帶壓染色壓力對(duì)羊毛結(jié)構(gòu)和親水性能的影響

張 凱 王 榮 胡吉永 楊旭東

1. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)) 2. 江蘇丹毛紡織有限公司(中國(guó))

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，人們對(duì)服裝舒適性的要求越來越高。品質(zhì)感和科技感融為一體的產(chǎn)品日益受到廣大消費(fèi)者的青睞，對(duì)高檔吸濕快干面料的需求逐漸增長(zhǎng)。在此背景下，羊毛纖維作為優(yōu)良的天然蛋白質(zhì)纖維，因具有彈性優(yōu)異，手感柔糯，吸濕性好等眾多優(yōu)點(diǎn)而成為高檔面料的首選材質(zhì)[1]。但羊毛纖維鱗片的天然屏障作用使吸收的汗液不能及時(shí)排出，會(huì)給人體造成一種極不舒適的冷濕感，這極大限制了羊毛纖維夏季面料的開發(fā)應(yīng)用[2]。

目前，主要采用物理化學(xué)改性[3-7]的方法對(duì)羊毛進(jìn)行處理，通過破壞羊毛表面鱗片提高羊毛的吸濕性能。此外，后續(xù)染色加工過程中的各種工藝因素也可能影響羊毛的結(jié)構(gòu)及吸濕性能。黃元麗[8]探究了不同染色時(shí)間、溫度、壓力和染料用量對(duì)染色效果的影響。試驗(yàn)表明，在一定的染色溫度和相同的染色時(shí)間與染料用量條件下，羊毛散纖維的表觀顏色深度隨著壓力的增加而增加。李俊升等[9]探究了微波低溫等離子體處理的羊毛的染色性能，發(fā)現(xiàn)環(huán)境氣體壓力達(dá)到20 MPa時(shí)，K/S值達(dá)最大值，說明此時(shí)等離子體對(duì)羊毛的刻蝕效果最明顯。張娟等[10]探究了超臨界CO2染色對(duì)羊毛纖維力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著壓力的不斷增加，CO2流體的傳質(zhì)擴(kuò)散能力使得羊毛纖維受到的彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切作用增強(qiáng)，從而影響短絨率和拉伸斷裂性能。楊德明等[11]提出了一種全流程低溫帶壓染色工藝。研究表明，在羊毛染色過程中施加壓力，可以降低羊毛的損傷，大大改善其染色性能與力學(xué)性能，回潮率也有一定的提高。上述研究均表明，在染色的過程中引入壓力，對(duì)羊毛結(jié)構(gòu)及表面鱗片有一定程度的損傷破壞，進(jìn)而改變其力學(xué)性質(zhì)和染色性能。但以往的研究未系統(tǒng)分析壓力對(duì)于其結(jié)構(gòu)和親水性能的影響。

基于此，本文將采用控制變量法定量分析不同染色壓力對(duì)羊毛結(jié)構(gòu)和親水性能的影響，實(shí)現(xiàn)羊毛的低溫染色并減少羊毛纖維損傷，探究影響其親水性能的主要結(jié)構(gòu)因素。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

單纖線密度為7.4 tex的防縮毛條(江蘇丹毛紡織有限公司)。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器如表1所示。

表1 試驗(yàn)儀器

1.3 試驗(yàn)方法

采用控制變量方法，保持染色溫度、毛用活性染料用量和Na2CO3用量等其他條件不變，在染色過程中分別對(duì)羊毛進(jìn)行0.35、0.43和0.52 MPa的壓力處理，烘干后將毛條放入丙酮中浸泡2 h，然后用去離子水對(duì)毛條進(jìn)行洗滌并自然晾干。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 表觀形貌測(cè)試

采用掃描電子顯微鏡測(cè)試表征羊毛經(jīng)不同染色壓力處理后的表層鱗片層破壞程度。隨機(jī)選取一定量的羊毛纖維試樣，采用導(dǎo)電雙面膠將其固定在載物臺(tái)上，對(duì)試樣進(jìn)行噴金處理，采用掃描電子顯微鏡放大3 000倍觀察羊毛纖維的表面形態(tài)。

1.4.2 結(jié)晶度測(cè)試

采用DSC測(cè)試表征羊毛內(nèi)部結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化。用剪刀將羊毛試樣剪碎成粉末，采用精度為0.1 mg的電子天平準(zhǔn)確稱取試樣(質(zhì)量范圍為0.3～0.5 mg) 進(jìn)行結(jié)晶度測(cè)試。氮?dú)饬髁繛?0 mL/min，鋁鉗鍋，升溫程序?yàn)樯?0 ℃保溫2 min， 再以20 ℃/min的加熱速度加熱到260 ℃。

1.4.3 接觸角測(cè)試

通過接觸角測(cè)試表征羊毛纖維經(jīng)不同染色壓力處理后的親水性及表面張力變化情況。具體操作如下，取一部分毛條將其梳理平整，再用雙面膠將毛條拉平整后固定在載物臺(tái)上進(jìn)行接觸角測(cè)試，每組試樣測(cè)試5次，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同染色壓力對(duì)羊毛纖維表面形貌的影響

在不同染色壓力下染色后的毛條試樣中，隨機(jī)取6根纖維觀測(cè)其典型表面形貌，分別如圖1～圖3所示，并統(tǒng)計(jì)其在測(cè)試?yán)w維中出現(xiàn)的比例。

