摘 要 本文對還原染料上染聚乳酸纖維進(jìn)行了研究。用還原染料上染纖維素纖維的傳統(tǒng)方法同樣也適用于聚乳酸纖維的染色。很明顯，溫度過高和助劑濃度過高都會對染料上染聚乳酸纖維的性能產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)。對最佳染色工藝條件的調(diào)查研究，我們發(fā)現(xiàn)，染料和助劑的最佳濃度，可以通過簡單的線性方程實(shí)驗(yàn)估算。

關(guān)鍵詞 聚乳酸；還原染料；染色

中圖分類號 TQ619 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)062-0216-02

1 介紹

近年來，聚乳酸作為一種纖維材料，在工業(yè)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。聚乳酸纖維最吸引人的特性是能進(jìn)行生物降解?？蛇M(jìn)行生物降解的聚合物，如聚乳酸，脂肪族聚酯，聚己內(nèi)酯等，有一個性質(zhì)是在真菌適當(dāng)作用下降解為二氧化碳和水。這意味著，可生物降解的聚乳酸纖維適合于溫和的環(huán)境，即使纖維是在自然環(huán)境中。另一個吸引人的特性是起始原料。聚乳酸纖維是由淀粉合成的，這種淀粉的收割周期是一年，并且不需要任何礦物燃料。同時，合成聚乳酸纖維而消耗的這種淀粉用量還不到世界總產(chǎn)量的0.02%。因此，生產(chǎn)聚乳酸纖維不會造成糧食危機(jī)，即使他們的產(chǎn)量在將來大幅增加。此外，最近的高科技使聚乳酸纖維的生產(chǎn)也能從其他植物，如甘薯中獲得。因此，聚乳酸纖維適合于天然資源有限的將來。

在這種情況下，目前作為人造合成纖維取代物的聚乳酸纖維的需求量將會大大增加。事實(shí)上，聚乳酸纖維的特性與人造合成纖維相似。例如，纖維的初始性能，如密度，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，纖維強(qiáng)度，楊氏模量等都與PET和尼龍相似。此外，聚乳酸纖維的染色過程也類似于合成纖維。聚乳酸纖維的染色，一般都是由分散染料在高溫和高壓下上染的，因?yàn)榫廴樗崂w維對于常規(guī)水溶性染料的親和力較低。但是，用染天然纖維的染料來上染聚乳酸纖維的工藝尚未能實(shí)現(xiàn)?？紤]到將來聚乳酸纖維需求量的增加，用天然纖維合成制造的織物也會增加。因此，聚乳酸纖維的功能整理與天然纖維的染色是亟待解決的重要課題。在前一課題中，用于紡織加工的聚乳酸纖維，是在近年開始進(jìn)行調(diào)查研究的。我們以前的報道也討論了酶對聚乳酸纖維處理的可能性。另一方面，只有少數(shù)關(guān)于還原染料上染聚乳酸纖維的可能性的報告。但是有關(guān)聚乳酸纖維的染色工藝條件的詳細(xì)信息還不明確。

本文研究的目的是積累傳統(tǒng)的還原染料上染聚乳酸纖維的基本知識。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們對靛藍(lán)染料上染聚乳酸纖維的染色能力進(jìn)行了研究。本文對助劑和染色條件對染色性能的影響進(jìn)行了討論。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 化學(xué)藥品

經(jīng)煮練過的聚乳酸纖維面料來自嘉娜寶GOHSEN有限公司。在準(zhǔn)備每個實(shí)驗(yàn)使用它們之前，都必須在水中煮沸1個小時。靛藍(lán)染料和助劑來自Nacalai特克有限公司。所有其他化學(xué)品（關(guān)東化工有限責(zé)任公司）都是作為反應(yīng)物級別的試劑被使用。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

