碱处理对木棉纤维形态结构及靛蓝染色性能影响

梅 帆，甘厚磊，陈玉波，左丹英，郑晓静，易长海,



碱处理对木棉纤维形态结构及靛蓝染色性能影响

梅 帆1，甘厚磊1，陈玉波2，左丹英1，郑晓静1，易长海1,2*

(1 武汉纺织大学 纺织科学与工程学院，湖北 武汉 430073；2 广东省均安牛仔服装研究院，广东 佛山 528329)

通过对木棉纤维进行常温和高温碱处理，测试了纤维的失重率及吸湿率，采用扫描电镜、红外光谱、X-衍射光谱、紫外光分光光度仪等分析手段，研究了常温碱处理和高温碱处理对木棉纤维表面形态、化学结构、结晶度及靛蓝的上染率的影响。结果表明，碱处理后的木棉纤维重量下降、吸湿率降低，当碱液浓度为1 g/L-15 g/L，90℃碱处理后的木棉纤维的上染率较30℃碱处理后的纤维的上染率低。

木棉纤维；碱处理；靛蓝染料；染色性能

木棉作为一种天然纤维，是我国棉花纤维总量不足的重要补充。在我国国民经济中作用明显。而且木棉纤维自身具有绿色生态、中空超轻、保暖性好、天然抗菌、吸湿导湿等优良特性。[1-3]

现阶段对木棉的研究主要集中在其结构分析上[4, 5]，木棉的染色文章较少，有关于木棉的直接染料染色和活性染料染色研究[6-9]，但木棉的靛蓝染色还未见报道。由于木棉纤维表面存在脂肪蜡等异质物，亲水性质差，试剂可及度差，在使用过程中需要进行预处理，提高浸润性能，以方便染整加工，迄今为止，仍无成熟的木棉处理工艺[10]。本文研究了碱处理对木棉纤维的形态结构及靛蓝染色的性能影响，为木棉纤维的应用研究提供理论参考。

1 实验部分

1.1 实验原材料

木棉纤维：上海攀大实业(集团)有限公司提供；烧碱：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；保险粉：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；浓硫酸：分析纯，98%，国药集团化学试剂有限公司；皂粉：市购；靛蓝染料：固体颗粒，工业用，广东省均安牛仔服装研究院提供。

1.2 木棉纤维碱处理

按浴比（纤维：水）=1:100，配制1g/L，3g/L，5g/L，7g/L，9g/L，12g/L，15g/L不同浓度的氢氧化钠溶液，取一定量的木棉纤维浸渍到配制的碱液中，分别在30℃与90℃下保温1小时，水洗3次后置于70℃烘箱中干燥。

1.3 木棉纤维靛蓝染色

配置7g/L氢氧化钠，1g/L靛蓝，3.5g/L保险粉的靛蓝染液，在60℃恒温振荡器中还原30min后，称取一定量的经碱处理后的木棉纤维，浸渍在30℃的染液中染5min，之后将纤维在空气中氧化15min，60℃的热水中清洗一次，冷水洗三次，去除纤维表面的浮色，在80℃的恒温箱中烘干。

1.4 测试方法

靛蓝染料标准工作曲线：参照文献[11]的方法，采用日本岛津公司生产的UV2550型紫外-可见光分光光度计测定不同浓度下的靛蓝溶液的吸光度（浓硫酸为溶剂），绘制标准工作曲线。

上染率的测定：取浓硫酸溶解染色后的木棉纤维，测出吸光度。将测出的染液吸光度与标准曲线比较，最后算出上染率。其计算公式如下：上染百分率（%）= (C1/C0)×100%。

式中：C0为初始染料浓度，C1为染色后纤维上染料的浓度。

木棉纤维碱处理后的失重率与吸湿率：处理前纤维烘干后的重量为W0（g），将纤维放在温度20℃，湿度为65%的恒温室中平衡48h，称纤维的重量为W1（g），碱处理纤维洗净烘干后的重量为W2（g），碱处理的纤维在温度20℃，湿度为65%的恒温室中48h后称其重量为W3（g）。

