min，洗净，放在蒸馏水中待用。

1.2.2 染色工艺

染色方法：染料2%（owf），无水硫酸钠20g／L，柠檬酸和磷酸氢二钠缓冲剂调节pH值，浴比1∶50，40℃始染，以2℃／min的速度升温至90℃后保温60 min，水洗、晾干。

图1 染色工艺曲线

1.3 性能测试

1.3.1 上染速率

染色条件如表1所示，当染液温度升至90℃时，迅速加入纤维进行染色，分别按照规定时间取出1ml染液用于测试吸光度，并加1ml蒸馏水于原染液继续染色，由此得出染不同时间的上染率。将上染百分率对时间关系作图，得到上染速率曲线。

表1 染色条件

1.3.2 上染百分率

上染百分率E采用残液比色法，利用紫外分光光度计测定染液吸光度，按式（1）计算E［4］：

式中，A0为染色原液吸光度；A1为染色残液吸光度。

2 结果与讨论

2.1 上染速率

在相同条件下，酸性大红GR在羊毛粉体含量分别为0、5%、10%、15%、20%的羊毛粉体／粘胶共混纤维上的上染速率曲线如图2所示。

图2 羊毛粉体／粘胶共混纤维上染速率曲线

如图2所示，酸性大红GR对羊毛粉体含量分别为0、5%、10%、15%、20%的羊毛粉体／粘胶共混纤维的上染都是很快达到平衡，染色前5min上染率均迅速上升，之后随着时间的变化上染率均有缓慢的上升，但总体而言上染率变化不大；当染色20min时，各共混纤维都基本达到上染平衡。在相同的染色时间下，羊毛粉体含量越高的共混纤维上染率越大，但羊毛粉体含量超过一定值后上染率减小，酸性大红GR对羊毛粉体含量为0的粘胶纤维上染率远小于其他共混纤维的上染率。

羊毛粉体／粘胶共混纤维是由羊毛蛋白和粘胶共混而成的复合纤维，其化学组成是蛋白质和纤维素，在酸性条件下，蛋白质纤维中所含的氨基正离子可很快的和染料中的阴离子发生离子键结合，因此酸性大红GR对羊毛粉体／粘胶共混纤维的上染可很快达到平衡，而纤维素纤维不能形成正离子导致染料阴离子不能很好的上染纤维［5］，所以酸性大红GR对羊毛粉体／粘胶共混纤维的上染率高于粘胶纤维的上染率，且羊毛粉体含量越高，共混纤维的上染率越大。由于染料上染纤维主要是在纤维的无定形区，染料分子很难进入纤维的结晶区，羊毛粉体含量过高，共混纤维中的蛋白质成分会形成新的结晶导致染料更难与纤维中的蛋白质成分发生反应，因此羊毛粉体含量为20%的共混纤维的上染率小于羊毛粉体含量为15%的共混纤维的上染率。

2.2 温度对上染率的影响

不同温度下，其余工艺参数均相同时，酸性大红GR在羊毛粉体含量分别为0、5%、10%、15%、20%的羊毛粉体／粘胶共混纤维上的上染率曲线如图3所示。

图3 不同温度下羊毛粉体／粘胶共混纤维的上染率曲线

由图3可知，当染色温度在60～95℃之间变化时，羊毛粉体／粘胶共混纤维的上染率均随着温度的升高而先增大后减小，当温度在90℃时，各共混纤维的上染率均达到最大值，温度继续升高，上染率减小，总体而言温度对酸性大红GR在羊毛粉体／粘胶共混纤维上的上染率的影响并不大。在相同温度下，羊毛粉体含量越高的共混纤维的上染率越大，但羊毛粉体含量超过一定值后上染率减小。

虽然温度对酸性大红GR在羊毛粉体／粘胶共混纤维上的上染率的影响不大，在较低温度下各羊毛粉体含量的共混纤维均可获得较大的上染率，但染色温度低将导致染料发生聚集，染料聚集体吸附在纤维表面将影响其色牢度，酸性大红GR上染羊毛粉体／粘胶共混纤维的适合温度为90℃。

2.3 中性电解质用量对上染率的影响

实验所用中性电解质为无水硫酸钠（元明粉），其余工艺参数均相同时，不同中性电解质用量下，酸性大红GR在羊毛粉体含量分别为0、5%、10%、15%、20%的羊毛粉体／粘胶共混纤维上的上染率曲线如图4所示。

