低溫等離子體處理木棉纖維的染色性能

俞 儉， 王業師， 呂景春， 周天池， 魏取福(. 鹽城工學院 紡織服裝學院， 江蘇 鹽城 405；. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 4)

低溫等離子體處理木棉纖維的染色性能

俞 儉1,2， 王業師1， 呂景春1， 周天池1， 魏取福2
(1. 鹽城工學院 紡織服裝學院， 江蘇 鹽城 224051；2. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122)

為提高活性染料對木棉纖維的染色性能，引入低溫等離子體技術對木棉纖維進行前處理，采用掃描電鏡和紅外光譜分析對其形態和結構進行表征，著重考察了強堿處理、半堿處理、等離子體處理及等離子體結合半堿處理4種不同前處理工藝對木棉纖維強力及其染色性能的影響。結果表明：采用4種前處理工藝均能迅速提高纖維的吸水能力和染色性能；等離子體處理僅僅在纖維的表面，采用等離子體結合半堿處理工藝，可有效地減少強堿處理對木棉纖維力學性能的損傷，并可有效地改善活性染料的染色性能；以活性橙X-EN染色為例，經等離子體結合半堿處理，上染率和固色率分別達到86.63 %和70.32 %。

木棉纖維； 低溫等離子體； 活性染料； 染色性能

木棉纖維是木棉科植物的果實纖維，附著于木棉蒴果殼體內壁，長度為8～32 mm、直徑為20～45 μm。其細度約為棉纖維的50%，中空率卻高達85%以上，比棉纖維高2～3 倍。具有光潔、不易纏結、防蛀、抗菌、輕柔、導熱性好、不透水，生態、保暖性好等特點[1-3]。由于其纖維素含量與棉相比較少，而半纖維素及木質素含量則相對較高，這些物質相互纏結，使得纖維素大分子鏈上較多的羥基被屏蔽，進而與染料間親和力下降，同時其與棉纖維迥異的微觀結構，疏水親油的特性，也使得染料上染相對困難[4]。木棉纖維作為一種具有多項優異性能的生態紡織纖維，其較差的染色性能限制了其在產業用紡織品及其服裝方面的廣泛應用。

木棉纖維染色可采用活性染料與直接染料，后者由于與纖維僅以弱鍵結合，故色牢度低、勻染性差，因此，活性染料在木棉纖維的染色研究中處于主導地位。余艷娥等[5]選用活性黃B-3RS染色木棉纖維，加入食鹽進行促染，加入堿劑進行固色，發現其上染率能夠達到65%。王佳旎等[6]先采取傳統的精練、漂白、加鹽、堿固色等手段對木棉纖維進行活性染料C-NN染色加工，結果表明其上染率也在65%左右。王倩[7]選用活性紅KN-5B對木棉纖維進行染色研究，發現其上染率在52.26%～71.54%之間。以上研究基于堿、鹽處理，雖然在一定程度上可提高染色效果，但會帶來其他負面影響。比如高濃度的鹽提高了印染廢水處理的難度，而堿處理操作(包括煮練與漂白)質量損失情況較為嚴重，若處理不當，則會導致木棉纖維由圓柱形截面漸漸呈扁平狀, 纖維空腔表現出被壓潰的現象，其力學性能會有所下降。

低溫等離子體技術因其綠色、環保、節能和對材料的損傷小，被廣泛應用在材料的表面處理和接枝改性等方面，在紡織品中應用也較廣泛，主要包括增加纖維的吸濕性、增加紗線的可紡性、麻纖維的脫膠處理、棉織物的退漿處理和改善染色性能等方面[8-9]。本文利用等離子體技術對木棉纖維表面刻蝕改性而不對材料本體產生破壞，能最大限度保留其原有的力學性能，并減少化學品的用量，降低污水排放的負荷。此外，還可增加纖維表面的親水性基團，提高木棉纖維活性染料染色性能。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和試劑

