氨綸染色性能及皂洗色牢度

夏亞輝，張米聰，金王保，邵晰茹，呂曉靜，潘 虹，曹根陽

(1.武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430200；2.武漢紡織大學(xué) 紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，湖北 武漢 430200；3.江蘇奧神新材料股份有限公司，江蘇 連云港 222000)

0 引 言

氨綸纖維具有高回彈、高耐腐蝕、抗氧化等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于內(nèi)衣、牛仔、運(yùn)動衣、四面彈等產(chǎn)品中，同時在衛(wèi)生用品和醫(yī)療等領(lǐng)域均有應(yīng)用[1-3]。根據(jù)染色難易程度，可簡單分為普通氨綸和易染氨綸。易染氨綸是通過對普通氨綸進(jìn)行物理或化學(xué)改性而制成[4-5]，可獲得較深的顏色和較高的皂洗色牢度。相對于普通氨綸，易染氨綸的生產(chǎn)工序復(fù)雜且所需成本較高，因此解決普通氨綸的染色問題更有應(yīng)用意義。普通氨綸染色問題主要集中在染料難上染和染后皂洗色牢度差2個方面，究其原因與氨綸的分子結(jié)構(gòu)密不可分，它是由剛性鏈段以及柔性鏈段組成的一種嵌段共聚物[6-7]，剛性鏈段區(qū)域的結(jié)構(gòu)緊密，染料難以進(jìn)入；柔性鏈段區(qū)域的染料相對易進(jìn)入，但因分子結(jié)構(gòu)松弛，水洗時，染料易被洗出[8-10]。

基于文獻(xiàn)報道并結(jié)合分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分散染料可被選擇用于氨綸染色，分散染料是一種色譜齊全[11-12]、微溶于水的非離子型染料，廣泛應(yīng)用于無活性基團(tuán)的纖維染色，與疏水性的氨綸相容性很好，但常規(guī)分散染料的上染需要高溫，會影響氨綸的強(qiáng)力[8,13]。因此，研究人員分別從添加助劑、優(yōu)化染色工藝、染料種類的選擇等方面研究氨綸上染特性，在助劑作用下，氨綸纖維能實現(xiàn)低溫染深色，但皂洗色牢度不佳[14-16]。

針對分散染料傳統(tǒng)染色方法未能解決氨綸染色中的上色及沾色問題，本文擬采用分散染色工藝并添加自制促染劑對氨綸進(jìn)行染色，測試促染劑對氨綸的力學(xué)、熱學(xué)性能以及結(jié)晶度的影響，并結(jié)合優(yōu)選黑ETD、灰AM-SLR、藏青HSF染料，通過皂洗色牢度、K/S值、紫外、紅外等進(jìn)行性能表征，實現(xiàn)較好的染色效果及皂洗色牢度。

1 實 驗

1.1 材料、試劑和儀器

原料：40 D氨綸長絲(連云港杜鐘新奧神氨綸有限公司)。

分散染料：黑ETD(浙江閏土)，灰AM-SLR(德司達(dá))，藏青HSF(浙江龍盛)。

試劑：乙酸、氯化鈉、氫氧化鈉、低亞硫酸鈉(分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，促染劑FD-C(實驗室自制)，F(xiàn)D-D(實驗室自制)，N，N-二甲基乙酰胺(DMAc，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，去離子水(實驗室自制)。

儀器：JY2002電子天平(上海平衡儀器公司)，HIF-24紅外染色機(jī)(江蘇靖江市華夏科技有限公司)，DHG-9246A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海精宏實驗設(shè)備有限公司)，Color i7測色配色儀(美國X-rite公司)，UV-3600 Plus 紫外分光光度計(日本島津公司)，6700型傅里葉紅外光譜儀(美國Nicolet公司)，SW-12A水洗牢度儀(常州市大華電子儀器有限公司)，D8 ADVANCEX射線衍射儀(德國Bruker-AXS公司)，SDTQ 500熱重分析儀(美國TA instrument公司)，T609-150 INSTRON萬能材料試驗機(jī)[英斯特朗(上海)試驗設(shè)備貿(mào)易公司]。

1.2 染色及清洗

染色工藝：浴比1∶20，染料1 % owf、3 % owf，促染劑FD-C/FD-D/DMAc 質(zhì)量濃度40 g/L，pH為5～6(乙酸調(diào)節(jié))。還原清洗工藝：浴比1∶30，氫氧化鈉質(zhì)量濃度3 g/L，保險粉質(zhì)量濃度2 g/L。工藝曲線如圖1所示。

