激光改性滌綸織物的分散染料染色性能

何 楊， 張瑞萍， 何 勇， 范愛民

(1. 南通大學 紡織服裝學院， 江蘇 南通 216019； 2. 江蘇田園新材料有限公司， 江蘇 南通 226500)

差別化染色織物與常規均勻染色織物相比，顏色對比可控，結合色織物適當的組織結構設計，開發的差別化染色的家庭裝飾和汽車座椅面料，具有獨特的顏色漸變及三維立體視覺效果[1-2]。

激光技術作為一種干態處理方法，操作簡單且環保。通過激光對纖維的刻蝕和氧化作用，改變纖維表面物理形態和化學結構及超分子結構，從而改善織物的染色性能[3-4]，特別重要的是能夠通過計算機實現激光改性的精確定位，對織物進行局部處理，達到差別化染色效果。目前，紡織材料的激光改性大都選用紫外激光，例如：Prabhuraj等[5]利用激光對棉織物進行改性，改性后染色織物顏色變淺；任建華等[6]用激光代替純棉牛仔的局部化學剝色和浮石石磨，產生激光雕花效果；周煒等[7-9]利用紫外固體激光處理滌綸，激光改性使織物染色后顏色變深。CO2激光器具有功率高、價格低的特點，其在紡織品改性中的研究和應用還相對較少。為此，本文采用CO2激光對滌綸織物進行改性，分析激光改性參數(激光功率、速度、步距等)對分散紅E-FB染色效果的影響，研究了激光改性前后染色動力學、熱力學特性，以期為開發具有差別化染色效果的家紡、戶外和工業用紡織品提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

材料：滌綸針織物(面密度為224.6 g/m2，江蘇田園新材料科技股份有限公司)；保險粉(國藥集團化學試劑有限公司)；分散紅E-FB(浙江龍盛集團股份有限公司)；乙酸、無水乙醇、氫氧化鈉、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)(西隴科學股份有限公司)。

儀器：CM-L1290激光切割/雕刻機(上海創鳴激光設備廠)；Datacolor 650測色配色儀(美國 Datacolor公司)；ECOdyer XC-FI瑞比全能型試色機(廈門瑞比精密機械有限公司)；Bruker-AXS APEX2 X射線衍射儀(德國布魯克公司)；預置式染色摩擦牢度儀、12J 耐洗色牢度試驗機(溫州市大榮紡織儀器有限公司)； S-3400N 型掃描電子顯微鏡(日本日立公司)；TU-1901紫外-可見分光光度計(北京普析通用儀器有限公司)。

1.2 實驗試樣的制備

1.2.1 激光改性

利用控制軟件將激光功率、激光速度、激光步距等處理參數信息傳遞給激光切割/雕刻機，將待處理滌綸織物放入激光切割/雕刻機內完成激光改性[10]。

1.2.2 分散染料染色方法

染色工藝：染料用量為1%(o.w.f)，用乙酸調節pH值為4.5～5，溫度為130 ℃，時間為30 min，浴比為 1∶20。

還原清洗工藝：2 g/L保險粉，2 g/L 氫氧化鈉，溫度為75 ℃，時間為10 min，浴比為1∶30。

1.3 測試方法

1.3.1 表觀色深K/S值測試

利用測色配色儀在D65光源下測試染色滌綸織物在最大吸收波長處的K/S值，測4次取平均值。

1.3.2 表觀形貌觀察及元素測試

將待測織物置于噴金儀中真空噴金60 s，用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察激光改性前后滌綸表面形態，并通過配備的能譜儀(EDS)分析測定樣品表面的元素含量[10-11]。

1.3.3 結晶結構測試

采用X射線衍射儀測試激光改性前后滌綸的結晶度。測試條件為：Cu靶，步寬0.02°，波長 0.15 nm， 電流20 mA，電壓40 kV，掃描速度10 (°)/min，2θ范圍為5°～80°[10]。根據衍射曲線通過Jade軟件計算得出激光改性前后試樣的結晶度，并根據Scherer公式計算滌綸不同晶面的晶粒尺寸(Ihkl)。

式中：k為Scherer常數，取0.89；λ為波長，取 0.15 nm；β為特征衍射峰對應的最大半高寬，rad。

1.3.4 色牢度測試

按照GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度測試 耐摩擦色牢度》和GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度測試 耐皂洗色牢度》中方法C(3)，使用預置式染色摩擦牢度儀和耐洗色牢度試驗機分別測試激光改性前后染色滌綸織物的色牢度，并用測色配色儀進行評級[4]。

