廢舊毛/絲/棉混紡面料的組分分析及其剝色工藝

涂 莉， 孟家光， 李 欣， 李娟子

(西安工程大學 紡織科學與工程學院， 陜西 西安 710048)

近年來，紗線和紡織品的重點發(fā)展方向已逐漸變?yōu)槔枚嘟M分纖維的混紡或交織來彌補單一纖維制品的性能劣勢，這也就對廢舊紡織品的回收再利用提出了更高的要求[1-2]。在進行回收時，必須確定面料的組分，這樣才能更好地分類回收。組分分析方法有近紅外光譜法、核磁共振法、顯微鏡法、化學溶解法以及手工拆分法等。其中近紅外光譜法操作方便，檢測用時短，但黃興陽等[3]研究表明此種方法對組織結構復雜且表面不平整的面料測試效果較差。查純喜等[4]研究發(fā)現(xiàn)，核磁共振法準確度高，重復性好，適用于同系列PBT纖維(聚對苯二甲酸丁二醇酯纖維)與PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)、PTT(聚對苯二甲酸丙二醇酯)混合物的定量鑒別。顯微鏡不適合深色織物的觀察；化學溶解法會對纖維造成一定程度的損傷，甚至可能污染環(huán)境；手工拆散法效率低，且不精確。綜上所述，目前在對進行面料組分分析時，后3種方法并不常用。

織物的染料顏色對回收方法和回收工藝產(chǎn)生了限制性的影響，同時對利用率的影響也十分顯著，因此剝色技術顯得尤為重要[5-6]。解昌峰等[7]在UV/H2O體系中，采用光催化剝色法脫色活性染料染色棉織物，表明可獲得優(yōu)異的顯色效率。Semiha等[8]將活性染料染色棉織物經(jīng)過45 min臭氧處理后，實現(xiàn)了90%以上的顏色剝離；與常規(guī)還原處理相比，臭氧處理也減少了近94%的化學需氧量。但這些一般的剝色劑或剝色方法是針對某種單一纖維材料的織物，或者是針對某種染料、某種染色工藝[9]，對混紡織物的剝色技術研究卻相對較少[10]。在廢舊毛/絲/棉混紡面料中，蠶絲、羊毛屬于蛋白質(zhì)類纖維，棉屬于纖維素類纖維。這3種天然纖維對pH值、溫度較為敏感，其中蛋白質(zhì)類纖維在強堿作用下破壞嚴重甚至會溶解，因此傳統(tǒng)的H2O2漂白法并不適用于此類面料的剝色，而H2O2/活化劑體系的漂白方法由于在一定程度上實現(xiàn)了低溫漂白而受到研究人員的廣泛關注[11-12]。

本文首先采用掃描電鏡法進行定性分析，根據(jù)國家標準中關于紡織品定量化學分析的測試準則定量分析，將定性分析與定量分析結合測定廢舊面料的組分并計算混紡比。再用H2O2/檸檬酸體系[13]對廢舊毛/絲/棉混紡面料進行剝色處理，測試面料的白度和斷裂強力，通過單因素法優(yōu)化毛/絲/棉面料的剝色工藝，從而降低染料對于廢舊紡織品回收再利用的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

實驗材料：廢舊毛/絲/棉混紡面料(白度為32.86%，斷裂強力為441.54 cN，山東魯泰紡織股份有限公司)

藥品試劑：濃硫酸(75%，西安市三浦化學試劑有限公司)；次氯酸鈉溶液(天津百世化工有限公司)；石油醚(上海金錦樂實業(yè)有限公司)；氨水(25%，天津百世化工有限公司)；過氧化氫(30%，天津市大茂化學試劑廠)；檸檬酸(天津市致遠化學試劑有限公司)；氫氧化鈉(天津市大茂化學試劑廠)；硅酸鈉(天津市致遠化學試劑有限公司)；滲透劑JFC(上海九潔實業(yè)有限公司)。以上均為分析純試劑。