原木棉的吸湿率（%）=（W1-W0）/W0×100%

碱处理后纤维的吸湿率（%）=（W3-W2）/W2×100%

碱处理后纤维的失重率（%）=︱W2-W0︱/W0×100%

木棉纤维微观形态分析（SEM）：采用日本电子公司生产的JSM6510型电子扫描电镜观察碱处理后的纤维纵向形态结构。将碱处理后的木棉纤维粘贴在样品台上，喷金镀膜。制作好的样品放入扫描电镜内，放大2000倍观察。

木棉纤维红外光谱分析：采用德国布鲁克公司生产的Tensor 27型傅里叶变换红外光谱仪对碱处理后的木棉纤维进行测试[12]。KBr压片，透射，分辨率4cm-1，扫描次数64。

木棉纤维结晶性能分析：采用日本理学公司生产的D/ Max B型X射线衍射仪对经碱处理后的木棉纤维进行测试。Cr靶，Ni滤波，管压为25kV，管流为30mA，扫描范围0-50度。

2 结果与讨论

2.1 木棉纤维碱处理后的失重率与吸湿率

表1 30℃和90℃不同浓度碱处理后木棉纤维的失重率（%）

表2 30℃和90℃不同浓度碱处理木棉纤维后纤维的吸湿率（%）

由表1、表2可知，木棉纤维分别经过30℃和90℃碱处理后，木棉纤维的重量和吸湿率总体呈现下降趋势。由表1可见，在1g/L-15g/L碱液浓度下，温度为30℃时纤维的失重率随着碱液浓度的增大而升高，90℃时纤维的失重率较为稳定，保持在4.5%附近。由表2可见，纤维的吸湿率随着碱液浓度的增加总体有下降。测试未经碱处理木棉纤维的吸湿率10.02%。

2.2 碱处理对木棉纤维微观形貌的影响

图1为温度30℃下不同碱处理浓度下的木棉纤维的电镜图（碱处理时间1h，碱液浓度为1g/L，5g/L，15g/L）。图2为温度90℃下，不同碱处理浓度下的木棉纤维的电镜图（碱处理时间1h，碱液浓度为1g/L，5g/L，15g/L）。

图1 30℃碱处理后的木棉纤维纵向结构电镜图

由图1可知，碱处理对木棉纤维表面微观形貌有一定的影响，对比图1（a）至1（c）可知，随着碱处理浓度的增加，木棉纤维表面变得粗糙，纤维表面有部分的破坏。当碱处理浓度为1g/L时（如图1（a）所示），纤维的表面光滑，图1（b）纤维的表面出现轻微皱纹，图1（c）纤维的表面凹凸不平的斑痕和坑穴，并伴有破损。这可能是由于木棉纤维表面的蜡质，木质素等，在碱液中发生部分溶解与降解，使得纤维粗糙[5]。由图2可知，随着碱处理浓度的增加，木棉纤维表面越来越粗糙，并变为扁平状。

图2 90℃碱处理后的木棉纤维纵向结构电镜图

比较图1和图2可知，相同碱处理浓度及相同碱处理时间条件下，碱处理温度高时，木棉纤维表面破坏程度越高。这可能是由于高温加速了碱对木棉纤维表面蜡质、木质素、纤维素等的反应，使木棉纤维表面的非结晶区域和结晶有缺陷的大分子链被碱水解溶蚀，产生斑痕和坑穴，甚至破裂[13]。

2.3 碱处理对木棉纤维红外光谱的影响

采用红外光谱分析了原木棉及用碱处理后木棉的微观结构，如图3所示。

图3 原木棉及碱处理后的木棉纤维的红外光谱图

注: a-原木棉纤维,b-30℃,1g/L碱处理后的木棉纤维,c-30℃,15g/L碱处理后的木棉纤维,d-90℃,1g/L碱处理后的木棉纤维,e-90℃,15g/L碱处理后的木棉纤维

图4 原木棉及碱处理后的木棉的X衍射曲线图

注：a-原木棉纤维,b-30℃,1g/L碱处理后的木棉纤维,c-30℃,15g/L碱处理后的木棉纤维,d-90℃,1g/L碱处理后的木棉纤维,e-90℃,15g/L碱处理后的木棉纤维

