高 娣，郭建生，劉春燕，高 燦，周步光

（東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620）

聚乳酸（即PLA），是一種可生物降解的熱塑性聚酯類材料，是以天然糖發(fā)酵產(chǎn)物乳酸縮聚而成的。通過乳酸單體直接縮聚或環(huán)丙交酯二聚后再開環(huán)聚合制成聚乳酸樹脂切片，經(jīng)熔融紡絲可制備出聚乳酸纖維[1]。由于PLA 纖維加工材料來源于大自然，可天然生物降解，加工能耗低，具有良好的機械性能，此外其縱向表面有深淺不等的溝槽和細(xì)小裂縫，纖維容易形成毛細(xì)管效應(yīng)，從而表現(xiàn)出良好的芯吸和擴散作用[2]，在生物醫(yī)學(xué)、包裝、紡織等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景[3]。

由于聚乳酸分子結(jié)構(gòu)中存在較多的酯鍵，其耐堿性較差，在濕熱環(huán)境下易水解等，使得PLA 纖維及其織物在染整加工階段受到一定局限性[4]。因此本文以聚乳酸染色織物顏色飽和深度K/S 值為研究起點，通過正交試驗等研究方法，探索出適合聚乳酸織物染整的加工工藝，供生產(chǎn)實踐參考。

1 試驗部分

1.1 材料及儀器

材料：聚乳酸長絲織物（75D×150D）由江蘇富之島美安紡織品科技有限公司提供。

試劑：氫氧化鈉（分析純）、冰醋酸（分析純）、勻染劑M-214（杭州多恩生物科技有限公司）；分散藍(lán)ACE、分散黃AC-E、分散紅UN-SE（浙江龍盛集團股份有限公司）；去離子水。

儀器：電子分析天平（上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司）；紅外高溫高壓染色機；Datacolor 測色配色儀（德塔顏色商貿(mào)有限公司）；多功能織物強力儀；織物撕裂儀；電子硬挺度儀；YG461E 全自動透氣性測定儀。

1.2 試驗方法

1.2.1 前處理工藝

由于聚乳酸分子結(jié)構(gòu)存在大量酯鍵，聚乳酸纖維不耐堿，在濕熱堿性條件下更易發(fā)生水解，導(dǎo)致聚乳酸織物質(zhì)量損失及強力下降等問題，故應(yīng)避免使用強堿性堿劑及高溫處理[5]。一般使用堿性較弱的純堿，且前處理溫度不超過80℃為宜。

前處理配方：

純堿（g/L） 7～8

除油劑（g/L） 3～5

浴比 1∶20

工藝曲線如圖1 所示。

圖1 聚乳酸織物前處理工藝曲線圖

1.2.2 染色工藝

1.2.2.1 染料選擇

由于PLA 纖維分子鏈中沒有強極性基團，存在較多的疏水性酯基以及等距排列的甲基，屬于疏水性纖維，故對聚乳酸織物染色所用染料一般為分散染料[6]。由于聚乳酸結(jié)構(gòu)緊密，不耐高溫[7]，故根據(jù)分散染料的通用性，應(yīng)選擇染料擴散性能好，分散穩(wěn)定且在中低溫環(huán)境下即可上染的染料[8]。

本工藝根據(jù)染料選用要求，最終選用浙江龍盛集團股份有限公司的中低溫型分散染料。

1.2.2.2 染色工藝及配方

PLA 纖維和PET 纖維同屬聚酯類纖維，有許多相似特性，但因本身結(jié)構(gòu)又表現(xiàn)出一些明顯不同，如PLA纖維耐熱性以及耐酸堿穩(wěn)定性較PET 纖維弱，但其要比PET 纖維更吸濕親水[9]。因此PLA 纖維在染色工藝上也有別于PET 纖維，染色溫度、染浴pH 值及勻染劑用量等都需要嚴(yán)格控制[10]。