1.3.5 染色動力學與熱力學實驗

1.3.5.1染料精制 準確稱取2 g分散紅 E-FB， 在索氏萃取器中用乙醇于90～95 ℃反復萃取72 h，冷卻，靜置10 h過濾，將精制染料放入干燥器中待用[12-13]。

1.3.5.2標準曲線繪制 用DMF配制不同濃度梯度的分散紅E-FB溶液，采用紫外-可見分光光度計測試溶液最大吸收波長處的吸光度，以染料濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標，繪制標準曲線[12-13]。

1.3.5.3染色熱力學實驗 配制不同濃度的染液，染色pH值為4.5～5，浴比為1∶1 000(無限浴比)，準確稱取0.1 g激光處理前后的滌綸織物各12塊， 分別于100和110 ℃下染色4 h(達到染色平衡)，染色結束后還原清洗，烘干。

將染色織物加入裝有10 mL DMF的試管中，于100 ℃下剝色1 h，利用紫外-可見分光光度計測試剝色液最大吸收波長處的吸光度，根據標準曲線計算上染到纖維上的染料量[D]f，將染色前染液中的染料量減去上染到織物上的染料量，得到染色殘液中的染料量[D]s。以[D]s為橫坐標，[D]f為縱坐標，繪制吸附等溫線，再根據下式計算標準親和力(-Δμ0)、染色熱(ΔH0)、染色熵(ΔS0)等熱力學參數[12-13]。

1.3.5.4染色動力學實驗 配制l %(o.w.f)的染液，調節染液pH值為4.5～5，浴比為1∶1 000(無限浴比)，稱取0.1 g激光處理前后織物各7塊，在上述染液中于110和130 ℃分別染色不同時間，還原清洗，晾干。對不同染色時間的染色織物進行剝色，計算剝色液中染料質量濃度，換算成每克織物在不同染色時間t吸附的染料量Ct(mg/g)。以t/Ct為縱坐標，染色時間t為橫坐標，繪制t/Ct與t的線性擬合圖，根據下式計算半染時間(t1/2)[12-13]。

式中：C∞為平衡上染量，mg/g，即染色達到平衡時纖維上的染料濃度；K為染色速率常數，min·g/mg；t1/2為半染時間，min；tanα為擬合曲線斜率；b為擬合曲線截距。

當染料吸盡率達50%時，即Ct/C∞=0.5，此時染色時間t=t1/2，纖維半徑a=13 μm，通過查表求得D·t/α2= 6.292×10-2[11]，計算得到擴散系數D。

通過不同溫度(T1、T2)下的擴散系數(D1、D2)，根據下式計算染色過程的擴散活化能(E)。

2 結果與討論

2.1 激光預處理改性工藝研究

2.1.1 激光功率對染色織物K/S值的影響

選擇激光速度和步距分別為200 mm/s、 0.4 mm， 改變激光功率(3～7 W)對滌綸織物預處理改性后進行染色，測試染色后織物在最大吸收波長520 nm處的K/S值，結果如圖1所示。未經激光預處理織物的染色K/S值為11.54。

圖1 激光功率對織物K/S值的影響Fig.1 Influence of laser power on fabric K/S value

由圖1可知，隨著激光功率的增加，染色織物的K/S值增加，由未處理時的11.54增加到15.42。這可能是因為激光處理后纖維表面親水極性基團增加，有利于染料的上染[3]；激光處理使滌綸表面粗糙度增加，比表面積增加[7]，上染的染料量增加；同時，粗糙度的增加使纖維表面對光的吸收增加，導致染色后纖維表面顏色深度增加。此外，激光改性后纖維超分子結構的變化也會導致織物染色性能改變。綜合考慮激光功率對染色織物K/S值的影響及纖維損傷情況，選擇5 W作為激光改性的優選功率。

2.1.2 激光速度對染色織物K/S值的影響

選擇激光功率和步距分別為5 W和0.4 mm，改變激光速度(50、100、150、200 mm/s)對滌綸織物預處理改性后進行染色，測試染色織物在最大吸收波長520 nm處的K/S值，結果如圖2所示。