(a) 染色工藝 (b) 還原清洗工藝圖 1 染色及還原清洗工藝

1.3 測試及表征

1.3.1 表觀色深(K/S)

將氨綸紗整齊的纏繞在長5 cm、寬2 cm的紙板上，纏繞4層，確保不漏底。采用測色配色儀在10°標(biāo)準(zhǔn)觀察者和D65光源下測定氨綸纖維染色前后樣品的K/S值。表觀色深是評價染色效果的一項重要指標(biāo)，K為有色物質(zhì)吸收系數(shù)，S為散射系數(shù)，K/S值越大，試樣染色效果越好。每個試樣取5處進(jìn)行測量，結(jié)果取平均值。

1.3.2 耐皂洗色牢度

根據(jù)GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗?zāi)驮硐瓷味取贰本]樣品與多纖維貼襯織物縫合在一起，浴比1∶30，皂粉質(zhì)量濃度5 g/L，40 ℃保溫30 min條件下清洗，再經(jīng)干燥。以原樣作為參照物，用灰色樣卡評定試樣變色和多纖維貼襯織物沾色。

1.3.3 染料色光

采用紫外分光光度計對染料進(jìn)行色光分析，染液分別為純?nèi)玖先疽骸⒓哟偃緞〧D-C的染液。染液稀釋液為乙醇。掃描范圍為 360～750 nm。按1.2中的染液配方配置染液原液，并用乙醇稀釋至40倍。

1.3.4 紅外光譜分析

采用傅里葉紅外光譜儀分析FD-C及氨綸的官能團(tuán)，掃描范圍為 500～4 000 cm-1，分辨率為 1.0 cm-1，掃描次數(shù)為64次。

1.3.5 熱學(xué)性能

采用熱重分析儀對纖維進(jìn)行熱穩(wěn)定性測試。 溫度范圍為 30～600 ℃，線性升溫速率為 10 ℃/min，氮?dú)饬髁繛?40 mL/min。

1.3.6 X射線衍射

采用X射線衍射儀表征樣品的結(jié)晶性能。使用的X射線為Cu-Kα射線，波長0.15 nm，掃描速度5(°)/min，掃描角度為5°～45°。

1.3.7 力學(xué)性能

采用萬能材料試驗機(jī)測量纖維的斷裂強(qiáng)力以及斷裂伸長。測試樣品長度100 mm，夾具間距為50 mm，拉伸速度500 mm/min。每個樣本重復(fù)測量10次，取平均值。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 不同促染劑對氨綸的上染效果

前期實驗發(fā)現(xiàn)，選用同一種促染劑及3種不同分散染料對氨綸進(jìn)行染色，其染色效果具有相同規(guī)律，故以不同促染劑及濃度1%的黑ETD染料對氨綸纖維染色為例進(jìn)行分析。其K/S值變化如圖2所示。

圖 2 不同促染劑染色后的K/S值Fig.2 K/S values after dyeing with different accelerating agents

從圖2可看出，加入促染劑的染色樣的K/S值要高于未添加促染劑的染色樣，且促染劑FD-C的K/S值最大。促染劑FD-C是極性較強(qiáng)的小分子復(fù)配體系，在溫度作用下，可實現(xiàn)對氨綸纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控，為染料進(jìn)入纖維內(nèi)部更深處打開了通道，從而實現(xiàn)染深性能提升。綜上促染劑選擇FD-C。

2.2 染色后的皂洗色牢度

染料與纖維的結(jié)合力越強(qiáng)，染色過程中的染料擴(kuò)散越充分，皂洗色牢度越好。黑ETD、藏青HSF、灰AM-SLR染料與疏水性的氨綸相容性很好，可以與氨綸中的非離子極性基團(tuán)以氫鍵偶合[7]。采用不同濃度的不同染料染色后氨綸的皂洗色牢度見表1。

表 1 染色試樣的皂洗色牢度

從表1可看出，隨著染料濃度從1%提升到3%，不同色光染色樣的皂洗色牢度依然能保持較好的效果，氨綸樣品的皂洗色牢度變色均為4級，沾色均在3級及以上，均可達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 促染劑對染料色光的影響

