大豆殼提取物陽離子改性棉織物的染色性能

周露露

（長春理工大學光電信息學院，吉林長春 130000）

活性染料是棉織物染色最常用的染料，但活性染料染色染料利用率低，無機鹽用量大，廢水排放量大、處理困難，存在危害生態(tài)環(huán)境等問題［1-3］?；钚匀玖洗蠖酁殛庪x子染料，棉織物纖維在染浴中帶負電荷，與活性染料之間存在排斥力。為增加染料與纖維的相互作用，提高染料利用率，有必要對棉織物纖維進行改性［4-5］。傳統(tǒng)染色工藝通常需要使用大量無機鹽抑制棉織物纖維表面的負電荷聚集，減少棉織物纖維與活性染料的排斥力，從而提高染料的上染率和固色率。重鹽的染料廢水會嚴重破壞生態(tài)環(huán)境，必須對染色后的廢水進行脫鹽處理，導致染色成本增加［6-7］。棉織物陽離子化是近年來研究最廣泛的改性方法之一，在棉織物纖維中引入陽離子基團可以顯著提升活性染料與棉織物的結合力，實現(xiàn)低鹽或無鹽染色，減少或不用無機鹽，減少染料的洗滌次數(shù)，降低水和能源的消耗［8-9，5］。由于大多數(shù)用于棉織物纖維陽離子改性的化合物都對環(huán)境有害，本研究擬用含多種氨基酸的大豆殼提取物作為棉織物陽離子改性劑，以活性紅HE3B 對改性后的棉織物進行染色，并研究陽離子改性對棉織物染色性能的影響。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：大豆殼，半漂白平紋純棉織物（140 g/m2），染料活性紅HE3B，鹽酸（廣州化學試劑廠），氫氧化鈉（天津市恒興化學試劑制造有限公司），氯化鈉（天津市風船化學試劑科技有限公司），碳酸鈉（成都艾科達化學試劑有限公司），醋酸、檸檬酸（國藥集團化學試劑有限公司）。

儀器：HH-6D 型數(shù)顯恒溫電熱水浴鍋（上海皓莊儀器有限公司），NR-24P 染色小樣機（亞博紡織機械有限公司），Nicolet 670N 型傅里葉紅外光譜儀（美國尼高儀器公司），Spectrometer VIS-723 型紫外-可見分光光度計（上海儀電儀器有限公司），SW-8A 型耐洗色牢度試驗機（青島山紡儀器有限公司），Y571W型紡織品摩擦色牢度儀（寧波紡織儀器廠），Colour Eye 3100型計算配色系統(tǒng)（美國X-Rite 公司）。

1.2 棉織物陽離子改性

將磨碎的大豆殼加入6%的鹽酸中溶解，滴加0.1 mol/L 氫氧化鈉溶液，調(diào)節(jié)溶液pH 為6.0，過濾，得到大豆殼萃取氨基酸溶液。在100%濕法吸附條件下，利用大豆殼萃取氨基酸溶液對漂白棉織物進行陽離子改性，擠壓（擠壓輥壓力為500 kPa）完成后100 ℃干燥5 min，然后120 ℃固化5 min，得到大豆殼提取物陽離子改性棉織物。

1.3 染色工藝

配制7%的活性紅HE3B 溶液，升溫至60 ℃，將棉織物浸漬其中（浴比1∶20），升溫至90 ℃恒溫染色30 min，取出，清洗，熨平后自然晾干。未改性棉織物無鹽染色、大豆殼氨基酸陽離子改性棉織物無鹽染色分別記為1#、2#，常規(guī)染色棉織物記為3#。

1.4 測試

顏色特征值：將染色后的棉織物置于（20±2）℃、相對濕度（65±3）%的環(huán)境下平衡24 h，測定L*、a*、b*、c*及K/S值。K/S值越小，織物顏色越淺，反之亦然。

上染率：用紫外-可見分光光度計測定染色前后染料溶液的吸光度，計算上染率=（1-A1/A0）×100%，其中，A0、A1分別表示染色前后染料溶液的吸光度。

固色率：皂洗前后染色棉織物的K/S值之比，計算式如下：

其中，（K/S）a表示皂洗前的色強度，（K/S）b表示皂洗后的色強度。

色牢度：耐摩擦色牢度參照GB/T 3920—2008《紡織品色牢度試驗耐摩擦色牢度》、耐皂洗色牢度參照GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗耐皂洗色牢度》進行測試。