實驗儀器及設備：JA3003N型電子天平(上海精密科學儀器有限公司)；W201型恒溫水浴鍋(上海申生科技有限公司)；BYXT-250S型索氏萃取器(上海秉越電子儀器有限公司)；07HWS-2型數(shù)顯恒溫磁力攪拌器(杭州儀表電機有限公司)；DHG-9075A型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海齊欣科學儀器有限公司)；QuanRa-450-FEG型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，美國FEI公司)；WSB-3A型智能式數(shù)字白度儀(寧波紡織儀器廠)；YG(B)026D-500型電子織物強力機(溫州大榮紡織標準儀器廠)。

1.2 實驗方法

1.2.1 面料的清洗消毒

選用沸煮消毒法對廢舊毛/絲/棉面料進行清洗消毒處理。首先將廢舊面料用去離子水清洗，去除其表面的臟物、塵土等；再將清洗后的面料沸煮30 min，進行消毒；最后漂洗、干燥，得到清洗消毒處理后的面料。

1.2.2 面料的組分測定

首先利用掃描電鏡觀察及燃燒法分析廢舊面料中的纖維成分，確定面料中所含纖維種類；再取清洗消毒處理后的面料10 g，將面料拆成紗線，均分成5份，根據(jù)GB/T 2910.1—2009 《紡織品 定量化學分析 第1部分：試驗通則》，GB/T 2910.2—2009 《紡織品 定量化學分析 第2部分：三組分纖維混合物》，GB/T 2910.18—2009 《紡織品 定量化學分析 第18部分：蠶絲與羊毛或其他動物毛纖維的混合物(硫酸法)》對組分進行定量分析。

1.2.3 面料的剝色處理

采用H2O2/檸檬酸體系對廢舊毛/絲/棉混紡面料進行剝色處理。首先，稱取一定量的H2O2、檸檬酸、Na2SiO3和JFC，加入1 L的蒸餾水中充分攪拌均勻；然后采用1 mol/L的NaOH或H2SO4調(diào)節(jié)溶液的pH值；最后在一定的溫度條件下，加入廢舊毛/絲/棉混紡面料，浴比為1∶40，剝色處理一定時間后取出洗凈再烘干備用。

1.3 性能測試

1.3.1 白 度

依據(jù)GB/T 8424.2—2001 《紡織品 色牢度試驗 相對白度的儀器評定方法》，采用智能式數(shù)字白度儀對試樣進行測試。

1.3.2 斷裂強力

依據(jù)GB/T 3923.1—2013 《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》，采用電子織物強力機對試樣進行測試。

2 結果與分析

2.1 面料組分測定結果與分析

廢舊毛/絲/棉混紡面料經(jīng)、緯向掃描電鏡照片如圖1所示?？梢杂^察到，該廢舊面料經(jīng)紗和緯紗的纖維成分相同，都含有3種不同的纖維形態(tài)。一種纖維表面粗糙有鱗片，且鱗片根部附著于毛干，說明廢舊面料中含有羊毛；一種纖維沿軸向發(fā)生扭轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)天然轉(zhuǎn)曲，說明廢舊面料中含有棉；最后一種纖維表面平滑，不確定屬于哪類纖維，但面料經(jīng)燃燒后，散發(fā)有淡淡的燒毛發(fā)的臭味，說明廢舊面料中含有蠶絲。因此，此廢舊面料由羊毛、蠶絲、棉3種纖維混紡而成。

圖1 廢舊毛/絲/棉混紡面料經(jīng)、緯向掃描電鏡照片(×2 000)Fig.1 Warp and weft SEM images of waste wool/silk/cotton blended fabrics(×2 000).(a) Warp direction;(b)Weft direction

根據(jù)1.2.2節(jié)面料成分分析規(guī)定的方法，得到廢舊毛/絲/棉混紡面料的三組分測定結果，如表1所示。

表1 廢舊毛/絲/棉混紡面料三組分測定結果Tab.1 Three components determination result of waste wool/silk/cotton blended fabric

