聚乳酸纤维染色性能的研究

2019-03-30张巍峰

染整技术 2019年3期

张巍峰

（纺织企业技术进步咨询服务中心，北京 100020）

聚乳酸纤维（PLA）是由玉米淀粉经发酵所得的乳酸聚合而成的，亦称玉米纤维[1]，是20 世纪90年代初由日本岛津（Shimadzu）公司和钟纺（Kanebo）公司联合开发的一种可生物降解的化学纤维；“十二五”期间，我国刚刚完成PLA 纤维的合成方法及纤维制备工艺研究，并初步实现工业化生产。聚乳酸纤维性能优良，可生物降解，废弃后可在自然界中分解为CO2和H2O；燃烧时不产生毒气，不会对环境产生污染[2-3]。因此，聚乳酸纤维是一种可生物降解的新材料，是名符其实的人工合成有机高分子“绿色产品”和“环保产品”[4]。

另外，聚乳酸纤维还兼有天然纤维和合成纤维的特点，如吸湿排汗均匀、快干、阻燃性低、烟尘小、热散发小、无毒性、熔点低、回弹性好、折射指数低、色彩鲜艳、不滋长细菌和气味保留指数低等。由聚乳酸纤维制成的织物具有良好的悬垂性和手感，制成的成衣穿着舒适，并具有耐穿、抗皱、抗紫外线、导湿和释放人体气味等特性，是极佳的高级休闲服饰和优质舒适运动服的面料[5-7]。

1 聚乳酸纤维的合成及特点

1.1 聚乳酸的制备

使用玉米/马铃薯等谷物作为原料，发酵后制得乳酸，乳酸经缩合反应合成低分子质量的聚乳酸，再利用偶合剂将低分子质量的聚乳酸聚合成具有良好机械物质性、较高分子质量的聚乳酸，再通过化学改性提高物理性质，并使其纤维化制得聚乳酸纤维[8]。制备途径有两种：丙交酯开环聚合和直接聚合。反应过程如下所示：

1.2 聚乳酸纤维的特点

PLA 纤维是一种热塑性聚合物纤维，熔点为175 ℃（PET约为267 ℃），结晶温度为103 ℃，玻璃化温度为58 ℃；强度为4.0～4.9 cN/dtex，断裂延伸率为30%，吸湿率为0.5%～0.6%；具有良好的耐热性和稳定性，日晒500 h后仍能可保持90%的强力，而一般涤纶日晒200 h 后，强力就降低60%[9]。制得的织物质轻、手感柔软和干爽，还具有蚕丝一样柔和的光泽。由于结晶度高，织物尺寸稳定性好，PLA纤维和PET一样，容易进行纺织加工[10]，可制成长丝、短丝、单丝和非织造布，广泛运用于纺织、医疗、农业等各个领域。聚乳酸的扫描电镜测试结果如图1所示。

由图1可知，聚乳酸纤维面料的切截面呈扁平圆状，中间近似圆形，纵向表面比较光滑、呈均匀柱状，但表面有少数深浅不等的沟槽；其表层和内层具有不同的结构特点，表层较为紧密，切片表面光滑，而内层结构疏松，有空隙，具有皮芯结构。

2 高温高压染色

PLA纤维结构类似PET纤维，可以用分散染料进行染色。由于PLA 纤维在120 ℃左右就开始软化失去强力，不能采用热熔染色法进行染色，主要采用高温高压染色法和载体染色法。染色织物色谱齐全、色泽鲜艳、手感好，但染色牢度不及PET纤维。

2.1 材料和设备

材料：聚乳酸纤维（上海同杰生物材料有限公司），分散黄E-RGFL、分散黄SE-2GL、汽巴绥脱黄EL-F2G，C.I.红60、C.I.54、C.I.79，醋酸、醋酸钠、保险粉、纯碱。

设备：Ti-Color Ⅱ型红外染色小样机（意大利ORINTEX 染色技术有限公司），CM-3600D 型电脑测色配色系统（意大利ORINTEX 染色技术有限公司），M228型耐皂洗牢度试验机（锡莱-亚太拉斯有限公司）。

