生物質(zhì)呋喃二甲酸共聚酯纖維的染色工藝

郭 晶, 沈蘭萍,王 瑄,陳 鵬,王 鵬

(1.西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院 寧波市先進(jìn)紡織技術(shù)與服裝CAD重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 寧波 315211;3.中國科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所,浙江 寧波 315201)

0 引 言

聚酯纖維(PET)具有彈性模量高、抗褶皺性好、服用性能良好等優(yōu)點(diǎn),在三大合成纖維中發(fā)展最迅速,應(yīng)用最廣泛[1], 產(chǎn)量占世界纖維總用量的1/3,被稱為化學(xué)纖維之冠[2]。但其原料主要依賴于石油化工產(chǎn)品,會導(dǎo)致石油資源日漸匱乏,且造成嚴(yán)重的環(huán)境污染等問題[3-4]。近年來,全球?qū)Νh(huán)保和可持續(xù)發(fā)展高度重視,生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展對于可再生資源的利用具有深遠(yuǎn)意義[5],采用生物基資源代替石油化工原料已成為世界關(guān)注的課題[6]。與傳統(tǒng)石油基化纖相比,生物基化纖及其原料具有綠色、環(huán)境友好、原料可再生以及可生物降解等優(yōu)良特性[7],故其開發(fā)與應(yīng)用將是一個重要方向[8]。其制備過程是以生物質(zhì)為原料,經(jīng)化學(xué)轉(zhuǎn)化或生物轉(zhuǎn)化得到聚合單體,再通過加聚反應(yīng)或縮聚反應(yīng)合成線型高分子化合物后經(jīng)紡絲工藝而得到的纖維材料[4]。呋喃基聚酯是指以2,5-呋喃二甲酸(FDCA)為主要單體合成的生物基或部分生物基高分子[9]。聚對苯二甲酸-2,5-呋喃二甲酸乙二醇共聚酯纖維(PEFT)是國內(nèi)首次采用熔融紡制備的纖維。紡織纖維在應(yīng)用前需經(jīng)過染整加工,為了加快PEFT纖維的工業(yè)化應(yīng)用,本文主要對其染色工藝進(jìn)行研究。

文中利用分散藍(lán)2BLN染料對PEFT纖維染色,以染色溫度、保溫時間和染料濃度作為變化因素,設(shè)計了單因素變量染色試驗(yàn)方案。測試上染率、固色率、K/S值、色牢度等指標(biāo)，分析不同染色條件下PEFT纖維的染色效果,優(yōu)選出PEFT纖維的最佳染色工藝。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料、試劑和儀器

(1) 材料 PEFT纖維長絲(中國科學(xué)院寧波材料研究所),呋喃二甲酸乙二醇共聚酯(含量6%)，紡絲速度1 500 m/min，纖度43.78 dtex。

(2) 試劑 JS-101A去油靈，冰醋酸，乙酸鈉，氫氧化鈉，DMF，分散劑NNO，勻染劑平平加，保險粉，分散藍(lán)2BLN，標(biāo)準(zhǔn)皂片。

(3) 儀器 YG186 縷紗測長儀、JA3003 型電子天平(上海越平科學(xué)儀器有限公司)，pHBJ-260 便攜式pH計(上海雷磁儀器廠)， IR-12SM 紅外線快速染色機(jī)(廈門瑞比精密機(jī)械有限公司)， 101型電熱鼓風(fēng)干燥箱(北京科偉永興儀器有限公司)， UV-1800PC 型紫外可見分光光度計(上海美譜達(dá)儀器有限公司)，X-Rite Color i7 愛色麗測色儀(美國愛色麗公司)，SW-12A 型耐洗色牢度試驗(yàn)機(jī)(無錫紡織儀器廠)，Y571B 型摩擦色牢度儀(寧波紡織儀器廠)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 去油處理工藝 去油靈20 g/L,浴比為10∶1,溫度90 ℃,保溫時間20 min, PEFT纖維去油處理后取出洗凈瀝干待用。

1.2.2 染色工藝 工藝處方:分散藍(lán)2BLN 1%～7%(owf)，分散劑1%(owf)，勻染劑平平加1%(owf)，pH=4,醋酸和乙酸鈉調(diào)節(jié)。溫度80～110 ℃,時間20～60 min,浴比10∶1。工藝流程如圖1所示。

