聚乳酸织物染色工艺研究

2023-01-24郭建生刘春燕周步光

轻纺工业与技术 2022年6期

高娣，郭建生，刘春燕，高灿，周步光

（东华大学纺织学院，上海 201620）

聚乳酸（即PLA），是一种可生物降解的热塑性聚酯类材料，是以天然糖发酵产物乳酸缩聚而成的。通过乳酸单体直接缩聚或环丙交酯二聚后再开环聚合制成聚乳酸树脂切片，经熔融纺丝可制备出聚乳酸纤维[1]。由于PLA 纤维加工材料来源于大自然，可天然生物降解，加工能耗低，具有良好的机械性能，此外其纵向表面有深浅不等的沟槽和细小裂缝，纤维容易形成毛细管效应，从而表现出良好的芯吸和扩散作用[2]，在生物医学、包装、纺织等领域具有重要应用前景[3]。

由于聚乳酸分子结构中存在较多的酯键，其耐碱性较差，在湿热环境下易水解等，使得PLA 纤维及其织物在染整加工阶段受到一定局限性[4]。因此本文以聚乳酸染色织物颜色饱和深度K/S 值为研究起点，通过正交试验等研究方法，探索出适合聚乳酸织物染整的加工工艺，供生产实践参考。

1 试验部分

1.1 材料及仪器

材料：聚乳酸长丝织物（75D×150D）由江苏富之岛美安纺织品科技有限公司提供。

试剂：氢氧化钠（分析纯）、冰醋酸（分析纯）、匀染剂M-214（杭州多恩生物科技有限公司）；分散蓝ACE、分散黄AC-E、分散红UN-SE（浙江龙盛集团股份有限公司）；去离子水。

仪器：电子分析天平（上海舜宇恒平科学仪器有限公司）；红外高温高压染色机；Datacolor 测色配色仪（德塔颜色商贸有限公司）；多功能织物强力仪；织物撕裂仪；电子硬挺度仪；YG461E 全自动透气性测定仪。

1.2 试验方法

1.2.1 前处理工艺

由于聚乳酸分子结构存在大量酯键，聚乳酸纤维不耐碱，在湿热碱性条件下更易发生水解，导致聚乳酸织物质量损失及强力下降等问题，故应避免使用强碱性碱剂及高温处理[5]。一般使用碱性较弱的纯碱，且前处理温度不超过80℃为宜。

前处理配方：

纯碱（g/L） 7～8

除油剂（g/L） 3～5

浴比 1∶20

工艺曲线如图1 所示。

图1 聚乳酸织物前处理工艺曲线图

1.2.2 染色工艺

1.2.2.1 染料选择

由于PLA 纤维分子链中没有强极性基团，存在较多的疏水性酯基以及等距排列的甲基，属于疏水性纤维，故对聚乳酸织物染色所用染料一般为分散染料[6]。由于聚乳酸结构紧密，不耐高温[7]，故根据分散染料的通用性，应选择染料扩散性能好，分散稳定且在中低温环境下即可上染的染料[8]。

本工艺根据染料选用要求，最终选用浙江龙盛集团股份有限公司的中低温型分散染料。

1.2.2.2 染色工艺及配方

PLA 纤维和PET 纤维同属聚酯类纤维，有许多相似特性，但因本身结构又表现出一些明显不同，如PLA纤维耐热性以及耐酸碱稳定性较PET 纤维弱，但其要比PET 纤维更吸湿亲水[9]。因此PLA 纤维在染色工艺上也有别于PET 纤维，染色温度、染浴pH 值及匀染剂用量等都需要严格控制[10]。

称取一定质量染料及布样，加入所需助剂及试剂，再加水到所用浴比体积，在高温高压染样机放入布样，制定染色升降温程序，开始于室温始染，然后先以2℃/min 升温至玻璃化温度以下，再以1℃/min 升温至染色温度，保温一定时间后，再以2℃/min 降温至室温，染色结束，将布样从染色钢杯中取出，用室温自来水冲洗，直至无浮色渗色，于100℃下定型烘干。具体染色工艺曲线如图2 所示。

图2 聚乳酸织物染色工艺曲线图

聚乳酸纤维织物染色工艺配方：

分散染料（o.w.f） 2%

匀染剂M-214（g/L） 1.0～2.5

pH 值（用冰醋酸调节） 4～7

浴比 1∶20～1∶35

染色温度为90～105℃，染色时间为30～60min。

1.3 测试方法

1.3.1 力学性能测试

利用多功能织物强力仪，参照GB/T 3923.1—2013《纺织品织物拉伸性能》第一部分的条样法测试织物断裂强力。

1.3.2 透气性测试

利用YG461E 型数字式透气量仪测试，参照GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性测试》标准测试织物透气性。

1.3.3 硬挺度测试

利用电子硬挺度仪，按照GB/T 18318—2001 测试标准测试织物硬挺程度。

1.3.4 上染率及K/S 值测试

利用UV-2600 紫外—可见分光光度仪测定染色原液及染色后残液在最大吸收波长处的吸光度，并按照式（1）计算上染率：

式中：A0—染色原液在最大吸收波长处的吸光度

A1—染色残液在最大吸收波长处的吸光度

用Datacolour 850 反射分光光度计测定试样的表观色深K/S 值，每个布样测试5 次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 染色工艺优化-正交试验分析

