酸性染料對羊毛粉體／粘膠共混纖維染色研究

李高雯，李文斌

（1.武漢紡織大學，湖北 武漢430200；2.東華大學，上海201620）

近年來，國內(nèi)外科學家都在不斷研究如何利用廢棄紡織原料再生和開發(fā)新的原料，以往人們對廢棄羊毛進行回收利用的主要方式是使纖維形態(tài)不發(fā)生改變［1］，如毛紡廠的廢毛經(jīng)過開松、粗梳、紡紗，在劍桿織機上作為緯紗來織造斜紋織物［2］。近幾年，國內(nèi)外正研究將羊毛角蛋白制備成角蛋白高分子溶液，用于蛋白質(zhì)再生纖維、生物膜的制備和蛋白涂層材料的生產(chǎn)等［3］。

本文的羊毛粉體／粘膠共混纖維是蛋白質(zhì)纖維素共混纖維，其中纖維素為主要成分，羊毛粉體是以廢棄羊毛為原料制得超細羊毛粉體，采用濕法紡絲將超細羊毛粉體分散液與粘膠原液共混紡絲，制得以粘膠為基體的材料，以超細羊毛粉體為增強材料的纖維素蛋白質(zhì)纖維，兼具蛋白質(zhì)纖維和纖維素纖維的優(yōu)點，具有毛感及良好的彈性、吸濕性、耐腐蝕性、蓬松性等，且原料來源廣泛，使廢棄羊毛得到有效應用，既保護環(huán)境又節(jié)約成本，具有廣泛的市場前景。

1 實驗部分

1.1 材料及設備

材料：羊毛粉體含量分別為0（普通粘膠纖維）、5%、10%、15%、20%的羊毛粉體／粘膠共混纖維（山東海龍股份有限公司），酸性大紅GR（武漢申試化工儀器網(wǎng)絡有限公司），滲透劑JFC，無水硫酸鈉，檸檬酸，磷酸氫二鈉（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）。

設備：YP5002型電子天枰（上海佑科儀器儀表有限公司），XH－KG55B型染色機（佛山航星科技有限公司），UV－2550型紫外可見分光光度計（日本島津）。

1.2 試驗方法

1.2.1 預處理

稱取纖維每份重1g，將纖維用2g／L的滲透劑JFC在80℃下，浴比為1∶50，處理30min，洗凈，放在蒸餾水中待用。

1.2.2 染色工藝

染色方法：染料2%（owf），無水硫酸鈉20g／L，檸檬酸和磷酸氫二鈉緩沖劑調(diào)節(jié)pH值，浴比1∶50，40℃始染，以2℃／min的速度升溫至90℃后保溫60 min，水洗、晾干。

圖1 染色工藝曲線

1.3 性能測試

1.3.1 上染速率

染色條件如表1所示，當染液溫度升至90℃時，迅速加入纖維進行染色，分別按照規(guī)定時間取出1ml染液用于測試吸光度，并加1ml蒸餾水于原染液繼續(xù)染色，由此得出染不同時間的上染率。將上染百分率對時間關系作圖，得到上染速率曲線。

表1 染色條件

1.3.2 上染百分率

上染百分率E采用殘液比色法，利用紫外分光光度計測定染液吸光度，按式（1）計算E［4］：

式中，A0為染色原液吸光度；A1為染色殘液吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 上染速率

在相同條件下，酸性大紅GR在羊毛粉體含量分別為0、5%、10%、15%、20%的羊毛粉體／粘膠共混纖維上的上染速率曲線如圖2所示。

圖2 羊毛粉體／粘膠共混纖維上染速率曲線

如圖2所示，酸性大紅GR對羊毛粉體含量分別為0、5%、10%、15%、20%的羊毛粉體／粘膠共混纖維的上染都是很快達到平衡，染色前5min上染率均迅速上升，之后隨著時間的變化上染率均有緩慢的上升，但總體而言上染率變化不大；當染色20min時，各共混纖維都基本達到上染平衡。在相同的染色時間下，羊毛粉體含量越高的共混纖維上染率越大，但羊毛粉體含量超過一定值后上染率減小，酸性大紅GR對羊毛粉體含量為0的粘膠纖維上染率遠小于其他共混纖維的上染率。

