聚乳酸織物堿性染色工藝探討

于家學(xué)，王小艷，荊麗麗，杜金梅，孫 昌，許長海

(1. 江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122； 2. 蓬萊嘉信染料化工股份有限公司，山東 蓬萊 265600)

聚乳酸(polylactic acid, PLA)纖維作為一種新型的生態(tài)紡織纖維，因具有優(yōu)異的生物相容性和生物可降解性而受到人們的重視[1-4]。其制品應(yīng)用前景廣泛，可用于醫(yī)療衛(wèi)生、家紡、工農(nóng)業(yè)材料、塑料新型材料、裝飾材料等方面，并且PLA染色產(chǎn)品可起到美化生活、區(qū)別產(chǎn)品等作用。但是PLA纖維屬于聚酯類，存在諸如染色困難，染色產(chǎn)品手感偏硬、極光嚴重的問題，因此在其染整加工過程中需要進行減量處理[5-7]，并且PLA纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其在堿性條件下易于水解。常規(guī)PLA纖維的染整加工流程為：先在堿性條件下減量以改善手感，待水洗后再在酸性條件下采用分散染料染色，然后在堿性條件下還原清洗[8-10]。染色過程中，染浴的pH值先后由堿性變?yōu)樗嵝栽僮優(yōu)閴A性，反復(fù)的pH值調(diào)節(jié)容易導(dǎo)致工藝參數(shù)不穩(wěn)定，因此產(chǎn)品的重現(xiàn)率較低。此外，冗長繁瑣的染色流程會消耗更多的能源和水，增加了經(jīng)濟、環(huán)境方面的壓力。耐堿分散染料可以在高溫堿性條件下使用[11-12]。為了簡化工序，提高生產(chǎn)效率，本文探討了采用耐堿分散染料于堿性條件下對PLA織物進行一浴一步染色的可行性，并對堿性染色產(chǎn)品與傳統(tǒng)工藝染色產(chǎn)品的染色效果進行了對比。

1 試驗部分

1.1 材料和藥品

PLA長絲織物(8.33 tex×16.67 tex，1.25 g/cm3)，分散紅HA-G、分散黃棕H-2R、分散藍HA-RL(這3種顏色為該系列染料的三原色，其他顏色可由此三原色調(diào)配，三原色的染色參數(shù)可為多種顏色的開發(fā)奠定基礎(chǔ))，蓬萊嘉信染料化工股份有限公司；氫氧化鈉、冰醋酸(HAc)、碳酸鈉、保險粉，分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；高溫勻染劑，分析純，日華化學(xué)(中國)有限公司；滲透劑JFC，分析純，德美化工有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

AHIBA IR型高溫高壓染色機(美國Datacolor公司)，AB204-N型電子分析天平(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)，HH-4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)，YG(B)026D-250型電子織物強力機(溫州大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠)，Datacolor 650型反射光分光光度計(美國Datacolor公司)，SW-24E型耐洗色牢度試驗機(溫州大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠)，Y(B)571-II型色牢度摩擦儀(溫州大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠)，EL-20型精密pH計(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)。

1.3 試驗方法

1.3.1 PLA織物減量

將PLA織物按浴比1∶20放入不同pH值處理液中(HAc，NaOH和Na2CO3用量均為1 g/L)。按1 ℃/min的升溫速率由室溫升至100 ℃，保溫30 min。自然冷卻到室溫，充分水洗后晾干備用。

1.3.2 PLA織物近中性染色

PLA織物按浴比1∶20進行中性染色。染料質(zhì)量分數(shù)為2%，高溫勻染劑質(zhì)量濃度為1 g/L，按1 ℃/ min升溫速率升溫至100 ℃，保溫30 min。染色后分別進行還原清洗和皂洗。

還原清洗：將質(zhì)量濃度為2 g/L的NaOH、 2 g/L的保險粉、1 g/L的滲透劑JFC和水按浴比1∶20配置成清洗溶液，于60 ℃處理15 min。

皂洗：將質(zhì)量濃度為3 g/L的皂片與水按浴比1∶30配置成清洗溶液，于60 ℃處理10 min。

1.3.3 PLA織物堿性染色

PLA織物按浴比1∶20進行堿性染色。染料質(zhì)量分數(shù)為2%，高溫勻染劑質(zhì)量濃度為1 g/L，NaOH質(zhì)量濃度為1 g/L，溫度為100 ℃，保溫30 min。

