HMBS对蚕丝的吸附和解吸性能探究

2019-12-03郜宏玲

中原工学院学报 2019年5期

郜宏玲

(中原工学院后勤处，河南郑州 450007)

蚕丝具有透气、吸湿放湿性好、生物适应性强等良好的物理特性[1-2]，此外还具有柔软丝滑的手感、洁白无暇的光泽、轻薄舒适的质地，有“纤维皇后”的美誉[3]。但是在夏季，蚕丝织物易被紫外线穿透而损伤人体皮肤，需要用紫外线整理剂对蚕丝织物进行抗紫外整理。紫外线整理剂应在不影响产品质量的前提下对人体无毒无害、无刺激、无副作用，与人体相容性好，防护性能好且具有良好的牢度[4-5]。其大体可分为2类：对紫外线有吸收及转换作用的吸收剂和对紫外线有反射作用的屏蔽剂。吸收剂一般为有机类化合物，主要有水杨酸系、苯并三唑系、苯酮系等，主要通过浸渍方式施加到纤维或织物上，能够把较高能量的紫外线转换为热能和能量较低的电磁波，从而降低紫外线对人体皮肤的伤害[6-7]。屏蔽剂一般为无机类物质，主要有碳酸钙、无机颜料、滑石粉、高岭土、二氧化钛、氧化锌、新型纳米材料等。将无机物颗粒与纤维或者织物相结合，可增加纤维或织物表面对紫外线的反射作用，从而使纤维或织物具有抗紫外线的能力[8-10]，但屏蔽剂会使织物的透气性变差。

2-羟基-4-甲氧基-5-磺酸基二苯甲酮(HMBS)是一种类似于酸性染料的紫外吸收剂，将其整理到蚕丝织物上的工艺比较简便，因此本文研究了HMBS对蚕丝织物的吸附和解吸性能，以期为蚕丝的紫外线防护整理提供借鉴。

1 实验

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

织物：蚕丝双绉织物(市售，工业品)。

紫外线吸收剂：2-羟基-4-甲氧基-5-磺酸基二苯甲酮(HMBS，分析纯，阿拉丁工业公司)，化学结构式为：

其他：pH缓冲溶液(实验室自制)、氯化钠(分析纯，天津市德恩化学试剂有限公司)、标准合成洗涤剂(上海市纺织技术监督管理局)、合成单宁(工业品，阴离子型固色剂)、CWF-HC(工业品，阳离子型固色剂)。

1.1.2 仪器

JA2003N电子天平(上海精密科学仪器有限公司)、UV-2000F紫外线防护性能测试仪(美国Labspere公司)、TU-1901紫外-可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)、RC-Z2400振荡式常温常压染样机(上海一派印染技术有限公司)、RC-9X定型烘干机(上海一派印染技术有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 吸附动力学测试方法

在振荡水浴锅中用HMBS对蚕丝进行吸附，浴比为1∶50，用缓冲液调节pH值。将配置好的吸附液放入振荡水浴锅中升温至吸附温度，投入蚕丝织物，在HMBS用量一定的情况下处理不同时间，结束后取出织物，将残液自然冷却至室温，待测。

1.2.2 固色方法

在振荡水浴锅中对HMBS处理过的蚕丝进行固色，浴比为1：50，用缓冲液调节pH值。在染样机升温至60 ℃时，加入蚕丝，固色处理40 min，固色结束后将织物取出，烘干。

1.2.3 解吸方法

在振荡水浴锅中进行蚕丝织物的HMBS解吸，浴比为1∶50，用缓冲液调节解吸液的pH值。将配置好的解吸液升温至解吸温度80 ℃，投入待解吸的蚕丝织物，在不同pH值和时间条件下进行处理，结束后取出织物并烘干，将残液自然冷却至室温，待测。

1.3 测试方法

吸取实验后的残液，在TU-1901紫外-可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)上测定最大吸收波长下残液的吸光度。

解吸浴中HMBS的量Cs(g/L)：根据解吸前解吸浴的吸光度A0及HMBS被吸附后残液的吸光度A1，由标准工作曲线进行计算。

解吸率DS%：根据经HMBS整理后的织物上的HMBS的量Cf(g/kg)和解吸浴中HMBS的量Cs(g/L)，由公式(1)进行计算。

(1)

解吸后织物上HMBS的量Ct(g/kg)：根据经HMBS整理后织物上HMBS的量Cf(g/kg)和解吸率DS%，由公式(2)进行计算。

Ct=Cf×(1-DS%)

(2)