圖2 激光速度對織物K/S值的影響Fig.2 Influence of laser speed on fabric K/S value

在激光功率和步距相同的情況下，激光速度越慢，改性作用越強。由圖2 可知，未經激光處理的織物用分散紅E-FB染色后K/S值為11.54，經過 50 mm/s 的激光速度改性處理后染色織物的K/S值最大達16.40。隨著激光速度的進一步增加，染色織物的K/S值下降，這是由于隨著激光速度的增加，激光對滌綸的照射時間減少，改性作用減弱；但當速度太慢時，織物的手感粗糙且厚度變薄。綜合考慮激光速度對染色織物K/S值的影響和織物損傷情況，選擇150 mm/s作為激光改性的優選速度。

2.1.3 激光步距對染色織物K/S值的影響

選擇激光功率和速度分別為5 W和150 mm/s，改變激光步距(0.1～0.5 mm)對滌綸織物預處理改性后進行染色，測試染色織物在520 nm處的K/S值結果如圖3所示。

圖3 激光步距對織物K/S值的影響Fig.3 Influence of laser step on fabric K/S value

由圖3發現：未經激光處理的織物用分散紅 E-FB 染色后K/S值為11.54；以0.2 mm步距激光處理后，染色織物的K/S值最大，達到17.81；當步距大于0.2 mm后，K/S值隨步距增加而減少。這是由于隨步距的增加，激光處理密度逐漸減少，導致激光對滌綸織物的改性作用減弱，在激光步距為0.1、0.2 mm時，K/S值基本一致，但步距為 0.1 mm 處理織物孔隙率較大，損傷較嚴重。綜合考慮激光步距對染色織物K/S值的影響和織物損傷情況，選擇0.2 mm作為激光改性的優選步距。

綜上確定激光改性工藝：功率為5 W， 激光速度為150 mm/s，步距為0.2 mm。改性滌綸織物染色后的K/S值達到17.81，與未處理織物相比提高了54.24%。通過計算機軟件設置不同的處理次數或者不同工藝參數對織物選定區域進行改性，可使染色織物具有深淺不一、顏色漸變的效果。

2.2 改性滌綸的形貌與染色性能分析

2.2.1 改性滌綸的表觀形貌及表面元素分析

激光改性前后滌綸的表觀形貌如圖4所示。可以看出，未處理的滌綸表面光滑，而激光改性的滌綸表面有刻蝕痕跡。

圖4 激光改性前后滌綸SEM照片(×2 000)Fig.4 SEM images of polyester before(a) and after(b) laser treatment(×2 000)

改性前后滌綸的表面元素變化如表1所示?？梢钥闯?，未經激光處理的滌綸表面碳元素和氧元素的相對含量分別為80.0%和20.0%，氧元素(O)與碳元素(C)相對含量之比為25.0%。經過激光預處理改性(功率為5 W；速度為150 mm/s；步距為 0.2 mm) 后滌綸表面碳元素相對含量降至75.3%，氧元素的相對含量增加到24.5%，O與C相對含量之比增加至32.5%。這是由于激光處理使滌綸分子中的酯鍵斷裂生成新的自由基，從而增加了纖維表面的極性含氧基團，這與文獻[3]的報道一致，反應方程[3]見圖5。

表1 激光改性前后滌綸織物元素含量Tab.1 Element contents of polyester before and after laser treatment %

圖5 滌綸分子酯鍵斷裂生成自由基的反應Fig.5 Breaking of ester bond in polyester molecule to produce many kinds of radicals

滌綸酯鍵斷裂生成自由基后生成CO、CO2[3]，反應方程如圖6所示。另外，空氣中的水和氧氣還會與激光輻照產生的各種自由基發生反應，在大分子鏈上生成羧基等極性含氧基團，反應方程[3]如圖7 所示。

圖6 自由基生成CO、CO2的反應Fig.6 Reaction of free radicals to produce CO and CO2

圖7 自由基與水和氧氣反應Fig.7 Radicals react with oxygen and water

2.2.2 改性滌綸的結晶度及晶粒分析

改性前后滌綸織物的X射線衍射曲線如圖8所示。滌綸的主要衍射角2θ為16.4°、22.9°和25.9°，分別對應(010)、(110)和(100)[7]晶面?？梢钥闯?，激光改性前后滌綸不同晶面的衍射角基本保持不變。通過Jade軟件對衍射曲線進行分峰擬合，并計算得出未改性和激光改性滌綸的結晶度分別為43.16%和38.93%。說明激光改性使滌綸無定形區增加，結晶度下降，這也是導致激光改性后染色織物K/S值提高的原因之一。