木棉纖維：印度尼西亞產，平均長度約為12 mm。

試劑：氫氧化鈉、硅酸鈉、氯化鈉、雙氧水、碳酸鈉(均為分析純，國藥化學試劑有限公司)，滲透劑JFC(工業級，淄博海杰化工有限公司)，活性紅M-2B、活性艷橙K-GN、活性橙X-EN和活性黑KN-B染料(商業品，江蘇申新染料化工股份有限公司)。

1.2 實驗儀器

HD-1B型冷等離子體處理儀(常州中科長泰等離子體科技有限公司)，WFZ-26A型紫外分光光度計(蘇州賽恩斯儀器有限公司)，HH-S1型數顯恒溫水浴鍋(瑞科精密科學儀器有限公司)，DHG-9075A型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精密科學儀器有限公司)，TENSOR27型紅外光譜分析儀(德國布魯克公司)，JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡(日本電子光學公司)，YG006 型電子單纖維強力儀(寧波紡織儀器廠)。

1.3 木棉纖維前處理工藝

1.3.1堿處理工藝

分別配制質量濃度為10 g/L(強堿處理)和5 g/L(半堿處理)的氫氧化鈉溶液，稱取一定量的木棉纖維，浴比為1∶100，硅酸鈉質量濃度為2 g/L，滲透劑JFC質量濃度為2 g/L，雙氧水(30%)用量為20 mL/L，水浴加熱至70 ℃，保溫處理60 min，取出用去離子水洗滌至中性，常溫下晾干。

1.3.2等離子體處理工藝

把木棉纖維黏貼在尺寸為20 cm×1.5 cm的紙板上，放入等離子體處理儀中，在氧氣氛中，一定的功率下處理一定的時間。

1.3.3等離子體結合半堿處理工藝

首先進行半堿處理，參考1.3.1中方案，堿處理后木棉纖維用去離子水洗滌至中性，烘干后，再按1.3.2小節中工藝和各項參數進行等離子體處理。

1.4 木棉纖維染色工藝

1.4.1M型活性染料染色工藝

M型活性染料染色工藝流程如圖1所示。染色配方：活性紅M-2B用量2%(o.w.f)，氯化鈉質量濃度40 g/L，無水碳酸鈉質量濃度10 g/L，浴比1∶100。

圖1 M型活性染料染色工藝流程圖Fig.1 Dyeing process flow diagram of M reactive dyes

1.4.2X型活性染料染色工藝

X型活性染料染色工藝流程如圖2所示。染色配方：X型染料用量2%(o.w.f)，氯化鈉質量濃度40 g/L，無水碳酸鈉質量濃度10 g/L，浴比1∶100。

圖2 X型活性染料染色工藝流程圖Fig.2 Dyeing process flow diagram of X reactive dyes

1.4.3K型活性染料染色工藝

K型活性染料染色工藝流程如圖3所示。其他參數及染料用量與X型活性染料相同。

圖3 K型活性染料染色工藝流程圖Fig.3 Dyeing process flow diagram of K reactive dyes

1.4.4KN型活性染料染色工藝

KN型活性染料染色工藝流程如圖4所示。其他參數及染料用量與X型活性染料相同。

圖4 KN型活性染料染色工藝流程圖Fig.4 Dyeing process flow diagram of KN reactive dyes

1.5 性能測試

1.5.1形貌觀察

采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察木棉纖維的微觀形貌，加速電壓為10 kV，所有的樣品首先濺射一層薄金。

1.5.2紅外光譜測試

采用紅外光譜分析儀測試分析織物的內部分子結構(ATR-FTIR)，范圍4 000～500 cm-1，采用衰減全反射掃描模式，測試分辨率為 4 cm-1，掃描次數為 32。

1.5.3纖維強力及伸長率測試

使用YG006 型電子單纖維強力儀測定單纖維的纖維強度及伸長率。最大伸長率設置為20%，最大強力為20 cN，拉伸速度為10 mm/min，間距為10 mm，測定10次取平均值。

1.5.4纖維吸水倍率測試

準備丙綸非織造布布袋，測試時布袋所吸收的水分忽略不計，將精確測量的木棉纖維放入丙綸非織造布袋中，然后放入盛有50 mL蒸餾水的燒杯中，浸泡潤濕30 min后取出，自然懸掛30 min后進行精密測量，按下式計算吸水倍率：