以染色织物表观色深K/S 值为评价指标，用分散染料UN-SE 红、AC-E 蓝、AC-E 黄及拼染黑分别对聚乳酸织物进行染色，以染色温度、染色保温时间、染浴pH 值、浴比及匀染助剂用量为变量，设计五因素四水平的L16（54）正交表进行试验安排。正交试验因素水平表如表1 所示，AC-E 蓝的试验结果见表2。

表1 正交试验因素水平表

表2 正交试验结果分析表

由表2 可知，影响AC-E 蓝染色K/S 值的因素中，染色温度对试验结果影响最大，阴离子表面活性剂M-214 浓度、染色时间、染浴pH 值对试验结果影响较大，染料浴比对于聚乳酸织物染色试验的颜色饱和深度值影响最小。继续用UN-SE 红、AC-E 黄以及拼染黑色染料按上述正交表安排实验，经分析发现染色温度是影响织物K/S 值的最大因素，浴比影响最小。综上，对于聚乳酸织物K/S 值来说，其较优染色工艺为：深色染色温度为105℃，中浅色染色温度为95℃，染色时间为60min，pH 值为5～6，浴比为1∶20，染色助剂为1.5～2.0g/L。

2.2 染色温度对聚乳酸织物染色性能影响

由上述正交试验表2 分析可知，染色温度对于聚乳酸织物染色性能尤为重要。因此按照上述正交试验所得工艺，选用深色分散黑EE、中深色分散蓝AC-E、分散蓝UN-SE、浅色分散黄AC-E 和分散黄EE 五种染料对聚乳酸纤维织物进行染色，染色时间为60min，染浴pH 值为5，浴比为1∶20，染色助剂为1.5g/L，染色温度分别设定为90℃、95℃、100℃、105℃、110℃以及115℃，以探究染色温度对织物染色性能的影响。

染色后测定织物上染率以及织物表观色深K/S值，结果如图3、图4 所示。

图3 不同温度对聚乳酸中浅色织物上染率影响

图4 不同染色温度对聚乳酸织物K/S 值影响

由图3 可知，随着染色温度的提高，各只分散染料对聚乳酸织物的上染率也随之提高。当染色温度在90～100℃之间时，各只染料上染率提高幅度基本都不超过10%，当超过100℃时，上染率出现急速增长，并在105℃时上染率几乎都达到最高，此后上染率增速明显趋于平缓。由图4 可知，聚乳酸织物K/S 值随着染色温度的升高也逐步增加，对于浅色黄来说，染色温度的升高对聚乳酸织物颜色深度影响较小，对于深色黑以及中深色蓝来说，染色温度的高低对聚乳酸织物颜色深度影响较大，但总体趋势均满足当染色温度高于105℃后，温度对聚乳酸织物K/S 值影响程度逐渐趋于平缓。这是由于随着染色温度的提高，染料分子内部动能增加，聚乳酸纤维大分子链段运动加剧，纤维结构变得疏松，染料越容易进入纤维内部，故上染率得到提升，织物颜色饱和深度K/S 值也增大[11]。但是当染色温度在110℃以后，上染率以及颜色饱和深度K/S 值趋于平缓，这可能是由于当聚乳酸织物染色温度在105℃时，纤维空隙间染料已趋于饱和，且聚乳酸纤维不耐高温，当温度达到120℃时，布面有熔融重结晶现象，故聚乳酸织物染色温度以105℃为宜。

2.3 染色温度对聚乳酸织物其他性能影响

2.3.1 染色温度对聚乳酸织物强力的影响

不同染色温度对聚乳酸织物断裂强力的影响如图5 所示。由图5 可知，聚乳酸织物随着染色温度的提高，织物经纬向断裂强力先增大，后逐步缩小，这是由于织物随着染色温度的提高，织物收缩，经纬密度增大，其断裂强力提升，但当温度升高至110℃后，由于聚乳酸纤维不耐高温，在高温湿热条件下，聚乳酸纤维易水解，故其断裂强力下降。

图5 不同染色温度对聚乳酸织物断裂强力影响

2.3.2 染色温度对聚乳酸织物手感及其透气性的影响

不同染色温度对聚乳酸织物抗弯长度及透气性影响如图6 所示。织物的弯曲性能是研究织物的挺括性、悬垂性以及柔软性等特性的重要物理参量，利用电子硬挺度仪所采用的抗弯长度和抗弯刚度两个力学指标来表达织物的刚柔性，其中抗弯长度值越小，则表明织物越柔软。由图6 可知，随着染色温度的提高，织物弯曲长度逐渐增大，织物越硬挺，且透气性逐步下降，这是由于聚乳酸纤维随着染色温度提高出现热收缩，织物密度加密，经纬向强力增加，但织物手感变硬，透气性降低。且染色温度过高，纤维易出现熔融重结晶现象，故聚乳酸织物染色温度不宜过高，于100～105℃为宜。