圖1a)～圖1c)所示為經(jīng)0.35 MPa帶壓染色后羊毛呈現(xiàn)出的典型表面形貌，圖1d)為未處理羊毛的表面形貌。與未處理的羊毛相比，染色后的羊毛鱗片溝壑較淺且表面相對(duì)光滑，呈現(xiàn)翹角上揚(yáng)[圖1a)]、鱗片層排列較疏松[圖1b)]或鱗片層排列較緊密[圖1c)]狀態(tài)。在所測(cè)的6根纖維中，有3根 羊毛纖維表層同時(shí)呈現(xiàn)圖1a)、圖1b)和圖1c)所示形態(tài)，另有3根羊毛纖維表面同時(shí)呈現(xiàn)圖1b)和圖1c)所示形態(tài)。

圖2所示為經(jīng)0.43 MPa帶壓染色后羊毛所呈現(xiàn)的典型表面形貌。經(jīng)0.43 MPa帶壓染色后,羊毛主要表現(xiàn)為鱗片層溝壑清晰可見[圖2a)]和鱗片被溝壑較淺且光滑[圖2b)]的形態(tài)。由于染色壓力增大，也出現(xiàn)了局部表面鱗片層破裂，并形成孔洞的現(xiàn)象，如圖2c)所示。在所測(cè)的6根羊毛纖維中，有5根纖維同時(shí)呈現(xiàn)出圖2a)、圖2b)和圖2c)所示形態(tài)，1根纖維呈現(xiàn)出圖2b)和圖2c)所示形態(tài)。

圖3為經(jīng)0.52 MPa帶壓染色后羊毛所呈現(xiàn)的典型表面形貌。由圖3可以看出，經(jīng)0.52 MPa帶壓染色后，羊毛主要表現(xiàn)出如下形態(tài)：表層鱗片出現(xiàn)很多裂紋，形成許多小塊狀，如圖3a)所示；鱗片層脫落，如圖3b)所示；表層鱗片脫落嚴(yán)重并產(chǎn)生較大的凹陷，如圖3c)所示。在所測(cè)6根羊毛纖維中，有4根纖維同時(shí)呈現(xiàn)出圖3a)、圖3b)和圖3c)所示形態(tài)，1根纖維同時(shí)呈現(xiàn)出圖3a)和圖3b)所示形態(tài)，另有1根纖維僅出現(xiàn)了圖3a)所示形態(tài)。

由上述試驗(yàn)結(jié)果不難得出，隨著染色壓力從0.35 MPa增至0.52 MPa，羊毛纖維鱗片層出現(xiàn)局部破壞的程度越來越大。當(dāng)染色壓力為0.52 MPa時(shí)，羊毛鱗片層出現(xiàn)嚴(yán)重脫落并產(chǎn)生凹陷現(xiàn)象。這是因?yàn)槿旧^程中羊毛會(huì)因吸水而發(fā)生膨脹，并且壓力的作用使羊毛鱗片張開，從而出現(xiàn)破裂及脫落。

2.2 不同染色壓力對(duì)羊毛纖維結(jié)晶度的影響

從經(jīng)不同染色壓力處理的毛條中分別選取5根纖維，測(cè)試其差示掃描量熱(DSC)曲線，結(jié)果如圖4所示，其熔融峰值列于表2。每個(gè)試樣測(cè)試3次，結(jié)果取平均值。其中：tm1為第一個(gè)熔融峰溫度是DSC系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算結(jié)果，tm2為第二個(gè)熔融峰溫度是人工測(cè)試結(jié)果。

圖4 不同染色壓力處理后羊毛的DSC曲線

由圖4和表2可知，經(jīng)0.35、0.43和0.52 MPa壓力處理的羊毛，其熔融焓分別為16.994 7、15.596 0和14.395 5 J/g。隨著壓力從0.35 MPa增至0.52 MPa，羊毛纖維的熔融焓降低，表明羊毛纖維的結(jié)晶度下降。這是因?yàn)?，隨著壓力增加，羊毛表層鱗片被破壞的比例增加，導(dǎo)致硫胺酸中的二硫鍵斷裂，大分子鏈斷裂進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)晶度下降。

表2 不同染色壓力作用后羊毛纖維的熔融峰參數(shù)

2.3 不同染色壓力對(duì)羊毛纖維親水性能的影響

從不同染色壓力處理的毛條中，隨機(jī)取5束羊毛纖維進(jìn)行接觸角測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同染色壓力處理前后羊毛試樣的接觸角

由圖5可知，經(jīng)0.35、0.43和0.52 MPa染色壓力處理后，羊毛的接觸角分別為120.61°、114.23°和108.89°，親水性能均比未處理的羊毛好。隨著染色壓力的增加，接觸角呈下降趨勢(shì)，表明羊毛纖維的親水性能提升。

隨著染色壓力的增加，羊毛鱗片層的破壞程度增大，使得鱗片內(nèi)層化學(xué)性質(zhì)活潑的極性氨基酸暴露出來，增加了其與水的接觸面積，使羊毛的親水性能提升。此外，染色壓力破壞了羊毛中硫胺酸上的二硫鍵，使羊毛結(jié)晶度下降，從而導(dǎo)致表面張力下降，親水性能提高。因這兩方面因素綜合作用，隨著染色壓力的增大，處理后羊毛的親水性提升。

3 結(jié)論

本文針對(duì)羊毛纖維的帶壓染色工藝，討論染色壓力對(duì)羊毛纖維結(jié)構(gòu)和親水性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著染色壓力增加，羊毛鱗片層的破壞程度加劇，親水性能提升，但結(jié)晶度下降。在今后的羊毛纖維親水性能研究中，可考慮采用增加染色壓力的方式，提高其親水性能。