图5 木棉纤维的上染率

由图3可知，3400cm-1左右为纤维素羟基的伸缩振动峰，2900 cm-1附近的吸收峰是C-H的伸缩振动峰，1730cm-1左右为木质素羰基的伸缩振动峰。对比图3a至图3c可知，随着碱处理浓度的增加，1730cm-1左右羰基的特征峰强度变小，这可能是由于碱处理过程中木质素发生部分降解。比较图3a，3d，3e也出现同样的结果，且图3e 中1730cm-1左右羰基的特征峰基本消失。对比图3c，3e可知，其他条件相同时，碱处理温度高，1730cm-1左右羰基的特征峰强度越低。说明碱液可以溶解木棉纤维中的木质素，但纤维素对应的主峰位置没有发生变化[13]。

2.4 碱处理对木棉纤维结晶度的影响

图4为原木棉及碱处理后的木棉的X-衍射曲线图。由图4可知，碱处理前后的木棉纤维的特征衍射峰位置基本相同，分别在2θ为15.47和22.48时出现特征峰。通过分峰计算法计算得a的结晶度为48.34%，b为49.67%，c为45.16%，d为33.16%，e为43.17%。总体来说，木棉纤维碱处理后的结晶度下降。NaOH溶液不仅破坏纤维的非结晶区，同时对纤维内部的晶胞也有破坏作用，因此纤维的结晶度降低。

2.5 碱处理对木棉纤维靛蓝染色性能的影响

图5为经不同碱浓度处理后木棉纤维靛蓝染色上染率。从图5可知，与未处理木棉纤维的上染率相比，30℃温度不同浓度碱处理的木棉纤维纤维上染率有所提高，90℃温度碱处理的纤维上染率降低，但是变化不是很明显。低温时纤维的上染率升高是因为碱液去除纤维表面的蜡质，染料更易渗透。提高碱处理温度，纤维的上染率反而下降。这是由于靛蓝染色时，一方面通过靛蓝隐色体向纤维内部扩散，另一方面靛蓝隐色体分子被纤维素吸附。高温碱处理后纤维，木棉纤维圆形中腔结构在碱处理过程中受到破坏，纤维截面由圆形变为扁平状，不利于隐色体分子向纤维内部扩散而且染料与纤维接触的比表面积减少，另一方面碱与纤维素反应，减少了隐色体分子的吸附，因此上染率较低。

3 结论

（1）碱处理木棉纤维后，纤维的重量、吸湿率降低。（2）当碱液浓度为1g/L-15 g/L，90℃碱处理后的木棉纤维的上染率较30℃碱处理后的纤维的上染率低。说明高温碱处理木棉纤维不利于纤维靛蓝染色。（3）当碱液浓度相同时，高温对木棉纤维的表面结构破坏更严重，随着碱处理浓度和碱处理温度的增加，木棉纤维中的羰基特征峰强度降低，结晶度随碱液浓度增加整体降低。

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Effect of Morphological Structure and Indigo Dyeing Properties of Kapok Fiber by Alkaline Treatment

MEI Fan1, Gan Hou-lei1, CHEN Yu-bo2, ZUO Dan-ying1, ZHENG xiao-jing1, YI Chang-hai1,2

(1. School of Textile Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China; 2. Guangdong Jun’an Jeans Research Institute, Fushan Guangdong 528329, China)

At room temperature and high temperature alkali treatment to kapok fiber, meaturing fiber’s weight loss and moisture absorption, using infrared spectroscopy, scanning electron microscopy, X-diffraction spectrum, dyeing rate and other analytical tools, study the influence on kapok fiber’s surface morphology, chemical structure, crystallinity and UV-spectrophotometry.The results show that fiber’s weight loss and moisture absorption decreases and when alkali concentration ranged from 1g/L to 15 g/L, dye uptake rate at 90℃ is lower than treatment at 30℃. Kapok fiber’s surface shows noticeable grooves at high temperature alkali treatment.

Kapok Fiber; Alkali Treatment; Indigo Dye; Dyeing Property

易长海（1968-），男，教授，博士，研究方向：新型纺织品设计.

国家重点研究发展计划（973）项目（2012CB722701）.

TS102.212

A

2095－414X(2014)03－0001－04