滌/棉混紡織物改性及其活性染料一浴法染色

蔣自力，董媛媛，劉子陽(yáng)，王利奇

(大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院，遼寧 大連 116034)

滌/棉混紡織物具有尺寸穩(wěn)定性好，不易折皺，易洗快干等優(yōu)點(diǎn)，深受消費(fèi)者喜愛(ài)[1]。但滌綸與棉的染色性能存在較大的差異，棉纖維常用直接染料、活性染料、還原染料進(jìn)行染色[2]。滌綸取向度較高，結(jié)構(gòu)緊密，屬于疏水纖維，且滌綸自身缺少親水基團(tuán)和染料接受體部位[3]，一般需要在高溫高壓條件下用分散染料進(jìn)行染色[4]。滌/棉混紡織物常用二浴法進(jìn)行染色，即先用分散染料在高溫高壓條件下上染滌綸，再用活性染料染棉[5]，該工藝過(guò)程能耗大，耗時(shí)長(zhǎng)，效率低下，不符合綠色染整理念，且通過(guò)該方式上染的滌/棉混紡織物強(qiáng)力損耗大[6]。因此，通過(guò)對(duì)滌/棉混紡織物進(jìn)行改性，以實(shí)現(xiàn)活性染料一浴法染色顯得尤其重要[7]。

表面改性可以在最大程度保持織物原有優(yōu)異性能的基礎(chǔ)上彌補(bǔ)其他性能的不足,其中，紫外光(UV)接枝技術(shù)利用三線態(tài)羰基化合物在聚合物表面捕獲氫，從而產(chǎn)生自由基并引發(fā)接枝聚合[8]。在室溫環(huán)境下，能將各種功能性單體快速地接枝到聚合物的表面，并且接枝聚合可嚴(yán)格地限定在材料的表面或亞表面進(jìn)行，不會(huì)改變材料原有的一些優(yōu)越性能[9]。

為了簡(jiǎn)化工藝，節(jié)約能源，本文將N—(3—二甲氨基丙基)甲基丙烯酰胺(DMAPMA)通過(guò)紫外光輻照接枝到滌/棉混紡織物上，對(duì)織物進(jìn)行改性，提升滌綸與棉對(duì)活性染料的染色性能，縮小滌綸與棉2種組分對(duì)于活性染料的得色差異，在優(yōu)化改性染色工藝的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)滌/棉混紡織物的同浴同色染色。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料、試劑與儀器

材料：滌/棉80/20混紡織物、滌綸織物、棉織物(面密度均為110 g/m2，福建宏達(dá)紡織有限公司)。

藥品：二苯甲酮(BP)(天津市大茂化學(xué)試劑廠)，N—(3—二甲氨基丙基)甲基丙烯酰胺(DMAPMA)、曲拉通X-100(上海麥克林有限公司)，NaCl、無(wú)水乙醇(天津科密歐化學(xué)試劑公司)，丙酮(天津凱信化工有限公司)，皂洗劑(上海涓瑞化工有限公司)，活性紅84(Ciba Specialty Chemicals Inc)。

儀器：SK-102-150T UV光固機(jī)(深圳市三昆科技有限公司)，Color Eye 7000A配色系統(tǒng)(北京慧龍環(huán)科環(huán)境儀器有限公司)，UV-8000型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海元析儀器有限公司)，Y571W型摩擦色牢度儀(無(wú)錫紡織儀器廠)，M228 Rotawash水洗色牢度儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)，JSM-7800F型掃描電鏡(日本日立電子公司), Spectrum One-B型傅里葉紅外光譜儀(美國(guó)鉑金埃爾默儀器有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 改性工藝

將烘干后的織物浸漬在含有二苯甲酮(BP)、無(wú)水乙醇、N—(3—二甲氨基丙基)甲基丙烯酰胺(DMAPMA)和曲拉通X-100的溶液中，浸漬10 min，浴比1∶20，以70%的軋液率在壓輥上進(jìn)行擠壓，紫外線下進(jìn)行照射，對(duì)照射后的織物用10%的丙酮清洗，水洗，烘干。