稱取一定質(zhì)量染料及布樣，加入所需助劑及試劑，再加水到所用浴比體積，在高溫高壓染樣機放入布樣，制定染色升降溫程序，開始于室溫始染，然后先以2℃/min 升溫至玻璃化溫度以下，再以1℃/min 升溫至染色溫度，保溫一定時間后，再以2℃/min 降溫至室溫，染色結(jié)束，將布樣從染色鋼杯中取出，用室溫自來水沖洗，直至無浮色滲色，于100℃下定型烘干。具體染色工藝曲線如圖2 所示。

圖2 聚乳酸織物染色工藝曲線圖

聚乳酸纖維織物染色工藝配方：

分散染料（o.w.f） 2%

勻染劑M-214（g/L） 1.0～2.5

pH 值（用冰醋酸調(diào)節(jié)） 4～7

浴比 1∶20～1∶35

染色溫度為90～105℃，染色時間為30～60min。

1.3 測試方法

1.3.1 力學(xué)性能測試

利用多功能織物強力儀，參照GB/T 3923.1—2013《紡織品織物拉伸性能》 第一部分的條樣法測試織物斷裂強力。

1.3.2 透氣性測試

利用YG461E 型數(shù)字式透氣量儀測試，參照GB/T 5453—1997《紡織品織物透氣性測試》標(biāo)準(zhǔn)測試織物透氣性。

1.3.3 硬挺度測試

利用電子硬挺度儀，按照GB/T 18318—2001 測試標(biāo)準(zhǔn)測試織物硬挺程度。

1.3.4 上染率及K/S 值測試

利用UV-2600 紫外—可見分光光度儀測定染色原液及染色后殘液在最大吸收波長處的吸光度，并按照式（1）計算上染率：

式中：A0—染色原液在最大吸收波長處的吸光度

A1—染色殘液在最大吸收波長處的吸光度

用Datacolour 850 反射分光光度計測定試樣的表觀色深K/S 值，每個布樣測試5 次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 染色工藝優(yōu)化-正交試驗分析

以染色織物表觀色深K/S 值為評價指標(biāo)，用分散染料UN-SE 紅、AC-E 藍(lán)、AC-E 黃及拼染黑分別對聚乳酸織物進(jìn)行染色，以染色溫度、染色保溫時間、染浴pH 值、浴比及勻染助劑用量為變量，設(shè)計五因素四水平的L16（54）正交表進(jìn)行試驗安排。正交試驗因素水平表如表1 所示，AC-E 藍(lán)的試驗結(jié)果見表2。

表1 正交試驗因素水平表

表2 正交試驗結(jié)果分析表

由表2 可知，影響AC-E 藍(lán)染色K/S 值的因素中，染色溫度對試驗結(jié)果影響最大，陰離子表面活性劑M-214 濃度、染色時間、染浴pH 值對試驗結(jié)果影響較大，染料浴比對于聚乳酸織物染色試驗的顏色飽和深度值影響最小。繼續(xù)用UN-SE 紅、AC-E 黃以及拼染黑色染料按上述正交表安排實驗，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)染色溫度是影響織物K/S 值的最大因素，浴比影響最小。綜上，對于聚乳酸織物K/S 值來說，其較優(yōu)染色工藝為：深色染色溫度為105℃，中淺色染色溫度為95℃，染色時間為60min，pH 值為5～6，浴比為1∶20，染色助劑為1.5～2.0g/L。

2.2 染色溫度對聚乳酸織物染色性能影響

由上述正交試驗表2 分析可知，染色溫度對于聚乳酸織物染色性能尤為重要。因此按照上述正交試驗所得工藝，選用深色分散黑EE、中深色分散藍(lán)AC-E、分散藍(lán)UN-SE、淺色分散黃AC-E 和分散黃EE 五種染料對聚乳酸纖維織物進(jìn)行染色，染色時間為60min，染浴pH 值為5，浴比為1∶20，染色助劑為1.5g/L，染色溫度分別設(shè)定為90℃、95℃、100℃、105℃、110℃以及115℃，以探究染色溫度對織物染色性能的影響。

染色后測定織物上染率以及織物表觀色深K/S值，結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 不同溫度對聚乳酸中淺色織物上染率影響

