紫外光接枝改性染料棉织物的性能分析

李 华，王 晓，兰 金 霞，吕 丽 华，刘 国 军

(大连工业大学 纺织与材料工程学院，辽宁 大连 116034)

0 引 言

近年来，紫外光引发聚合物材料表面光接枝改性技术被广泛应用于表面改性、表面功能化、高性能化甚至接枝成型技术等领域[1]。紫外辐射的光源及其设备成本低，反应程度易控制，易于实现连续化工业生产，且所用的紫外光能量比较低，不会损坏材料的本体性能[2]。棉纤维素织物的接枝与染色方面的研究，集中于将棉纤维进行接枝改性，提高阴离子染料的上染率和利用率，降低染色过程中电解质的使用量，甚至实现无盐染色[3－5]。本实验室已尝试将染料与单体以离子键形式相结合，再利用紫外光将其接枝到织物表面，实现织物的染色。本试验将单体与染料进行共价键合，再对棉织物进行光接枝染色。

1 试 验

1.1 材 料

棉织物(10cm×10cm，市购)；C.I.活性红198；2－甲基－3－丁烯－2－醇，Sigma－Aldrich；碳酸钠和无水乙醇，分析纯；醋酸，分析纯；光引发剂，2，4，6－三甲基苯甲酰基－二苯基氧化膦(TPO)。

1.2 染色方法

1.2.1 染料的改性

配制质量浓度为30g／L的染液，用碳酸钠或醋酸调节pH 值，加入2－甲基－3－丁烯－2－醇单体，在冷凝条件下加热，得到改性染料。采用正交法优化染料改性工艺。各因素及水平见表1。

表1 正交试验各因素及水平Tab.1 Factors and levels in optimal design

1.2.2 改性染料的紫外光接枝染色

将上述改性染料的染液稀释质量浓度为3g／L，加入光引发剂，通过喷染将染液转移到棉织物上，然后放入UV辐射装置中进行辐照，之后烘干、皂洗、水洗、烘干，探讨适宜的光接枝条件。

1.3 性能测试方法

综合上述探讨结果，得出最佳光接枝染色织物的工艺。浸染染色采用3g／L的染料，浴比为1∶20，35℃始染，以0.5℃／min的速率升温至60℃，染色30min后加入20g／L的Na2CO3进行固色，再烘干、皂洗、水洗、烘干。

1.3.1 色差分析

采用符合CIE1976标准的D65光源的全自动色差计。利用GSBA67002286陶瓷标准白板作为白度、色度测量用的定标标准，以未经染色的空白棉织物作为参比试样，对紫外光接枝的棉织物与浸染染色织物综合色差进行比较测试。

1.3.2 拉伸性能测定

采用YG065型电子织物强力试验仪，对10cm×5cm的待测试样恒湿测试。

1.3.3 刚柔性和表面摩擦性能测定

采用YG821L型织物风格仪对5cm×5.5cm，正反面各测试一次，取平均值。测试标准为FZ／T 01054.4—1999。

采用YG821L型织物风格仪，布样采用3cm×2.8cm和3cm×7.7cm，进行表面摩擦性能的测定。测试标准为FZ／T 01054.2—1999。

1.3.4 透气性测定

采用YG461E型电脑式透气性测试仪测试织物的透气性，采用15cm×15cm布样进行透气率测试。测试标准为GB／T 5453—1997。

2 结果与讨论

2.1 染料改性工艺分析结果

正交试验结果如表2所示。根据极差大小可排列出对染料改性的影响因素从大到小依次为：反应温度、pH值、反应时间和染料与单体的摩尔比。并且从极差值的大小可知，反应温度和pH值对染料改性的影响程度接近。最佳染料改性工艺条件是A2B4C4D2，即pH值为8，反应温度为70℃，反应时间为60min，C.I.活性红198与单体的摩尔比为1∶2。由方差分析知pH值和反应温度为显著因素。

表2 正交试验结果Tab.2 Results of orthogonal experiment

2.2 光接枝工艺分析结果

如图1所示，染色色差随紫外光照射时间的延长先增加后降低，在3min时染色效果最好。这可能是由于光引发剂在紫外光作用下，在较短的时间内便可以产生自由基，随着时间的增长，自由基的数量也逐渐增加，在棉织物表面引发接枝反应，改性染料链增长占主导地位，使得织物色差呈增长趋势。此后链增长反应逐渐趋缓，并且均聚反应占主导地位。因此照射时间宜采用3min。

图1 紫外光照射时间对色差的影响Fig.1 Effect of UV irradiation time on the color difference

紫外光接枝棉织物染色色差与光引发剂用量的关系如图2所示。随着光引发剂用量的增加，织物的染色色差升高，但光引发剂用量增加到对单体质量的3%后，提高光引发剂用量染色色差反而下降。光引发剂用量的提高意味着自由基数量的增多，自由基在引发接枝聚合反应的同时，也大量引发了均聚反应，均聚副反应的发生影响以及降低改性染料的接枝率，进而降低了织物色差。

图2 光引发剂用量对色差的影响Fig.2 Effect of photoinitiator amount on the color difference

2.3 拉伸性能分析

如表3所示，与浸染染色法相比光接枝染色织物的拉伸性能降低3%，且与未处理的织物相比，拉伸性能都有一定程度的降低。这可能是由于紫外光改性处理对棉织物表面产生一定的刻蚀，使得纤维的拉伸性能产生不同程度的降低。

表3 织物拉伸性能Tab.3 Tensile properties of fabrics

2.4 刚柔性与表面摩擦性能分析

如表4所示，与浸染染色法织物相比，接枝处理的织物的硬挺度略提高约0.4%。静摩擦系数和动摩擦系数均有一定程度的提高，静摩擦系数约提高8.1%，这可能是由于接枝处理的织物表面覆有一层2－甲基－3－丁烯－2－醇单体，织物硬挺度提高，摩擦系数增大，手感变粗糙。

2.5 透气性分析

紫外光接枝染色后透气率的影响如图3所示，浸染染色法织物的透气性明显优于紫外光接枝染色织物，这可能是纤维表面接枝的改性染料的接枝链减少了纤维间的缝隙，空气透过织物的阻碍作用增大，透气性下降。

表4 织物刚柔性能Tab.4 The stiffness of fabrics

图3 织物透气率Fig.3 The air permeability of fabrics

3 结 论

由正交分析可得适宜的染料改性工艺为：pH值为8，在70℃时反应60min，染料与单体的摩尔比为1∶2。紫外光照射时间3min、光引发剂用量为对单体质量的3%时染色效果最好。紫外光接枝染色的棉织物色差值、拉伸性能、透气性、柔软性能虽有一定程度的降低，但仍满足服用性能要求。

[1]韦亚兵，钱翼清.聚酯薄膜表面的光化学接枝改性[J].高分子材料科学与工程，1999，15(4)：127－12.

[2]骆玉祥，吴越，胡福增，等.超高分子量聚乙烯纤维紫外接枝处理[J].复合材料学报，2001，18(4)：29－33.

[3]张峰，陈宇岳，张德锁，等.HPB－NH2接枝氧化棉纤维的制备及其染色性能[J].纺织学报，2008，29(10)：73－77.

[4]ZHANG Feng，CHEN Yuyue，LIN Hong，et al.HBP－NH2grafted cotton fiber：Preparation and saltfree dyeing properties[J].Carbohydrate Polymers，2008，74(2)：250－256.

[5]LIU Yeqiu，HU Jinlian，ZHU Yong，et al.Surface modification of cotton fabric by grafting of polyurethane[J].Carbohydrate Polymers，2005，61(3)：276－280.