TBLC在棉纖維低溫漂白中的作用機(jī)理及應(yīng)用性能

武守營+許長海+胡嘯林

摘要：通過向過氧化氫水溶液中加入漂白活化劑，可形成活化過氧化氫體系，產(chǎn)生更加活潑的過氧酸，對(duì)棉纖維在溫和條件下進(jìn)行漂白。N-[4-（三乙基銨甲撐）苯?；鵠內(nèi)酰胺氯化物（TBLC）是一類新型漂白活化劑，可以在低溫、近中性條件下起作用。本文重點(diǎn)介紹了TBLC對(duì)過氧化氫的活化作用機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，提出了基于TBLC活化過氧化氫體系構(gòu)建棉纖維低溫漂白工藝的新思路，并對(duì)未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：棉纖維；漂白；過氧化氫；漂白活化劑

中圖分類號(hào)：TS192.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Application of TBLC in Low-temperature Bleaching of Cotton Fibers

Abstract： An activated peroxide system is formed by adding bleach activator to an aqueous solution of hydrogen peroxide， from which peracid is generated as a more kinetically active bleaching agent and allows cotton fibers to be bleached under milder conditions. N-[4-（triethylammoniomethyl）benzoyl]lactam chlorides（TBLC） are a novel series of bleach activators which play the role of low-temperature bleaching under nearneutral conditions. In this paper， the bleaching mechanism of the TBLC-activated peroxide system was highlighted， based on which a new bleaching process was proposed for low-temperature bleaching of cotton fibers. This paper also provided new insights into the future development of low-temperature bleaching of cotton fibers.

Key words： cotton fibers； bleaching； hydrogen peroxide； bleach activator

棉纖維因其優(yōu)良的吸濕性和穿著舒適性，且易于染色等，被大量應(yīng)用于紡織服裝材料。然而，棉纖維含有的天然色素雜質(zhì)會(huì)嚴(yán)重影響纖維素原有白度，對(duì)產(chǎn)品的后續(xù)加工造成不便，因此必須通過漂白加以去除。

過氧化氫（H2O2）和一些可以釋放過氧化氫的化合物，如過硼酸鈉、過碳酸鈉等，是常見的氧化劑，被廣泛應(yīng)用于紡織漂白、紙漿漂白、家庭及工業(yè)洗滌等產(chǎn)業(yè)中。H2O2可以在水溶液中電離產(chǎn)生過氧氫根陰離子（HOO-）。一般認(rèn)為，HOO-是起漂白作用的活性粒子。然而，由于在常溫下（20℃）H2O2的電離常數(shù)極低（K=1.78×10-12），很難電離產(chǎn)生足量的HOO-，以至于無法起到漂白作用。提高體系的溫度和pH值，有助于過氧化氫的電離，有效增加HOO-的濃度，從而加強(qiáng)漂白作用。在實(shí)際應(yīng)用中，H2O2通常需要在強(qiáng)堿條件下（pH值11～12，加入NaOH或者Na2CO3）加熱至高溫（接近100℃）進(jìn)行漂白。因此，常規(guī)H2O2漂白體系不但會(huì)造成巨大的能量消耗，而且會(huì)增加工廠廢水處理的負(fù)擔(dān)。此外，如此苛刻的漂白條件還會(huì)造成棉纖維的嚴(yán)重?fù)p傷。盡管常規(guī)H2O2漂白技術(shù)仍然在工業(yè)生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位，但已經(jīng)無法滿足當(dāng)前形勢(shì)下節(jié)能環(huán)保的工藝要求。

漂白活化劑是有機(jī)過氧酸前驅(qū)體，可以與H2O2在水溶液中發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生過氧酸。這個(gè)反應(yīng)也被稱作過水解反應(yīng)。與H2O2相比，過氧酸具有更高的活性，可以在低溫條件下有效去除棉纖維上的天然色素雜質(zhì)。漂白活化劑最初被開發(fā)用于家庭和工業(yè)洗滌，以克服H2O2（源于過硼酸鈉或者過碳酸鈉）在洗滌溫度條件下（一般低于80℃）效率過低的缺點(diǎn)。四乙酰乙二胺（TAED）和壬酰氧基苯磺酸鈉（NOBS）（圖1）是兩種目前在家庭和工業(yè)洗滌中最常用的漂白活化劑。本世紀(jì)初，研究人員開始嘗試將TAED和NOBS活化H2O2體系應(yīng)用于高能耗、重污染的紡織漂白工業(yè)，試圖緩解日趨嚴(yán)峻的能源形勢(shì)和更為嚴(yán)格的環(huán)保要求。然而，TAED的水溶性較差，在很大程度上限制了它在工業(yè)漂白中的應(yīng)用；此外，TAED活化H2O2體系在溫度低于70℃條件下的漂白效率不高。與TAED相比，NOBS能提供更好的漂白性能，但是在較低pH值條件下（比如接近中性），體系中會(huì)形成活性較低的二?；^氧化物，使活化H2O2體系的漂白效率降低。因此，開發(fā)一種節(jié)能環(huán)保且適合于棉纖維漂白的活化H2O2體系仍然是一個(gè)有待解決的課題。

