沙 源， 夏延致，3， 王兵兵， 田 星， 紀(jì) 全，3， 翟 銳

(1. 青島大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266071； 2. 青島大學(xué) 海洋纖維新材料研究院，山東 青島 266071；3. 山東省海洋生物質(zhì)纖維材料及紡織品協(xié)同創(chuàng)新中心， 山東 青島 266071)

非水溶性天然色素原液著色海藻纖維的制備及其性能

沙 源1，2， 夏延致1，2，3， 王兵兵2，3， 田 星2，3， 紀(jì) 全1，2，3， 翟 銳1

(1. 青島大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266071； 2. 青島大學(xué) 海洋纖維新材料研究院，山東 青島 266071；3. 山東省海洋生物質(zhì)纖維材料及紡織品協(xié)同創(chuàng)新中心， 山東 青島 266071)

為解決天然染料原液著色海藻纖維紡絲時著色劑易溶出的問題，以葉綠素銅(Chl-Cu)為著色劑，采用海藻酸鈉稀溶液作為研磨助劑和分散劑，制備了原液著色的紡絲液，并制得有色海藻纖維。利用紅外光譜儀、流變儀和透射電子顯微鏡對紡絲液的性能進行表征，利用掃描電子顯微鏡對制得纖維的形貌進行觀察，測試著色劑的耐水遷移性和纖維的阻燃性能。結(jié)果表明：當(dāng)Chl-Cu的添加量低于6%時，紡絲液最穩(wěn)定，Chl-Cu以直徑小于20 nm的顆粒形式均勻分布；研磨時海藻酸鈉分子與Chl-Cu形成的銅交聯(lián)結(jié)構(gòu)避免了Chl-Cu納米顆粒的團聚現(xiàn)象，實現(xiàn)了Chl-Cu的快速研磨與穩(wěn)定分散；纖維中Chl-Cu具有良好的耐水遷移的能力，海藻纖維的形貌未受Chl-Cu的影響，纖維阻燃性能優(yōu)異，極限氧指數(shù)值高于39%。

天然色素； 葉綠素銅； 原液著色； 海藻纖維； 紡絲液； 納米顆粒

海藻酸鈉(SA)是一種從海洋藻類中提取的天然多糖高分子[1]，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化妝品、食品、紡織和造紙等領(lǐng)域[2-3]。SA易與Cu2+、Ca2+、Ba2+、Zn2+等二價陽離子形成螯合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凝膠[4-5]，經(jīng)濕法紡絲可制得海藻纖維。海藻纖維具有優(yōu)良的自阻燃、吸濕、電磁屏蔽等性能，已在紡織領(lǐng)域特別是醫(yī)用紡織品領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注[6]。

天然植物染料具有環(huán)保、舒適等特性,日本[7]和韓國[8]等國家在植物染料染色織物和染料的耐日曬牢度領(lǐng)域進行了大量的探索和研究，將天然植物染料應(yīng)用到海藻纖維中具有較好的前景。葉綠素銅(Chl-Cu)[9]是一種非水溶性葉綠素類天然色素，常溫下為蠟狀固體，文獻[10]對其作為一種安全的新型著色劑在食品工業(yè)中的用途和功能進行了描述。

海藻纖維本身的鈣離子螯合結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，極易被其他金屬離子取代，又因為1,4-糖苷鍵在堿性環(huán)境下易斷裂，使得海藻纖維對鹽和堿的耐受程度不佳，染色困難[11]。原液著色纖維又稱無染纖維，相較于傳統(tǒng)紡織工業(yè)的染色方法，該方法原料利用率更高，能耗底，污染小，已普遍被歐美和日本等國家所接受[12]。目前關(guān)于海藻纖維原液著色方面的應(yīng)用和相關(guān)文獻報道較多：張傳杰等[13]將水溶性染料加入到紡絲液中，后在濕法紡絲時對纖維進行固色；付少海等[14]利用改性與砂磨結(jié)合的方法制備納米分散超細水性人工合成顏料，并通過原液著色的方法著色海藻纖維；王平等[15]以人工合成熒光顏料黃為著色劑，自制苯乙烯馬來酸酐共聚物和十二烷基硫酸鈉等為分散劑，采用長時間研磨和改性結(jié)合的方法，制備了熒光海藻纖維，并初步探討了熒光原料原液著色海藻酸鈉溶液的各項性能。雖然有關(guān)海藻纖維原液著色的研究較多，但是采用非水溶性天然色素進行原液著色的研究不多。

