殼聚糖/棉混紡紗線前處理工藝研究

張子超,張京彬,薛孟芳,王 翊,張智慧,沙乾坤

(1.國家先進印染技術(shù)創(chuàng)新中心, 山東 泰安 271000; 2.山東中康國創(chuàng)先進印染技術(shù)研究院有限公司,山東 泰安271000)

殼聚糖纖維是甲殼素脫乙?；漠a(chǎn)物,是自然界中唯一帶正電的再生纖維[1],分子結(jié)構(gòu)與纖維素相似,其區(qū)別在于葡萄糖殘基上第2位碳原子連接的羥基被更活潑的氨基取代[2-3]。殼聚糖纖維具有優(yōu)異的消臭、吸濕和保濕性能,生物相容性好,其降解的產(chǎn)物對人體無毒副作用,因而在生物醫(yī)學領(lǐng)域有著極廣闊的應用前景[4-6]。另外,殼聚糖纖維具有廣譜抗菌性,對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、革蘭氏菌等具有優(yōu)良的抗菌性能,常與棉纖維混紡以提升產(chǎn)品服用性能[7]。在實際生產(chǎn)中,常規(guī)前處理和染色使得殼聚糖在纖維中的含量下降導致殼聚糖混紡織物抗菌效果降低,進而影響殼聚糖混紡織物的使用價值[8]。

殼聚糖混紡紗線中一般含有蠟質(zhì)、棉籽殼、紡織油劑等雜質(zhì),雜質(zhì)不僅影響織物的滲透性,也會造成染料上染不勻,進而導致混紡紗線或織物產(chǎn)生塊狀色花或色漬[9-10]。實際生產(chǎn)中因勻染效果差產(chǎn)生的調(diào)色補色等額外后道工序更會使殼聚糖在混紡紗線中的含量下降[11],因此選擇合適的前處理工藝以保證去除紗線雜質(zhì)的同時不降低殼聚糖含量至關(guān)重要[12-13]。

殼聚糖纖維與棉纖維混紡產(chǎn)品的抗菌效果與產(chǎn)品中的殼聚糖含量直接相關(guān)[14]。殼聚糖纖維對酸性溶液非常敏感,1%的稀鹽酸、稀醋酸溶液能使其迅速溶解,不溶于中性水溶液或堿性溶液[15-16]。為更好地了解前處理工藝參數(shù)對殼聚糖/棉混紡紗線的影響,本文進行了大量試驗研究,對殼聚糖/棉混紡紗線的染色前處理工藝進行優(yōu)化,以確?；旒徏喼袣ぞ厶呛繐p失最少[17-18],為殼聚糖/棉混紡紗線的前處理加工工藝提供數(shù)據(jù)參考。

1 試 驗

1.1 材料及儀器

材料:殼聚糖/棉(20/80)混紡紗線(殼聚糖含量為19.40%(乙酸法),殼聚糖脫乙酰度93%,海斯摩爾生物科技有限公司);醋酸(98%,工業(yè)用,山東中康國創(chuàng)新材料有限公司);過氧化氫(27.5%雙氧水)、碳酸鈉(純堿,工業(yè)用,山東海天生物化工有限公司);氫氧化鈉(燒堿,工業(yè)用,君正能源化工股份有限公司);氨水(25.0%～28.0%,分析純,萊陽市康德化工有限公司);高效低溫精煉劑、皂洗劑(工業(yè)用,山東中康國創(chuàng)新材料有限公司)。

儀器:ML204T/02型精密天平(瑞士Mettler Toledo公司);Spectro 1050臺式反射和透射分光測色儀(美國Datacolor公司)。

1.2 前處理

1.2.1 純堿前處理

采用高溫堿氧一浴法對殼聚糖/棉混紡紗線進行煮練漂白,工藝處方及條件為高效低溫精煉劑3g/L,純堿0.5～4.0g/L,27.5%雙氧水4～10g/L,浴比1∶20,處理溫度60～100℃,時間20～60 min,水洗后80 ℃烘干,處理工藝流程見圖1。選取工藝中處理溫度A、時間B、純堿用量C設(shè)計3個單因素5水平正交試驗。

圖1 前處理工藝流程圖Fig.1 Pretreatment process flow chart

1.2.2 燒堿前處理

采用高溫堿氧一浴法對殼聚糖/棉混紡紗線進行煮練漂白,工藝處方及條件為高效低溫精煉劑3g/L,燒堿0.5～3.0g/L,27.5%雙氧水4～10g/L,浴比1∶20,處理溫度60～100℃,時間20～60 min,水洗后80 ℃烘干,處理工藝流程見圖1。選取工藝中溫度D、時間E、燒堿用量F設(shè)計3個單因素5水平正交試驗。

2 性能測試

2.1 紗線殼聚糖含量

依據(jù)GB/T 35257—2017《紡織品 定量化學分析 殼聚糖纖維與某些其他纖維的混合物(乙酸法)》測試紗線殼聚糖含量。

2.2 紗線物理性能測試

依據(jù)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)》測試紗線斷裂強力;依據(jù)FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細效應試驗方法》測試紗線毛效芯吸高度。

2.3 紗線白度測試

采用Spectro1050測色儀測試紗線白度,測試條件為D65光源、10°視角,每個樣品折疊4層,在不同位置測4次,取平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 前處理正交試驗結(jié)果

前處理工藝以殼聚糖/棉混紡紗線的殼聚糖含量、白度、芯吸高度、單紗斷裂強力為判斷依據(jù)分析各工藝參數(shù),純堿和燒堿前處理正交試驗結(jié)果如表1、2所示(未經(jīng)前處理的混紡紗中殼聚糖含量為19.40%(乙酸法))。

