堿處理對木棉纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)及靛藍(lán)染色性能影響

梅 帆，甘厚磊，陳玉波，左丹英，鄭曉靜，易長海,

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堿處理對木棉纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)及靛藍(lán)染色性能影響

梅 帆1，甘厚磊1，陳玉波2，左丹英1，鄭曉靜1，易長海1,2*

(1 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430073；2 廣東省均安牛仔服裝研究院，廣東 佛山 528329)

通過對木棉纖維進(jìn)行常溫和高溫堿處理，測試了纖維的失重率及吸濕率，采用掃描電鏡、紅外光譜、X-衍射光譜、紫外光分光光度儀等分析手段，研究了常溫堿處理和高溫堿處理對木棉纖維表面形態(tài)、化學(xué)結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度及靛藍(lán)的上染率的影響。結(jié)果表明，堿處理后的木棉纖維重量下降、吸濕率降低，當(dāng)堿液濃度為1 g/L-15 g/L，90℃堿處理后的木棉纖維的上染率較30℃堿處理后的纖維的上染率低。

木棉纖維；堿處理；靛藍(lán)染料；染色性能

木棉作為一種天然纖維，是我國棉花纖維總量不足的重要補(bǔ)充。在我國國民經(jīng)濟(jì)中作用明顯。而且木棉纖維自身具有綠色生態(tài)、中空超輕、保暖性好、天然抗菌、吸濕導(dǎo)濕等優(yōu)良特性。[1-3]

現(xiàn)階段對木棉的研究主要集中在其結(jié)構(gòu)分析上[4, 5]，木棉的染色文章較少，有關(guān)于木棉的直接染料染色和活性染料染色研究[6-9]，但木棉的靛藍(lán)染色還未見報(bào)道。由于木棉纖維表面存在脂肪蠟等異質(zhì)物，親水性質(zhì)差，試劑可及度差，在使用過程中需要進(jìn)行預(yù)處理，提高浸潤性能，以方便染整加工，迄今為止，仍無成熟的木棉處理工藝[10]。本文研究了堿處理對木棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)及靛藍(lán)染色的性能影響，為木棉纖維的應(yīng)用研究提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

木棉纖維：上海攀大實(shí)業(yè)(集團(tuán))有限公司提供；燒堿：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；保險(xiǎn)粉：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；濃硫酸：分析純，98%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；皂粉：市購；靛藍(lán)染料：固體顆粒，工業(yè)用，廣東省均安牛仔服裝研究院提供。

1.2 木棉纖維堿處理

按浴比（纖維：水）=1:100，配制1g/L，3g/L，5g/L，7g/L，9g/L，12g/L，15g/L不同濃度的氫氧化鈉溶液，取一定量的木棉纖維浸漬到配制的堿液中，分別在30℃與90℃下保溫1小時(shí)，水洗3次后置于70℃烘箱中干燥。

1.3 木棉纖維靛藍(lán)染色

配置7g/L氫氧化鈉，1g/L靛藍(lán)，3.5g/L保險(xiǎn)粉的靛藍(lán)染液，在60℃恒溫振蕩器中還原30min后，稱取一定量的經(jīng)堿處理后的木棉纖維，浸漬在30℃的染液中染5min，之后將纖維在空氣中氧化15min，60℃的熱水中清洗一次，冷水洗三次，去除纖維表面的浮色，在80℃的恒溫箱中烘干。

1.4 測試方法

靛藍(lán)染料標(biāo)準(zhǔn)工作曲線：參照文獻(xiàn)[11]的方法，采用日本島津公司生產(chǎn)的UV2550型紫外-可見光分光光度計(jì)測定不同濃度下的靛藍(lán)溶液的吸光度（濃硫酸為溶劑），繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。

上染率的測定：取濃硫酸溶解染色后的木棉纖維，測出吸光度。將測出的染液吸光度與標(biāo)準(zhǔn)曲線比較，最后算出上染率。其計(jì)算公式如下：上染百分率（%）= (C1/C0)×100%。

式中：C0為初始染料濃度，C1為染色后纖維上染料的濃度。

木棉纖維堿處理后的失重率與吸濕率：處理前纖維烘干后的重量為W0（g），將纖維放在溫度20℃，濕度為65%的恒溫室中平衡48h，稱纖維的重量為W1（g），堿處理纖維洗凈烘干后的重量為W2（g），堿處理的纖維在溫度20℃，濕度為65%的恒溫室中48h后稱其重量為W3（g）。