图4 不同元明粉用量羊毛粉体／粘胶共混纤维的上染率曲线

由传统的酸性染料上染蛋白质纤维理论可知，当pH值小于等电点时，中性电解质在蛋白质纤维酸性染料染色时起缓染作用，可降低染料的上染速度和上染量；当pH值大于等电点时，中性电解质在蛋白质纤维酸性染料染色时起促染作用，可提高染料的上染速度和上染量。酸性染料染羊毛粉体／粘胶共混纤维时，染料主要与纤维中的蛋白质成分反应，而羊毛纤维的等电点在4.2～4.8范围内，实验染色pH值为4，小于羊毛纤维的等电点，因此中性电解质在染色中起缓染作用。

由图4可知，当元明粉用量为5g／L时，羊毛粉体／粘胶共混纤维的上染率均最大，增加元明粉用量上染率减小，元明粉在染色中起缓染作用，即电解质中的阴离子与染料阴离子对蛋白质中的氨基正离子发生竞染，竞染作用降低染料的吸附量［6］，元明粉用量为10 g／L时的上染率较小。继续增加元明粉用量，各共混纤维的上染率略有上升，元明粉用量增加，钠离子的量也随之增加，钠离子可屏蔽纤维上的电负性和染料阴离子之间的静电斥力，增大了染料对纤维的直接性，所以上染率略有上升。但当元明粉用量超过20g／L时，各共混纤维的上染率又都下降，元明粉用量过大，会影响染料在染液中的溶解度，导致染料产生聚集，从而降低上染率。实验表明，在强酸性条件下，酸性大红GR上染羊毛粉体／粘胶共混纤维时，元明粉用量为5g／L时，羊毛粉体／粘胶共混纤维的上染率最大。

2.4 pH值对上染率的影响

不同pH值下，其余工艺参数均相同时，酸性大红GR在羊毛粉体含量分别为0、5%、10%、15%、20%的羊毛粉体／粘胶共混纤维上的上染率曲线如图5所示。

图5 不同pH值下羊毛粉体／粘胶共混纤维的上染率曲线

如图5所示，染液的pH值对酸性大红GR的上染率有很大的影响。当pH＝4～6时，随着pH值的降低，羊毛粉体／粘胶共混纤维的上染率均上升，酸性染料正常染色应该在等电点以下或等电点附近进行［7］，羊毛纤维的等电点在4.2～4.8，当pH＝4时酸性大红GR对共混纤维的上染率最大；继续降低pH值，上染率不再上升，因为当染液的pH值低于等电点时，酸性染料与纤维发生离子键结合，结合量随pH值的降低而增加，当pH值降到一定数值后，染料上染量将达到饱和；但当pH值降到很低时，上染率又迅速上升，发生了超当量吸附，由于pH值较低时氢离子吸附在酰胺基上引起的，当pH值很低时，酰胺键会发生水解生成新的氨基从而吸附氢离子，也是导致过量吸附的原因，除此之外染料分子与纤维之间的范德华力和氢键也是造成超当量吸附的重要原因［8］。因此，当pH＝2时不同羊毛粉体含量的共混纤维的上染率迅速上升。

在不同pH值下，各羊毛粉体含量的共混纤维的上染率曲线形状相似，其中羊毛粉体含量为0的粘胶纤维上染率最低，且pH值的变化对该纤维的影响不大，该纤维的上染率始终较低，由于酸性染料主要上染蛋白质纤维，不容易上染纤维素纤维。随着羊毛粉体含量的增加，酸性大红GR在共混纤维上的上染率也增大，羊毛粉体含量越多，则纤维中所含的氨基正离子越多，从而与染料分子的阴离子水溶性基团形成的离子键结合量越大，上染率越高；但当羊毛粉体含量过多时，上染率反而下降，由于染料分子很难进入结晶区，羊毛粉体含量过高，共混纤维中的蛋白质成分会形成新的结晶，从而染料分子更难进入纤维内部。羊毛粉体含量为20%的羊毛粉体／粘胶共混纤维的上染率低于羊毛粉体含量为15%的羊毛粉体／粘胶共混纤维的上染率。