本文采用Chl-Cu為天然著色劑， 利用SA稀溶液為Chl-Cu研磨助劑和穩(wěn)定劑，實現(xiàn)了Chl-Cu的快速研磨和均勻分散,制備了納米級Chl-Cu穩(wěn)定分散的SA紡絲液，并利用該溶液紡絲制得了著色海藻纖維，還研究了Chl-Cu在海藻纖維紡絲原液中的分散情況及穩(wěn)定性，初步探討了紡絲成型后著色劑的耐水遷移性能，以及纖維的形貌和阻燃性能，以期為天然色素原液著色海藻纖維的制備提供參考。

1 實驗部分

1.1實驗材料

葉綠素銅，山東廣通寶醫(yī)藥有限公司；海藻酸鈉(SA，黏度>400 mPa·s)，山東潔晶集團；無水氯化鈣(分析純，相對分子質(zhì)量為110.98)，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2性能測試

流變性能測試：采用Anto Paar MCR 301型流變儀，測試紡絲液在不同剪切率時的表觀黏度(25 ℃)。形貌觀察：采用JEM-1200EX型透射電子顯微鏡，將著色紡絲液鋪膜經(jīng)氯化鈣溶液凝固后研碎進行觀察，其中加速電壓為100 kV；采用日立TM 3000型掃描電子顯微鏡，將樣品用導(dǎo)電膠帶固定，掃描前對樣品進行噴金處理，電子束能量為15 keV；耐水遷移性測試：采用T9S型雙光束紫外可見分光光度計，將烘干后纖維按質(zhì)量比為1∶100分別浸泡在40 ℃的去離子水中，間隔一定時間取5 mL水樣，加入等體積的丙酮萃取，測其吸光度,吸光度測試范圍為350～750 nm。紅外光譜測試：利用Nicolet FT-IR200型紅外光譜儀，采用KBr 壓片法測試樣品，掃描范圍為4 000～400 cm-1。阻燃性能測試：采用LFY-606B型數(shù)顯極限氧指數(shù)儀利用壓片法測試?yán)w維的極限氧指數(shù)值。

1.3著色紡絲液的制備

配制200 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的SA溶液，按Chl-Cu與SA質(zhì)量比為5∶1加入Chl-Cu，經(jīng)球磨機在400 r/min下研磨分散30 min后得到Chl-Cu/SA色漿。

分別配制SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%(3#)和5%(5#)的SA溶液各3份備用。將上述色漿按比例加入到SA溶液中，經(jīng)機械攪拌后制得不同配比的著色紡絲液。根據(jù)Chl-Cu占SA溶液中溶質(zhì)質(zhì)量的1%、3%和6%，分別將不同配比的3#和5#紡絲液標(biāo)記為3-1、3-3、3-6和5-1、5-3、5-6。

1.4海藻纖維的制備

取配制好的3-1、3-3、3-6和5-1、5-3、5-6共6種紡絲液，真空脫泡1 h，采用濕法紡絲技術(shù)，經(jīng)噴絲、凝固浴、牽伸、定型，再經(jīng)去離子水沖洗和真空干燥后得6種海藻纖維樣品。濕法紡絲時選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氯化鈣溶液為第1凝固浴，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的氯化鈣溶液為第2凝固浴，牽伸比為140%～160%，干燥溫度為40 ℃。圖1示出 Chl-Cu著色海藻纖維制備示意圖。

