棉纖維陽離子化的簡易定量檢測方法

王夢琴， 王樹根

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122)

棉纖維陽離子化的簡易定量檢測方法

王夢琴， 王樹根

(生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗室(江南大學(xué))， 江蘇 無錫 214122)

針對目前棉纖維陽離子改性時改性程度的盲目性問題，建立了一種簡單有效的定量檢測棉纖維陽離子化程度的方法。采用結(jié)構(gòu)簡單的單陰離子酸性染料對陽離子化棉纖維上染，酸性染料在陽離子化棉纖維的吸附符合Langmuir型吸附，纖維染色飽和值精確對應(yīng)了改性后棉纖維上陽離子的摩爾數(shù)量。研究得出，利用酸性黃36和酸性橙7這2種酸性染料定量測定棉纖維陽離子化程度時，因染料結(jié)構(gòu)不同產(chǎn)生的誤差僅為0.8%，因儀器不同測試誤差僅為1.2%。結(jié)果表明，這種新的簡易定量檢測方法有效可行，準(zhǔn)確度高。

棉纖維； 陽離子化； 酸性染料； 吸附等溫線

棉纖維接枝陽離子基團(tuán)是活性染料無鹽染色的一種有效方法[1-2]，在涂料染色中也有廣泛應(yīng)用[3]。棉纖維陽離子化程度檢測的研究很多，一般用含氮量(凱式定氮法[4])、Zeta電位和K/S值來表征陽離子改性程度[5-7]，但是由于接枝到纖維上的陽離子量較少，使用凱式定氮法操作繁雜，準(zhǔn)確度不高；Zeta電位和K/S值不能直接表征纖維上的陽離子數(shù)量。本文提出定量檢測棉纖維陽離子化程度的新方法：選用結(jié)構(gòu)簡單的單陰離子酸性染料上染陽離子化的棉纖維，陰離子染料在陽離子化纖維上的吸附屬于Langmuir型吸附[8]，通過測定染料吸附等溫線計算纖維染色飽和值，經(jīng)換算得到纖維上陽離子的量。本文還用不同染料、不同儀器檢驗了該方法的可行性，為定量檢測纖維陽離子化程度提供了一種簡便準(zhǔn)確的測定方法。

1 實(shí)驗部分

1.1 實(shí)驗材料與儀器

材料： 純棉織物半制品(27.8 tex × 27.8 tex，425根/10 cm × 228根/10 cm)；3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨(CHPTAC)(杭州銀湖化工有限公司)；氫氧化鈉(NaOH，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；精制酸性黃36、精制酸性橙7(天津市大邱莊宏達(dá)化工有限公司)。

儀器：α-1101型可見光分光光度計(上海譜元儀器有限公司)，UV-2450型紫外光分光光度計(島津儀器蘇州有限公司)，UV-1800型紫外光分光光度計(蘇州貝銳儀器科技有限公司)，HH-6型數(shù)顯恒溫水浴鍋(江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司)，L-24A-1型數(shù)顯恒溫振蕩水浴鍋(廈門瑞比精密機(jī)械有限公司)。

1.2 實(shí)驗原理

棉纖維陽離子化處理：3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨(CHPTAC)在堿性條件下接枝到棉纖維[9]：

陽離子化處理后，纖維上形成了陽離子染座。當(dāng)用結(jié)構(gòu)簡單的單陰離子酸性染料對陽離子化棉上染時， 染料主要以靜電引力上染纖維。 纖維上的1個陽離子染座僅與1個單陰離子染料分子結(jié)合，當(dāng)所有的“陽離子染座”都吸附了染料時，吸附達(dá)到飽和，根據(jù)染色飽和值可按等摩爾吸附計算得到纖維上陽離子染座的數(shù)量。

表1 工作曲線的線性回歸方程式Tab.1 Linear regression equation of working curve

選用的2種染料為：酸性黃36，相對分子質(zhì)量為375.38；酸性橙7，相對分子質(zhì)量為350.32。結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

圖1 酸性黃36和酸性橙7的結(jié)構(gòu)式Fig.1 Structure of Acid Yellow 36 (a) and Acid Orange 7 (b)