表1 純堿前處理正交試驗表Tab.1 Orthogonal experimental table for soda ash pretreatment

表2 燒堿前處理正交試驗表Tab.2 Orthogonal experimental table for caustic soda pretreatment

根據(jù)表1、2的試驗數(shù)據(jù),對殼聚糖含量、單紗斷裂強力、白度、芯吸高度分別按單指標進行極差分析和F檢驗,利用綜合平衡法對測得的各項指標進行匯總?cè)绫?、4所示,確定整體最優(yōu)因素組合。

表3 純堿前處理極差分析匯總表Tab.3 Summary table of range analysis for soda ash pretreatment

表4 燒堿前處理極差分析匯總表Tab.4 Summary table of range analysis for caustic soda pretreatment

純堿前處理中,處理溫度是影響殼聚糖/棉混紡紗線殼聚糖含量、單紗斷裂強力、白度、芯吸高度的主要因素,考慮到殼聚糖含量的重要性,前處理溫度選定70 ℃為優(yōu),繼續(xù)提高處理溫度,纖維白度、芯吸高度會有所提高,但殼聚糖含量下降較多;時間是影響殼聚糖/棉混紡紗線殼聚糖含量、白度、芯吸高度中的次要因素,對其他性能不會產(chǎn)生差異關(guān)系,選定50 min為優(yōu);純堿質(zhì)量濃度在單紗斷裂強力、白度中占次要因素,對其他性能均不會產(chǎn)生差異關(guān)系,選定4g/L為優(yōu)。綜上,最佳純堿前處理方案為溫度70 ℃,保溫時間50 min,純堿質(zhì)量濃度4g/L。

燒堿前處理中,處理溫度是影響殼聚糖/棉混紡紗線殼聚糖含量、單紗斷裂強力、白度、芯吸高度中的主要因素,考慮到殼聚糖含量的重要性,處理溫度選定80 ℃為優(yōu);處理時間是影響殼聚糖/棉混紡紗線殼聚糖含量、白度、芯吸高度中的次要因素,對其他性能不會產(chǎn)生差異關(guān)系,選定50 min為優(yōu);燒堿在單紗斷裂強力、白度中占次要因素,適量燒堿的加入,可以活化雙氧水,加速雙氧水分解,但過量燒堿會使得雙氧水分解反應過劇,對漂白不利,選定1.5g/L為優(yōu)。綜上,最佳燒堿前處理方案為溫度80 ℃,保溫時間50 min,燒堿質(zhì)量濃度1.5g/L。

3.2 雙氧水對紗線性能的影響

殼聚糖/棉混紡紗線前處理時要注意加料順序,根據(jù)實際需要調(diào)整前處理雙氧水用量、處理溫度、時間及堿用量。工業(yè)用雙氧水含有少量酸,在制備或保存過程中會降低混紡紗線中的殼聚糖含量,在前處理過程中應先加堿調(diào)整pH值最后滴加雙氧水,降低雙氧水對紗線中殼聚糖的影響選擇最佳前處理工藝條件(70 ℃×50 min×4g/L純堿;80℃×50 min×1.5g/L燒堿),按1.2節(jié)工藝對殼聚糖/棉混紡紗線進行前處理,改變雙氧水的質(zhì)量濃度,探究雙氧水對紗線性能的影響。由圖2可知,隨著雙氧水質(zhì)量濃度的增加,殼聚糖/棉混紡紗線白度快速提升后維持穩(wěn)定,雙氧水質(zhì)量濃度在6g/L以上時白度變化不明顯,此時白度基本達到最大值;隨著雙氧水質(zhì)量濃度的增加,殼聚糖含量和單紗斷裂強力有下降趨勢,雙氧水質(zhì)量濃度在4g/L以后下降速度變快,綜合各因素考慮,試驗采用4g/L的雙氧水對殼聚糖混紡纖維進行前處理。

圖2 雙氧水質(zhì)量濃度對紗線性能的影響Fig.2 Effect of hydrogen peroxide dosage on yarn performance. (a) Pretreatment of soda ash; (b) Pretreatment of caustic soda

實際生產(chǎn)中,紗線染淺色時對白度要求較高,因此最佳前處理方案為燒堿前處理,處理條件為80 ℃,50 min,燒堿1.5g/L,H2O24g/L;染中深色時可以降低白度指標提高殼聚糖含量,最佳前處理方案為純堿前處理,處理條件為70 ℃,50 min,純堿4g/L,H2O24g/L;在保證殼聚糖含量的前提下,盡量提高紗線的白度、芯吸高度與單紗斷裂強力,便于之后的染色與織造。

4 結(jié) 論

殼聚糖纖維具有優(yōu)良的抗菌性,環(huán)?？山到?與棉纖維混紡具有優(yōu)良的服用性能,但前處理工藝的不當易引起混紡紗線中殼聚糖的損失,降低紗線整體性能。為探究殼聚糖/棉混紡紗線的最優(yōu)前處理工藝,研究了前處理工藝中純堿用量、燒堿用量、處理溫度及時間對殼聚糖/棉混紡紗線性能的影響,主要結(jié)論如下:

①前處理正交試驗結(jié)果顯示,處理溫度在前處理中是主要因素,對混紡紗線的性能影響最大;其次是堿的種類及用量,經(jīng)燒堿前處理的紗線白度更高,經(jīng)純堿處理的紗線白度較低,但殼聚糖含量較燒堿處理降低更少;處理時間對混紡紗線的性能影響最小。

②對于染淺色的混紡紗線,最佳前處理工藝為1.5g/L燒堿、4g/L H2O2,80 ℃,50 min;對于染中深色的混紡紗線,可以降低白度指標以提高殼聚糖含量,最佳前處理工藝為純堿4g/L、H2O24g/L,70 ℃,50 min。