圖 1 染色工藝流程Fig.1 Dyeing process

1.2.3 后處理工藝 (1) 還原清洗工藝:保險粉3 g/L,氫氧化鈉3 g/L,溫度70 ℃(升溫速度3 ℃/min),時間10 min,浴比10∶1。(2) 溫水漂洗:溫度40 ℃;時間5 min;浴比10∶1。(3) 酸洗:醋酸0.3%(owf),溫度40 ℃;時間5 min;浴比10∶1。(4) 室溫清洗:時間5 min，浴比10∶1。

1.3 性能測試

1.3.1 上染率 采用殘液法測定分散染料上染百分率,將空白染液及染色后殘液分別稀釋一定倍數(shù),再分別吸取稀釋后的空白染液及染色后殘液,各吸取4mL于10mL的容量瓶中[10],加入DMF至刻度,測定吸光度。按式(1)計算上染百分率[11]。

上染百分率=[1-A1n1/(A0n0)]×100%

(1)

式中:A1為染色殘液稀釋n1倍數(shù)后在最大吸收波長處測得的吸光度;A0為空白染液稀釋n0倍數(shù)后在最大吸收波長處測得的吸光度。

1.3.2 固色率 收集染色后樣品的還原清洗殘液,空白染液及還原清洗殘液分別稀釋一定倍數(shù),再分別吸取稀釋后的空白染液及還原清洗殘液,各吸取4 mL于10 mL的容量瓶中,加入DMF至刻度,測定吸光度。按式(2)計算固色率。

(2)

式中:A2為還原清洗殘液稀釋n2倍數(shù)后在最大吸收波長處測得的吸光度;A0為空白染液稀釋n0倍數(shù)后在最大吸收波長處測得的吸光度。

1.3.3 表觀染色深度(K/S) 在Color i7測色配色儀上測定,采用D65光源和10°觀察角,在不同的部位測試6次,取平均值。

1.3.4 色牢度 (1)耐摩擦色牢度測試:按照國標(biāo)GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度實(shí)驗(yàn) 耐摩擦色牢度》對染色樣品的耐摩擦牢度進(jìn)行測試。(2)耐皂洗色牢度測試:按照國標(biāo)GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度實(shí)驗(yàn) 耐皂洗色牢度》對染色樣品的耐皂洗色牢度進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 染色溫度對PEFT纖維染色性能的影響

按照1.2.2的染色工藝,在保溫時間40 min,染料濃度3%(owf)，染色溫度分別為80，90，100，110 ℃時，通過單因素變量實(shí)驗(yàn)研究染色溫度對PEFT纖維染色性能的影響。測試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知,隨著染色溫度的升高,纖維的上染率、固色率、K/S值都呈現(xiàn)出先增大后略有下降的趨勢。80 ℃～90 ℃之間,染色性能隨著溫度的升高而迅速增加。溫度升高,染料分子的動能增大,纖維分子鏈段運(yùn)動加劇,纖維無定形區(qū)產(chǎn)生的順勢空隙會更多,可以容納更多的染料[12],最終染透纖維[13]。當(dāng)溫度到達(dá)90 ℃～100 ℃時,升高溫度染色性能的提升較為緩慢,說明此時染色已經(jīng)趨于平衡。隨著溫度的繼續(xù)升高,110 ℃時染色性能有下降趨勢。原因在于染色過程是放熱反應(yīng),染色平衡之后染料在纖維和染液之間尋找新的平衡,溫度的提高不利于染色平衡向上染方向移動[14],染料與纖維的親和力也隨著溫度上升而降低[15],導(dǎo)致染色性能反而有所下降。因此,選擇100 ℃為PEFT纖維的最佳染色溫度。

(a) 上染率

(b) 固色率

(c) K/S值圖 2 溫度對PEFT纖維染色性能的影響Fig.2 Effect of temperature on dyeing properties of PEFT fiber

2.2 保溫時間對PEFT纖維染色性能的影響

按照1.2.2的染色工藝,在染色溫度100 ℃,染料濃度3%(owf),保溫時間分別為20 min,30 min,40 min,50 min,60 min時，通過單因素變量實(shí)驗(yàn)研究保溫時間對PEFT纖維染色性能的影響。測試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知,隨著保溫時間的延長,PEFT纖維的上染率,固色率呈現(xiàn)出先提高后略有降低的趨勢,K/S值呈現(xiàn)先增大后明顯降低的趨勢。保溫時間40 min時,纖維的上染率、固色率、K/S值達(dá)到最高值。在染色的初始階段,染料從染液向纖維表面吸附，從纖維表面向纖維內(nèi)部擴(kuò)散速度較快[16],隨著時間的延長,有利于染料充分吸附、擴(kuò)散,染透纖維[17],因此染色性能提高較快。