Q=(W1-W0)/W0×100%

式中：W1為纖維吸水后的質量，g；W0為纖維吸水前的質量，g。測量5組數據，求出平均值。

1.5.5上染率和固色率的測定

使用WFZ-26A紫外分光光度計測量吸光度，根據殘液濃度法來計算上染率E和固色率F，公式如下：

E=(1-A1/A0)×100%

F=(E-nA2/mA0)×100%

式中：A0為未染色染液原液的吸光度；A1為染液染色一定時間后殘液的吸光度；A2為清水洗滌液和皂洗液混合液的吸光度；m、n分別指染液及其混合液稀釋的倍數。

測試固色率需要將完成染色的木棉纖維烘干后放入無水碳酸鈉和皂片配置成的皂洗液，在恒溫水浴鍋中以95 ℃的高溫皂洗10 min。再將染色后的木棉纖維進行水洗，直到溶液呈中性，將皂洗液和清水洗滌液混合在一起測定吸光度。

2 結果與討論

2.1 木棉纖維前處理工藝效果對比

2.1.1不同前處理工藝木棉纖維表面形態分析

圖5示出不同前處理工藝對木棉纖維表面形態的影響情況。由圖5(a)可知，未經處理的木棉纖維表面光滑，而經等離子體改性處理后的木棉纖維表面(見圖5(b))略顯粗糙，并產生了裂紋，表明發生了刻蝕作用；由圖5(c)可明顯觀察到經等離子體結合半堿處理的木棉纖維表面粗糙程度又有所增大，在纖維表面出現明顯的皺縮現象。由圖5(d)可觀察到經強堿處理后的木棉纖維表面粗糙度更大，且褶縮現象也更為明顯。掃描電鏡分析結果表明，強堿處理對木棉纖維微觀結構的影響最大。

圖5 不同前處理工藝木棉纖維的掃描電鏡照片(×5 000)Fig.5 SEM images of kapok fiber(×5 000).(a) Untreated kapok fiber; (b) Kapok fiber treated by low temperature plasma; (c) Kapok fiber treated by semi alkaline treatment combined with plasma; (d) Kapok fiber treated by strong alkaline treatment

圖6 不同前處理工藝木棉纖維的紅外光譜Fig.6 FT-IR spectra of kapok fiber under different pretreatment

2.1.2不同前處理工藝木棉纖維紅外光譜分析

圖6示出改性前后木棉纖維的紅外光譜圖。

2.1.3不同前處理工藝對纖維強力的影響

圖7示出不同前處理工藝和木棉纖維強力及其伸長率的關系。由圖可觀察到強堿處理對木棉纖維的強力損害最大，強力僅為0.446 cN，為未經處理木棉纖維強力的25%，伸長率也只有原來的62.5%；等離子體改性處理的木棉纖維強力和斷裂伸長率均變化較小，說明等離子體處理對木棉纖維的拉伸性能幾乎沒有影響；而半堿處理及半堿結合等離子體處理對木棉纖維的拉伸性能影響相近，其值位于僅采用強堿與僅采用等離子體處理之間，因此半堿結合等離子體處理可有效地減少對纖維拉伸性能的影響。

圖7 不同前處理工藝對木棉纖維強力和伸長率的影響Fig.7 Effect of tensile strength and elongation of kapok fiber under different pretreatment

2.1.4不同前處理工藝對纖維吸水倍率的影響

吸水倍率的大小反應了材料的吸水能力，吸水倍率越大說明材料的吸水能力越強，越有利于染液滲透到纖維的無定形區和晶區邊緣。圖8示出不同前處理工藝和木棉纖維吸水倍率的關系。可看出，未經處理的木棉纖維吸水倍率為31.34%，經改性處理后木棉纖維的吸水倍率明顯增大，等離子體改性處理的吸水倍率為52.95%，強堿改性處理后的吸水倍率最大為71.36%，等離子體處理結合半堿處理后的吸水倍率為64.33%。由此可得出，等離子體處理可有效地改善木棉纖維的吸水能力，吸水能力提高約68.95%，而經強堿處理可更為有效地去除木質素和表面蠟質，表現為最佳的吸水能力。