1.3.4 染色溫度及堿劑用量影響

PLA織物按浴比1∶20進行染色。分散紅HA-G質(zhì)量分數(shù)為2%，高溫勻染劑質(zhì)量濃度為1.5 g/L，堿劑Na2CO3質(zhì)量濃度為0～9 g/L，升溫速率為1 ℃/min，染色溫度分別為100、 105、 110和115 ℃，保溫40 min。

1.3.5 PLA織物傳統(tǒng)方法染色

PLA織物先在浴比為1∶20、NaOH質(zhì)量濃度為5 g/L的溶液中，于80 ℃堿減量30 min，水洗并酸中和，然后在100 ℃下利用分散紅HA-G質(zhì)量分數(shù)為2%的染液染色40 min，水洗后還原清洗，皂洗，水洗，烘干。

1.4 測試方法

1.4.1 表觀色深K/S值

主要測量表觀顏色深度K/S，以及表觀顏色(CIELAB)的L、a、b值。將織物對折成4層，使用Datacolor 650型反射光分光光度儀(小孔徑、D65光源和10°視角)測定產(chǎn)品的各項表觀顏色屬性。每一個樣品測10個不同位置點，測量結(jié)果取其平均值。

1.4.2 斷裂強力

根據(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的測定條樣法》，使用YG026D-250型電子織物強力測試機測定織物的斷裂強力。

1.4.3 染色牢度

(1) 耐皂洗色牢度測定。根據(jù)GB/T 3921—2008《紡織品色牢度實驗?zāi)驮硐瓷味取窚y定產(chǎn)品的耐皂洗色牢度；根據(jù)GB/T 251—2008《評定沾色用灰色樣卡》測定沾色牢度；根據(jù)GB/T 250—2008《評定變色用灰色樣卡》測定變色牢度。

(2) 耐水漬牢度測定。根據(jù)ISO 105—E01：2010(E)《紡織品耐水漬牢度測定》測定樣品的耐水漬牢度。

2 結(jié)果與分析

2.1 PLA織物減量

在PLA織物減量工序中，通過減輕纖維質(zhì)量可以改善織物的光澤及手感。鑒于PLA屬于脂肪族聚酯化合物，其酯鍵耐酸堿穩(wěn)定性低于滌綸纖維的酯鍵，本文研究了不同pH值下PLA織物的減量情況，結(jié)果如表1所示。

表1 PLA織物減量結(jié)果

由表1可知，隨著pH值的升高，織物的減量率增加且堿性條件下更有利于PLA織物的減量，而PLA織物的斷裂強力降低。這是因為在高溫堿性環(huán)境中，酯鍵易于水解，纖維表面受到堿的刻蝕，纖維細度降低、質(zhì)量減輕。同時，經(jīng)緯紗交織點處由于吸收堿液量較多，受到堿的刻蝕也更為明顯，從而增加了織物交織點的空隙，外力作用下纖維間易于發(fā)生相對移動，使得織物剛性下降，產(chǎn)生柔軟手感。

2.2 PLA織物染色

分別對PLA織物在中性和堿性條件下進行染色，對比了兩種染色條件下的PLA織物表觀顏色(L、a和b)、顏色深度(K/S)以及減量率，結(jié)果如表2所示。由表2可知，染浴加堿后染色織物的減量率顯著增大，染色明顯加深。這是因為高溫堿性條件下PLA纖維發(fā)生水解，纖維變細，減量率提高；同時，纖維變細導(dǎo)致纖維比表面積增大，使得更多染料上染纖維，致使產(chǎn)品的K/S值增大，顏色加深。此外，對比中性和堿性染色條件下PLA織物的表觀顏色可知，兩種條件下的織物的色調(diào)(h)并沒有發(fā)生顯著變化，顏色深度的差異主要是由亮度值(C)的變化所引起。由此可以斷定，堿性條件染色只是增加了分散染料的上染量，而對染料的色光不會造成影響。

表2 PLA織物染色結(jié)果

注：C為亮度；h為色調(diào)。

2.3 堿性染色條件對PLA織物染色深度及強力的影響

PLA纖維無定形區(qū)分子鏈在溫度高于PLA的玻璃化溫度后發(fā)生分子鏈段熱運動，使得染料分子進入無定形區(qū)完成纖維染色。由此可知，染色溫度對PLA織物染色效果影響較大。此外，堿劑用量會影響PLA的水解程度，進而影響織物的手感。鑒于高溫高壓下PLA的分子鏈在NaOH溶液里易發(fā)生較大程度的水解，因此選用Na2CO3作為堿劑進行PLA堿性染色。染色溫度和堿劑用量對PLA織物顏色深度和強力的影響如表3所示。