染料酸性黃36與酸性橙7 通常用于羊毛染色，染料分子結(jié)構(gòu)簡單，對棉直接性很低，可認(rèn)為只能通過靜電引力上染陽離子化的棉，僅只在每個陽離子中心發(fā)生1個染料分子的等摩爾上染。

1.3 實(shí)驗方法

1.3.1 棉纖維陽離子改性預(yù)處理

純棉織物半制品陽離子改性處理條件[10]： CHPTAC 20 g/L，NaOH 10 g/L，[m(NaOH)：m(CHPTAC)=2.35∶1]，浴比1∶30。充分水洗，去除未接枝的改性劑。

1.3.2 陰離子染料上染

1)染料溶液的吸光度工作曲線：配制質(zhì)量濃度為8、10、12、14、16、20 mg/L酸性黃36染料溶液和酸性橙7染料溶液。用α-1101可見光分光光度計、UV-2450紫外光分光光度計和UV-1800紫外光分光光度計測定最大吸收波長下的吸光度，根據(jù)公式A=KC+b，得到線性回歸方程，K為比例常數(shù)，b為截距。用于后續(xù)檢測時確定殘液中染料質(zhì)量濃度。式中C為染料溶液質(zhì)量濃度，mg/L。

2)染色：精制酸性黃36和精制酸性橙7的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.5%、8.3%、11.0%、13.8%、16.5%、19.3%、22.0%、24.8%、27.5%、30.3%。浴比為1∶40，中性條件下對陽離子化棉纖維進(jìn)行振蕩上染4.5 h，測定染料上染量。

2 結(jié)果與討論

2.1 染料吸光度工作曲線

測定了染料酸性黃36和酸性橙7在不同儀器上的吸光度-染料濃度工作曲線，線性回歸方程式如表1所示，用于確定殘液中的染料質(zhì)量濃度。

表1結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)曲線方程線性相關(guān)度高，相關(guān)系數(shù)R2均在0.999以上。

2.2 酸性黃36上染陽離子化棉纖維

酸性黃36上染完成后，分別測定殘液在3臺分光光度計上的吸光度，并根據(jù)工作曲線線性回歸方程式確定殘液中的染料量，計算酸性黃36在改性棉織物上的染色參數(shù)，結(jié)果見表2，得到等溫吸附線。采用α-1101可見光分光光度計測定不同染料初始濃度條件下，染色吸附等溫線qe與ce的關(guān)系，如圖2所示。

表2 酸性黃36在改性棉織物上的染色參數(shù)Tab.2 Dyeing parameters of Acid Yellow 36 on modified cotton fabric

注：ce為染色達(dá)到平衡時染液中染料的質(zhì)量濃度；qe為染色達(dá)到平衡時纖維上染料的質(zhì)量濃度。

圖2 qe與ce關(guān)系曲線圖Fig.2 Curve relationship between qe and ce

由圖可知，纖維上染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨染液初始染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，最終達(dá)到平衡，纖維上的染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)不再隨染料用量增加而變化。說明酸性染料上染陽離子化棉纖維符合Langmair型吸附。

分別采用Langmuir模型(式(1))和Freundlich模型(式(2))對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析。

Langmuir型吸附公式：

(1)

Freundlich型吸附公式：

lgqe=lgK2+nlgce

(2)

式中：K為Langmuir型等溫線模型的常數(shù)，L/mg，[S]f為染色飽和值，mg/g；K、n為Freundlich常數(shù)。

依據(jù)式(1)得到線性回歸方程式

ce/qe=2.168 7+0.125 63ce

(3)

(R2=0.999 7)

依據(jù)式(2)得到線性回歸方程式

lgqe=0.478 9+0.159 84ce

(4)

(R2=0.884 8)

結(jié)果表明陰離子染料上染陽離子化棉纖維的吸附類型符合Langmuir型吸附等溫曲線。該條件下的染色飽和值為

類似的，UV-2450測定得到的線性回歸方程為

ce/qe=2.295 4+0.128 69ce

(5)