圖1 Chl-Cu著色海藻纖維制備示意圖Fig.1 Preparation of Chl-Cu dope-dyed alginate fiber

2 結(jié)果與討論

2.1著色前后海藻纖維的結(jié)構(gòu)分析

2.1.1紫外可見吸收光譜分析

圖2示出 Chl-Cu著色后纖維萃取液的紫外可見吸收光譜。著色后海藻纖維經(jīng)丙酮浸泡處理30 min，丙酮浸泡液呈淺綠色，吸光度曲線在403、631 nm波長處出現(xiàn)較強的吸收峰，與Chl-Cu特征峰相符[16-17]。表明Chl-Cu能夠著色海藻纖維。

圖2 Chl-Cu著色后纖維萃取液的紫外可見吸收光譜Fig.2 Ultraviolet and visible spectra of extraction soluton of Chl-Cu dope-dyed fibers

2.1.2紅外光譜分析

圖3示出著色前后海藻纖維的紅外對比譜圖。著色前后纖維在3 429 cm-1位置上的O—H伸縮振動吸收有明顯區(qū)別，著色后該處的峰形明顯變寬，并有分裂為2個峰的趨勢。這是由于海藻酸鈣自身的“egg-box”結(jié)構(gòu)[18]的限制，使得海藻多糖大分子上O—H的伸縮振動受到限制，伸縮振動峰的位置明顯向低波數(shù)移動，并且海藻多糖大分子上豐富的羥基與Chl-Cu顆粒上豐富的羰基形成較多的氫鍵，進一步限制了O—H的伸縮振動，波形發(fā)生改變。位于1 100～1 000 cm-1處的C—OH伸縮振動峰也發(fā)生了改變，特別是海藻纖維在1 023 cm-1處的C—OH吸收峰減弱并發(fā)生位移，原因是部分Chl-Cu中的Cu2+在配位反應(yīng)的推動下與SA大分子形成配位鍵。Cu2+形成的配位結(jié)構(gòu)不能加強C—OH的振動吸收峰[19]，因此，吸收峰發(fā)生位移，峰形變寬。

圖3 著色前后海藻纖維的紅外光譜Fig.3 IR spectra of alginate fiber before and after dope dyeing

2.2紡絲液的穩(wěn)定性分析

海藻酸鈉溶液是典型的假塑性體系，其僅在質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.3%時才為牛頓型體系[20]。圖4示出不同原料配比的紡絲液靜置24 h后的流變性能。隨剪切速率的增加，紡絲液黏度逐漸下降，著色后紡絲液表現(xiàn)出與高分子聚合物溶液相同的流變特性，表明Chl-Cu的加入沒有改變SA溶液的高分子溶液流變特性，也沒有大量形成Cu2+交聯(lián)結(jié)構(gòu)，二者相容性良好。對比圖4(a)、(b)中少量添加Chl-Cu時的黏度-剪切曲線發(fā)現(xiàn)，添加量為1%和3%時，二者都較為接近，體系黏度變化不大，繼續(xù)增加Chl-Cu含量，紡絲液體系的黏度增加明顯。究其原因為：當(dāng)著色劑添加量少時，著色劑顆粒間間距大，包裹在著色劑顆粒表面的 SA分子鏈間纏結(jié)不明顯，分子間摩擦力小；添加量高時，單位體積內(nèi)顆粒數(shù)增多，顆粒表面包覆層大分子間纏結(jié)、相互作用增大[21]，導(dǎo)致體系黏度突增，紡絲液整體的穩(wěn)定性下降。

圖4 Chl-Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)對著色紡絲液黏度的影響Fig.4 Influence of Chl-Cu content on viscosity of dope-dyed alginate fiber spinning solutions.(a)3%SA;(b)5%SA