1.2.2 活性染料染色工藝

染色工藝處方：染料用量1%～11%(owf)，染色溫度50～90 ℃，NaCl質(zhì)量濃度0～70 g/L，浴比1∶30，調(diào)節(jié)pH值為6。

染色工藝流程：分別將滌綸織物、棉織物、滌/棉80/20混紡織物用活性染料活性紅84進(jìn)行染色。然后通過(guò)織物表觀色深(K/S值)、同色平衡值K分析混紡織物染色同色性，染色工藝曲線見(jiàn)圖1。

圖1 改性織物活性染料染色工藝曲線Fig.1 Dyeing process curve of modified fabric with reactive dyes

1.3 性能表征與測(cè)試

1.3.1 表觀形貌測(cè)試

將改性前后滌/棉混紡織物進(jìn)行表面噴金處理，采用掃描電子顯微鏡觀察表觀形貌。

1.3.2 表觀色深K/S值及同色性測(cè)定

在染色布樣3個(gè)不同位置測(cè)試K/S值，取其平均值作為織物的K/S值。K/S值是用反射光譜儀測(cè)量λ取最大值時(shí)的反射率來(lái)計(jì)算得出，庫(kù)貝爾拉-蒙克方程對(duì)色度做出了如下定義。

式中：K是吸收系數(shù)；S是散射系數(shù)；R是λ取最大值時(shí)的反射率，%。

混紡織物的表觀同色性用同色平衡值K，即滌綸與棉織物K/S值的比值來(lái)表示：

K值越接近于1，表示混紡織物同色性越好；K<1,表示棉的表觀色深比滌綸好；K>1表示滌綸的表觀色深比棉好。

1.3.3 上染百分率測(cè)定

上染百分率采用UV-8000型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)對(duì)染色前后染液的吸光度進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)殘液濃度法計(jì)算上染百分率：

式中:E為上染百分率，%；A0為未染色染液的吸光度；A1為染色后殘液的吸光度；n為稀釋比例。

1.3.4 勻染性測(cè)定

采用Color Eye 7000A配色系統(tǒng)對(duì)染色織物的勻染性進(jìn)行測(cè)試。色差值(ΔE)越小，則代表染色織物勻染性越好。

式中:ΔL*表示明亮度差，Δa*代表紅綠值差，Δb*代表黃藍(lán)值差。

1.3.5 色牢度測(cè)定

按GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐摩擦色牢度》測(cè)定織物的耐摩擦色牢度[10]。按GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐皂洗色牢度》測(cè)定織物的耐皂洗色牢度[11]。并用灰色樣卡評(píng)定布樣的沾色、褪色級(jí)別。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面微觀形貌分析

分別對(duì)改性處理前后的滌綸織物、棉織物及滌/棉混紡織物進(jìn)行掃描電鏡測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 織物改性前后的SEM照片(×1 000)Fig.2 SEM diagram of fabric before and after modification(×1 000).(a) Polyester fabric；(b) Cotton fabric；(c) Polyester/cotton blended fabric；(d) Modified polyester fabric；(e) Modified cotton fabric；(f) Modified polyester/cotton blended fabric

由圖2(a)～(c)可以看出，未處理的滌綸織物、棉織物以及滌/棉混紡織物縱向表面雜質(zhì)較少，比較均勻，相對(duì)潔凈，其中棉纖維有天然轉(zhuǎn)曲，表面有小溝槽，而滌綸相對(duì)光滑。由圖2(d)～(f)可以看出，經(jīng)紫外光接枝改性后的滌綸織物、棉織物以及滌/棉混紡織物的纖維縱向表面覆蓋了一層膜狀物而變得凹凸不平，并且相互黏連，說(shuō)明單體鏈在織物表面成功接枝，具有較高的接枝率。

