亞鐵離子質(zhì)量濃度對(duì)黑牦牛絨纖維脫色的影響

劉 嬋， 謝春萍， 劉新金， 楊艷春， 李 蔚

(1. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122；2. 江蘇蘇絲絲綢股份有限公司， 江蘇 宿遷 223700)

亞鐵離子質(zhì)量濃度對(duì)黑牦牛絨纖維脫色的影響

劉 嬋1， 謝春萍1， 劉新金2， 楊艷春1， 李 蔚1

(1. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122；2. 江蘇蘇絲絲綢股份有限公司， 江蘇 宿遷 223700)

針對(duì)預(yù)媒處理過程中亞鐵離子在牦牛絨纖維脫色過程中的影響，對(duì)不同亞鐵離子質(zhì)量濃度下的纖維性能進(jìn)行測(cè)試比較，并且為確保在不影響纖維可紡性的前提下盡量減少纖維損傷，對(duì)亞鐵離子質(zhì)量濃度進(jìn)行了優(yōu)選。在預(yù)媒處理過程中，采用不同質(zhì)量濃度的亞鐵離子對(duì)黑牦牛絨纖維進(jìn)行脫色處理。利用白度儀、強(qiáng)力儀和掃描電鏡等一系列測(cè)試方法分析了經(jīng)脫色處理后的牦牛絨纖維的表面形態(tài)及力學(xué)性能的變化。結(jié)果表明，當(dāng)亞鐵離子質(zhì)量濃度為12 g/L時(shí)，達(dá)到最好的脫色效果且對(duì)纖維的可紡性影響小。

牦牛絨； 脫色； 亞鐵離子； 白度； 纖維性能

牦牛絨纖維是生長(zhǎng)于牦牛粗毛底部的一層細(xì)密的絨毛，其纖維的平均直徑約為20 μm，平均長(zhǎng)度為25～35 mm[1-2]，且具有滑軟、彈性好、光澤柔和、保健性好等特點(diǎn)[3]，是可與羊絨媲美的高檔紡織原料，但由于牦牛絨纖維大部分為褐色或黑色[4]，其天然的色澤限制了牦牛絨纖維的應(yīng)用，因此，需要對(duì)纖維進(jìn)行脫色處理，在兼顧纖維紡紗性能的前提下，既可提高纖維的白度，又能進(jìn)一步提高纖維的應(yīng)用范圍，從而提高牦牛絨產(chǎn)品的附加值。

在牦牛絨纖維脫色過程中，硫酸亞鐵是最有效的媒染劑之一[5-7]，其根本作用在于催化氧化劑雙氧水的分解。在預(yù)媒處理過程中，亞鐵離子(Fe2+)優(yōu)先與色素蛋白質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成絡(luò)合物，且在清洗過程中，吸附在色素蛋白上的亞鐵離子(Fe2+)不易被清洗掉[8-9]，亞鐵離子(Fe2+)的選擇性漂白在促進(jìn)破壞色素蛋白質(zhì)的同時(shí)可減少纖維角蛋白質(zhì)的損傷。當(dāng)硫酸亞鐵質(zhì)量濃度較低時(shí)，無法達(dá)到理想的脫色效果；當(dāng)硫酸亞鐵質(zhì)量濃度過高時(shí)，會(huì)造成纖維損傷且亞鐵離子(Fe2+)易被氧化成亞鐵離子(Fe3+)吸附在纖維表面，使牦牛絨纖維呈現(xiàn)微紅色，因此控制Fe2+的質(zhì)量濃度極為重要。

本文以黑牦牛絨纖維為例進(jìn)行分析，黑牦牛絨纖維較其他顏色的牛絨纖維強(qiáng)伸性更好一些，手感更為蓬松柔軟[2]，但是顏色較深，脫色難度更大，因此針對(duì)黑牦牛絨纖維，通過對(duì)不同F(xiàn)e2+質(zhì)量濃度情況下纖維的脫色效果以及紡紗性能的變化進(jìn)行分析，從而對(duì)硫酸亞鐵的用量進(jìn)行優(yōu)選，以期為此類原料的開發(fā)和研究提供一定的理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

材料：黑牦牛絨，中孚達(dá)紡織科技有限公司。

藥品：FeSO4·7H2O(AR)、NaHSO3(AR)、Na4P2O7(AR)，上海國藥化學(xué)試劑有限公司；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的H2O2(AR)，無錫市展望化工試劑有限公司；Na2S2O4(AR)，宜興市第二化學(xué)試劑廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

