氨纶染色性能及皂洗色牢度

2022-11-12夏亚辉张米聪金王保邵晰茹吕晓静曹根阳

纺织高校基础科学学报 2022年3期

夏亚辉，张米聪，金王保，邵晰茹，吕晓静，潘虹，曹根阳

(1.武汉纺织大学纺织科学与工程学院，湖北武汉 430200；2.武汉纺织大学纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室，湖北武汉 430200；3.江苏奥神新材料股份有限公司，江苏连云港 222000)

0 引言

氨纶纤维具有高回弹、高耐腐蚀、抗氧化等优点，被广泛应用于内衣、牛仔、运动衣、四面弹等产品中，同时在卫生用品和医疗等领域均有应用[1-3]。根据染色难易程度，可简单分为普通氨纶和易染氨纶。易染氨纶是通过对普通氨纶进行物理或化学改性而制成[4-5]，可获得较深的颜色和较高的皂洗色牢度。相对于普通氨纶，易染氨纶的生产工序复杂且所需成本较高，因此解决普通氨纶的染色问题更有应用意义。普通氨纶染色问题主要集中在染料难上染和染后皂洗色牢度差2个方面，究其原因与氨纶的分子结构密不可分，它是由刚性链段以及柔性链段组成的一种嵌段共聚物[6-7]，刚性链段区域的结构紧密，染料难以进入；柔性链段区域的染料相对易进入，但因分子结构松弛，水洗时，染料易被洗出[8-10]。

基于文献报道并结合分子结构特点，分散染料可被选择用于氨纶染色，分散染料是一种色谱齐全[11-12]、微溶于水的非离子型染料，广泛应用于无活性基团的纤维染色，与疏水性的氨纶相容性很好，但常规分散染料的上染需要高温，会影响氨纶的强力[8,13]。因此，研究人员分别从添加助剂、优化染色工艺、染料种类的选择等方面研究氨纶上染特性，在助剂作用下，氨纶纤维能实现低温染深色，但皂洗色牢度不佳[14-16]。

针对分散染料传统染色方法未能解决氨纶染色中的上色及沾色问题，本文拟采用分散染色工艺并添加自制促染剂对氨纶进行染色，测试促染剂对氨纶的力学、热学性能以及结晶度的影响，并结合优选黑ETD、灰AM-SLR、藏青HSF染料，通过皂洗色牢度、K/S值、紫外、红外等进行性能表征，实现较好的染色效果及皂洗色牢度。

1 实验

1.1 材料、试剂和仪器

原料：40 D氨纶长丝(连云港杜钟新奥神氨纶有限公司)。

分散染料：黑ETD(浙江闰土)，灰AM-SLR(德司达)，藏青HSF(浙江龙盛)。

试剂：乙酸、氯化钠、氢氧化钠、低亚硫酸钠(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)，促染剂FD-C(实验室自制)，FD-D(实验室自制)，N，N-二甲基乙酰胺(DMAc，分析纯，国药集团化学试剂有限公司)，去离子水(实验室自制)。

仪器：JY2002电子天平(上海平衡仪器公司)，HIF-24红外染色机(江苏靖江市华夏科技有限公司)，DHG-9246A电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)，Color i7测色配色仪(美国X-rite公司)，UV-3600 Plus 紫外分光光度计(日本岛津公司)，6700型傅里叶红外光谱仪(美国Nicolet公司)，SW-12A水洗牢度仪(常州市大华电子仪器有限公司)，D8 ADVANCEX射线衍射仪(德国Bruker-AXS公司)，SDTQ 500热重分析仪(美国TA instrument公司)，T609-150 INSTRON万能材料试验机[英斯特朗(上海)试验设备贸易公司]。

1.2 染色及清洗

染色工艺：浴比1∶20，染料1 % owf、3 % owf，促染剂FD-C/FD-D/DMAc 质量浓度40 g/L，pH为5～6(乙酸调节)。还原清洗工艺：浴比1∶30，氢氧化钠质量浓度3 g/L，保险粉质量浓度2 g/L。工艺曲线如图1所示。

(a) 染色工艺 (b) 还原清洗工艺图 1 染色及还原清洗工艺

1.3 测试及表征

1.3.1 表观色深(K/S)

将氨纶纱整齐的缠绕在长5 cm、宽2 cm的纸板上，缠绕4层，确保不漏底。采用测色配色仪在10°标准观察者和D65光源下测定氨纶纤维染色前后样品的K/S值。表观色深是评价染色效果的一项重要指标，K为有色物质吸收系数，S为散射系数，K/S值越大，试样染色效果越好。每个试样取5处进行测量，结果取平均值。

1.3.2 耐皂洗色牢度

根据GB/T 3921—2008《纺织品色牢度试验耐皂洗色牢度》。将氨纶样品与多纤维贴衬织物缝合在一起，浴比1∶30，皂粉质量浓度5 g/L，40 ℃保温30 min条件下清洗，再经干燥。以原样作为参照物，用灰色样卡评定试样变色和多纤维贴衬织物沾色。

1.3.3 染料色光

采用紫外分光光度计对染料进行色光分析，染液分别为纯染料染液、加促染剂FD-C的染液。染液稀释液为乙醇。扫描范围为 360～750 nm。按1.2中的染液配方配置染液原液，并用乙醇稀释至40倍。

