還原染料染聚乳酸纖維的優(yōu)化

摘 要 本文對還原染料上染聚乳酸纖維進行了研究。用還原染料上染纖維素纖維的傳統(tǒng)方法同樣也適用于聚乳酸纖維的染色。很明顯，溫度過高和助劑濃度過高都會對染料上染聚乳酸纖維的性能產(chǎn)生負面效應。對最佳染色工藝條件的調(diào)查研究，我們發(fā)現(xiàn)，染料和助劑的最佳濃度，可以通過簡單的線性方程實驗估算。

關鍵詞 聚乳酸；還原染料；染色

中圖分類號 TQ619 文獻標識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)062-0216-02

1 介紹

近年來，聚乳酸作為一種纖維材料，在工業(yè)領域引起了廣泛關注。聚乳酸纖維最吸引人的特性是能進行生物降解。可進行生物降解的聚合物，如聚乳酸，脂肪族聚酯，聚己內(nèi)酯等，有一個性質(zhì)是在真菌適當作用下降解為二氧化碳和水。這意味著，可生物降解的聚乳酸纖維適合于溫和的環(huán)境，即使纖維是在自然環(huán)境中。另一個吸引人的特性是起始原料。聚乳酸纖維是由淀粉合成的，這種淀粉的收割周期是一年，并且不需要任何礦物燃料。同時，合成聚乳酸纖維而消耗的這種淀粉用量還不到世界總產(chǎn)量的0.02%。因此，生產(chǎn)聚乳酸纖維不會造成糧食危機，即使他們的產(chǎn)量在將來大幅增加。此外，最近的高科技使聚乳酸纖維的生產(chǎn)也能從其他植物，如甘薯中獲得。因此，聚乳酸纖維適合于天然資源有限的將來。

在這種情況下，目前作為人造合成纖維取代物的聚乳酸纖維的需求量將會大大增加。事實上，聚乳酸纖維的特性與人造合成纖維相似。例如，纖維的初始性能，如密度，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，纖維強度，楊氏模量等都與PET和尼龍相似。此外，聚乳酸纖維的染色過程也類似于合成纖維。聚乳酸纖維的染色，一般都是由分散染料在高溫和高壓下上染的，因為聚乳酸纖維對于常規(guī)水溶性染料的親和力較低。但是，用染天然纖維的染料來上染聚乳酸纖維的工藝尚未能實現(xiàn)?？紤]到將來聚乳酸纖維需求量的增加，用天然纖維合成制造的織物也會增加。因此，聚乳酸纖維的功能整理與天然纖維的染色是亟待解決的重要課題。在前一課題中，用于紡織加工的聚乳酸纖維，是在近年開始進行調(diào)查研究的。我們以前的報道也討論了酶對聚乳酸纖維處理的可能性。另一方面，只有少數(shù)關于還原染料上染聚乳酸纖維的可能性的報告。但是有關聚乳酸纖維的染色工藝條件的詳細信息還不明確。

本文研究的目的是積累傳統(tǒng)的還原染料上染聚乳酸纖維的基本知識。為了實現(xiàn)這一目標，我們對靛藍染料上染聚乳酸纖維的染色能力進行了研究。本文對助劑和染色條件對染色性能的影響進行了討論。

2 實驗

2.1 化學藥品

經(jīng)煮練過的聚乳酸纖維面料來自嘉娜寶GOHSEN有限公司。在準備每個實驗使用它們之前，都必須在水中煮沸1個小時。靛藍染料和助劑來自Nacalai特克有限公司。所有其他化學品（關東化工有限責任公司）都是作為反應物級別的試劑被使用。

2.2 實驗過程

將處方中一定量的靛藍染料溶解在等量的乙醇中，然后準確量取一定量的NaOH，Na2S2O3和煮沸的蒸餾水加入攪拌。當?shù)逅{染料被還原成隱色體形式后，將染料溶液倒入一個不銹鋼容器缸染色，直到染色容器中充滿了染料溶液。染色容器的容量為

500 ml。待染液達到設定溫度后，將聚乳酸織物標本浸入染色容器中并完全密封，與外界氣體隔絕。在精確的溫度和時間下使用MINI-COLOUR12E（TEXAM有限公司）進行染色。浴比調(diào)整為1:50。染色后，將織物標本在空氣流中烘干整晚使之完全氧化。并且在有馬賽皂（1g/L）存在的沸水中皂洗10分鐘，以洗掉織物上未上染的染料。染色織物顏色深度的評估是通過染色纖維的反射系數(shù)測定的，使用的是美能達CM-1000分光光度計（照明直徑：12毫米）的D65光源下使用10°分析。顏色深度，即K/S值，用KubelkaeMunk公式計算：

K/S=（1-R2）/2R

R是在最大吸收波長處纖維的反射系數(shù)。

3 結(jié)果與討論

圖1顯示的是染色溫度與聚乳酸纖維的染色顏色深度的關系曲線。在這種情況下染色1小時，聚乳酸纖維的染色顏色深度從330K左右的溫度開始上升，直至穩(wěn)定在一個較高溫度下而不再發(fā)生變化。根據(jù)無定形區(qū)域的分子動力學，溫度的升高能明顯加快分子的運動，從而促使染料分子更容易進入纖維中。完全可染的溫度與聚乳酸的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度一致。當纖維之間的空隙擴大到一定的程度，其對染料的滲透沒有不良影響，但進一步的擴大不能顯著的提高染料的染色性能。這些結(jié)果表明，從節(jié)能的角度看，在373K下染色，是獲得高得色量的最低溫度。

