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(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)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(xué)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(jié)構(gòu)復(fù)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(zhǔn)確度高，重復(fù)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(xué)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(shù)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(xué)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(shù)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(yán)重甚至?xí)芙猓虼藗鹘y(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(guān)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(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于紡織品定量化學(xué)分析的測試準(zhǔn)則定量分析，將定性分析與定量分析結(jié)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(xué)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(xué)試劑廠)；檸檬酸(天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司)；氫氧化鈉(天津市大茂化學(xué)試劑廠)；硅酸鈉(天津市致遠(yuǎn)化學(xué)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(shè)備：JA3003N型電子天平(上海精密科學(xué)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(fēng)干燥箱(上海齊欣科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)分析 第1部分：試驗通則》，GB/T 2910.2—2009 《紡織品 定量化學(xué)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(xué)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?jǐn)嚢杈鶆?；然后采? 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(jié)果與分析

2.1 面料組分測定結(jié)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。可以觀察到，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(jié)果，如表1所示。

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

通過計算實驗結(jié)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(jié)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(yīng)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(dāng)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(yīng)，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(dāng)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(jié)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(jié)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(dāng)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(yīng)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(jié)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小；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(yīng)，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(dāng)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(jié)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(jié)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(dāng)降低實驗溫度的條件下，由活化反應(yīng)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(jié)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(dāng)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(yīng)進行一段時間后，漂白液中的檸檬酸已經(jīng)充分反應(yīng)，繼續(xù)增加反應(yīng)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(jié) 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(biāo)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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