带压染色压力对羊毛结构和亲水性能的影响

张 凯 王 荣 胡吉永 杨旭东

1. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室(中国) 2. 江苏丹毛纺织有限公司(中国)

近年来，随着经济的发展和社会进步，人们对服装舒适性的要求越来越高。品质感和科技感融为一体的产品日益受到广大消费者的青睐，对高档吸湿快干面料的需求逐渐增长。在此背景下，羊毛纤维作为优良的天然蛋白质纤维，因具有弹性优异，手感柔糯，吸湿性好等众多优点而成为高档面料的首选材质[1]。但羊毛纤维鳞片的天然屏障作用使吸收的汗液不能及时排出，会给人体造成一种极不舒适的冷湿感，这极大限制了羊毛纤维夏季面料的开发应用[2]。

目前，主要采用物理化学改性[3-7]的方法对羊毛进行处理，通过破坏羊毛表面鳞片提高羊毛的吸湿性能。此外，后续染色加工过程中的各种工艺因素也可能影响羊毛的结构及吸湿性能。黄元丽[8]探究了不同染色时间、温度、压力和染料用量对染色效果的影响。试验表明，在一定的染色温度和相同的染色时间与染料用量条件下，羊毛散纤维的表观颜色深度随着压力的增加而增加。李俊升等[9]探究了微波低温等离子体处理的羊毛的染色性能，发现环境气体压力达到20 MPa时，K/S值达最大值，说明此时等离子体对羊毛的刻蚀效果最明显。张娟等[10]探究了超临界CO2染色对羊毛纤维力学性能的影响，发现随着压力的不断增加，CO2流体的传质扩散能力使得羊毛纤维受到的弯曲、扭转和剪切作用增强，从而影响短绒率和拉伸断裂性能。杨德明等[11]提出了一种全流程低温带压染色工艺。研究表明，在羊毛染色过程中施加压力，可以降低羊毛的损伤，大大改善其染色性能与力学性能，回潮率也有一定的提高。上述研究均表明，在染色的过程中引入压力，对羊毛结构及表面鳞片有一定程度的损伤破坏，进而改变其力学性质和染色性能。但以往的研究未系统分析压力对于其结构和亲水性能的影响。

基于此，本文将采用控制变量法定量分析不同染色压力对羊毛结构和亲水性能的影响，实现羊毛的低温染色并减少羊毛纤维损伤，探究影响其亲水性能的主要结构因素。

1 试验部分

1.1 试验材料

单纤线密度为7.4 tex的防缩毛条(江苏丹毛纺织有限公司)。

1.2 试验仪器

试验仪器如表1所示。

表1 试验仪器

1.3 试验方法

采用控制变量方法，保持染色温度、毛用活性染料用量和Na2CO3用量等其他条件不变，在染色过程中分别对羊毛进行0.35、0.43和0.52 MPa的压力处理，烘干后将毛条放入丙酮中浸泡2 h，然后用去离子水对毛条进行洗涤并自然晾干。

1.4 性能测试

1.4.1 表观形貌测试

采用扫描电子显微镜测试表征羊毛经不同染色压力处理后的表层鳞片层破坏程度。随机选取一定量的羊毛纤维试样，采用导电双面胶将其固定在载物台上，对试样进行喷金处理，采用扫描电子显微镜放大3 000倍观察羊毛纤维的表面形态。

1.4.2 结晶度测试

采用DSC测试表征羊毛内部结晶结构的变化。用剪刀将羊毛试样剪碎成粉末，采用精度为0.1 mg的电子天平准确称取试样(质量范围为0.3～0.5 mg) 进行结晶度测试。氮气流量为20 mL/min，铝钳锅，升温程序为升至50 ℃保温2 min， 再以20 ℃/min的加热速度加热到260 ℃。

1.4.3 接触角测试

通过接触角测试表征羊毛纤维经不同染色压力处理后的亲水性及表面张力变化情况。具体操作如下，取一部分毛条将其梳理平整，再用双面胶将毛条拉平整后固定在载物台上进行接触角测试，每组试样测试5次，结果取平均值。