將處方中一定量的靛藍(lán)染料溶解在等量的乙醇中，然后準(zhǔn)確量取一定量的NaOH，Na2S2O3和煮沸的蒸餾水加入攪拌。當(dāng)?shù)逅{(lán)染料被還原成隱色體形式后，將染料溶液倒入一個不銹鋼容器缸染色，直到染色容器中充滿了染料溶液。染色容器的容量為

500 ml。待染液達(dá)到設(shè)定溫度后，將聚乳酸織物標(biāo)本浸入染色容器中并完全密封，與外界氣體隔絕。在精確的溫度和時間下使用MINI-COLOUR12E（TEXAM有限公司）進(jìn)行染色。浴比調(diào)整為1:50。染色后，將織物標(biāo)本在空氣流中烘干整晚使之完全氧化。并且在有馬賽皂（1g/L）存在的沸水中皂洗10分鐘，以洗掉織物上未上染的染料。染色織物顏色深度的評估是通過染色纖維的反射系數(shù)測定的，使用的是美能達(dá)CM-1000分光光度計（照明直徑：12毫米）的D65光源下使用10°分析。顏色深度，即K/S值，用KubelkaeMunk公式計算：

K/S=（1-R2）/2R

R是在最大吸收波長處纖維的反射系數(shù)。

3 結(jié)果與討論

圖1顯示的是染色溫度與聚乳酸纖維的染色顏色深度的關(guān)系曲線。在這種情況下染色1小時，聚乳酸纖維的染色顏色深度從330K左右的溫度開始上升，直至穩(wěn)定在一個較高溫度下而不再發(fā)生變化。根據(jù)無定形區(qū)域的分子動力學(xué)，溫度的升高能明顯加快分子的運(yùn)動，從而促使染料分子更容易進(jìn)入纖維中。完全可染的溫度與聚乳酸的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度一致。當(dāng)纖維之間的空隙擴(kuò)大到一定的程度，其對染料的滲透沒有不良影響，但進(jìn)一步的擴(kuò)大不能顯著的提高染料的染色性能。這些結(jié)果表明，從節(jié)能的角度看，在373K下染色，是獲得高得色量的最低溫度。

圖2顯示了在373K溫度下，染色時間對染色性能的影響。聚乳酸纖維染色的顏色深度隨時間增加而逐漸降低。這些結(jié)果與傳統(tǒng)的染色過程完全不同。一般說來，染色織物的顏色深度將隨著時間的增加而增加，直到染色達(dá)到平衡。染色達(dá)到平衡后，染色織物的顏色深度就不會發(fā)生變化。在本文研究中，染色織物染色深度的下降，是由于染料對纖維親和力的下降或相反的親和性。涉及到的纖維親和力下降的問題，在高溫下延長染色時間可能會引起聚乳酸纖維表面特性的變化。眾所周知，聚乳酸纖維在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的軟化溫度是400 K。另一方面，聚乳酸纖維的表面軟化溫度可能會降低。因?yàn)榇藢?shí)驗(yàn)是在一個封閉的染色容器中進(jìn)行，其壓力應(yīng)該比一個開放的容器壓力要大。因此，在一個不相適的條件下延長染色時間可能會導(dǎo)致染料染色性能下降。第二個考慮的因素是染料對纖維親和力的下降。一部分的隱色體可在此染色條件下分解。與氧氣的化學(xué)反應(yīng)可能是隱色體分解的一個主導(dǎo)的因素。然而，這項(xiàng)研究是在封閉系統(tǒng)中進(jìn)行染色，從而避免了氣體。因此，隱色體通過與氣體的化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生分解的可能性很小。另外，熱分解的可能性增加。長時間在高溫條件下染色，可能導(dǎo)致隱色體的穩(wěn)定性下降。為了在不引起染料染色性能下降的條件下避免隱色體的熱分解，調(diào)節(jié)染色溫度與染色時間是必要的。

