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(jì)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(diǎn)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(bào)道其對(duì)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(yīng)用于新能源領(lǐng)域。甲基丙烯酸丁酯對(duì)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(bào)道。本課題重點(diǎn)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(duì)接枝后純棉紗線的酸性染料染色性能及物理性能進(jìn)行測(cè)試分析。

1 實(shí)驗(yàn)

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(jiān)牢紅SWF-B、多麗新堅(jiān)牢橙SWF、多麗新堅(jiān)牢藏青SWF-G、多麗新堅(jiān)牢深藍(lán)SWF-R、多麗新黃SWF（商品化染料，德國(guó)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(jí)，淄博魯瑞精細(xì)化工股份有限公司）。

儀器：AHIBA 型紅外染色機(jī)（美國(guó)Datacolor 公司），DHG-9420A 型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司），HD021NH-5 型電子單紗強(qiáng)力儀、YG-086C 型縷紗測(cè)長(zhǎng)儀（南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司），LABWIN 型筒紗染色機(jī)（香港立信染整機(jī)械有限公司），Datacolor 650 型電腦測(cè)色配色儀（美國(guó)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(jì)（上海儀電科學(xué)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(jī)中進(jìn)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(duì)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(shí)間為10～50 min；改性結(jié)束后依次進(jìn)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(jī)中進(jìn)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(duì)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(shí)間為40 min，染色機(jī)泵速為90%；改性結(jié)束后依次進(jìn)行皂洗、柔軟、烘干工序。

皂洗工藝：皂洗劑WPA 2 g/L，溫度95 ℃，時(shí)間10 min，皂洗2次。

柔軟工藝：柔軟劑SPB 3%（對(duì)紗線質(zhì)量），溫度60 ℃，時(shí)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(guó)多聞公司提供，具體染色工藝如下。

染色工藝：采用縷紗測(cè)長(zhǎng)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(shí)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(shí)間10 min。

柔軟固色工藝：柔軟劑SPB 3%（對(duì)紗線質(zhì)量），固色劑RO 2%（對(duì)紗線質(zhì)量），溫度60 ℃，時(shí)間20 min。

酸性染料的染色工藝流程如下所示：

1.4 測(cè)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(jì)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(cè)定烘箱干燥法》對(duì)改性前后棉纖維的回潮率進(jìn)行測(cè)試。

1.4.3 紗線斷裂強(qiáng)力

采用GB/T 3916—2013《紡織品卷裝紗單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定（CRE 法）》進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試參數(shù)：夾持長(zhǎng)度500 mm，拉伸速度500 mm/min，預(yù)加張力（0.5±0.1）cN/tex，測(cè)試20 次取平均值，溫度（20±2）℃，相對(duì)濕度（65±2）%。

1.4.4 纖維外觀形貌

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)甲基丙烯酸丁酯改性前后紗線的表觀形貌進(jìn)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(shí)驗(yàn)過程中采用電腦測(cè)色配色儀測(cè)試紗線的K/S值，使用測(cè)色配色儀時(shí)，采用D65光源、10°視角，使用前首先對(duì)儀器進(jìn)行校正，被測(cè)紗線要梳理平整后進(jìn)行測(cè)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(yàn)?zāi)驮硐瓷味取贩椒?進(jìn)行測(cè)試。

耐摩擦色牢度：按照GB/T 3920—2008《紡織品色牢度試驗(yàn)?zāi)湍Σ辽味取愤M(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性工藝優(yōu)化

2.1.1 改性時(shí)間

選用14.6 tex 純棉紗線作為實(shí)驗(yàn)對(duì)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(duì)甲基丙烯酸丁酯質(zhì)量），改性時(shí)間分別設(shè)定為10、20、30、40、50 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)紗線的接枝增重率和回潮率進(jìn)行了測(cè)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(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，當(dāng)改性時(shí)間為40 min 時(shí)最大，繼續(xù)延長(zhǎng)改性時(shí)間，接枝增重率不再增大；改性紗線的回潮率隨著改性時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)逐漸降低后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。綜合考慮，改性時(shí)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(shí)驗(yàn)對(duì)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(duì)甲基丙烯酸丁酯質(zhì)量），改性時(shí)間為40 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)紗線的接枝增重率和斷裂強(qiáng)力進(jìn)行了測(cè)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(shí)改性紗線的斷裂強(qiáng)力呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)；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(shí)考慮紗線的實(shí)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(shí)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(duì)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(jī)中對(duì)純棉紗線進(jìn)行改性，改性結(jié)束后測(cè)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?fàn)睢＜谆┧岫□ジ男郧昂竺蘩w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(shí)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(shí)物樣以及表1 中的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用5 種酸性染料對(duì)純棉原紗分別進(jìn)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(duì)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(duì)甲基丙烯酸丁酯改性前后純棉紗線的染色差異性進(jìn)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(dá)到4 級(jí)或以上；多纖維標(biāo)準(zhǔn)貼襯織物中，酸性染料染色后的改性紗線除了對(duì)羊毛組分沾色較嚴(yán)重（2～3 級(jí)）外，對(duì)其他組分均可以達(dá)到3級(jí)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(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸提高，改性紗線的斷裂強(qiáng)力和回潮率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。

（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(shí)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(duì)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。