1TBLC漂白活化劑的應(yīng)用

N-[4-（三乙基銨甲撐）苯?；鵠內(nèi)酰胺氯化物（TBLC）是一類季銨鹽型過氧酸前驅(qū)體，其結(jié)構(gòu)式如圖2所示。TBLC含有一個(gè)陽離子基團(tuán)，一方面賦予漂白活化劑良好的水溶性，另一方面對(duì)在水溶液中呈負(fù)電性的棉纖維具有一定的親和力，使漂白作用在纖維表面發(fā)生，可增強(qiáng)漂白效率。

2005年前后，美國北卡羅來納州立大學(xué)Drs.Hinks和Hauser領(lǐng)導(dǎo)的課題組最早提議使用的TBLC的一個(gè)原型，即N-[4-（三乙基銨甲撐）苯酰基]己內(nèi)酰胺氯化物（TBCC，n=3）對(duì)棉纖維進(jìn)行低溫漂白。當(dāng)時(shí)一個(gè)廣為接受的觀點(diǎn)是，在堿性條件下（pH值11～12），TBCC與過量H2O2（摩爾比1∶10～1∶5）所形成的活化H2O2體系具有更高的漂白效率，但研究結(jié)果并不十分理想。研究人員進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，TBCC在水溶液中的水解穩(wěn)定性較差，并認(rèn)為這是造成TBCC活化H2O2體系漂白性能不佳的主要原因，并在此基礎(chǔ)上，推出了具有更好水解穩(wěn)定性的N-[4-（三乙基銨甲撐）苯酰基]丁內(nèi)酰胺氯化物（TBBC，n=1）。

Xu等在將TBBC用于竹材粘膠纖維漂白的研究中偶然發(fā)現(xiàn)，TBBC與等量的H2O2所形成的體系在中性條件下可提供最佳的低溫漂白性能，而在堿性條件下漂白性能則顯著降低；而當(dāng)將這一規(guī)律應(yīng)用于棉纖維漂白時(shí)，取得了一致的結(jié)果。這促使研究人員重新思考TBLC漂白活化劑作用機(jī)理。

2TBLC的作用機(jī)理

研究表明，TBLC在水溶液中會(huì)發(fā)生過水解和水解反應(yīng)；而生成的過氧酸除對(duì)棉纖維進(jìn)行漂白外，還會(huì)發(fā)生雙分子降解以及受H2O2攻擊所致的降解。TBLC的作用機(jī)理如圖3所示。

在圖3所示的TBLC活化H2O2體系中，TBLC的過水解作用和過氧酸的漂白作用是有利的化學(xué)反應(yīng)，而TBLC的水解作用以及過氧酸的降解作用則是不利的化學(xué)反應(yīng)。因此，當(dāng)TBLC活化H2O2體系用于棉纖維漂白時(shí)，須采取措施促進(jìn)TBLC的過水解作用和過氧酸的漂白作用，同時(shí)抑制TBLC的水解作用以及過氧酸的降解作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TBLC活化H2O2體系用于棉纖維漂白時(shí)溶液的pH值、H2O2的濃度和溫度是影響TBLC起作用的關(guān)鍵因素。

2.1溶液的pH值

TBLC在漂白作用完成后，最終被轉(zhuǎn)化為4-（三乙基銨甲撐）苯甲酸（TBA），如果不進(jìn)行中和處理，將會(huì)導(dǎo)致體系的pH值降低，使反應(yīng)難以進(jìn)行。因此，必須在體系中加入堿劑，中和TBA，促使反應(yīng)沿TBLC過水解和纖維漂白的方向進(jìn)行；但另一方面，加入堿劑的堿性不宜太強(qiáng)，否則會(huì)誘發(fā)TPA發(fā)生雙分子降解或TPA受到H2O2的攻擊，從而降低體系的漂白性能。研究表明，TBLC活化H2O2體系在近中性條件下（pH值7±0.5）具有最佳漂白性能。在常用的堿劑中，NaHCO3被認(rèn)為是用于TBLC活化H2O2體系的最合適堿劑，主要是因?yàn)镹aHCO3是一種弱堿，不但可以有效中和體系中產(chǎn)生的TBA，而且不用擔(dān)心NaHCO3用量過高而導(dǎo)致TPA降解。