1.3.4 红外光谱分析

采用傅里叶红外光谱仪分析FD-C及氨纶的官能团，扫描范围为 500～4 000 cm-1，分辨率为 1.0 cm-1，扫描次数为64次。

1.3.5 热学性能

采用热重分析仪对纤维进行热稳定性测试。温度范围为 30～600 ℃，线性升温速率为 10 ℃/min，氮气流量为 40 mL/min。

1.3.6 X射线衍射

采用X射线衍射仪表征样品的结晶性能。使用的X射线为Cu-Kα射线，波长0.15 nm，扫描速度5(°)/min，扫描角度为5°～45°。

1.3.7 力学性能

采用万能材料试验机测量纤维的断裂强力以及断裂伸长。测试样品长度100 mm，夹具间距为50 mm，拉伸速度500 mm/min。每个样本重复测量10次，取平均值。

2 结果分析与讨论

2.1 不同促染剂对氨纶的上染效果

前期实验发现，选用同一种促染剂及3种不同分散染料对氨纶进行染色，其染色效果具有相同规律，故以不同促染剂及浓度1%的黑ETD染料对氨纶纤维染色为例进行分析。其K/S值变化如图2所示。

图 2 不同促染剂染色后的K/S值Fig.2 K/S values after dyeing with different accelerating agents

从图2可看出，加入促染剂的染色样的K/S值要高于未添加促染剂的染色样，且促染剂FD-C的K/S值最大。促染剂FD-C是极性较强的小分子复配体系，在温度作用下，可实现对氨纶纤维聚集态结构的有效调控，为染料进入纤维内部更深处打开了通道，从而实现染深性能提升。综上促染剂选择FD-C。

2.2 染色后的皂洗色牢度

染料与纤维的结合力越强，染色过程中的染料扩散越充分，皂洗色牢度越好。黑ETD、藏青HSF、灰AM-SLR染料与疏水性的氨纶相容性很好，可以与氨纶中的非离子极性基团以氢键偶合[7]。采用不同浓度的不同染料染色后氨纶的皂洗色牢度见表1。

表 1 染色试样的皂洗色牢度

从表1可看出，随着染料浓度从1%提升到3%，不同色光染色样的皂洗色牢度依然能保持较好的效果，氨纶样品的皂洗色牢度变色均为4级，沾色均在3级及以上，均可达到行业标准。

2.3 促染剂对染料色光的影响

染料色光的变化会影响到最终样品色光的呈现。促染剂FD-C对分散灰AM-SLR、分散藏青HSF、黑ETD色光的影响如图3所示。

图 3 促染剂FD-C对染料色光的影响Fig.3 Effect of promoter of FD-C on the color of dyes

从图3可看出，加入促染剂FD-C，染料的最大吸收波长并没有发生变化，且与未加入促染剂的染料吸收曲线形状一致。最大吸收波长和吸收曲线的一致性说明促染剂FD-C对3种分散染料色光没有影响。

2.4 促染剂FD-C的促染机理

图 4 FD-C及氨纶的红外光谱Fig.4 FD-C and spandex infrared spectrum

2.5 染色后纤维的结晶度

纤维的结晶度是影响纤维染色性能的一个重要因素，致密的分子链排列会阻碍染料分子的进入，降低纤维的染色效果。图5为不同染料染色的氨纶纤维的X射线衍射图谱。

图 5 不同色光染料染色的纤维的XRD图Fig.5 XRD patterns of dyed fibers with different dyes

由图5可看出，氨纶纤维在 2θ为20°附近存在较为明显的衍射峰，利用Jade软件计算处理前后的纤维的结晶度。氨纶原纤的结晶度约为34.3 %，经过FD-C及灰AM-SLR、藏青HSF、黑ETD染色后的样品结晶度分别降低至31.7%、29.8%、28.7%。采用不同色光染料染色后的氨纶纤维的结晶度相比于原样均有所下降，表明促染剂FD-C在染色过程中对氨纶纤维硬链段的结晶区产生结构调控作用，纤维规整的分子链结构被破坏，会给染料打开进入通道，这种表现被认为是对染色有利的。与图3染色后K/S值的变化规律一致，说明选用的染料在促染剂FD-C的作用下可达到易染的目的。

2.6 染色后纤维的热学性能

不同染料染色的氨纶纤维的热重(TG)曲线如图6所示。

图 6 不同色光染料染色的纤维的TG曲线Fig.6 TG curves of fibers dyed with different dyes

由图6可以看出，从94 ℃～260 ℃，经过FD-C处理的样品与原样相比，由于FD-C和染料的进入使其失重速率明显加快；当温度在555 ℃左右时，相比原样，FD-C和染料进入纤维的量是成正比的。故综合来看，经过FD-C处理后的氨纶样品的热学性能未发生显著变化。

2.7 染色后纤维的力学性能

不同染料染色的氨纶纤维的力学性能测试结果如图7所示。

(a) 断裂强力

(b)断裂伸长率图 7 不同色光染料染色的纤维的强力Fig.7 The strength of dyed fibers with different dyes

由图7知，原样的断裂强力为59 cN，断裂伸长率为220%。与不同色光染料染色后的氨纶纤维相比，断裂强力损失约4.4%，断裂伸长增长约2.2%。这是因为在染色过程中，纤维的结构被破坏，分子结构变得松弛，使纤维的结晶区呈下降趋势，因此强力有所降低，断裂伸长有所趋势，这也与图5的规律相一致。因纤维强力损失并不明显，故可说明FD-C并不会对纤维力学性能造成显著影响。