為進一步探明紡絲液的穩(wěn)定性，對紡絲液的黏度變化率隨Chl-Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化進行了研究，結(jié)果如圖5所示。紡絲液黏度變化率隨Chl-Cu添加量的增加而逐步上升，且低濃度海藻酸鈉紡絲液的黏度變化率波動大于高濃度的紡絲液，表明海藻酸鈉對Chl-Cu有穩(wěn)定作用，高濃度的紡絲液更利于分散體系的穩(wěn)定性。從整體趨勢看，二者在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～7%時出現(xiàn)變化率快速上升的趨勢，與黏度-剪切曲線結(jié)論相符。著色劑添加量的上升，使得著色劑顆粒間距變小，包覆在顆粒上大分子鏈間纏結(jié)、“架橋”[13]現(xiàn)象加劇，黏度突增。同時推測黏度突增的另一個原因為，Cu2+也可與海藻多糖大分子形成配位鍵，且配位能力強于Ca2+和Na+[22]，Chl-Cu中部分Cu2+在配位反應(yīng)的推動下被置換,與海藻多糖大分子形成凝膠，凝膠結(jié)構(gòu)形成量與Chl-Cu的添加量成正相關(guān)，且當(dāng)Chl-Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于6%時，過度的凝膠結(jié)構(gòu)改變了紡絲液的流變行為，紡絲液穩(wěn)定性差，不利于后續(xù)紡絲。

圖5 Chl-Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)對SA紡絲液黏度變化率的影響Fig.5 Influence of Chl-Cu content on viscosity change rate of alginate fiber spinning solutions

2.3著色劑的分散性能

圖6示出不同Chl-Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的海藻酸鈣膜的光學(xué)照片和TEM照片。從圖6(a)光學(xué)照片可看出，薄膜顏色均勻，透明度較好，Chl-Cu在SA紡絲液中沒有明顯大顆粒團聚的現(xiàn)象出現(xiàn)，表明Chl-Cu在分散處理后不會以大顆粒的狀態(tài)分散于SA紡絲液中，穩(wěn)定性較好。結(jié)合TEM照片，Chl-Cu在SA紡絲液中以平均粒徑在幾納米到十幾納米之間的極小顆粒均勻分布在凝固后的紡絲液中，且著色劑Chl-Cu在凝固后紡絲液中的含量較高，證明在經(jīng)凝固浴凝固時沒有大量向凝固浴遷移的現(xiàn)象。推測原因在于著色劑以粒徑很小的非水溶顆粒分散、包覆于紡絲液中，且Chl-Cu分子上含有較多的羰基結(jié)構(gòu)，極易同SA分子上的羥基形成氫鍵，根據(jù)文獻[23]研究可知，氫鍵有利于顆粒在基體材料中的固定作用，加之SA的分子鏈較長，SA于顆粒表面形成的Cu2+的配位網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也利于Chl-Cu顆粒的固定，不會輕易團聚。

圖6 著色后海藻酸鈣薄膜光學(xué)照片和TEM照片F(xiàn)ig.6 Optical and TEM images of dope-dyed calcium alginate films. (a) Optical images of calcium alginate films; (b)TEM image of film 3-6;(c) TEM image of film 5-3;(d) TEM image of film 5-6

對比圖6(b)、(d)，在Chl-Cu添加量較高的條件下，著色劑以納米小顆粒的形式均勻分布在紡絲液中，顆粒多且顆粒間距離較小，無明顯團聚和結(jié)塊的現(xiàn)象發(fā)生，表明二者相容、穩(wěn)定性好，SA對Chl-Cu起到良好的助研和分散穩(wěn)定作用，Chl-Cu是一種良好的海藻纖維的紡絲液著色劑。結(jié)合流變測試結(jié)果，圖6直觀反映了黏度突增的原因。由圖6(c)、(d)可知，Chl-Cu加入量對紡絲液中納米顆粒的尺寸影響并不明顯，顆粒大小仍保持在20 nm以下，只是顆粒分布密度發(fā)生改變，表明非水溶性的Chl-Cu在SA紡絲液中經(jīng)過球磨和分散處理后，可以保證著色劑顆粒均勻穩(wěn)定分散，證明應(yīng)用非水溶性天然色素直接作為海藻纖維的一種天然著色劑原料是可行的。