羊毛粉體／粘膠共混纖維是由羊毛蛋白和粘膠共混而成的復合纖維，其化學組成是蛋白質(zhì)和纖維素，在酸性條件下，蛋白質(zhì)纖維中所含的氨基正離子可很快的和染料中的陰離子發(fā)生離子鍵結(jié)合，因此酸性大紅GR對羊毛粉體／粘膠共混纖維的上染可很快達到平衡，而纖維素纖維不能形成正離子導致染料陰離子不能很好的上染纖維［5］，所以酸性大紅GR對羊毛粉體／粘膠共混纖維的上染率高于粘膠纖維的上染率，且羊毛粉體含量越高，共混纖維的上染率越大。由于染料上染纖維主要是在纖維的無定形區(qū)，染料分子很難進入纖維的結(jié)晶區(qū)，羊毛粉體含量過高，共混纖維中的蛋白質(zhì)成分會形成新的結(jié)晶導致染料更難與纖維中的蛋白質(zhì)成分發(fā)生反應，因此羊毛粉體含量為20%的共混纖維的上染率小于羊毛粉體含量為15%的共混纖維的上染率。

2.2 溫度對上染率的影響

不同溫度下，其余工藝參數(shù)均相同時，酸性大紅GR在羊毛粉體含量分別為0、5%、10%、15%、20%的羊毛粉體／粘膠共混纖維上的上染率曲線如圖3所示。

圖3 不同溫度下羊毛粉體／粘膠共混纖維的上染率曲線

由圖3可知，當染色溫度在60～95℃之間變化時，羊毛粉體／粘膠共混纖維的上染率均隨著溫度的升高而先增大后減小，當溫度在90℃時，各共混纖維的上染率均達到最大值，溫度繼續(xù)升高，上染率減小，總體而言溫度對酸性大紅GR在羊毛粉體／粘膠共混纖維上的上染率的影響并不大。在相同溫度下，羊毛粉體含量越高的共混纖維的上染率越大，但羊毛粉體含量超過一定值后上染率減小。

雖然溫度對酸性大紅GR在羊毛粉體／粘膠共混纖維上的上染率的影響不大，在較低溫度下各羊毛粉體含量的共混纖維均可獲得較大的上染率，但染色溫度低將導致染料發(fā)生聚集，染料聚集體吸附在纖維表面將影響其色牢度，酸性大紅GR上染羊毛粉體／粘膠共混纖維的適合溫度為90℃。

2.3 中性電解質(zhì)用量對上染率的影響

實驗所用中性電解質(zhì)為無水硫酸鈉（元明粉），其余工藝參數(shù)均相同時，不同中性電解質(zhì)用量下，酸性大紅GR在羊毛粉體含量分別為0、5%、10%、15%、20%的羊毛粉體／粘膠共混纖維上的上染率曲線如圖4所示。

圖4 不同元明粉用量羊毛粉體／粘膠共混纖維的上染率曲線

由傳統(tǒng)的酸性染料上染蛋白質(zhì)纖維理論可知，當pH值小于等電點時，中性電解質(zhì)在蛋白質(zhì)纖維酸性染料染色時起緩染作用，可降低染料的上染速度和上染量；當pH值大于等電點時，中性電解質(zhì)在蛋白質(zhì)纖維酸性染料染色時起促染作用，可提高染料的上染速度和上染量。酸性染料染羊毛粉體／粘膠共混纖維時，染料主要與纖維中的蛋白質(zhì)成分反應，而羊毛纖維的等電點在4.2～4.8范圍內(nèi)，實驗染色pH值為4，小于羊毛纖維的等電點，因此中性電解質(zhì)在染色中起緩染作用。