牦牛絨纖維脫色的工藝流程[10]如下：預(yù)媒處理→氧化漂白→還原漂白→烘干。

1)預(yù)媒處理。稱取1 g黑牦牛絨纖維，放入質(zhì)量濃度為xg/L的Fe2+和 3.0 g/L的NaHSO3配成的混合溶液中(NaHSO3的用量可保證最大用量亞鐵離子不被氧化)，浴比為1∶50，pH值為3，并在60 ℃的水浴鍋中放置30 min，以保證Fe2+與色素蛋白質(zhì)充分絡(luò)合，然后將纖維取出并洗凈。

2)氧化漂白。將清洗過的牦牛絨纖維取出，盡可能擰干并放入由25 g/L的H2O2和5 g/L的Na4P2O7混合溶液中，浴比為1∶50，pH值為8.5，在溫度為60 ℃的水浴鍋中放置60 min，然后將纖維取出并洗凈。

3)還原漂白。取出經(jīng)氧化漂白后的牦牛絨纖維，擰干后放入由6 g/L的Na2S2O4和4 g/L的Na4P2O7配成的混合溶液中，浴比為1∶50， pH值為5.5，在溫度為50 ℃的水浴鍋中放置30 min。

4)烘干。將漂白后的纖維洗凈，并放入烘箱中烘干。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 纖維白度測(cè)試

參照GB/T 17644—2008《紡織纖維白度色度試驗(yàn)方法》，使用WSD-Ⅲ型全自動(dòng)白度儀測(cè)量纖維白度。白度的計(jì)算公式為

式中：W為白度值；L為明度指數(shù)；a、b為色度系數(shù)。

1.3.2 纖維強(qiáng)力測(cè)試

采用XQ-2電子單纖維強(qiáng)力儀測(cè)試?yán)w維的強(qiáng)力。單纖維強(qiáng)力儀的參數(shù)為：夾持距離10 mm；拉伸速度10 mm/min強(qiáng)力范圍20 cN；伸長(zhǎng)范圍500%，預(yù)加張力夾質(zhì)量200 mg。測(cè)試?yán)w維的斷裂強(qiáng)力、伸長(zhǎng)率等參數(shù)。

1.3.3 表面形貌表征

采用SU1510型掃描電鏡對(duì)脫色后纖維表面進(jìn)行觀察。

1.3.4 摩擦性能測(cè)試

采用Y151型摩擦系數(shù)儀測(cè)量纖維的摩擦因數(shù)，分別測(cè)量纖維的動(dòng)、靜摩擦因數(shù)，測(cè)量動(dòng)摩擦因數(shù)時(shí)摩擦輥的轉(zhuǎn)速為12 r/min。然后根據(jù)動(dòng)、靜摩擦因數(shù)計(jì)算摩擦效應(yīng)和鱗片度。摩擦效應(yīng)和鱗片度的公式[11]分別為：

式中：δ為纖維摩擦效應(yīng)；d為鱗片度；u1為順摩擦因數(shù)；u2為逆摩擦因數(shù)。

1.3.5 纖維紅外光譜測(cè)試

采用Nicolet is10傅里葉紅外光譜儀對(duì)纖維進(jìn)行紅外光譜測(cè)試，測(cè)試時(shí)利用衰減全反射法得到纖維的紅外光譜圖，然后再利用OMNIC 8.2數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

通過改變Fe2+的質(zhì)量濃度，測(cè)試在不同質(zhì)量濃度下纖維的白度及其他性能的變化。

2.1 纖維白度分析

經(jīng)過不同質(zhì)量濃度的Fe2+處理后的牦牛絨纖維白度如圖1所示。

圖1 脫色前后的牦牛絨纖維白度值Fig.1 Whiteness values of untreated and bleached yak fibers

由圖可看出，隨Fe2+質(zhì)量濃度的增加，牦牛絨纖維的白度值先增加后減少。Fe2+催化雙氧水分解，主要形成的HO-、HO-12及O2等游離基能破壞色素的共軛體系[12]。當(dāng)Fe2+的質(zhì)量濃度為0時(shí)，脫色后黑牦牛絨纖維的白度基本不變。隨Fe2+質(zhì)量濃度的增加，纖維白度迅速上升，當(dāng)Fe2+質(zhì)量濃度達(dá)到12 g/L時(shí)，白度值達(dá)到最大67.48%，但是繼續(xù)增加Fe2+質(zhì)量濃度時(shí)，白度下降，其主要原因是多余的Fe2+造成大量H2O2的無效分解并且殘留的Fe2+易被氧化為Fe3+，留在纖維表面從而影響纖維白度。

2.2 力學(xué)性能分析

脫色處理前后纖維的強(qiáng)伸性測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 脫色前后牦牛絨纖維的強(qiáng)伸性能Tab.1 Tensile properties of untreated and bleached yak fibers