圖4 不同染色溫度對聚乳酸織物K/S 值影響

由圖3 可知，隨著染色溫度的提高，各只分散染料對聚乳酸織物的上染率也隨之提高。當(dāng)染色溫度在90～100℃之間時，各只染料上染率提高幅度基本都不超過10%，當(dāng)超過100℃時，上染率出現(xiàn)急速增長，并在105℃時上染率幾乎都達(dá)到最高，此后上染率增速明顯趨于平緩。由圖4 可知，聚乳酸織物K/S 值隨著染色溫度的升高也逐步增加，對于淺色黃來說，染色溫度的升高對聚乳酸織物顏色深度影響較小，對于深色黑以及中深色藍(lán)來說，染色溫度的高低對聚乳酸織物顏色深度影響較大，但總體趨勢均滿足當(dāng)染色溫度高于105℃后，溫度對聚乳酸織物K/S 值影響程度逐漸趨于平緩。這是由于隨著染色溫度的提高，染料分子內(nèi)部動能增加，聚乳酸纖維大分子鏈段運動加劇，纖維結(jié)構(gòu)變得疏松，染料越容易進(jìn)入纖維內(nèi)部，故上染率得到提升，織物顏色飽和深度K/S 值也增大[11]。但是當(dāng)染色溫度在110℃以后，上染率以及顏色飽和深度K/S 值趨于平緩，這可能是由于當(dāng)聚乳酸織物染色溫度在105℃時，纖維空隙間染料已趨于飽和，且聚乳酸纖維不耐高溫，當(dāng)溫度達(dá)到120℃時，布面有熔融重結(jié)晶現(xiàn)象，故聚乳酸織物染色溫度以105℃為宜。

2.3 染色溫度對聚乳酸織物其他性能影響

2.3.1 染色溫度對聚乳酸織物強力的影響

不同染色溫度對聚乳酸織物斷裂強力的影響如圖5 所示。由圖5 可知，聚乳酸織物隨著染色溫度的提高，織物經(jīng)緯向斷裂強力先增大，后逐步縮小，這是由于織物隨著染色溫度的提高，織物收縮，經(jīng)緯密度增大，其斷裂強力提升，但當(dāng)溫度升高至110℃后，由于聚乳酸纖維不耐高溫，在高溫濕熱條件下，聚乳酸纖維易水解，故其斷裂強力下降。

圖5 不同染色溫度對聚乳酸織物斷裂強力影響

2.3.2 染色溫度對聚乳酸織物手感及其透氣性的影響

不同染色溫度對聚乳酸織物抗彎長度及透氣性影響如圖6 所示。織物的彎曲性能是研究織物的挺括性、懸垂性以及柔軟性等特性的重要物理參量，利用電子硬挺度儀所采用的抗彎長度和抗彎剛度兩個力學(xué)指標(biāo)來表達(dá)織物的剛?cè)嵝?，其中抗彎長度值越小，則表明織物越柔軟。由圖6 可知，隨著染色溫度的提高，織物彎曲長度逐漸增大，織物越硬挺，且透氣性逐步下降，這是由于聚乳酸纖維隨著染色溫度提高出現(xiàn)熱收縮，織物密度加密，經(jīng)緯向強力增加，但織物手感變硬，透氣性降低。且染色溫度過高，纖維易出現(xiàn)熔融重結(jié)晶現(xiàn)象，故聚乳酸織物染色溫度不宜過高，于100～105℃為宜。

圖6 不同染色溫度對聚乳酸織物抗彎長度及透氣性影響

3 結(jié)語

3.1 聚乳酸纖維織物最優(yōu)染色工藝條件為：染色溫度100～105℃，染色時間60min。染色助劑M-214 濃度1.5～2.0g/L，染浴pH 值為5～6，浴比1∶20。

3.2 染色溫度對聚乳酸織物染色顏色飽和深度K/S值、織物強力、織物硬挺度以及透氣性都有一定的影響，故在實際生產(chǎn)中需要注意對染色溫度的選擇，對于淺色織物染色溫度可在95～100℃之間，對于深色織物染色溫度可在100～105℃之間。