2.2 改性工藝對(duì)同色性的影響

2.2.1 紫外光照射能量對(duì)同色性的影響

按照1.2.1的工藝，改變紫外光照射能量，光敏引發(fā)劑用量為10%(owm),DMAPMA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%,然后按照1.2.2染色工藝染色，染料用量為5%(owf),染色溫度為60 ℃，NaCl質(zhì)量濃度為50 g/L，紫外光照射能量對(duì)滌/棉混紡織物同色性的影響見(jiàn)表1。

由表1可知，未經(jīng)紫外光接枝改性時(shí)，滌綸織物對(duì)于活性紅84幾乎不能上染，而棉織物在該條件下的表觀得色較淺，隨著紫外光照射能量的增加，滌綸織物與棉織物的染色深度(K/S值)均先增加后減小，其中棉組分的得色深度高于滌綸組分，當(dāng)紫外光照射能量為30 J/cm2時(shí)，2種織物的得色深度較為接近。這是由于紫外線能量越大，光裂解產(chǎn)生的自由基越多，染色效果越深，但過(guò)量的能量轟擊會(huì)造成單體在織物表面均聚從而導(dǎo)致K/S值下降。并且與聚酯中的仲氫相比，棉纖維的中叔氫更容易被二苯甲酮引發(fā)劑提取，所以棉相比于滌綸織物，K/S值先達(dá)到峰值，綜合考慮紫外光照射能量30 J/cm2左右時(shí)較為適宜。

表1 紫外光照射能量對(duì)滌/棉混紡織物同色性的影響Tab.1 Effect of UV energy on homochromism of polyester/cotton blended fabric

2.2.2 光敏引發(fā)劑用量對(duì)同色性的影響

按照1.2.1的工藝，改變光敏引發(fā)劑用量，紫外光照射能量為30 J/cm2,DMAPMA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%,然后按照1.2.2染色工藝染色，染料用量為5%(owf),染色溫度為60 ℃，NaCl質(zhì)量濃度為50 g/L，光敏引發(fā)劑用量對(duì)滌/棉混紡織物同色性的影響見(jiàn)表2。

表2 光敏引發(fā)劑用量對(duì)滌/棉混紡織物同色性的影響Tab.2 Effect of photoinitiator(PI) concentration on homochromism of polyester/cotton blended fabric

由表2可知，當(dāng)無(wú)光敏引發(fā)劑加入時(shí)，滌綸織物表觀得色較低，隨著光敏引發(fā)劑用量的增加，滌綸織物與棉織物的K/S值先升高后降低，這是因?yàn)樵谧贤饩€的照射下，光敏引發(fā)劑用量的增加，相同時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)紫外光照射產(chǎn)生的活性接枝點(diǎn)增多，更多單體接枝到織物上使得織物染色深度提高，而當(dāng)光敏引發(fā)劑用量過(guò)高時(shí)會(huì)造成其自由基的重組，導(dǎo)致K/S值下降。因此合理控制光敏引發(fā)劑用量可以調(diào)控滌綸織物與棉織物的染色深度差異，當(dāng)光敏引發(fā)劑為25%(owm)時(shí)，滌綸織物與棉織物的同色性較好。

2.2.3 DMAPMA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)同色性的影響

按照1.2.1的工藝，改變DMAPMA質(zhì)量分?jǐn)?shù)，紫外光照射能量為30 J/cm2,光敏引發(fā)劑用量為25%(owm),然后按照1.2.2染色工藝染色，染料用量為5%(owf),染色溫度為60 ℃，NaCl質(zhì)量濃度為50 g/L，DMAPMA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)滌/棉混紡織物同色性的影響見(jiàn)表3。

表3 DMAPMA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)滌/棉混紡織物同色性的影響Tab.3 Effect of DMAPMA mass concentration on homochromism of polyester/cotton blended fabric