由圖4可知，當元明粉用量為5g／L時，羊毛粉體／粘膠共混纖維的上染率均最大，增加元明粉用量上染率減小，元明粉在染色中起緩染作用，即電解質(zhì)中的陰離子與染料陰離子對蛋白質(zhì)中的氨基正離子發(fā)生競?cè)荆側(cè)咀饔媒档腿玖系奈搅浚?］，元明粉用量為10 g／L時的上染率較小。繼續(xù)增加元明粉用量，各共混纖維的上染率略有上升，元明粉用量增加，鈉離子的量也隨之增加，鈉離子可屏蔽纖維上的電負性和染料陰離子之間的靜電斥力，增大了染料對纖維的直接性，所以上染率略有上升。但當元明粉用量超過20g／L時，各共混纖維的上染率又都下降，元明粉用量過大，會影響染料在染液中的溶解度，導致染料產(chǎn)生聚集，從而降低上染率。實驗表明，在強酸性條件下，酸性大紅GR上染羊毛粉體／粘膠共混纖維時，元明粉用量為5g／L時，羊毛粉體／粘膠共混纖維的上染率最大。

2.4 pH值對上染率的影響

不同pH值下，其余工藝參數(shù)均相同時，酸性大紅GR在羊毛粉體含量分別為0、5%、10%、15%、20%的羊毛粉體／粘膠共混纖維上的上染率曲線如圖5所示。

圖5 不同pH值下羊毛粉體／粘膠共混纖維的上染率曲線

如圖5所示，染液的pH值對酸性大紅GR的上染率有很大的影響。當pH＝4～6時，隨著pH值的降低，羊毛粉體／粘膠共混纖維的上染率均上升，酸性染料正常染色應該在等電點以下或等電點附近進行［7］，羊毛纖維的等電點在4.2～4.8，當pH＝4時酸性大紅GR對共混纖維的上染率最大；繼續(xù)降低pH值，上染率不再上升，因為當染液的pH值低于等電點時，酸性染料與纖維發(fā)生離子鍵結(jié)合，結(jié)合量隨pH值的降低而增加，當pH值降到一定數(shù)值后，染料上染量將達到飽和；但當pH值降到很低時，上染率又迅速上升，發(fā)生了超當量吸附，由于pH值較低時氫離子吸附在酰胺基上引起的，當pH值很低時，酰胺鍵會發(fā)生水解生成新的氨基從而吸附氫離子，也是導致過量吸附的原因，除此之外染料分子與纖維之間的范德華力和氫鍵也是造成超當量吸附的重要原因［8］。因此，當pH＝2時不同羊毛粉體含量的共混纖維的上染率迅速上升。

在不同pH值下，各羊毛粉體含量的共混纖維的上染率曲線形狀相似，其中羊毛粉體含量為0的粘膠纖維上染率最低，且pH值的變化對該纖維的影響不大，該纖維的上染率始終較低，由于酸性染料主要上染蛋白質(zhì)纖維，不容易上染纖維素纖維。隨著羊毛粉體含量的增加，酸性大紅GR在共混纖維上的上染率也增大，羊毛粉體含量越多，則纖維中所含的氨基正離子越多，從而與染料分子的陰離子水溶性基團形成的離子鍵結(jié)合量越大，上染率越高；但當羊毛粉體含量過多時，上染率反而下降，由于染料分子很難進入結(jié)晶區(qū)，羊毛粉體含量過高，共混纖維中的蛋白質(zhì)成分會形成新的結(jié)晶，從而染料分子更難進入纖維內(nèi)部。羊毛粉體含量為20%的羊毛粉體／粘膠共混纖維的上染率低于羊毛粉體含量為15%的羊毛粉體／粘膠共混纖維的上染率。

3 結(jié)論

（1）羊毛粉體／粘膠共混纖維的上染速率快，染色5 min時上染率迅速上升，染色20min時基本達到上染平衡。

（2）不同溫度、元明粉用量和pH值下，羊毛粉體含量分別為0、5%、10%、15%、20%的羊毛粉體／粘膠共混纖維的上染率曲線形狀相似，表現(xiàn)出相似的上染規(guī)律，其中羊毛粉體含量為15%的羊毛粉體／粘膠共混纖維的上染率相對較高。

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