2 结果与分析

2.1 吸附动力学分析

图1所示为不同温度下HMBS对蚕丝的吸附性能；图2为不同温度下时间t与t/Ct的关系曲线图；表1为由不同温度下时间t与t/Ct的关系曲线计算出的对应动力学参数(C∞为平衡吸附量；K为吸附速率常数；t1/2为半吸附时间)。从图1可以看出，随着时间的延长，蚕丝织物上吸附的HMBS的量逐渐增加，至一定值后保持稳定，并且吸附温度为60 ℃时，HMBS在蚕丝上的平衡吸附量达3.99 g/kg，95 ℃时却只有2.49 g/kg。这是因为，温度越低，HMBS对蚕丝纤维的亲和力越大，达到吸附平衡时，蚕丝织物上所吸附的HMBS的量就越多。图2中时间t与t/Ct呈线性关系，验证了图1所示实验结果的准确性。由表1可以看出：95 ℃时，织物只需20.629 2 s便达到吸附平衡；60 ℃时，织物达到吸附平衡需要的时间为37.833 4 s。这是由于温度升高，各离子的运动速度加快，同时HMBS向蚕丝纤维内部扩散的速率也增加，达到平衡所需的时间就短。但是温度升高，紫外吸收剂HMBS与蚕丝纤维之间的亲和力减弱，从而导致蚕丝纤维上所吸附的HMBS的量减少。由表1还可以明显看出，95 ℃的吸附速率常数K约为60 ℃时的3倍。这是因为温度升高，HMBS阴离子的运动速度加快，HMBS向蚕丝纤维内部扩散的速率便增加，HMBS的阴离子与蚕丝氨基的吸附速率加快。

图1 不同温度下时间对HMBS吸附蚕丝织物的影响

图2 不同温度下时间t与t/Ct的关系曲线

温度/℃C∞/(g·kg-1)K/(g·(kg·min)-1)t1/2/s603.997 440.396 7337.833 40802.687 450.677 2232.966 40952.498 001.164 3020.629 20

2.2 HMBS吸附蚕丝织物后解吸性能分析

2.2.1 pH对解吸性能的影响

图3所示为80 ℃时不同pH下解吸时间对蚕丝上HMBS解吸率的影响。由图3可以看出，在pH值为10的条件下解吸率最高，在pH值为7的条件下解吸率最低，这是因为在HMBS与蚕丝的结合过程中，离子键、氢键和范德华力是主要作用力。当解吸浴为碱性时解吸率最大，说明HMBS与蚕丝形成的结合力耐碱性差于耐酸性。在pH值为7的解吸浴中，因中性条件较温和，纤维与HMBS之间的作用力比较稳定，所以解吸率最低。从图3还可以看出，蚕丝纤维上所吸附的紫外吸收剂HMBS的解吸率随时间的延长而增加，到一定解吸时间后保持平衡。

图3 不同pH值下时间对解吸率的影响

图4为不同pH条件下时间t与t/Ct的关系曲线图；表2为不同pH值下，由时间t与t/Ct的关系曲线计算出的对应动力学参数。由表2可以看出：pH值为10时HMBS吸附蚕丝的解吸速率常数K最大，大约为pH值为7时的4.6倍；pH值为10时的半解吸时间仅为13.619 4 s，半解吸时间越短说明HMBS整理蚕丝织物到达解吸平衡时所需的时间越少，即在pH值为10的解吸浴中，蚕丝纤维与紫外吸收剂HMBS之间的成键稳定性最差，在pH值为7的解吸浴中，两者之间的离子键的稳定性最好，说明蚕丝纤维与紫外吸收剂HMBS的成键稳定性大小为：中性水解稳定性>酸性水解稳定性>碱性水解稳定性。

图4 不同pH条件下时间t与t/Ct的关系曲线

pHC∞/(g·kg-1)K/(g·(kg·min)-1)t1/2/s21.128 892.996 3917.737 8071.700 681.830 2119.276 53100.522 448.434 7213.619 40

2.2.2 pH对蚕丝固色处理后解吸性能的影响

图5所示为80 ℃pH值为2和10的解吸条件下，固色方法对HMBS吸附蚕丝织物后的解吸率的影响。从图5可以看出，在pH值为2和10的解吸浴中，单独用CWF-HC阳离子固色剂固色蚕丝织物时，解吸率最低，且碱性条件下的解吸率高于酸性条件。这是因为蚕丝和HMBS之间的作用力主要是离子键、氢键和范德华力，而固色剂可以在蚕丝织物表面成膜，其中阳离子固色剂CWF-HC既可以与阴离子HMBS吸附结合，又可以在蚕丝表面成膜而固着在蚕丝织物表面，从而有效地减少了HMBS在织物上的解吸。