2.2 染色工艺

染色配方：分散染料用量x，醋酸/醋酸钠调节pH，pH=2～11，浴比1∶30。工艺流程如下：

还原清洗配方：保险粉2 g/L，纯碱1 g/L，浴比1∶50，温度60～65 ℃，时间15 min。

3 结果与讨论

3.1 温度对染色的影响

染料用量2%（omf），浴比1∶30，pH=5，在不同温度下染色30 min，测试纤维的染色K/S值，结果如表1所示。从表1 可知，PLA 纤维染色过程中，保温温度在80～110 ℃变化时，染色样品的表面深度出现跨越式的增加，因为高结晶的PLA 纤维在染色温度高于玻璃化温度（Tg≈62 ℃）时，分子链段开始运动，产生孔隙，染料沿瞬时孔隙扩散进入纤维内部；温度升高，染料的溶解度和扩散速度增加，有利于染料的上染，所以，染色温度升高，K/S 值增加，而110 ℃与120 ℃的表面深度接近，并达到较高值。从纤维的物理性能上看，120 ℃染色的纤维已经没有了光滑的手感和纤维的光泽，纤维中夹杂着小尺寸的熔融体，130 ℃染色的纤维熔融结块，说明120 ℃下纤维已有了热损伤。而在低温染色时，不仅上染率低，色牢度也大大降低。

表1 不同温度下染色纤维的表面深度（K/S值）

PLA 纤维不耐热，温度不仅影响染料的扩散速率，还影响纤维的其他性能。根据自由体积扩散模型的WLF方程式可得以下关系：

其中，aT称为温度T时的移动因子，DT为温度为T时的扩散系数，为DTg温度为Tg时的扩散系数，A、B为高分子物的特性常数[12]。

由WLF方程式可知，纤维的玻璃化温度（纤维的结晶、取向或水、载体等的作用）越低，染料在纤维中的扩散速率越高。同时，当染色温度高于玻璃化温度后，染色温度越高，染料在纤维中的扩散速率越高。但并不是温度越高越好，随着温度的升高，染料在纤维与染液中的分配率减小，降低了染料对纤维的亲和力，会降低染色的上染百分率。

综合考虑以上因素，PLA 纤维染色温度选择110 ℃更适宜，更安全。

3.2 pH对染色的影响

染料用量2%（omf），浴比1∶30，不同的染色pH，110 ℃染色30 min，测试纤维的断裂强力，结果如图2所示。

从图2可知，随着染色pH的增大，织物的断裂强力逐渐增大，当pH 达到4 之后，断裂强力明显下降。因为PLA是聚酯类纤维，在强酸或者强碱条件下会水解，影响纤维的强力。因此，PLA 纤维的染色应控制在pH=4～5。

染色pH还影响染色的色光。分散染料结构中含有酯基、酰胺基、氰基等基团的分散染料，在高温碱性条件下，染料发生水解，引起染料的色光、上染百分率变化，此类结构的染料不适合在碱性条件下染色。另外，在碱性浴中羟基离子化，染料溶解度提高，导致染料色光变化等。而染浴pH过低时，含有氨基的分散染料中的氨基吸收一个质子，发生离子化，导致染料溶解度增大，供吸效应发生变化，进而影响染色性能及染色色光。

因此，分散染料染色时，染浴pH 在4～6，此时，染色织物的上染百分率较高，色泽鲜艳度好。

3.3 时间对染色的影响

染料用量2%（omf），浴比1∶30，pH=5，110 ℃，染色不同时间测试纤维的上染百分率，结果如图3所示。

从图3 可知，随着时间的延长，上染百分率缓慢增加，到30～40 min内基本达到最高值；再延长染色时间，部分染料的上染百分率反而下降，如C.I.黄54 和C.I.蓝79。说明上染30～40 min后，可能原来已被纤维吸附的染料又部分解吸下来；也可能是由于纤维在染色过程中，染浴冷结晶所致。在上染时间30～40 min内，有几只染料的上染百分率曲线都趋于平坦，在此区域内染色有助于减少色差。在染色达60 min时，上染百分率增加的幅度并不显著，如C.I.黄53。综合考虑，上染时间以30～40 min为宜。

3.4 助剂对染色的影响

染色过程中需加入适当的分散剂和匀染剂，阴离子表面活性剂可使染料稳定、均匀地分散在染液中，通过移染作用实现匀染；但加入助剂后，分散染料对PLA纤维的亲和力下降，降低了分散染料在PLA纤维上的平衡上染百分率和饱和吸附量。

加入非离子表面活性剂能降低分散染料对聚乳酸纤维的亲和力。因为非离子表面活性剂对分散染料有一定的增溶作用，使染料在染液中的分配量加大，提高了染料吸附渗透到纤维上的量，使上染过程中的染色热增加，分散染料在染色过程中染色熵的绝对值减小。

3.5 浴比对染色的影响

浴比对染色织物也有影响，浴比小，节能节水，但浴比太小会使染色织物产生折皱、擦伤、染色不匀等缺点；浴比大，存在耗能耗水等缺点。因此，浴比选择应根据设备运行情况及染物的形态（散纤维、纱线或织物）而定，在保证染色效果的前提下，浴比可适当减小。匹染设备浴比可在10∶1～30∶1。小浴比的染色有的可小到3∶1～5∶1。