表3 染色溫度和堿劑用量對PLA織物顏色深度和強力的影響

由表3可知，在相同染色溫度下，隨著堿劑用量的增大，PLA織物顏色深度逐漸變大且斷裂強力不斷減小。這可能是因為：一方面，隨著堿劑用量的增加，纖維表面受到堿的刻蝕增大，形成更多的小凹穴，纖維表面積增大，吸附染料的量增加，顏色變深；另一方面，染色溫度的升高將使得酯鍵的反應(yīng)活性提高，纖維表面蝕刻程度增大，導(dǎo)致纖維粗細不勻，易發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致織物斷裂強度降低。由表3還可知，相同堿劑用量下，隨著染色溫度的升高，PLA織物染色深度增大。這是因為隨著溫度的升高，無定形區(qū)大分子鏈運動加劇，出現(xiàn)空隙的機會增多，易吸附更多的染料分子從而織物顏色變深。

2.4 堿性染色PLA織物的色牢度

聚酯類纖維染色后一般需要進行還原清洗以去除浮色和染色中析出的聚酯低聚物等雜質(zhì)。PLA纖維屬于聚酯類纖維，其結(jié)構(gòu)與滌綸接近，故常規(guī)染色后需要進行還原清洗。對減性染色PLA織物的耐水洗色牢度和耐水漬色牢度進行了測試，測試結(jié)果如表4和5所示。由表4和5可知，不同貼襯材料的沾色和堿性染色PLA織物褪色等級都在4級以上，產(chǎn)品的染色牢度較高。對比是否進行還原清洗的兩組產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)，兩組樣品間無顯著差別。這可能是由于以常規(guī)工藝染色時纖維內(nèi)部的低聚物會擴散到纖維表面形成色斑、色塊，而堿性染色工藝中染料的上染與堿對纖維的水解同時進行，堿可以不斷剝離纖維表面的碎片，導(dǎo)致低聚物無法附著于纖維表面。由此可見，堿性染色工藝具有與還原清洗同等的效果，故其可免還原清洗。

表4 堿性染色時PLA織物的耐水洗色牢度

表5 堿性染色PLA織物的耐水漬色牢度

2.5 PLA織物堿性染色與傳統(tǒng)染色比較

PLA纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)不同于滌綸纖維，其在高溫強堿條件下易發(fā)生大規(guī)模水解。根據(jù)文獻[13]可知，PLA織物的傳統(tǒng)染色方法即先堿減量再染色。堿減量工藝參數(shù)可設(shè)置為：NaOH質(zhì)量濃度為5 g/L，染色溫度為80 ℃，染色時間為30 min。堿減量的織物經(jīng)充分洗滌后，再在100 ℃下染色40 min。兩步法獲得的織物K/S值為20.48。在Na2CO3質(zhì)量濃度為5 g/L、染色溫度為100 ℃、染色時間為40 min條件下進行的堿性染色工藝中，獲得的PLA染色織物的K/S值為21.09(見表3)。對比堿性染色和傳統(tǒng)染色方法所得織物的K/S值可知，堿性染色方法所得織物的顏色更深；對比堿性染色和傳統(tǒng)染色工序及配方可知，堿性染色工藝更加節(jié)省能源、水以及時間。

3 結(jié) 論

(1) PLA織物可利用耐堿分散染料在堿性條件下進行高溫高壓染色，可同時完成織物的堿減量及染色工序，其染色產(chǎn)品的手感較好且顏色較深。

(2) 堿性染色時PLA織物受染色溫度及堿劑用量的影響較顯著。隨著堿劑用量的增大，PLA織物顏色逐漸變深且斷裂強力不斷下降；隨著染色溫度的升高，PLA織物染色深度增大。

(3) PLA織物堿性染色時產(chǎn)品色牢度好，且染色后無需還原清洗。

(4) 與傳統(tǒng)染色工藝(染色前堿減量處理，染色后還原清洗)相比，PLA織物的堿性染色工藝可簡化工藝流程，提高生產(chǎn)效率。