(R2=0.999 6)

UV-1800測定得到的線性回歸方程為

ce/qe=2.279 03+0.128 80ce

(6)

(R2=0.999 6)

結(jié)果表明，酸性黃36在相同陽離子化程度的棉纖維上吸附測試結(jié)果一致。

2.3 酸性橙7上染陽離子化棉纖維

采用染料酸性橙7檢驗本文的測試方法，在棉織物上的染色參數(shù)見表3。

作出酸性橙7的吸附等溫線，用Langmuir模型處理數(shù)據(jù)得線性回歸方程式。采用α-1101可見光分光光度計得到方程式

表3 酸性橙7在改性棉織物上的染色參數(shù)Tab.3 Dyeing parameters of Acid orange 7 on modified cotton fabric

ce/qe=0.837 85+0.131 65ce

(7)

(R2=0.999 6)

采用UV-2450可見光分光光度計得到方程式

ce/qe=0.589 84+0.137 80ce

(8)

(R2=0.999 7)

采用UV-1800可見光分光光度計得到方程式

ce/qe=0.664 69+0.137 98ce

(9)

(R2=0.999 7)

結(jié)果同樣證明該陰離子染料對陽離子化棉的吸附符合Langmuir型吸附，染色飽和值的不同是由于染料結(jié)構(gòu)不同造成的。

2.4 纖維上陽離子數(shù)量的計算

根據(jù)以上染色飽和值，通過染料分子量計算纖維上陽離子的量，結(jié)果見表4。

表4 改性棉纖維上陽離子的量Tab.4 Number of cationic on modified fiber

酸性黃36和酸性橙7均可作為測定陽離子化棉纖維上陽離子量的染料，2種染料在各種儀器上測定的陽離子量為每克棉2.095×10-5mol，不同儀器上測定的陽離子量與均值之間的誤差均較小，約1.2%，因此，該方法減小了分光光度計對陽離子量測定造成的誤差。

2種染料上染陽離子化棉纖維，酸性黃36測定的陽離子化數(shù)量為每克棉2.086×10-5mol，酸性橙7測定的陽離子化數(shù)量為每克棉2.103×10-5mol，染料結(jié)構(gòu)不同產(chǎn)生的誤差值僅為0.8%，因此，該測定方法的染料選擇范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單的單陰離子酸性染料均可用于測定改性纖維上陽離子的量。

3 結(jié) 論

結(jié)構(gòu)簡單的單陰離子酸性染料(酸性黃36和酸性橙7)在陽離子化棉纖維上的吸附均符合Langmuir型吸附曲線，通過線性回歸方程式得到纖維染色飽和值，纖維染色飽和值精確對應(yīng)了改性后棉上陽離子的量。染料結(jié)構(gòu)和儀器種類和產(chǎn)生的誤差均較小，分別為0.8%和1.2%，因此，分光光度法測定纖維上的陽離子數(shù)量具有較高的準(zhǔn)確性。另外，該方法還具有操作簡便、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

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Simple quantitative detection of cationic degree on cotton fiber

WANG Mengqin， WANG Shugen

(KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China)

In view of the blindness on the modification degree of cotton, a simple and effective method was established to quantitatively detect the degree of cotton cationization. The cationized cotton was dyed with simple acid dyes with mono anionic groups, and the adsorption of acid dyes in cationic cotton fiber conforms to the Langmuir type, so the number of the cationic charges on the modified cotton fibers was in line with the dyeing saturation value accurately. When the cationized cotton was dyed with acid yellow 36 or acid orange 7, it was found that the difference in dye structure caused an error of 0.8%, and the difference in instrument caused an error of 1.2%. Therefore, this novel simple quantitative detection method is effective and feasible, with high accuracy.

cotton fiber; cationization; acid dye; adsorption isotherm

10.13475/j.fzxb.20150404605

2015-04-24

2015-08-24

王夢琴(1990—)，女，碩士生。研究方向為新型染整技術(shù)。王樹根，通信作者，E-mail：wangshugen@163.com。

TS 197

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