由表3可知，在紫外光照射能量為30 J/cm2無(wú)單體加入時(shí)，滌綸織物與棉織物的表觀色深較差，說(shuō)明單獨(dú)紫外線輻照對(duì)織物染色性能影響不大，隨著DMAPMA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，滌綸織物與棉織物的染色深度先增加后下降。當(dāng)DMAPMA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，滌綸與棉組分的K/S值相差較小，此時(shí)K值較接近于1，同色性較好。

2.3 染色工藝對(duì)同色性的影響

2.3.1 染料用量對(duì)同色性的影響

為了優(yōu)化混紡織物的染色性能，在最佳改性條件下(照射能量為30 J/cm2,光敏引發(fā)劑用量為25%(owm),DMAPMA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%)按照1.2.2染色工藝染色，染色溫度為60 ℃，NaCl質(zhì)量濃度為50 g/L，染料用量對(duì)滌/棉混紡織物同色性的影響見(jiàn)表4。

表4 染料用量對(duì)滌/棉混紡織物同色性的影響Tab.4 Effect of dye dosage on homochromism of polyester/cotton blended fabric

由表4可知，最佳改性條件下，滌綸織物與棉織物的染色深度隨著染料用量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)染料用量達(dá)到9%(owf)時(shí)，滌綸織物與棉織物的染色深度達(dá)到最高值，原因是接枝織物中可與活性染料形成共價(jià)鍵的氨基數(shù)量有限，當(dāng)達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，織物上染百分率與染色深度不再隨染料用量增加而增大。另一方面,上染到織物表面染料的量增多，會(huì)導(dǎo)致染料的聚集，染料聚集后顆粒變大，染料堆積在纖維表面，導(dǎo)致染色固色率降低，使得纖維上的得色量下降[12]，綜合考慮，染料用量為9%(owf)時(shí)較為適宜。

2.3.2 染色溫度對(duì)同色性的影響

最佳改性條件下，按照1.2.2染色工藝染色，染料用量為9%(owf)，NaCl質(zhì)量濃度為50 g/L，染色溫度對(duì)滌/棉混紡織物同色性的影響見(jiàn)表5。

由表5可知，隨著溫度的升高，滌綸織物與棉織物的染色深度先增加后減小，棉織物的表觀得色量高于滌綸織物。這是因?yàn)闇囟壬撸旧俾食?shù)和染料擴(kuò)散系數(shù)增大，纖維分子鏈段運(yùn)動(dòng)加劇，因此染色深度隨著溫度升高而升高，而染色溫度升高到60 ℃后，滌綸織物的K/S值不再增大，說(shuō)明單體鏈的接枝能夠降低滌綸織物對(duì)活性染料的染色溫度。同時(shí)，染料在2種纖維中競(jìng)?cè)?，使?種纖維的得色差異隨著溫度的升高而越來(lái)越大。因此綜合考慮，改性滌/棉混紡織物活性染料一浴法染色時(shí)，染色溫度宜控制在60 ℃左右。

表5 染色溫度對(duì)滌/棉混紡織物同色性的影響Tab.5 Effect of dyeing temperature on homochromatism of polyester/cotton blended fabric

2.3.3 NaCl質(zhì)量濃度對(duì)同色性的影響

最佳改性條件下，按照1.2.2染色工藝染色，染料用量為9%(owf)，染色溫度為60 ℃，NaCl質(zhì)量濃度對(duì)滌/棉混紡織物同色性的影響見(jiàn)表6。

表6 NaCl質(zhì)量濃度對(duì)滌/棉混紡織物同色性的影響Tab.6 Effect of NaCl concentration on homochromatism of polyester/cotton blended fabric

由表4可知，隨著氯化鈉的加入，滌綸織物與棉織物的K/S值先增加后減小。這是由于在溶液中，纖維素類纖維與染料都帶負(fù)電荷，二者之間的排斥力較大。而氯化鈉作為一種中性電解質(zhì)，電離析出的陽(yáng)離子吸附在纖維表面，使得纖維與染料的排斥力減弱，因此向染浴中加入適量的氯化鈉，能夠提高織物的固色效果，增加染色深度，但過(guò)量加入氯化鈉會(huì)使染料團(tuán)聚沉淀，染色效果變差。同浴情況下，棉的表觀得色高于滌綸，當(dāng)NaCl質(zhì)量濃度為30 g/L時(shí)，滌綸織物與棉織物的同色效果較好。