2 结果与分析

2.1 不同染色压力对羊毛纤维表面形貌的影响

在不同染色压力下染色后的毛条试样中，随机取6根纤维观测其典型表面形貌，分别如图1～图3所示，并统计其在测试纤维中出现的比例。

图1a)～图1c)所示为经0.35 MPa带压染色后羊毛呈现出的典型表面形貌，图1d)为未处理羊毛的表面形貌。与未处理的羊毛相比，染色后的羊毛鳞片沟壑较浅且表面相对光滑，呈现翘角上扬[图1a)]、鳞片层排列较疏松[图1b)]或鳞片层排列较紧密[图1c)]状态。在所测的6根纤维中，有3根 羊毛纤维表层同时呈现图1a)、图1b)和图1c)所示形态，另有3根羊毛纤维表面同时呈现图1b)和图1c)所示形态。

图2所示为经0.43 MPa带压染色后羊毛所呈现的典型表面形貌。经0.43 MPa带压染色后,羊毛主要表现为鳞片层沟壑清晰可见[图2a)]和鳞片被沟壑较浅且光滑[图2b)]的形态。由于染色压力增大，也出现了局部表面鳞片层破裂，并形成孔洞的现象，如图2c)所示。在所测的6根羊毛纤维中，有5根纤维同时呈现出图2a)、图2b)和图2c)所示形态，1根纤维呈现出图2b)和图2c)所示形态。

图3为经0.52 MPa带压染色后羊毛所呈现的典型表面形貌。由图3可以看出，经0.52 MPa带压染色后，羊毛主要表现出如下形态：表层鳞片出现很多裂纹，形成许多小块状，如图3a)所示；鳞片层脱落，如图3b)所示；表层鳞片脱落严重并产生较大的凹陷，如图3c)所示。在所测6根羊毛纤维中，有4根纤维同时呈现出图3a)、图3b)和图3c)所示形态，1根纤维同时呈现出图3a)和图3b)所示形态，另有1根纤维仅出现了图3a)所示形态。

由上述试验结果不难得出，随着染色压力从0.35 MPa增至0.52 MPa，羊毛纤维鳞片层出现局部破坏的程度越来越大。当染色压力为0.52 MPa时，羊毛鳞片层出现严重脱落并产生凹陷现象。这是因为染色过程中羊毛会因吸水而发生膨胀，并且压力的作用使羊毛鳞片张开，从而出现破裂及脱落。

2.2 不同染色压力对羊毛纤维结晶度的影响

从经不同染色压力处理的毛条中分别选取5根纤维，测试其差示扫描量热(DSC)曲线，结果如图4所示，其熔融峰值列于表2。每个试样测试3次，结果取平均值。其中：tm1为第一个熔融峰温度是DSC系统自动计算结果，tm2为第二个熔融峰温度是人工测试结果。

图4 不同染色压力处理后羊毛的DSC曲线

由图4和表2可知，经0.35、0.43和0.52 MPa压力处理的羊毛，其熔融焓分别为16.994 7、15.596 0和14.395 5 J/g。随着压力从0.35 MPa增至0.52 MPa，羊毛纤维的熔融焓降低，表明羊毛纤维的结晶度下降。这是因为，随着压力增加，羊毛表层鳞片被破坏的比例增加，导致硫胺酸中的二硫键断裂，大分子链断裂进而导致结晶度下降。

表2 不同染色压力作用后羊毛纤维的熔融峰参数

2.3 不同染色压力对羊毛纤维亲水性能的影响

从不同染色压力处理的毛条中，随机取5束羊毛纤维进行接触角测试，测试结果如图5所示。

图5 不同染色压力处理前后羊毛试样的接触角

由图5可知，经0.35、0.43和0.52 MPa染色压力处理后，羊毛的接触角分别为120.61°、114.23°和108.89°，亲水性能均比未处理的羊毛好。随着染色压力的增加，接触角呈下降趋势，表明羊毛纤维的亲水性能提升。

随着染色压力的增加，羊毛鳞片层的破坏程度增大，使得鳞片内层化学性质活泼的极性氨基酸暴露出来，增加了其与水的接触面积，使羊毛的亲水性能提升。此外，染色压力破坏了羊毛中硫胺酸上的二硫键，使羊毛结晶度下降，从而导致表面张力下降，亲水性能提高。因这两方面因素综合作用，随着染色压力的增大，处理后羊毛的亲水性提升。

3 结论

本文针对羊毛纤维的带压染色工艺，讨论染色压力对羊毛纤维结构和亲水性能的影响。研究发现，随着染色压力增加，羊毛鳞片层的破坏程度加剧，亲水性能提升，但结晶度下降。在今后的羊毛纤维亲水性能研究中，可考虑采用增加染色压力的方式，提高其亲水性能。