利用Scherer公式[7]計算不同晶面的晶粒尺寸Ihkl，結果如表2所示?？梢钥闯觯杭す飧男院?010)晶面和(110)晶面晶粒尺寸增加，(100)晶面晶粒尺寸基本不變。晶粒尺寸的增加會使結晶粒子間縫隙增大，有利于染料的擴散進入[14-15]。

2.2.3 色牢度分析

激光改性前后染色滌綸織物的耐摩擦和耐皂洗色牢度測試結果如表3所示?？梢钥闯觯稚⒓tE-FB上染未改性和激光改性滌綸的耐摩擦和耐皂洗色牢度均達到4級以上，滿足服用要求。

2.2.4 染色熱力學分析

為分析染料對激光改性滌綸的吸附性及其在纖維內部的擴散性能，為激光改性纖維染色性能的變化提供理論指導，研究了分散紅E-FB對激光改性滌綸織物的染色熱力學和動力學特性。分散紅E-FB 在DMF中的標準曲線如圖9所示?？梢钥闯?，染料質量濃度與最大吸收波長處的吸光度成線性關系。

表2 激光改性前后滌綸織物的晶粒尺寸Tab.2 Crystallite size of polyester fabric before and after laser modification nm

表3 激光改性前后染色織物的色牢度Tab.3 Color fastness of dyed fabrics before and after laser modification 級

圖9 分散紅E-FB在DMF中的標準曲線Fig.9 Standard curve of Disperse Red E-FB in DMF

分散紅E-FB在100 和110 ℃上染滌綸織物的吸附等溫線如圖10所示?？梢钥闯?，分散紅E-FB吸附等溫曲線符合能斯特型。

圖10 不同染色溫度下分散紅E-FB 上染織物的吸附等溫線Fig.10 Adsorption isotherms of fabrics dyed with Disperse Red E-FB at different temperatures

分散染料上染滌綸織物的染色熱力學參數如表4所示?？梢钥闯觯悍稚⒓tE-FB上染改性和未改性滌綸時染色親和力Δμ0變化不大，溫度對染色親和力影響也不明顯；染色熱(ΔH0)均為負值，為放熱過程，這是由于染料分子與纖維分子間的作用力大于染料分子與水分子之間的作用力[16]；改性滌綸的染色熱絕對值大于未改性滌綸，說明分散染料分子與改性纖維之間的作用力較大。

表4 分散染料上染滌綸織物的熱力學參數Tab.4 Thermodynamic parameters of dyeing polyester fabric with disperse dyes

染料上染未改性滌綸和改性滌綸的染色熵ΔS°均為負值，這說明染料上染纖維后，體系的紊亂程度是降低的。改性滌綸的染色熵的絕對值大于未改性滌綸，說明分散染料在改性滌綸的染色過程中，體系的紊亂程度降低更多[17]。

2.2.5 染色動力學分析

激光改性前后染色滌綸織物的t/Ct與t的線性擬合曲線如圖11所示。根據擬合方程的斜率和截距，按照公式計算動力學參數[10]，結果如表5所示。可看出，改性織物半染時間t1/2明顯下降，平衡上染量C∞和擴散系數D增加，擴散活化能E下降。這是因為激光改性使滌綸的結晶度下降，晶粒尺寸稍增大，降低了染料向纖維內部擴散所需的阻力，更有利于染料向纖維內部擴散[18]。

圖11 不同染色溫度下分散紅E-FB在織物 上的t/Ct與t關系曲線Fig.11 Relationship curve between t/Ct and t of Disperse Red E-FB on fabric dyeing at different temperatures

表5 分散染料上染滌綸織物的動力學參數Tab.5 Kinetic parameters of dyeing polyester fabric with disperse dyes

3 結 論

1)以K/S值為主要考察指標，確定了滌綸織物經CO2激光預處理改性的優選工藝為：功率5 W，速度150 mm/s，步距0.2 mm。在此條件下激光改性后滌綸織物經分散紅E-FB染色的K/S值可達17.81，比未處理增加了54.24%；染色織物的耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度均達到4級以上。

2)激光改性使纖維表面產生刻蝕，氧元素含量由未改性的20.0%增加到24.5%，結晶度由43.16%下降至38.93%，晶粒尺寸稍增加。

3)染色熱力學分析表明分散紅E-FB上染改性和未改性滌綸時染色親和力變化不大，染色熱(放熱)增加，染色熵(負值)的絕對值增加；染色動力學分析表明分散紅E-FB上染改性滌綸時半染時間和擴散活化能降低，擴散系數增加。