圖2顯示了在373K溫度下，染色時間對染色性能的影響。聚乳酸纖維染色的顏色深度隨時間增加而逐漸降低。這些結(jié)果與傳統(tǒng)的染色過程完全不同。一般說來，染色織物的顏色深度將隨著時間的增加而增加，直到染色達到平衡。染色達到平衡后，染色織物的顏色深度就不會發(fā)生變化。在本文研究中，染色織物染色深度的下降，是由于染料對纖維親和力的下降或相反的親和性。涉及到的纖維親和力下降的問題，在高溫下延長染色時間可能會引起聚乳酸纖維表面特性的變化。眾所周知，聚乳酸纖維在標準大氣壓下的軟化溫度是400 K。另一方面，聚乳酸纖維的表面軟化溫度可能會降低。因為此實驗是在一個封閉的染色容器中進行，其壓力應該比一個開放的容器壓力要大。因此，在一個不相適的條件下延長染色時間可能會導致染料染色性能下降。第二個考慮的因素是染料對纖維親和力的下降。一部分的隱色體可在此染色條件下分解。與氧氣的化學反應可能是隱色體分解的一個主導的因素。然而，這項研究是在封閉系統(tǒng)中進行染色，從而避免了氣體。因此，隱色體通過與氣體的化學反應而發(fā)生分解的可能性很小。另外，熱分解的可能性增加。長時間在高溫條件下染色，可能導致隱色體的穩(wěn)定性下降。為了在不引起染料染色性能下降的條件下避免隱色體的熱分解，調(diào)節(jié)染色溫度與染色時間是必要的。

圖3顯示聚乳酸纖維在不同的染料濃度下顏色深度的變化。在這種情況下，助劑（NaOH和Na2S2O3）濃度保持不變。如圖3所示，當染料濃度達到大約5%owf時，K/S值達到最大值。然后，在高濃度染料下，顏色深度開始下降。這些結(jié)果與傳統(tǒng)的染色過程完全不同。染料與助劑的化學計量關系似乎在這個系統(tǒng)中決定了染料的染色性能。為了評估助劑對聚乳酸纖維染色效果的影響，我們對改變助劑濃度進行了類似的研究。

圖4顯示的是在NaOH濃度不變的情況下，Na2S2O3濃度對染色性能的影響。Na2S2O3的加入是為了得到最深的著色深度，Na2S2O3的用量隨著靛藍濃度的增加而增加。自然，需要大量的Na2S2O3去還原大量的靛藍分子。但是，過量的Na2S2O3又會對染色性能產(chǎn)生負面影響。聚乳酸纖維的顏色深度在達到最大值后開始下降，然后保持不變。這些結(jié)果與靛藍分子的過還原相關。由于過量Na2S2O3的存在可能會引起染色系統(tǒng)中隱色體的過度還原。因此，纖維的親和力下降或隱色體遭到破壞都可能會出現(xiàn)。此外，在高溫下的染色還可能參與到染料的分解中去。這些假設與改變NaOH用量的實驗結(jié)果一致。

圖5顯示了在Na2S2O3濃度不變的情況下，NaOH濃度對聚乳酸纖維上染性能的影響。如圖5所示，顏色深度的變化曲線與圖4類似。然而，在NaOH某一高濃度范圍內(nèi)變化時，染色織物的顏色深度下降非常顯著。特別是，用5%owf靛藍上染的織物的顏色深度下降到接近零。這些結(jié)果表明，染液中隱色體完全分解到一定程度后將不再發(fā)生變化。再次，從這些結(jié)果中看出，靛藍染料與助劑之間的計量關系對于聚乳酸纖維上染達到最佳效果是很重要的。

圖6顯示了靛藍染料和助劑（NaOH和Na2S2O3）最佳濃度之間的關系。助劑的最佳濃度是由一定染料濃度下獲得最深顏色深度來決定的。如圖6所示，染料濃度與助劑濃度之間呈現(xiàn)線性關系。此外，實心曲線的外推法數(shù)據(jù)與坐標軸完全一致。這表明，在染料濃度很低的情況下，即使沒有強堿性的條件，也會造成聚乳酸纖維上染料的還原和吸附。在另一方面，可知空心點曲線外推不能通過坐標軸，有個正截距。Na2S2O3與O2反應而被消耗可能會導致對Na2S2O3的用量增加。此外，Na2S2O3的熱分解也可能與此有關。

這些結(jié)果表明，聚乳酸纖維的最佳染色條件似乎是用簡單的實驗方程確定的。更可靠的經(jīng)驗公式還有待對染色溫度和時間的研究得到。

4 結(jié)論

本文對用傳統(tǒng)的靛藍染料上染聚乳酸纖維的可能性進行了研究。用類似還原染料上染纖維素纖維的方法，可以將深色上染到聚乳酸纖維上。高濃度范圍內(nèi)的助劑對染料染色性能的影響是顯著并且不利的。染料和助劑的最適宜濃度能夠通過簡單的實驗方程來估算。

由于優(yōu)良的性能，如優(yōu)良的纖維屬性和對環(huán)境的友好性，聚乳酸纖維作為一種纖維材料在將來的需求量一定會大大增加。本文研究獲得的基本數(shù)據(jù)對上染各種聚乳酸纖維面料將變得十分具有價值。

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作者簡介

李洪昊(1987-），男，山西大同人，天津城市建設學院本科生，研究方向：材料化學。