(a) 上染率

(b) 固色率

(c) K/S值圖 3 保溫時間對PEFT纖維染色性能的影響Fig.3 Effect of holding time on dyeing properties of PEFT fiber

保溫時間40 min時,纖維上染料的吸附量達(dá)到飽和狀態(tài),保溫時間繼續(xù)延長,吸附在纖維上的染料可能會發(fā)生部分水解[18],同時存在染料的解吸,因此上染率、固色率會有小幅度的降低。K/S值降低的原因在于染色平衡后,保溫時間繼續(xù)延長,染料逐漸向纖維內(nèi)部滲透[19],從而導(dǎo)致K/S值下降。因此綜合考慮染色時間對染色性能的影響,PEFT纖維的最佳染色時間是40 min。

2.3 染料濃度對PEFT纖維染色性能的影響

按照1.2.2的染色工藝,在染色溫度為100 ℃,保溫時間40 min時通過單因素變量實(shí)驗(yàn)對染料濃度進(jìn)行研究,染色濃度(owf)分別為1%,3%,5%,7%。染色后對其進(jìn)行染色性能測試,測試結(jié)果如圖4所示。

(a) 上染率

(b) 固色率

(c) K/S值圖 4 染料濃度對PEFT纖維染色性能的影響

由圖4(a),(b)可知,隨著染料濃度的提高,纖維的上染率、固色率、K/S值先提高后略有下降趨勢,在染料濃度為3%(owf)時,上染率與固色率達(dá)到最高值,纖維染色達(dá)到飽和狀態(tài),濃度超過3%(owf)染料對PEFT纖維的提升性較差[18]。在染料濃度較低時,隨著染料濃度的增加纖維吸附的染料逐漸增多,纖維的K/S值增加較快;當(dāng)染料濃度達(dá)到3%時纖維吸附染料達(dá)到飽和狀態(tài),纖維的K/S值達(dá)到最大。綜合考慮,選擇3%作為PEFT纖維染色時的染料濃度。

2.4 PEFT纖維的色牢度測試結(jié)果

根據(jù)1.3.4的纖維色牢度測試方法,對染色纖維進(jìn)行摩擦色牢度和皂洗色牢度測試,測試結(jié)果如表1所示。

紡織品的色牢度是指染色或者是印花織物在加工或者是使用過程中整體顏色的褪色程度[20]。由表1可知,染色溫度、保溫時間、染料濃度等都會影響染色纖維的色牢度。溫度低于100 ℃時,纖維的牢度較差,溫度較低時纖維分子的鏈段運(yùn)動能力較低,染料分子的擴(kuò)散動能較低,染料會較多的聚集在纖維表面,因此色牢度較差[21]。溫度升高至100 ℃達(dá)到染色平衡后,染料均勻的分布在纖維中,染色牢度有所提升。

保溫時間小于40 min時,纖維的色牢度較差,主要原因是保溫時間較短,染料并沒有完全從纖維表面擴(kuò)散至纖維內(nèi)部,未完成固色,因此在摩擦和水洗時容易掉色,牢度較低。隨著時間的延長,纖維上的染料吸附與染料從纖維表面向纖維內(nèi)部的擴(kuò)散達(dá)到平衡狀態(tài)時,染色纖維具有較好的牢度。

表 1 染色纖維色牢度測試結(jié)果

染料濃度對于纖維色牢度的影響主要在于染料濃度高于染色平衡染料濃度時,多余的染料會吸附在纖維表面,導(dǎo)致染料濃度較高時,纖維的色牢度略低。染色溫度100 ℃，保溫時間40 min，染料濃度3%(owf)時,纖維的摩擦色牢度和皂洗色牢度均在4級以上。

3 結(jié) 論

(1) 采用分散藍(lán)2BLN對PEFT纖維進(jìn)行染色,通過單因素變量優(yōu)化出的染色工藝為染色溫度100 ℃，保溫時間40 min,染料濃度3%(owf)。在最佳工藝條件下,上染率達(dá)到97.4%,固色率97.38%,K/S=30.579,且摩擦色牢度和皂洗色牢度均在4級以上,符合服用要求。

(2) PEFT纖維的最佳染色溫度為100 ℃,因此該纖維可實(shí)現(xiàn)常壓沸,這與PEFT纖維的特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)。