2.4著色劑的耐水遷移性能

圖7示出選擇浸泡液在波長為403 nm時的吸光度作圖得到的耐水遷移測試結(jié)果。圖中折線有著先急速上升，后逐漸平緩的趨勢，推測著色劑顆粒由于紡絲固化時脫水，會有少量的Chl-Cu顆粒存在于纖維表面，沒有被包覆于纖維中，在浸泡過程中由于分子運動和擴散作用，Chl-Cu顆粒會逐漸向浸泡液遷移，表現(xiàn)出吸光度的快速上升；約10 h后表面的著色劑全部遷移到浸泡液中，由于纖維內(nèi)部Chl-Cu為非水溶性固體小顆粒，且顆粒與纖維結(jié)合較好、包裹嚴(yán)實，遷移困難，故曲線趨于平直；吸光度數(shù)值表明，20 h后的吸光度最大值在0.08左右，遠低于有機溶劑丙酮浸泡10 min后浸泡液的吸光度值0.36，以Chl-Cu作為海藻纖維的著色劑，具有較好的耐水遷移性能[16]。

圖7 耐水遷移性結(jié)果Fig.7 Resuls of water resistant migration

2.5纖維形貌

將制得的紡絲原液進行初步濕法紡絲，紡絲過程無堵塞噴絲板現(xiàn)象，得到著色海藻纖維，其SEM照片如圖8所示。著色纖維的截面無明顯的分相或孔隙，無Chl-Cu大顆粒及塊狀或球狀凸起，纖維表面光滑，證明著色劑的加入沒有改變纖維的表面和截面形貌，二者相容性良好。著色劑Chl-Cu對紡絲液的可紡性和纖維的形貌均不會產(chǎn)生明顯的影響，著色劑能夠均勻穩(wěn)定地分散在紡絲液中，著色后海藻纖維紡絲液具有很好的可紡性。

圖8 著色海藻纖維光學(xué)和SEM照片F(xiàn)ig.8 Optical and SEM images of dope-dyed alginate fibers.(a)Optical image of dope-dyed alginate fiber; (b)SEM image of cross-section;(c)SEM image of surface

2.6著色后纖維的阻燃性能

經(jīng)測試得純海藻纖維樣品3-6、5-3、5-6的極限氧指數(shù)值分別為44%、39%、40%。著色后Chl-Cu以納米小顆粒的形式分布于海藻纖維中，是一種非反應(yīng)型共混的結(jié)構(gòu)，第2組分的加入使得纖維的極限氧指數(shù)略有下降。但由于著色劑的添加量不多，因此，沒有徹底改變海藻纖維本質(zhì)阻燃的特性，著色后海藻纖維仍具有很好的阻燃效果，極限氧指數(shù)均高于39%。

3 結(jié) 論

采用Chl-Cu為著色劑對海藻酸鈉紡絲液進行原液著色。研究了利用SA稀溶液對Chl-Cu助研和分散后紡絲液的穩(wěn)定性和Chl-Cu在紡絲液中的分散情況，并對紡絲成型后海藻纖維的形貌和阻燃性能進行了初步分析。SA溶液和Chl-Cu相容性較好，在SA稀溶液的助研作用下，Chl-Cu以直徑小于20 nm的納米顆粒形式穩(wěn)定分散于海藻纖維紡絲液中；Chl-Cu納米顆粒表面形成的銅交聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠有效避免著色劑納米顆粒的團聚現(xiàn)象，且Chl-Cu添加量在6%以下時紡絲液較為穩(wěn)定；著色劑Chl-Cu具有良好的耐水遷移性，Chl-Cu的加入對紡絲液的可紡性和纖維的形貌無不良影響，著色后海藻纖維阻燃性能優(yōu)異。

