純棉紗線的甲基丙烯酸丁酯改性及酸性染料染色

張 凱，杜立新，張慶法，劉德延，倪愛紅，韓 曉，任紀忠

（魯泰紡織股份有限公司，山東 淄博 255100）

棉纖維大分子鏈上含有大量羥基，因此棉纖維的改性一直是領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點課題［1-3］。棉纖維的改性方法主要包括氧化［4-5］、酯化［6］和醚化［7］及接枝［8-10］等。甲基丙烯酸丁酯作為烯類單體的一種，已有研究報道其對真絲織物［11］、羊毛［12］及棉纖維［13］的改性。甲基丙烯酸丁酯改性真絲的目的是使真絲織物獲得一定的接枝增重率；甲基丙烯酸丁酯改性后的棉纖維主要是用作拒水親油的吸油材料，可應用于新能源領(lǐng)域。甲基丙烯酸丁酯對純棉紗線的改性及改性前后紗線的物理性能和染色性能的變化尚無系統(tǒng)性研究報道。本課題重點研究了以甲基丙烯酸丁酯為單體、過硫酸銨為引發(fā)劑的純棉紗線接枝改性工藝，并對接枝后純棉紗線的酸性染料染色性能及物理性能進行測試分析。

1 實驗

1.1 材料與儀器

織物：純棉14.6 tex精梳紗線，筒子紗。酸性染料：多麗新堅牢紅SWF-B、多麗新堅牢橙SWF、多麗新堅牢藏青SWF-G、多麗新堅牢深藍SWF-R、多麗新黃SWF（商品化染料，德國多聞公司）。試劑：引發(fā)劑過硫酸銨，改性劑甲基丙烯酸丁酯，皂洗劑WPA、乳化劑WAM、柔軟劑SPB、中和酸PHN、固色劑RO（工業(yè)級，淄博魯瑞精細化工股份有限公司）。

儀器：AHIBA 型紅外染色機（美國Datacolor 公司），DHG-9420A 型電熱鼓風干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司），HD021NH-5 型電子單紗強力儀、YG-086C 型縷紗測長儀（南通宏大實驗儀器有限公司），LABWIN 型筒紗染色機（香港立信染整機械有限公司），Datacolor 650 型電腦測色配色儀（美國Datacolor 公司），JCM-7000 型掃描電子顯微鏡（日本日立電子公司），PHS-3C 型pH 計（上海儀電科學儀器有限公司），GF-3000 型電子天平（日本A＆D 艾安得股份有限公司）。

1.2 純棉紗線的接枝改性工藝

縷紗改性：縷紗的改性在紅外染樣機中進行，縷紗質(zhì)量為5.0 g，改性溫度為90 ℃，中和酸PHN 用量為1.0 g/L，乳化劑WAM 用量為1.5 g/L，引發(fā)劑用量為1%（對甲基丙烯酸丁酯質(zhì)量），甲基丙烯酸丁酯用量為0～50.0 g/L，改性時間為10～50 min；改性結(jié)束后依次進行皂洗、柔軟、烘干工序。

筒子紗改性工藝：純棉筒子紗的接枝改性在筒紗染色機中進行，筒子紗質(zhì)量為1 kg，甲基丙烯酸丁酯用量為20.0 g/L，引發(fā)劑用量為1%（對甲基丙烯酸丁酯質(zhì)量），乳化劑WAM 用量為1.5 g/L，中和酸PHN用量為1.0 g/L，改性溫度為90 ℃，改性時間為40 min，染色機泵速為90%；改性結(jié)束后依次進行皂洗、柔軟、烘干工序。

皂洗工藝：皂洗劑WPA 2 g/L，溫度95 ℃，時間10 min，皂洗2次。

柔軟工藝：柔軟劑SPB 3%（對紗線質(zhì)量），溫度60 ℃，時間20 min。

純棉紗線的甲基丙烯酸丁酯改性工藝流程如下所示：

1.3 純棉紗線染色工藝

文中經(jīng)過甲基丙烯酸丁酯改性的純棉紗線采用酸性染料染色，酸性染料由德國多聞公司提供，具體染色工藝如下。

染色工藝：采用縷紗測長儀將紗線紡成5 g 的絞紗，染色浴比1∶10，酸性染料染色溫度98 ℃，染色時間50 min，染浴pH 為（4.18±0.10）。

皂洗工藝：皂洗劑WPA 2 g/L，溫度95 ℃，時間10 min。

柔軟固色工藝：柔軟劑SPB 3%（對紗線質(zhì)量），固色劑RO 2%（對紗線質(zhì)量），溫度60 ℃，時間20 min。

酸性染料的染色工藝流程如下所示：

1.4 測試

1.4.1 接枝增重率

以改性前后純棉紗線的質(zhì)量變化表示棉紗的接枝增重率，計算式如下：

其中，m0、m1分別為未改性純棉紗線及接枝改性純棉紗線的質(zhì)量（g）。

1.4.2 回潮率

采用GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測定烘箱干燥法》對改性前后棉纖維的回潮率進行測試。

1.4.3 紗線斷裂強力

采用GB/T 3916—2013《紡織品卷裝紗單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定（CRE 法）》進行測試。測試參數(shù)：夾持長度500 mm，拉伸速度500 mm/min，預加張力（0.5±0.1）cN/tex，測試20 次取平均值，溫度（20±2）℃，相對濕度（65±2）%。

1.4.4 纖維外觀形貌

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對甲基丙烯酸丁酯改性前后紗線的表觀形貌進行表征，觀察改性前后紗線的外觀形貌變化。