圖8 不同前處理工藝對木棉纖維吸水倍率的影響Fig.8 Effect of water absorbency of kapok fiber under different pretreatment

2.2 木棉纖維活性染料染色性能分析

2.2.1不同前處理工藝對木棉纖維上染率的影響

采用活性橙X-EN對經不同工藝前處理的木棉纖維按照1.4.2中染色工藝進行染色，測得上染率數據，如圖9所示。

圖9 不同前處理工藝對木棉纖維上染率的影響Fig.9 Effect of different pretreatment on dye-uptake of kapok fiber

由圖9可明顯看出未經處理木棉纖維的上染率最低，經等離子體改性處理后木棉纖維上染率迅速提高，達到72.65%。因等離子體處理可對纖維表面進行刻蝕，能夠破壞木棉纖維表面的蠟質層，并去除部分木質素等雜質，使光滑的木棉纖維表面變得粗糙，增加了纖維的比表面積，提高了木棉纖維表面對染料的吸附性能；同時通過等離子體處理可活化纖維表面，有利于染料的共價接枝反應。強堿處理后的木棉纖維上染率較高，可能與強堿處理對纖維中雜質的去除程度最高，處理后親水性能上升最高有關，除此之外，堿液對木棉纖維還有一定溶脹作用，能對纖維內部的晶胞產生破壞，使纖維的結晶度降低，有利于染料能夠進入纖維內部，從而提高染色性能[7]。等離子體處理結合半堿改性處理木棉纖維的上染率最高，通過半堿處理去除了部分的蠟質和半纖維素等雜質，再結合等離子改性處理活化了纖維表面，利于染料的共價接枝反應，并增強了纖維微結構的比表面積，提高了纖維對染料的吸附能力，可有效地提高染料的上染率。

2.2.2不同活性染料對染色性能的影響

將活性紅M-2B、活性橙X-EN、活性艷橙K-GN、活性黑KN-B 4種活性染料分別采用1.4中方法對半堿結合等離子體(氧氣氛，200 W，4 min)改性木棉纖維進行染色，測得上染率，如圖10所示。可看到，活性橙X-EN對經等離子體處理結合半堿改性處理后的木棉纖維上染率和固色率最高。可能是因等離子體處理可較大程度地活化木棉纖維，使其與活性染料的反應能力大大增強，而二氯均三嗪的X型染料的反應性最強，因此染色性能最好。

圖10 不同活性染料對木棉纖維上染性能的影響Fig.10 Influence of different reactive dyes on dye-uptake of kapok fiber

2.2.3等離子體作用時間對染色性能的影響

按照1.3.3所述工藝，等離子體處理功率為200 W，改變等離子體作用時間對木棉纖維進行改性處理。用活性橙X-EN對處理后的木棉纖維按1.4.2中的方法進行染色，并測定其上染率和固色率，結果如圖11所示。

圖11 等離子體作用時間對染色性能的影響Fig.11 Influence of plasma treatment time on dyeing property

從圖11可看出，經半堿結合等離子體改性處理的木棉纖維，隨等離子體作用時間的延長，上染率和固色率逐步地提高，且在改性時間大于2 min后固色率顯著提高，等離子作用時間4 min時，上染率和固色率達到最大，隨作用時間的繼續延長，上染率和固色率都快速地降低。起初隨等離子體處理時間的延長，木棉纖維上的蠟質、木質素等天然雜質被刻蝕以及氧化，同時引入大量的親水性活性基團，使纖維對染料的吸附性增加，并增強染料在纖維內部的擴散能力，提高染料的鹵代雜環活性基與木棉纖維發生親核取代反應的可能性；當處理時間繼續增加時，刻蝕作用增強，纖維表面粗糙度加大，初始上染速率增大，易造成起初表面上染過快，染料在表面迅速堆積，影響了后續染料向纖維內部的滲透。同時，由于等離子體的刻蝕導致了木棉纖維表面無定形區的降低減少了染料分子在無定形區的分布，使染料的吸收降低[10-12]。也有可能是表面活化后形成過多的堿性條件形成的陰離子基團，加大了與染料陰離子的靜電斥力，從而使染色性能下降。