2.4 織物的上染百分率

用活性紅84在上述最優(yōu)改性染色工藝(紫外光照射能量為30 J/cm2,光敏引發(fā)劑用量為25%(owm)，DMAPMA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，染料用量為9%(owf)，染色溫度為60 ℃，NaCl質(zhì)量濃度為30 g/L)條件下與未改性條件下按照1.2.2染色工藝過(guò)程分別對(duì)滌綸織物、棉織物以及滌/棉混紡織物染色，測(cè)得上染百分率見(jiàn)表7。

表7 滌/棉混紡織物的上染百分率

由表7可知，未改性條件下，滌綸對(duì)活性紅84上染百分率極差，幾乎不能上染，棉織物上染百分率較低，染料利用率不高，并且2種織物的上染百分率相差較大。而在最優(yōu)改性染色工藝條件下，該染料對(duì)滌綸織物、棉織物以及滌/棉混紡織物均能達(dá)到較高的上染百分率，分別染色時(shí)上染百分率差異不大，并且在滌/棉混紡織物中，2種纖維互相交織，協(xié)助染料在纖維之間互相傳遞，使得混紡織物的上染百分率高于滌綸織物與棉織物。

2.5 滌/棉混紡織物的勻染性

最優(yōu)改性染色工藝條件下對(duì)滌/棉混紡織物的勻染性進(jìn)行測(cè)試。其中，ΔL*為2次測(cè)試明亮度差，Δa*為2次測(cè)試紅綠值差，Δb*為2次測(cè)試黃藍(lán)值差，ΔE為總色差，總色差越大，勻染性越差。經(jīng)檢測(cè)表明染色織物明亮度差ΔL*為0.04，紅綠值差Δa*為-0.05，黃藍(lán)值差Δb*為-0.08,總色差ΔE為0.11。雖然滌/棉混紡織物2次測(cè)試的顏色特征值有一定差異，但總色差較小，勻染性較好。

2.6 滌/棉混紡織物色牢度性能

最優(yōu)改性染色工藝條件下對(duì)滌綸織物、棉織物、滌/棉混紡織物的色牢度性能進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 滌/棉混紡織物色牢度性能Tab.8 Color fastness properties of polyester/cotton blended fabric 級(jí)

由表8可知，滌綸織物、棉織物及滌/棉混紡織物的沾色牢度、褪色牢度以及耐干摩擦色牢度都能達(dá)到4級(jí)以上，耐濕摩擦色牢度都能達(dá)到3級(jí)以上，可以滿足服用要求。

3 結(jié) 論

采用紫外光接枝技術(shù)，以二苯甲酮為光敏引發(fā)劑，將N—(3—二甲氨基丙基)甲基丙烯酰胺(DMAPMA)接枝到滌/棉織物表面，提升了活性紅84對(duì)滌綸與棉織物的染色深度(K/S值)與上染百分率。

通過(guò)改變紫外光照射能量、光敏引發(fā)劑用量、單體(DMAPMA)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、染料用量、染色溫度、NaCl質(zhì)量濃度等改性染色工藝條件來(lái)控制染料與各纖維組分的反應(yīng)程度，從而獲得較好的同色性。最佳改性染色工藝條件為：紫外光照射能量為30 J/cm2,光敏引發(fā)劑用量為25%(owm)，DMAPMA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，染料用量為9%(owf)，染色溫度60 ℃，NaCl質(zhì)量濃度為30 g/L。

在最佳改性染色工藝下，混紡織物勻染性較好，耐皂洗色牢度和耐干摩擦色牢度均達(dá)到4級(jí)以上，耐濕摩擦色牢度達(dá)到3級(jí)以上。