原木棉的吸濕率（%）=（W1-W0）/W0×100%

堿處理后纖維的吸濕率（%）=（W3-W2）/W2×100%

堿處理后纖維的失重率（%）=︱W2-W0︱/W0×100%

木棉纖維微觀形態(tài)分析（SEM）：采用日本電子公司生產(chǎn)的JSM6510型電子掃描電鏡觀察堿處理后的纖維縱向形態(tài)結(jié)構(gòu)。將堿處理后的木棉纖維粘貼在樣品臺上，噴金鍍膜。制作好的樣品放入掃描電鏡內(nèi)，放大2000倍觀察。

木棉纖維紅外光譜分析：采用德國布魯克公司生產(chǎn)的Tensor 27型傅里葉變換紅外光譜儀對堿處理后的木棉纖維進(jìn)行測試[12]。KBr壓片，透射，分辨率4cm-1，掃描次數(shù)64。

木棉纖維結(jié)晶性能分析：采用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的D/ Max B型X射線衍射儀對經(jīng)堿處理后的木棉纖維進(jìn)行測試。Cr靶，Ni濾波，管壓為25kV，管流為30mA，掃描范圍0-50度。

2 結(jié)果與討論

2.1 木棉纖維堿處理后的失重率與吸濕率

表1 30℃和90℃不同濃度堿處理后木棉纖維的失重率（%）

表2 30℃和90℃不同濃度堿處理木棉纖維后纖維的吸濕率（%）

由表1、表2可知，木棉纖維分別經(jīng)過30℃和90℃堿處理后，木棉纖維的重量和吸濕率總體呈現(xiàn)下降趨勢。由表1可見，在1g/L-15g/L堿液濃度下，溫度為30℃時(shí)纖維的失重率隨著堿液濃度的增大而升高，90℃時(shí)纖維的失重率較為穩(wěn)定，保持在4.5%附近。由表2可見，纖維的吸濕率隨著堿液濃度的增加總體有下降。測試未經(jīng)堿處理木棉纖維的吸濕率10.02%。

2.2 堿處理對木棉纖維微觀形貌的影響

圖1為溫度30℃下不同堿處理濃度下的木棉纖維的電鏡圖（堿處理時(shí)間1h，堿液濃度為1g/L，5g/L，15g/L）。圖2為溫度90℃下，不同堿處理濃度下的木棉纖維的電鏡圖（堿處理時(shí)間1h，堿液濃度為1g/L，5g/L，15g/L）。

圖1 30℃堿處理后的木棉纖維縱向結(jié)構(gòu)電鏡圖

由圖1可知，堿處理對木棉纖維表面微觀形貌有一定的影響，對比圖1（a）至1（c）可知，隨著堿處理濃度的增加，木棉纖維表面變得粗糙，纖維表面有部分的破壞。當(dāng)堿處理濃度為1g/L時(shí)（如圖1（a）所示），纖維的表面光滑，圖1（b）纖維的表面出現(xiàn)輕微皺紋，圖1（c）纖維的表面凹凸不平的斑痕和坑穴，并伴有破損。這可能是由于木棉纖維表面的蠟質(zhì)，木質(zhì)素等，在堿液中發(fā)生部分溶解與降解，使得纖維粗糙[5]。由圖2可知，隨著堿處理濃度的增加，木棉纖維表面越來越粗糙，并變?yōu)楸馄綘睢?/p>

圖2 90℃堿處理后的木棉纖維縱向結(jié)構(gòu)電鏡圖

比較圖1和圖2可知，相同堿處理濃度及相同堿處理時(shí)間條件下，堿處理溫度高時(shí)，木棉纖維表面破壞程度越高。這可能是由于高溫加速了堿對木棉纖維表面蠟質(zhì)、木質(zhì)素、纖維素等的反應(yīng)，使木棉纖維表面的非結(jié)晶區(qū)域和結(jié)晶有缺陷的大分子鏈被堿水解溶蝕，產(chǎn)生斑痕和坑穴，甚至破裂[13]。

2.3 堿處理對木棉纖維紅外光譜的影響

采用紅外光譜分析了原木棉及用堿處理后木棉的微觀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 原木棉及堿處理后的木棉纖維的紅外光譜圖

注: a-原木棉纖維,b-30℃,1g/L堿處理后的木棉纖維,c-30℃,15g/L堿處理后的木棉纖維,d-90℃,1g/L堿處理后的木棉纖維,e-90℃,15g/L堿處理后的木棉纖維

圖4 原木棉及堿處理后的木棉的X衍射曲線圖

注：a-原木棉纖維,b-30℃,1g/L堿處理后的木棉纖維,c-30℃,15g/L堿處理后的木棉纖維,d-90℃,1g/L堿處理后的木棉纖維,e-90℃,15g/L堿處理后的木棉纖維