從表中經(jīng)脫色前后牦牛絨纖維的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的變化來看，較未脫色纖維而言，脫色后纖維細(xì)度均變細(xì)。且隨Fe2+質(zhì)量濃度的增加，脫色牦牛絨纖維的斷裂強(qiáng)力、強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率下降得越來越明顯。為達(dá)到理想的脫色效果，應(yīng)保證纖維在達(dá)到一定脫色效果的情況下，盡可能地減少纖維損傷。由于纖維的斷裂強(qiáng)力損失在15%左右時(shí)，對(duì)牦牛絨纖維的紡紗性能影響較小，當(dāng)Fe2+質(zhì)量濃度為12 g/L時(shí)，纖維的斷裂強(qiáng)度損傷率約為10.86%，基本滿足脫色纖維的紡紗要求。

2.3 纖維形貌觀察

經(jīng)脫色處理前后牦牛絨纖維的掃描電鏡照片見圖2。

由圖可看出，當(dāng)黑牦牛絨纖維未經(jīng)處理時(shí)，纖維表面鱗片是光滑清晰的(見圖2(a))，經(jīng)脫色處理后的纖維，根據(jù)所用Fe2+質(zhì)量濃度的不同，處理后的纖維表面出現(xiàn)了不同程度的破壞。不加Fe2+時(shí)，牦牛絨纖維表面受到輕微的損傷但不太明顯，當(dāng)增加Fe2+質(zhì)量濃度至5 g/L和10 g/L時(shí)，牦牛絨纖維的某些區(qū)域出現(xiàn)了裂隙同時(shí)纖維鱗片翹起。Fe2+質(zhì)量濃度達(dá)到12 g/L時(shí)，鱗片邊緣變得更為模糊且纖維表面的鱗片被打落，當(dāng)繼續(xù)增加Fe2+質(zhì)量濃度時(shí)，牦牛絨鱗片之間的皮質(zhì)層也開始被破壞，從而導(dǎo)致鱗片之間的交蓋部分更加不鮮明。這是因?yàn)镕e2+催化雙氧水分解產(chǎn)生的自由基會(huì)破壞牦牛絨纖維內(nèi)的色素，包括色氨酸和酪氨酸等，從而造成纖維的表面鱗片被破壞，甚至出現(xiàn)不同程度的分解。明顯可看出，當(dāng)Fe2+質(zhì)量濃度越高，這種破壞越為嚴(yán)重，由于纖維鱗片層受到一定程度的損傷，從而破壞了纖維表層的疏水性能，提高了纖維的潤(rùn)濕及吸附作用，也改變了纖維的摩擦效應(yīng)。當(dāng)Fe2+質(zhì)量濃度達(dá)到12 g/L時(shí)，可看到纖維表面的鱗片幾乎被打落，剝鱗效果比較理想。

圖2 不同F(xiàn)e2+質(zhì)量濃度脫色前后牦牛絨纖維的掃描電鏡照片(×2 000)Fig.2 SEM images of untreated and bleached yak fibers with differart mass concentration of Fe2+(×2 000).(a) Untreated; (b) O; (c) 5 g/L; (d) 10 g/L; (e) 12 g/L; (f) 14 g/L; (g) 16 g/L; (h) 18 g/L; (i) 20 g/L; (j) 25 g/L

2.4 摩擦性能分析

脫色牦牛絨纖維表面鱗片的破壞會(huì)進(jìn)一步影響纖維的表面摩擦性能，進(jìn)而影響纖維的紡紗加工性能，經(jīng)脫色前后的牦牛絨纖維的摩擦效應(yīng)值和鱗片度見表2。牦牛絨纖維產(chǎn)生摩擦效應(yīng)的原因是纖維順鱗片方向的摩擦因數(shù)比逆鱗片方向的小，且順、逆摩擦因數(shù)差越大，纖維越易氈縮，從而進(jìn)一步影響織物的尺寸穩(wěn)定性和穿著舒適性[11]。從表可看出，與未經(jīng)處理試樣相比，當(dāng)Fe2+質(zhì)量濃度為0、5、10 g/L時(shí)，牦牛絨纖維因表面脫色破壞色素蛋白質(zhì)，從而引起纖維鱗片表層的粗糙化，使得絨纖維的摩擦因數(shù)增大，且摩擦效應(yīng)值和鱗片度變大。當(dāng)Fe2+質(zhì)量濃度為12 g/L時(shí)，鱗片層脫落，雖然摩擦因數(shù)呈上升趨勢(shì)，但摩擦效應(yīng)值和鱗片度達(dá)到最小，此時(shí)纖維最不易氈縮。當(dāng)Fe2+質(zhì)量濃度繼續(xù)增加時(shí)，纖維漂白時(shí)也會(huì)破壞角蛋白質(zhì)，從而使得趨于平坦的表面又會(huì)變得粗糙，摩擦效應(yīng)以及纖維鱗片度又會(huì)呈整體上升趨勢(shì)。