通過計算實驗結果的平均值得到廢舊毛/絲/棉面料混紡比為∑xi/∑yi/∑zi=0.746/0.207/0.047，因此可以確定待回收的面料混紡比為75/20/5。

2.2 剝色工藝的優(yōu)化

2.2.1 H2O2質(zhì)量濃度

實驗條件：檸檬酸質(zhì)量濃度為2 g/L，pH值為6，Na2SiO3質(zhì)量濃度為2 g/L，JFC質(zhì)量濃度為3 g/L，溫度為80 ℃，時間為60 min，浴比為1∶40。研究H2O2質(zhì)量濃度對混紡面料剝色效果的影響，實驗結果如圖2所示。

圖2 H2O2質(zhì)量濃度對混紡面料白度和斷裂強力的影響Fig.2 Influence of H2O2 mass concentration on whiteness and breaking strength of blended fabric

從圖2可以看出，隨著H2O2質(zhì)量濃度的增加，混紡面料的白度增加。這是因為隨著漂白液中H2O2質(zhì)量濃度的增加，檸檬酸與H2O2反應速率提高，漂白液中過酸化合物增加，破壞了色素的共軛發(fā)色體系，混紡面料剝色效果顯著提高。當H2O2質(zhì)量濃度增加達到12 g/L時，白度的增加開始趨于平緩，這是因為漂白液中檸檬酸的用量是固定的，H2O2質(zhì)量濃度增加到某一定量后，白度的增加只能依賴于H2O2自身的分解反應，因而混紡面料白度增加緩慢。隨著H2O2質(zhì)量濃度的增加，混紡面料的斷裂強力降低。這是因為隨著漂白液中H2O2質(zhì)量濃度的增加，漂白液的氧化性增強，當H2O2質(zhì)量濃度增加達到12 g/L時，漂白液中的活性氧在氧化染料色素的同時，開始更多地氧化纖維，面料纖維受損。綜上所述，H2O2質(zhì)量濃度選擇10 g/L。

2.2.2 檸檬酸質(zhì)量濃度

實驗條件：H2O2質(zhì)量濃度為10 g/L，pH值為6，Na2SiO3質(zhì)量濃度為2 g/L，JFC質(zhì)量濃度為3 g/L，溫度為80 ℃，時間為60 min，浴比為1∶40。研究檸檬酸質(zhì)量濃度對混紡面料剝色效果的影響，實驗結果如圖3所示。

圖3 檸檬酸質(zhì)量濃度對混紡面料白度和斷裂強力的影響Fig.3 Influence of citric acid mass concentration on whiteness and breaking strength of blended fabric

從圖3看出，當檸檬酸質(zhì)量濃度低于2 g/L時，混紡面料的白度隨著檸檬酸質(zhì)量濃度的增加而增加，此時斷裂強力變化不明顯。當檸檬酸質(zhì)量濃度高于2 g/L時，白度增加速度變慢，但是斷裂強力逐漸降低。這是因為檸檬酸是一種比較溫和的活化劑，漂白液的氧化作用隨著檸檬酸質(zhì)量濃度的增加而增強，當檸檬酸質(zhì)量濃度高于2 g/L時，其對H2O2的活化作用超出了控制范圍，H2O2分解速率過快，使其在對染料色素進行破壞的同時增加了對面料纖維的損傷。綜上所述，檸檬酸質(zhì)量濃度選擇2 g/L。

2.2.3 pH值

實驗條件：H2O2質(zhì)量濃度為10 g/L，檸檬酸質(zhì)量濃度為2 g/L，Na2SiO3質(zhì)量濃度為2 g/L，JFC質(zhì)量濃度為3 g/L，溫度為80 ℃，時間為60 min，浴比為1∶40。研究pH值對混紡面料剝色效果的影響，實驗結果如圖4所示。

圖4 pH值對混紡面料白度和斷裂強力的影響Fig.4 Influence of pH value on whiteness and breaking strength of blended fabric