染料色光的變化會影響到最終樣品色光的呈現(xiàn)。促染劑FD-C對分散灰AM-SLR、分散藏青HSF、黑ETD色光的影響如圖3所示。

圖 3 促染劑FD-C對染料色光的影響Fig.3 Effect of promoter of FD-C on the color of dyes

從圖3可看出，加入促染劑FD-C，染料的最大吸收波長并沒有發(fā)生變化，且與未加入促染劑的染料吸收曲線形狀一致。最大吸收波長和吸收曲線的一致性說明促染劑FD-C對3種分散染料色光沒有影響。

2.4 促染劑FD-C的促染機(jī)理

圖 4 FD-C及氨綸的紅外光譜Fig.4 FD-C and spandex infrared spectrum

2.5 染色后纖維的結(jié)晶度

纖維的結(jié)晶度是影響纖維染色性能的一個重要因素，致密的分子鏈排列會阻礙染料分子的進(jìn)入，降低纖維的染色效果。圖5為不同染料染色的氨綸纖維的X射線衍射圖譜。

圖 5 不同色光染料染色的纖維的XRD圖Fig.5 XRD patterns of dyed fibers with different dyes

由圖5可看出，氨綸纖維在 2θ為20°附近存在較為明顯的衍射峰，利用Jade軟件計算處理前后的纖維的結(jié)晶度。氨綸原纖的結(jié)晶度約為34.3 %，經(jīng)過FD-C及灰AM-SLR、藏青HSF、黑ETD染色后的樣品結(jié)晶度分別降低至31.7%、29.8%、28.7%。采用不同色光染料染色后的氨綸纖維的結(jié)晶度相比于原樣均有所下降，表明促染劑FD-C在染色過程中對氨綸纖維硬鏈段的結(jié)晶區(qū)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)調(diào)控作用，纖維規(guī)整的分子鏈結(jié)構(gòu)被破壞，會給染料打開進(jìn)入通道，這種表現(xiàn)被認(rèn)為是對染色有利的。與圖3染色后K/S值的變化規(guī)律一致，說明選用的染料在促染劑FD-C的作用下可達(dá)到易染的目的。

2.6 染色后纖維的熱學(xué)性能

不同染料染色的氨綸纖維的熱重(TG)曲線如圖6所示。

圖 6 不同色光染料染色的纖維的TG曲線Fig.6 TG curves of fibers dyed with different dyes

由圖6可以看出，從94 ℃～260 ℃，經(jīng)過FD-C處理的樣品與原樣相比，由于FD-C和染料的進(jìn)入使其失重速率明顯加快；當(dāng)溫度在555 ℃左右時，相比原樣，F(xiàn)D-C和染料進(jìn)入纖維的量是成正比的。故綜合來看，經(jīng)過FD-C處理后的氨綸樣品的熱學(xué)性能未發(fā)生顯著變化。

2.7 染色后纖維的力學(xué)性能

不同染料染色的氨綸纖維的力學(xué)性能測試結(jié)果如圖7所示。

(a) 斷裂強(qiáng)力

(b)斷裂伸長率圖 7 不同色光染料染色的纖維的強(qiáng)力Fig.7 The strength of dyed fibers with different dyes

由圖7知，原樣的斷裂強(qiáng)力為59 cN，斷裂伸長率為220%。與不同色光染料染色后的氨綸纖維相比，斷裂強(qiáng)力損失約4.4%，斷裂伸長增長約2.2%。這是因為在染色過程中，纖維的結(jié)構(gòu)被破壞，分子結(jié)構(gòu)變得松弛，使纖維的結(jié)晶區(qū)呈下降趨勢，因此強(qiáng)力有所降低，斷裂伸長有所趨勢，這也與圖5的規(guī)律相一致。因纖維強(qiáng)力損失并不明顯，故可說明FD-C并不會對纖維力學(xué)性能造成顯著影響。

3 結(jié) 論

1) 選用的3種促染劑中，促染劑FD-C更利于氨綸染深，這是由于FD-C與氨綸具有相似的大分子結(jié)構(gòu)，可降低染料進(jìn)入纖維內(nèi)部的阻力，故可提高染色效果且促染劑FD-C不會對選用的3種分散染料的色光產(chǎn)生影響。

2) 采用黑ETD、灰AM-SLR、藏青HSF等3種分散染料，并在促染劑FD-C的作用下，可實現(xiàn)氨綸良好的染深效果。同時也保證了皂洗色牢度的沾色平均在3級以上，且促染劑FD-C對氨綸的力學(xué)性能和熱學(xué)性能無顯著影響，染色后的氨綸符合行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。