壳聚糖/棉混纺纱线前处理工艺研究

张子超,张京彬,薛孟芳,王 翊,张智慧,沙乾坤

(1.国家先进印染技术创新中心, 山东 泰安 271000; 2.山东中康国创先进印染技术研究院有限公司,山东 泰安271000)

壳聚糖纤维是甲壳素脱乙酰化的产物,是自然界中唯一带正电的再生纤维[1],分子结构与纤维素相似,其区别在于葡萄糖残基上第2位碳原子连接的羟基被更活泼的氨基取代[2-3]。壳聚糖纤维具有优异的消臭、吸湿和保湿性能,生物相容性好,其降解的产物对人体无毒副作用,因而在生物医学领域有着极广阔的应用前景[4-6]。另外,壳聚糖纤维具有广谱抗菌性,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、革兰氏菌等具有优良的抗菌性能,常与棉纤维混纺以提升产品服用性能[7]。在实际生产中,常规前处理和染色使得壳聚糖在纤维中的含量下降导致壳聚糖混纺织物抗菌效果降低,进而影响壳聚糖混纺织物的使用价值[8]。

壳聚糖混纺纱线中一般含有蜡质、棉籽壳、纺织油剂等杂质,杂质不仅影响织物的渗透性,也会造成染料上染不匀,进而导致混纺纱线或织物产生块状色花或色渍[9-10]。实际生产中因匀染效果差产生的调色补色等额外后道工序更会使壳聚糖在混纺纱线中的含量下降[11],因此选择合适的前处理工艺以保证去除纱线杂质的同时不降低壳聚糖含量至关重要[12-13]。

壳聚糖纤维与棉纤维混纺产品的抗菌效果与产品中的壳聚糖含量直接相关[14]。壳聚糖纤维对酸性溶液非常敏感,1%的稀盐酸、稀醋酸溶液能使其迅速溶解,不溶于中性水溶液或碱性溶液[15-16]。为更好地了解前处理工艺参数对壳聚糖/棉混纺纱线的影响,本文进行了大量试验研究,对壳聚糖/棉混纺纱线的染色前处理工艺进行优化,以确保混纺纱中壳聚糖含量损失最少[17-18],为壳聚糖/棉混纺纱线的前处理加工工艺提供数据参考。

1 试 验

1.1 材料及仪器

材料:壳聚糖/棉(20/80)混纺纱线(壳聚糖含量为19.40%(乙酸法),壳聚糖脱乙酰度93%,海斯摩尔生物科技有限公司);醋酸(98%,工业用,山东中康国创新材料有限公司);过氧化氢(27.5%双氧水)、碳酸钠(纯碱,工业用,山东海天生物化工有限公司);氢氧化钠(烧碱,工业用,君正能源化工股份有限公司);氨水(25.0%～28.0%,分析纯,莱阳市康德化工有限公司);高效低温精炼剂、皂洗剂(工业用,山东中康国创新材料有限公司)。

仪器:ML204T/02型精密天平(瑞士Mettler Toledo公司);Spectro 1050台式反射和透射分光测色仪(美国Datacolor公司)。

1.2 前处理

1.2.1 纯碱前处理

采用高温碱氧一浴法对壳聚糖/棉混纺纱线进行煮练漂白,工艺处方及条件为高效低温精炼剂3g/L,纯碱0.5～4.0g/L,27.5%双氧水4～10g/L,浴比1∶20,处理温度60～100℃,时间20～60 min,水洗后80 ℃烘干,处理工艺流程见图1。选取工艺中处理温度A、时间B、纯碱用量C设计3个单因素5水平正交试验。

图1 前处理工艺流程图Fig.1 Pretreatment process flow chart

1.2.2 烧碱前处理

采用高温碱氧一浴法对壳聚糖/棉混纺纱线进行煮练漂白,工艺处方及条件为高效低温精炼剂3g/L,烧碱0.5～3.0g/L,27.5%双氧水4～10g/L,浴比1∶20,处理温度60～100℃,时间20～60 min,水洗后80 ℃烘干,处理工艺流程见图1。选取工艺中温度D、时间E、烧碱用量F设计3个单因素5水平正交试验。

2 性能测试

2.1 纱线壳聚糖含量

依据GB/T 35257—2017《纺织品 定量化学分析 壳聚糖纤维与某些其他纤维的混合物(乙酸法)》测试纱线壳聚糖含量。

2.2 纱线物理性能测试

依据GB/T 3916—2013《纺织品 卷装纱 单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定(CRE 法)》测试纱线断裂强力;依据FZ/T 01071—2008《纺织品 毛细效应试验方法》测试纱线毛效芯吸高度。

2.3 纱线白度测试

采用Spectro1050测色仪测试纱线白度,测试条件为D65光源、10°视角,每个样品折叠4层,在不同位置测4次,取平均值。

3 结果与分析

3.1 前处理正交试验结果

前处理工艺以壳聚糖/棉混纺纱线的壳聚糖含量、白度、芯吸高度、单纱断裂强力为判断依据分析各工艺参数,纯碱和烧碱前处理正交试验结果如表1、2所示(未经前处理的混纺纱中壳聚糖含量为19.40%(乙酸法))。