2.2.4等離子體作用功率對上染率的影響

按照1.3.3所述工藝，等離子體處理時間為 4 min，改變木棉纖維等離子體處理功率。用活性橙X-EN染色，并測定其上染率和固色率，結果如圖12所示。

圖12 等離子體作用功率對染色性能的影響Fig.12 Influence of plasma treatment power on dyeing property

由圖12可看出，隨等離子體功率的增加，木棉纖維的上染率和固色率迅速增加，尤其固色率大幅度增加，功率采用200 W時上染率和固色率均達到最大值，隨功率的進一步加大，上染率和固色率都逐漸降低。主要因為隨等離子體作用功率的加強，對纖維的刻蝕作用加強，比表面積增大，加強了對染料的吸附能力，并產生了更多的活性粒子，使反應性基團和活性染料的反應能力增加；而當功率進一步增加時，染色性能有所降低，可能是因為功率過高造成了纖維的無定形區下降，導致染料吸收量減少；也可能是因為上染過快而造成染色不透的現象，或者陰離子型活性基的增多加大了對染料的靜電斥力。

3 結 論

1) 木棉纖維因表面有蠟質，其較高的半纖維素、木質素含量導致染色性能較差，工業上通常采用堿處理的方法改善其染色性能。通過木棉纖維強力和拉伸實驗證實堿處理對木棉纖維損傷較大。

2) 利用半堿結合等離子體處理的方法，減少了常規方法對纖維力學性能的損傷，利用活性染料X-EN對處理后的試樣進行染色加工，上染率達到86.63%，斷裂強力為0.766 cN，斷裂伸長率為5.08%；而常規堿處理方法處理的試樣上染率為80.06%，斷裂強力僅為0.446 cN，斷裂伸長率為4.1%。

3) 通過對比不同前處理工藝，得出采用等離子體結合半堿前處理木棉纖維方法，木棉纖維的上染率和固色率可達到最高值。選用活性橙X-EN染色的最佳前處理工藝參數為：NaOH質量濃度 5 g/L(半堿處理)，洗滌烘干后氧氣等離子體處理，功率為200 W，時間為4 min。

FZXB

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Dyeingpropertiesofkapokfibertreatedbylowtemperatureplasma

YU Jian1,2, WANG Yeshi1, Lü Jingchun1, ZHOU Tianchi1, WEI Qufu2
(1.CollegeofTextilesandClothing,YanchengInstituteofTechnology,Yancheng,Jiangsu224051,China； 2.KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China)

Low temperature plasma as a pretreatment technology was adopted to improve the kapok fiber dyeing behavior. The micromorphology and structure were investigated by scanning electron microscopy and infrared spectroscopy. Influence of four different pretreatment processes on mechanical properties and dyeing properties of kapok fiber was investigated, comprising strong alkaline treatment, semi alkaline treatment, low temperature plasma treatment and semi alkaline treatment combined with low temperature plasma treatment. The result shows that the four pretreatment processes can rapidly improve the water absorbing capacity and dyeing performance. Low temperature plasma treatment is only performed on the surface of fiber. Semi alkaline treatment combined with low temperature plasma treatment can effectively reduce the damage to mechanical properties caused by strong alkaline treatment and improve the dyeing property of the reactive dyes. Taking reactive orange X-EN as an example, its rate of dye-uptake and fixation can reach 86.63 % and 70.32 %, respectively, after the treatment of semi alkaline treatment combined with low temperature plasma.

kapok fiber; low temperature plasma; reactive dye; dyeing property

10.13475/j.fzxb.20170102907

TS 193.8

A

2017-01-16

2017-08-16

江蘇省產學研前瞻性聯合研究項目(BY2016065-24)

俞儉(1971—)，女，副教授，博士生。主要研究方向為材料功能整理。魏取福，通信作者，E-mail：qfwei@jiangnan.edu.cn。