從圖4看出：隨著pH值的增加，混紡面料的白度增加，斷裂強力略微下降；當pH=6時，白度達到了49.31%；pH值繼續(xù)增加，混紡面料的白度變化不明顯，此時斷裂強力顯著降低。這是因為一般檸檬酸促進H2O2有效分解的pH值應該控制在5.5～7的范圍內(nèi)，所以隨著pH值的增加，H2O2分解速率增加。當pH值增加達到弱酸性或中性條件時，檸檬酸對H2O2達到了最優(yōu)的活化效果；當pH值繼續(xù)增加到堿性條件時，堿對H2O2的分解也產(chǎn)生了催化作用，導致一定用量的H2O2不能有效地漂白混紡面料，同時堿性條件對于蛋白質(zhì)類纖維的損傷增大，從而斷裂強力迅速降低。綜上所述，pH值選擇6。

2.2.4 Na2SiO3質(zhì)量濃度

實驗條件：H2O2質(zhì)量濃度為10 g/L，檸檬酸質(zhì)量濃度為2 g/L，pH值為6，JFC質(zhì)量濃度為3 g/L，溫度為80 ℃，時間為60 min，浴比為1∶40。研究Na2SiO3質(zhì)量濃度對混紡面料剝色效果的影響，實驗結果如圖5所示。

圖5 Na2SiO3質(zhì)量濃度對混紡面料白度和斷裂強力的影響Fig.5 Influence of Na2SiO3 mass concentration on whiteness and breaking strength of blended fabric

從圖5看出：隨著Na2SiO3質(zhì)量濃度的增加，混紡面料的白度先增加后減??；在Na2SiO3質(zhì)量濃度為1.2 g/L時，白度達到最大值52.50%。這是因為溶液中加入Na2SiO3可以吸附其中的Ca2+、Fe3+、Cu2+等重金屬離子，削減H2O2的無效分解反應，在漂白的過程中起到穩(wěn)定H2O2的作用，從而提高剝色效果。但是當Na2SiO3質(zhì)量濃度超過1.2 g/L時，混紡面料的白度不僅不再增加反而開始減小，這是因為此時溶液中的重金屬離子已經(jīng)基本都被吸附，過量的Na2SiO3使漂白液的主要剝色成分H2O2過于穩(wěn)定，反而不利于脫色。隨著Na2SiO3質(zhì)量濃度的增加，混紡面料的斷裂強力呈現(xiàn)小幅下降，影響較小。綜上所述，Na2SiO3質(zhì)量濃度選擇1.2 g/L。

2.2.5 JFC質(zhì)量濃度

實驗條件：H2O2質(zhì)量濃度為10 g/L，檸檬酸質(zhì)量濃度為2 g/L，pH值為6，Na2SiO3質(zhì)量濃度為1.2 g/L，溫度為80 ℃，時間為60 min，浴比為1∶40。研究JFC質(zhì)量濃度對混紡面料剝色效果的影響，實驗結果如圖6所示。

圖6 JFC質(zhì)量濃度對混紡面料白度和斷裂強力的影響Fig.6 Influence of JFC mass concentration on whiteness and breaking strength of blended fabric

從圖6看出，隨著JFC質(zhì)量濃度的增加，混紡面料的白度增加。這是因為JFC可以降低溶液表面張力。隨著JFC質(zhì)量濃度的增加，混紡面料的斷裂強力先增加后降低。當JFC質(zhì)量濃度為2 g/L時，斷裂強力達到較優(yōu)值429.92 cN；當JFC質(zhì)量濃度超過2 g/L時，斷裂強力開始降低，此時白度的增加逐漸變緩。這是因為隨著JFC質(zhì)量濃度的增加，非離子表面活性劑JFC會在溶液中形成膠束，混紡面料中的部分染料分子被包裹在膠束內(nèi)部[14]，只能慢慢釋放，因而白度的增加開始變得平緩。由此說明在漂白液中加入少量的JFC就可以達到降低溶液表面張力的目的，且當JFC用量超出一定范圍后，混紡面料白度的增加變慢，對面料的斷裂強力造成不利影響。綜上所述，JFC質(zhì)量濃度選擇2 g/L。