在圖3所示的TBLC活化H2O2體系中，H2O2與TBLC按照1∶1的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行。在早期研究中，對(duì)TBLC活化H2O2體系在紡織品漂白中的應(yīng)用一直存在一個(gè)誤解：即在堿性條件下向體系中加入極度過量的H2O2（與TBLC的摩爾比為5∶1～10∶1），以期得到TPA漂白和H2O2漂白的雙重疊加效果。但最新的研究表明，除了如2.1所述的堿性條件下TPA的降解外，在堿性條件下，體系中過量的H2O2也會(huì)攻擊TPA，導(dǎo)致漂白性能顯著降低。在近中性條件下，體系中過量的H2O2不會(huì)攻擊TPA，但也不會(huì)對(duì)纖維進(jìn)行漂白。因此，可以認(rèn)為，TPA在近中性條件下具有最佳漂白性能的一個(gè)主要原因是有效避免了因H2O2攻擊而造成的TPA降解。在實(shí)際漂白中，使用過量H2O2可促進(jìn)TBLC過水解反應(yīng)進(jìn)度，有利于改善漂白性能；建議在體系使用稍微過量的H2O2（例如與TBLC的摩爾比為1.1∶1）即可。

2.3漂白溫度

構(gòu)建TBLC活化H2O2體系的主要目的是實(shí)現(xiàn)紡織品低溫漂白。研究表明，將溫度由室溫提高至50℃，可以有效改善TBLC活化H2O2體系對(duì)棉纖維的漂白性能。主要是因?yàn)椋岣邷囟仁筎BLC過水解反應(yīng)和纖維漂白的速度加快，從而提高了漂白效率。但是，當(dāng)溫度升高至50℃后，TBLC活化H2O2體系對(duì)棉纖維的漂白性能的改善趨于平緩。但是，值得注意的是，隨著溫度由室溫升高至100℃的提高，TBLC活化H2O2體系的最佳漂白pH值卻由8逐漸移至6，這極有可能是由于溫度的提高促進(jìn)了TBLC的過水解反應(yīng)，使其在較低pH值條件下即可發(fā)生。根據(jù)TBLC活化H2O2體系的這一溫度效應(yīng)，可使用NaHCO3做堿劑，在50℃的條件下即可構(gòu)建一個(gè)TBLC活化H2O2體系對(duì)棉纖維進(jìn)行高效漂白。

3TBLC活化H2O2體系的低溫漂白性能

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，可能影響TBLC活化H2O2體系對(duì)棉纖維漂白性能的因素有13個(gè)之多，但具有重要影響的因素只有少數(shù)幾個(gè)，例如漂白溫度、TBLC的濃度、漂浴pH值、漂白時(shí)間等。采用響應(yīng)面方法中的中心復(fù)合設(shè)計(jì)原理，可以對(duì)TBLC活化H2O2體系的低溫漂白性能進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，使用摩爾比為1∶1.1∶1.2的TBLC，H2O2和NaHCO3可構(gòu)建一個(gè)有效的棉織物低溫漂白體系。

如表1所示，與常規(guī)氧漂工藝相比，TBLC活化H2O2工藝可在相同的漂白時(shí)間內(nèi)將棉織物漂白至等同的白度，但是漂白溫度卻只有50℃，因此具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)；另外，TBLC活化H2O2工藝放棄使用腐蝕性強(qiáng)的NaOH，而改用溫和的NaHCO3，可以省去常規(guī)氧漂工藝中的酸中和操作，并減少水洗次數(shù)，因此還具有節(jié)水的優(yōu)勢(shì)。

4展望

盡管TBLC在2005年左右就被用于紡織品漂白，但其作用原理和低溫、近中性漂白性能在最近才被揭示。隨著研究的深入，其在紡織品低溫漂白領(lǐng)域的應(yīng)用潛力必將被人們逐漸發(fā)掘出來。鑒于TBLC活化H2O2體系的漂白條件與生物酶退漿和精練的條件相近，這使開發(fā)退漿、精練、漂白一浴的棉織物加工低溫工藝成為可能。

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作者簡介：武守營，女，1992年出生，本科在讀，輕化工程專業(yè)。

通訊作者：胡嘯林，E-mail： hu.xl@ntu.edu.cn。

作者單位：武守營、胡嘯林，南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院；許長海，江南大學(xué)紡織服裝學(xué)院。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21276106）；江蘇省高?！扒嗨{(lán)工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人培養(yǎng)對(duì)象。