圖5 木棉纖維的上染率

由圖3可知，3400cm-1左右為纖維素羥基的伸縮振動峰，2900 cm-1附近的吸收峰是C-H的伸縮振動峰，1730cm-1左右為木質(zhì)素羰基的伸縮振動峰。對比圖3a至圖3c可知，隨著堿處理濃度的增加，1730cm-1左右羰基的特征峰強(qiáng)度變小，這可能是由于堿處理過程中木質(zhì)素發(fā)生部分降解。比較圖3a，3d，3e也出現(xiàn)同樣的結(jié)果，且圖3e 中1730cm-1左右羰基的特征峰基本消失。對比圖3c，3e可知，其他條件相同時(shí)，堿處理溫度高，1730cm-1左右羰基的特征峰強(qiáng)度越低。說明堿液可以溶解木棉纖維中的木質(zhì)素，但纖維素對應(yīng)的主峰位置沒有發(fā)生變化[13]。

2.4 堿處理對木棉纖維結(jié)晶度的影響

圖4為原木棉及堿處理后的木棉的X-衍射曲線圖。由圖4可知，堿處理前后的木棉纖維的特征衍射峰位置基本相同，分別在2θ為15.47和22.48時(shí)出現(xiàn)特征峰。通過分峰計(jì)算法計(jì)算得a的結(jié)晶度為48.34%，b為49.67%，c為45.16%，d為33.16%，e為43.17%?？傮w來說，木棉纖維堿處理后的結(jié)晶度下降。NaOH溶液不僅破壞纖維的非結(jié)晶區(qū)，同時(shí)對纖維內(nèi)部的晶胞也有破壞作用，因此纖維的結(jié)晶度降低。

2.5 堿處理對木棉纖維靛藍(lán)染色性能的影響

圖5為經(jīng)不同堿濃度處理后木棉纖維靛藍(lán)染色上染率。從圖5可知，與未處理木棉纖維的上染率相比，30℃溫度不同濃度堿處理的木棉纖維纖維上染率有所提高，90℃溫度堿處理的纖維上染率降低，但是變化不是很明顯。低溫時(shí)纖維的上染率升高是因?yàn)閴A液去除纖維表面的蠟質(zhì)，染料更易滲透。提高堿處理溫度，纖維的上染率反而下降。這是由于靛藍(lán)染色時(shí)，一方面通過靛藍(lán)隱色體向纖維內(nèi)部擴(kuò)散，另一方面靛藍(lán)隱色體分子被纖維素吸附。高溫堿處理后纖維，木棉纖維圓形中腔結(jié)構(gòu)在堿處理過程中受到破壞，纖維截面由圓形變?yōu)楸馄綘?，不利于隱色體分子向纖維內(nèi)部擴(kuò)散而且染料與纖維接觸的比表面積減少，另一方面堿與纖維素反應(yīng)，減少了隱色體分子的吸附，因此上染率較低。

3 結(jié)論

（1）堿處理木棉纖維后，纖維的重量、吸濕率降低。（2）當(dāng)堿液濃度為1g/L-15 g/L，90℃堿處理后的木棉纖維的上染率較30℃堿處理后的纖維的上染率低。說明高溫堿處理木棉纖維不利于纖維靛藍(lán)染色。（3）當(dāng)堿液濃度相同時(shí)，高溫對木棉纖維的表面結(jié)構(gòu)破壞更嚴(yán)重，隨著堿處理濃度和堿處理溫度的增加，木棉纖維中的羰基特征峰強(qiáng)度降低，結(jié)晶度隨堿液濃度增加整體降低。

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Effect of Morphological Structure and Indigo Dyeing Properties of Kapok Fiber by Alkaline Treatment

MEI Fan1, Gan Hou-lei1, CHEN Yu-bo2, ZUO Dan-ying1, ZHENG xiao-jing1, YI Chang-hai1,2

(1. School of Textile Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China; 2. Guangdong Jun’an Jeans Research Institute, Fushan Guangdong 528329, China)

At room temperature and high temperature alkali treatment to kapok fiber, meaturing fiber’s weight loss and moisture absorption, using infrared spectroscopy, scanning electron microscopy, X-diffraction spectrum, dyeing rate and other analytical tools, study the influence on kapok fiber’s surface morphology, chemical structure, crystallinity and UV-spectrophotometry.The results show that fiber’s weight loss and moisture absorption decreases and when alkali concentration ranged from 1g/L to 15 g/L, dye uptake rate at 90℃ is lower than treatment at 30℃. Kapok fiber’s surface shows noticeable grooves at high temperature alkali treatment.

Kapok Fiber; Alkali Treatment; Indigo Dye; Dyeing Property

易長海（1968-），男，教授，博士，研究方向：新型紡織品設(shè)計(jì).

國家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目（2012CB722701）.

TS102.212

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2095－414X(2014)03－0001－04