2 結果與討論

2.1 FTIR 表征

圖1a 中，3 000～3 600 cm-1處較寬的吸收峰源于纖維素分子中—OH 的伸縮振動，2 895～2 910 cm-1處的吸收峰源于—CH2—的不對稱伸縮振動，1 425 cm-1處的吸收峰對應—CH2—的對稱彎曲振動。除纖維素分子的特征峰外，圖1b 在1 648、2 345 cm-1處還存在新的吸收峰，其中1 648 cm-1處的吸收峰表明有含氮化合物存在；2 345 cm-1處的吸收峰對應—CH2—的伸縮振動。另外，改性棉織物的FTIR 光譜強度更高，這可能是由于在高溫和酸性催化劑作用下，用大豆殼提取物對棉織物纖維進行處理形成了含有游離—NH2基團的酯鍵—COO-，在酸的作用下，陽離子化在棉織物中形成了

圖1 棉織物改性前后的FTIR 譜圖

2.2 染色特征值

由表1 可知，陽離子改性棉織物染色后的K/S值最高，比常規(guī)染色棉織物更高，未改性棉織物染色的K/S值最低。大豆殼提取物處理后的織物K/S值增大，說明織物吸收的染料量增多。由表1 還可知，與常規(guī)染色棉織物相比，陽離子改性棉織物在L*、a*、b*、c*值上沒有顯著差異。

表1 棉織物改性前后的染色特征值

2.3 改性對棉織物染色效果的影響

2.3.1 上染率

由表2 可知，陽離子改性棉織物活性染料無鹽染色的上染率［11］最高，比未改性棉織物和常規(guī)染色棉織物分別提高了53.81 個百分點和3.46 個百分點，表明陽離子改性棉織物的染料利用率最高，染色后溶液的色度最低，殘留染料最少，也表明大豆殼提取物氨基酸溶液處理可用于棉織物無鹽染色。因為棉織物表面的正電荷增加，在無鹽染色工藝中，活性染料與改性棉織物纖維之間的吸引力主要取決于帶負電荷的活性染料和通過酯鍵與棉織物纖維結合的缺電子氨基之間的吸引力。

表2 棉織物改性前后的上染率

2.3.2 固色率

由表3 可知，改性棉織物的固色率達到90.81%，比未改性棉織物和常規(guī)染色棉織物分別提升了28.59個百分點和2.45個百分點。在染色過程中加入堿可以促進活性染料與纖維中的水反應，因此常規(guī)染色棉織物的固色率遠高于未改性棉織物，大豆殼氨基酸陽離子改性可以屏蔽棉織物纖維表面的負電荷，從而使活性染料在無鹽條件下也能明顯地耗盡和固定。

表3 棉織物改性前后的固色率

2.3.3 色牢度

棉織物改性前后的色牢度見表4。

表4 棉織物改性前后的色牢度

由表4 可知，改性棉織物染色的耐摩擦色牢度、耐汗?jié)n色牢度、耐皂洗色牢度均未大幅降低，符合國家標準。

2.3.4 物理性能

由表5 可知，改性棉織物無鹽染色的抗張強度略低于常規(guī)染色棉織物，可能是由于棉織物纖維在固化過程中熱降解。改性棉織物無鹽染色與常規(guī)染色棉織物的撕裂強度基本一致，可能是由于陽離子反應物通過分子交聯(lián)使分子間氫鍵減小的趨勢變小，氨基酸陽離子化對棉織物纖維的撕裂強度影響不顯著。通常氨基酸陽離子化發(fā)生在棉織物纖維素的羧甲基上，不會破壞分子間氫鍵。改性棉織物無鹽染色的抗彎剛度略高于常規(guī)染色棉織物，表明改性棉織物無鹽染色比常規(guī)染色棉織物略硬。改性棉織物無鹽染色的折皺回復角明顯提高，可能是由于棉纖維素分子間存在大豆殼氨基酸的交聯(lián)，阻礙了纖維的滑移并穩(wěn)定了纖維素的結構。

表5 棉織物改性前后的物理性能

2.3.5 出水負荷

由表6 可知，與常規(guī)染色相比，改性棉織物無鹽染色后出水的BOD、COD 和TDS 分別降低約32.6%、24.1%和76.9%，出水質(zhì)量高于常規(guī)染色，染料廢水的處理成本降低。陽離子改性棉織物無鹽染色的出水負荷比常規(guī)染色低，一方面是由于在染色過程中未加入鹽堿，另一方面是由于氨基酸陽離子化可以保證染料的固色性。另外，由于未固定和水解的染料更少，在染色過程中對水的需求量更小，也大大節(jié)省了工藝成本。

表6 出水水質(zhì)對比

3 結論

以大豆殼提取物為陽離子改性劑對棉織物進行陽離子改性處理，并用活性紅HE3B 染料對陽離子改性棉織物進行無鹽染色。相比常規(guī)染色，大豆殼提取物陽離子改性棉織物無鹽染色的K/S值更高，物理性能無明顯降低，各項色牢度指標均達到國家標準，染色出水的COD、BOD 和TDS 更低。該染色工藝可在不降低染色性能的情況下實現(xiàn)降低鹽堿用量的目的。