表1 纯碱前处理正交试验表Tab.1 Orthogonal experimental table for soda ash pretreatment

表2 烧碱前处理正交试验表Tab.2 Orthogonal experimental table for caustic soda pretreatment

根据表1、2的试验数据,对壳聚糖含量、单纱断裂强力、白度、芯吸高度分别按单指标进行极差分析和F检验,利用综合平衡法对测得的各项指标进行汇总如表3、4所示,确定整体最优因素组合。

表3 纯碱前处理极差分析汇总表Tab.3 Summary table of range analysis for soda ash pretreatment

表4 烧碱前处理极差分析汇总表Tab.4 Summary table of range analysis for caustic soda pretreatment

纯碱前处理中,处理温度是影响壳聚糖/棉混纺纱线壳聚糖含量、单纱断裂强力、白度、芯吸高度的主要因素,考虑到壳聚糖含量的重要性,前处理温度选定70 ℃为优,继续提高处理温度,纤维白度、芯吸高度会有所提高,但壳聚糖含量下降较多;时间是影响壳聚糖/棉混纺纱线壳聚糖含量、白度、芯吸高度中的次要因素,对其他性能不会产生差异关系,选定50 min为优;纯碱质量浓度在单纱断裂强力、白度中占次要因素,对其他性能均不会产生差异关系,选定4g/L为优。综上,最佳纯碱前处理方案为温度70 ℃,保温时间50 min,纯碱质量浓度4g/L。

烧碱前处理中,处理温度是影响壳聚糖/棉混纺纱线壳聚糖含量、单纱断裂强力、白度、芯吸高度中的主要因素,考虑到壳聚糖含量的重要性,处理温度选定80 ℃为优;处理时间是影响壳聚糖/棉混纺纱线壳聚糖含量、白度、芯吸高度中的次要因素,对其他性能不会产生差异关系,选定50 min为优;烧碱在单纱断裂强力、白度中占次要因素,适量烧碱的加入,可以活化双氧水,加速双氧水分解,但过量烧碱会使得双氧水分解反应过剧,对漂白不利,选定1.5g/L为优。综上,最佳烧碱前处理方案为温度80 ℃,保温时间50 min,烧碱质量浓度1.5g/L。

3.2 双氧水对纱线性能的影响

壳聚糖/棉混纺纱线前处理时要注意加料顺序,根据实际需要调整前处理双氧水用量、处理温度、时间及碱用量。工业用双氧水含有少量酸,在制备或保存过程中会降低混纺纱线中的壳聚糖含量,在前处理过程中应先加碱调整pH值最后滴加双氧水,降低双氧水对纱线中壳聚糖的影响选择最佳前处理工艺条件(70 ℃×50 min×4g/L纯碱;80℃×50 min×1.5g/L烧碱),按1.2节工艺对壳聚糖/棉混纺纱线进行前处理,改变双氧水的质量浓度,探究双氧水对纱线性能的影响。由图2可知,随着双氧水质量浓度的增加,壳聚糖/棉混纺纱线白度快速提升后维持稳定,双氧水质量浓度在6g/L以上时白度变化不明显,此时白度基本达到最大值;随着双氧水质量浓度的增加,壳聚糖含量和单纱断裂强力有下降趋势,双氧水质量浓度在4g/L以后下降速度变快,综合各因素考虑,试验采用4g/L的双氧水对壳聚糖混纺纤维进行前处理。

图2 双氧水质量浓度对纱线性能的影响Fig.2 Effect of hydrogen peroxide dosage on yarn performance. (a) Pretreatment of soda ash; (b) Pretreatment of caustic soda

实际生产中,纱线染浅色时对白度要求较高,因此最佳前处理方案为烧碱前处理,处理条件为80 ℃,50 min,烧碱1.5g/L,H2O24g/L;染中深色时可以降低白度指标提高壳聚糖含量,最佳前处理方案为纯碱前处理,处理条件为70 ℃,50 min,纯碱4g/L,H2O24g/L;在保证壳聚糖含量的前提下,尽量提高纱线的白度、芯吸高度与单纱断裂强力,便于之后的染色与织造。

4 结 论

壳聚糖纤维具有优良的抗菌性,环保可降解,与棉纤维混纺具有优良的服用性能,但前处理工艺的不当易引起混纺纱线中壳聚糖的损失,降低纱线整体性能。为探究壳聚糖/棉混纺纱线的最优前处理工艺,研究了前处理工艺中纯碱用量、烧碱用量、处理温度及时间对壳聚糖/棉混纺纱线性能的影响,主要结论如下:

①前处理正交试验结果显示,处理温度在前处理中是主要因素,对混纺纱线的性能影响最大;其次是碱的种类及用量,经烧碱前处理的纱线白度更高,经纯碱处理的纱线白度较低,但壳聚糖含量较烧碱处理降低更少;处理时间对混纺纱线的性能影响最小。

②对于染浅色的混纺纱线,最佳前处理工艺为1.5g/L烧碱、4g/L H2O2,80 ℃,50 min;对于染中深色的混纺纱线,可以降低白度指标以提高壳聚糖含量,最佳前处理工艺为纯碱4g/L、H2O24g/L,70 ℃,50 min。