FZXB

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2018年《紡織導(dǎo)報》征訂啟事

《紡織導(dǎo)報》雜志(月刊)是由中國紡織工業(yè)聯(lián)合會主管、中國紡織信息中心主辦的導(dǎo)向性科技期刊，旨在對紡織技術(shù)發(fā)展動態(tài)進行深度的報道和分析，對科技政策和產(chǎn)業(yè)規(guī)則進行權(quán)威的解讀，是政府機構(gòu)、行業(yè)組織科技政策與發(fā)展思路趨向的風(fēng)向標(biāo)，是幫助行業(yè)與企業(yè)決策者把握紡織技術(shù)現(xiàn)狀以及技術(shù)市場脈絡(luò)的重要窗口。

《紡織導(dǎo)報》雜志一直是傳遞世界紡織技術(shù)發(fā)展趨勢的主流媒體，也是紡織業(yè)界不同觀點交鋒的平臺，是反映紡織技術(shù)與設(shè)備市場各類參與者重要動向的觀察者，是紡織企業(yè)管理者與技術(shù)人員的必讀刊物。

《紡織導(dǎo)報》將繼續(xù)推出《產(chǎn)業(yè)用紡織品增刊》，2018年10月出版，單本定價25元。

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訂閱須知郵發(fā)代號：82-908 每月8日出版，大16K，全銅版紙彩色精美印刷 全年12期，每期25元，全年定價300元

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Preparationandpropertiesofnon-watersolublenaturalpigmentdope-dyedalginatefiber

SHA Yuan1,2， XIA Yanzhi1,2,3， WANG Bingbing2,3， TIAN Xing2,3， JI Quan1,2,3, ZHAI Rui1

(1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,QingdaoUniversity,Qingdao,Shandong266071,China; 2.InstituteofMarineBiobasedMaterials,QingdaoUniversity,Qingdao,Shandong266071,China; 3.CollaborativeInnovationCenterforMarineBiomassFibers,MaterialsandTextilesofShandongProvince,Qingdao,Shandong266071,China)

On account of the dissol ution loss of colorant in natural dyes coloring alginate fiber during wet spinning, copper chlorophyll(CHl-Cu) was used as colorant and sodium alginate dilute solution was used as organic grind auxiliary agent and dispersant, dope dyeing spinning solution and alginate fiber were prepared. Properties of coloring spinning solution was characterized by infrared spectroscope, rotary rheometer and transmission electron microscope. The morphology of dyed alginate fiber was observed by scanning electron microscope, and water resistante migration and flame-retardany of fibers were tested. The results show stability of dyed spinning solution is the best when the Chl-Cu content is under 6%, and the Chl-Cu can be distributed evenly with a diameter imaller than 20 nm. The agglomeration of Chl-Cu nano particles are successfully eliminated, on account of Cu2+cross-linking structure between Chl-Cu nano-particles and SA. Chl-Cu can be ground successfully and dispersed stably. Chl-Cu colorant has good water resistant migration, and does not change the fiber surface. The dope-dyed alginate fiber has a perfect flame retardancy, and the limiting oxygen index is above 39%.

natural pigment; copper chlorophyll; dope dyeing; alginate fiber; spinning solution; nano particle

TS 193.8；TS 193.6

：A

2017-03-23

：2017-05-11

國家自然科學(xué)基金項目(51603108)；長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助項目(IRT_14R30)；山東省自主創(chuàng)新專項(2013CXB80201)

沙源(1991—)，男，碩士生。主要研究方向為海藻纖維原液著色、紡絲和阻燃。夏延致，通信作者，E-mail：xiayz@qdu.edu.cn。

10.13475/j.fzxb.20170304907