2.2.6 溫 度

實驗條件：H2O2質(zhì)量濃度為10 g/L，檸檬酸質(zhì)量濃度為2 g/L，pH值為6，Na2SiO3質(zhì)量濃度為1.2 g/L，JFC質(zhì)量濃度為2 g/L，時間為60 min，浴比為1∶40。研究溫度對混紡面料剝色效果的影響，實驗結果如圖7所示。

圖7 溫度對混紡面料白度和斷裂強力的影響Fig.7 Influence of temperature on whiteness and breaking strength of blended fabric

從圖7看出，隨著溫度的升高，混紡面料的白度增加，斷裂強力降低。這是因為隨著溫度的升高，H2O2的分解速度加快，漂白液中游離態(tài)的HO2-增多[15]，破壞混紡面料的染料色素；同時，長時間的高溫處理容易使纖維受到損傷，從而斷裂強力降低。由于本實驗中活化劑檸檬酸的作用，可以在適當降低實驗溫度的條件下，由活化反應加快H2O2的分解速率，從而達到與傳統(tǒng)雙氧水漂白法接近的剝色效果。綜上所述，溫度選擇80 ℃。

2.2.7 時 間

實驗條件：H2O2質(zhì)量濃度為10 g/L，檸檬酸質(zhì)量濃度為2 g/L，pH值為6，Na2SiO3質(zhì)量濃度為1.2 g/L，JFC質(zhì)量濃度為2 g/L，溫度為80 ℃，浴比為1∶40。研究時間對混紡面料剝色效果的影響，實驗結果如圖8所示。

圖8 時間對混紡面料白度和斷裂強力的影響Fig.8 Influence of time on whiteness and breaking strength of blended fabric

從圖8看出：隨著時間的增加，混紡面料的白度增加；當時間超過80 min時，白度幾乎不再增加。這是因為漂白液中檸檬酸的用量是一定的，在反應進行一段時間后，漂白液中的檸檬酸已經(jīng)充分反應，繼續(xù)增加反應時間對于白度的提高沒有明顯的效果。同時，混紡面料的斷裂強力卻隨著時間的增加持續(xù)降低。綜上所述，時間選擇80 min。

綜上分析，廢舊毛/絲/棉混紡面料H2O2/檸檬酸體系的最優(yōu)剝色工藝為：H2O2質(zhì)量濃度10 g/L，檸檬酸質(zhì)量濃度2 g/L，pH值6，溫度80 ℃，時間80 min，Na2SiO3質(zhì)量濃度1.2 g/L，JFC質(zhì)量濃度2 g/L，浴比1∶40。采用此最優(yōu)剝色工藝對廢舊毛/絲/棉混紡面料進行剝色處理，其剝色前、后實物圖如圖9所示。由圖可知，面料經(jīng)剝色處理后，顏色明顯變淡。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)此時面料白度為54.27%，提高了39.5%，而斷裂強力為410.17 cN，降低了0.07%。

圖9 廢舊毛/絲/棉混紡面料剝色前、后的實物圖Fig.9 Actual picture of waste wool/silk/cotton blended fabric before and after stripping. (a)Before stripping; (b)After stripping

3 結 論

1)對回收的廢舊混紡面料進行組分分析測定，確定面料由毛、絲、棉3種纖維組成，且面料中各組分的混紡比(棉/絲/毛)為75/20/5。

2)采用H2O2/檸檬酸體系對混紡面料進行剝色處理，以白度和斷裂強力作為測試指標評價剝色效果，根據(jù)單因素法優(yōu)化剝色工藝，通過實驗得到最優(yōu)工藝條件：H2O2質(zhì)量濃度為10 g/L，檸檬酸質(zhì)量濃度為2 g/L，pH值為6，溫度為80 ℃，時間為80 min，Na2SiO3質(zhì)量濃度為1.2 g/L，JFC質(zhì)量濃度為2 g/L，浴比為1∶40。采用此工藝條件剝色后，混紡面料的白度為54.27%，提高了39.5%；斷裂強力為410.17 cN，僅降低0.07%。

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