表2 脫色前后牦牛絨纖維的表面摩擦性能Tab.2 Frictional properties of untreated and bleached yak fibers

2.5 紅外光譜分析

注：a—未處理； b—0； c—12 g/L； d—25 g/L。圖3 脫色處理前后牦牛絨纖維的紅外光譜圖Fig.3 FT-IR spectra of untreated and bleached yak fibers

為進(jìn)一步分析某些位置吸收峰的強(qiáng)度差異，采用OMNIC 8.2數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)紅外光譜圖進(jìn)行分析。所用方法與文獻(xiàn)[14]的方法相同，設(shè)置靈敏度分別為30和50，分析結(jié)果見表3、4。

表3 標(biāo)峰靈敏度30時(shí)脫色前后牦牛絨纖維所標(biāo)峰值Tab.3 Infrared spectra of untreated and bleached yak fibers under sensitivity of 30

表4 標(biāo)峰靈敏度50時(shí)脫色前后牦牛絨纖維所標(biāo)峰值Tab.4 Infrared spectra of untreated and bleached yak fibers under sensitivity of 50

從表3、4可看出，當(dāng)標(biāo)峰靈敏度設(shè)置不同時(shí)，吸收峰位置也不同。當(dāng)標(biāo)峰靈敏度設(shè)為30時(shí)，經(jīng)脫色處理后的纖維在2 918 cm-1附近沒有吸收峰。當(dāng)標(biāo)峰靈敏度設(shè)為50時(shí)，未處理和經(jīng)質(zhì)量濃度為0、25 g/L的Fe2+處理的脫色牦牛絨纖維均出現(xiàn)峰值，但經(jīng)質(zhì)量濃度為12 g/L的Fe2+脫色的纖維卻沒有出現(xiàn)特征峰。2 920 cm-1附近的為甲基(CH3—)的C—H伸縮振動(dòng)譜帶，可能情況是因?yàn)榱蛩醽嗚F質(zhì)量濃度達(dá)到12 g/L時(shí)，對(duì)纖維脫色效果和性能影響最為明顯，從而導(dǎo)致在2 920 cm-1附近未出現(xiàn)特征峰。

3 結(jié) 論

1)通過對(duì)脫色前后纖維的各項(xiàng)性能進(jìn)行分析，得到當(dāng)黑牦牛絨纖維脫色的最佳Fe2+質(zhì)量濃度為12 g/L時(shí)，此時(shí)纖維的白度達(dá)到最優(yōu)值(67.48%)的同時(shí)纖維的斷裂強(qiáng)度損失率為10.86%，基本符合后續(xù)紡紗的要求。

2)脫色對(duì)纖維表面的鱗片有一定破壞，當(dāng)Fe2+質(zhì)量濃度為12 g/L時(shí)，摩擦效應(yīng)值和鱗片度達(dá)到最小，此時(shí)纖維最不易氈縮，使得所紡織物服用性能好。

3)不同F(xiàn)e2+質(zhì)量濃度處理下的纖維紅外光譜圖差別不大，但是當(dāng)Fe2+質(zhì)量濃度為12 g/L時(shí)，2 920 cm-1附近的譜帶較弱。

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Influence of different ferrous sulfate concentrations on
bleaching of black yak fiber

LIU Chan1, XIE Chunping1, LIU Xinjin2, YANG Yanchun1, LI Wei1

(1.KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi，Jiangsu214122,China;2.JiangsuSpcc-SilkCo.,Ltd.,Suqian,Jiangsu223700,China)

In order to investigate the influence of the concentrations of ferrous ions on bleaching of black yak fibers in the treatment process, the properties of fibers at different concentrations of ferrous ions were tested and compared, and in order to minimize fiber damage on the premise that the spinnability of black yak fibers were not influenced, the best ferrous ions concentration had been obtained. The whiteness meter, strength tester, scanning electronic microscopy and other methods had been used to test the surface morphologies and properties of fibers. The result showed that when the concentration of ferrous ions was 12 g/L, the best decolorization effect of black yak fibers can be achieved, and the spinnablity of yak fibers was not influenced seriously by the bleaching process.

yak wool; bleaching; ferrous ion; whiteness; fiber property

10.13475/j.fzxb.20150401706

2015-04-14

2015-12-30

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20151359)；紡織服裝產(chǎn)業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目(hnfz14002)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(BY2014023-13，BY2015019-10)

劉嬋(1993—)，女，碩士生。研究方向?yàn)殛笈＝q纖維脫色。謝春萍，通信作者，E-mail：wxxchp@vip.163.com。

TS 192.5

A