1.4.5 紗線表觀顏色深度（K/S值）

染色紗線表觀顏色深度的大小常用K/S值來表示。實驗過程中采用電腦測色配色儀測試紗線的K/S值，使用測色配色儀時，采用D65光源、10°視角，使用前首先對儀器進行校正，被測紗線要梳理平整后進行測試。

1.4.6 色牢度

耐皂洗色牢度：按照GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗耐皂洗色牢度》方法3進行測試。

耐摩擦色牢度：按照GB/T 3920—2008《紡織品色牢度試驗耐摩擦色牢度》進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性工藝優(yōu)化

2.1.1 改性時間

選用14.6 tex 純棉紗線作為實驗對象，純棉縷紗5 g，甲基丙烯酸丁酯用量設(shè)定為50.0 g/L，改性溫度為90 ℃，中和酸PHN 用量為1.0 g/L，乳化劑WAM 用量為1.5g/L，引發(fā)劑過硫酸銨用量為1%（對甲基丙烯酸丁酯質(zhì)量），改性時間分別設(shè)定為10、20、30、40、50 min。實驗結(jié)束后對紗線的接枝增重率和回潮率進行了測試，結(jié)果如圖1所示。

由圖1 可以看出，固定甲基丙烯酸丁酯用量為50.0 g/L，純棉紗線的接枝增重率隨著改性時間的延長而逐漸增大，當改性時間為40 min 時最大，繼續(xù)延長改性時間，接枝增重率不再增大；改性紗線的回潮率隨著改性時間的延長呈現(xiàn)逐漸降低后趨于穩(wěn)定的趨勢。綜合考慮，改性時間選擇40 min。

2.1.2 甲基丙烯酸丁酯用量

選用14.6 tex 純棉紗線作為實驗對象，純棉縷紗5 g，甲基丙烯酸丁酯用量設(shè)定為5.0、10.0、20.0、30.0、50.0 g/L，改性溫度為90 ℃，中和酸PHN用量為1.0 g/L，乳化劑WAM 用量為1.5 g/L，引發(fā)劑過硫酸銨用量為1%（對甲基丙烯酸丁酯質(zhì)量），改性時間為40 min。實驗結(jié)束后對紗線的接枝增重率和斷裂強力進行了測試，結(jié)果如圖2所示。

由圖2 可以看出，隨著甲基丙烯酸丁酯用量的提升，純棉紗線的接枝增重率逐漸增大，與此同時改性紗線的斷裂強力呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢；改性過程中發(fā)現(xiàn)，隨著接枝增重率的提升，紗線手感變硬。

鑒于上述因素的影響，同時考慮紗線的實用性，確定純棉紗線的優(yōu)化改性工藝為：甲基丙烯酸丁酯用量20.0 g/L，改性溫度90 ℃，改性時間40 min，中和酸PHN 用量1.0 g/L，乳化劑WAM 用量1.5 g/L，引發(fā)劑過硫酸銨用量1%（對甲基丙烯酸丁酯質(zhì)量）。

2.2 棉纖維外觀形貌（SEM 表征）

采用純棉筒子紗優(yōu)化改性工藝在筒紗染色機中對純棉紗線進行改性，改性結(jié)束后測試其接枝增重率為（8.5±0.5）%，通過掃描電鏡觀察改性前后纖維表面形貌的變化，結(jié)果如圖3所示。

由圖3 可以看出，經(jīng)過甲基丙烯酸丁酯改性的純棉紗線纖維表觀形貌與純棉原紗纖維存在顯著差異，純棉原紗纖維表面光滑，而經(jīng)過甲基丙烯酸丁酯改性的純棉紗線纖維表面呈不規(guī)則的凹凸狀。甲基丙烯酸丁酯改性前后棉纖維的表觀形貌差異間接表明甲基丙烯酸丁酯成功接枝到了棉纖維上。

2.3 純棉紗線染色性能

筒子紗改性前后的純棉紗線采用酸性染料染色，染料用量為1%（omf），實物如圖4 所示，染色紗線的K/S值如表1所示。

由圖4 中的染色實物樣以及表1 中的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，采用5 種酸性染料對純棉原紗分別進行染色后，紗線得色深度很淺，染色后純棉紗線的K/S值介于0.288～0.895；而5種酸性染料對甲基丙烯酸丁酯改性后的紗線染色后，改性紗線的得色深度為純棉原紗的10～20 倍。酸性染料對甲基丙烯酸丁酯改性前后純棉紗線的染色差異性進一步表明甲基丙烯酸丁酯成功接枝到了棉纖維的表面。

2.4 色牢度

由表2 可以看出，經(jīng)過酸性染料染色后的改性棉紗具有良好的耐干、濕摩擦色牢度，均可達到4 級或以上；多纖維標準貼襯織物中，酸性染料染色后的改性紗線除了對羊毛組分沾色較嚴重（2～3 級）外，對其他組分均可以達到3級或以上。

3 結(jié)論

（1）純棉紗線的接枝增重率隨著甲基丙烯酸丁酯用量的增大以及改性時間的延長而逐漸提高，改性紗線的斷裂強力和回潮率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

（2）純棉紗線甲基丙烯酸丁酯的優(yōu)化改性工藝為：甲基丙烯酸丁酯用量20.0 g/L，改性溫度90 ℃，改性時間40 min，中和酸PHN 用量1.0 g/L，乳化劑WAM用量1.5 g/L，引發(fā)劑用量1%（對甲基丙烯酸丁酯質(zhì)量）。此工藝條件下純棉筒子紗的接枝增重率為（8.5±0.5）%。

（3）甲基丙烯酸丁酯改性純棉紗線可以采用酸性染料染色，且染色后的紗線具有良好的耐摩擦色牢度和較好的耐皂洗色牢度。