圖3顯示聚乳酸纖維在不同的染料濃度下顏色深度的變化。在這種情況下，助劑（NaOH和Na2S2O3）濃度保持不變。如圖3所示，當(dāng)染料濃度達(dá)到大約5%owf時，K/S值達(dá)到最大值。然后，在高濃度染料下，顏色深度開始下降。這些結(jié)果與傳統(tǒng)的染色過程完全不同。染料與助劑的化學(xué)計量關(guān)系似乎在這個系統(tǒng)中決定了染料的染色性能。為了評估助劑對聚乳酸纖維染色效果的影響，我們對改變助劑濃度進(jìn)行了類似的研究。

圖4顯示的是在NaOH濃度不變的情況下，Na2S2O3濃度對染色性能的影響。Na2S2O3的加入是為了得到最深的著色深度，Na2S2O3的用量隨著靛藍(lán)濃度的增加而增加。自然，需要大量的Na2S2O3去還原大量的靛藍(lán)分子。但是，過量的Na2S2O3又會對染色性能產(chǎn)生負(fù)面影響。聚乳酸纖維的顏色深度在達(dá)到最大值后開始下降，然后保持不變。這些結(jié)果與靛藍(lán)分子的過還原相關(guān)。由于過量Na2S2O3的存在可能會引起染色系統(tǒng)中隱色體的過度還原。因此，纖維的親和力下降或隱色體遭到破壞都可能會出現(xiàn)。此外，在高溫下的染色還可能參與到染料的分解中去。這些假設(shè)與改變NaOH用量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖5顯示了在Na2S2O3濃度不變的情況下，NaOH濃度對聚乳酸纖維上染性能的影響。如圖5所示，顏色深度的變化曲線與圖4類似。然而，在NaOH某一高濃度范圍內(nèi)變化時，染色織物的顏色深度下降非常顯著。特別是，用5%owf靛藍(lán)上染的織物的顏色深度下降到接近零。這些結(jié)果表明，染液中隱色體完全分解到一定程度后將不再發(fā)生變化。再次，從這些結(jié)果中看出，靛藍(lán)染料與助劑之間的計量關(guān)系對于聚乳酸纖維上染達(dá)到最佳效果是很重要的。

圖6顯示了靛藍(lán)染料和助劑（NaOH和Na2S2O3）最佳濃度之間的關(guān)系。助劑的最佳濃度是由一定染料濃度下獲得最深顏色深度來決定的。如圖6所示，染料濃度與助劑濃度之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。此外，實(shí)心曲線的外推法數(shù)據(jù)與坐標(biāo)軸完全一致。這表明，在染料濃度很低的情況下，即使沒有強(qiáng)堿性的條件，也會造成聚乳酸纖維上染料的還原和吸附。在另一方面，可知空心點(diǎn)曲線外推不能通過坐標(biāo)軸，有個正截距。Na2S2O3與O2反應(yīng)而被消耗可能會導(dǎo)致對Na2S2O3的用量增加。此外，Na2S2O3的熱分解也可能與此有關(guān)。

這些結(jié)果表明，聚乳酸纖維的最佳染色條件似乎是用簡單的實(shí)驗(yàn)方程確定的。更可靠的經(jīng)驗(yàn)公式還有待對染色溫度和時間的研究得到。

4 結(jié)論

本文對用傳統(tǒng)的靛藍(lán)染料上染聚乳酸纖維的可能性進(jìn)行了研究。用類似還原染料上染纖維素纖維的方法，可以將深色上染到聚乳酸纖維上。高濃度范圍內(nèi)的助劑對染料染色性能的影響是顯著并且不利的。染料和助劑的最適宜濃度能夠通過簡單的實(shí)驗(yàn)方程來估算。

由于優(yōu)良的性能，如優(yōu)良的纖維屬性和對環(huán)境的友好性，聚乳酸纖維作為一種纖維材料在將來的需求量一定會大大增加。本文研究獲得的基本數(shù)據(jù)對上染各種聚乳酸纖維面料將變得十分具有價值。

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作者簡介

李洪昊(1987-），男，山西大同人，天津城市建設(shè)學(xué)院本科生，研究方向：材料化學(xué)。