龔夏怡 張子怡 李 剛 鄭兆柱

蘇州大學 紡織與服裝工程學院,江蘇 蘇州 215123

滌綸纖維因其出色的力學性能和化學穩(wěn)定性,以及相對低廉的價格,已經(jīng)在紡織業(yè)和生物醫(yī)用材料等領域取得廣泛應用,帶來了顯著的經(jīng)濟和社會效益。然而,滌綸纖維在某些關鍵性能方面仍存在局限性,如吸濕性、透氣性和親膚性較差。相比之下,蠶絲纖維具有細膩光滑的觸感,優(yōu)異的吸濕透氣性以及親和人體的特性。蠶絲不僅在力學性能方面表現(xiàn)出色,還在濕潤性、透氣性、舒適度等方面展現(xiàn)出其他纖維無法與之相媲美的優(yōu)勢。滌綸和蠶絲各自具有獨特的優(yōu)點,但也各自存在一些不足。基于此,如何巧妙地融合滌綸和蠶絲的優(yōu)點,同時盡可能地彌補它們各自的缺陷,成為人們亟需深入研究和探索的課題。這種綜合性的研究不僅有助于拓寬纖維應用領域,也為紡織材料的創(chuàng)新應用帶來新的可能性。常見的滌綸仿真絲方法有堿減量法、截面異形法、細旦絲技術、滌綸異收縮纖維法、滌綸異收縮/異纖度/異形綜合法[1],但這些方法存在易損傷滌綸纖維的強度[2],對工藝技術的要求很高,以及生產(chǎn)流程長、操作復雜等問題。此外,采用這些方法通常只能在某些方面模仿真絲的特性,并且只能在一定的限度內改善纖維外觀、手感和性能。

絲素蛋白是從蠶絲中提取的一種天然高分子蛋白[3]。利用絲素蛋白對化學纖維進行改性,可以改善化學纖維的親水性,增強纖維與人體之間的親和性。采用絲素蛋白對織物進行涂層整理具有工藝簡便的特性,可同時改善織物多方面的性能。通過涂層整理工藝仿真絲的方法不僅成本相對低廉,而且工藝相對簡單,對現(xiàn)有設備升級改造要求低,且仿真絲效果好,可以提高織物回潮率、酸性染料上染性能、防靜電性和透氣性[4]。

本文利用蠶絲纖維制備絲素蛋白溶液,再用其對滌綸面料進行涂覆整理,并加入其他助劑固著絲素蛋白涂層和改善織物特性,賦予整理后織物獨特的仿真絲特性。對織物試樣的物理化學性能、服用性能進行測試和表征,探討整理后織物表觀形貌、厚度、吸濕性、透氣性等的變化情況。

1 試 驗

1.1 試驗材料與儀器設備

試驗材料:家蠶生絲、質量分數(shù)為75%的乙醇、溴化鋰(LiBr)、無水碳酸鈉(Na2CO3)、透析袋等。

試驗儀器設備主要如下:日本Hitachi公司S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)、Zelss Axio Vert A1型倒置熒光顯微鏡、YG141D-Ⅱ型數(shù)字式織物厚度儀、YG461E-Ⅱ型自動透氣性測試儀、Thermo Scientific型烘箱和Avanti J-26S XP型高速冷凍離心機等。

1.2 絲素蛋白溶液的處理和制備

取30 g家蠶生絲放入12 L 濃度為0.02 mol/L的Na2CO3溶液中煮沸0.5 h以脫膠,用去離子水沖洗3次,置于通風櫥中過夜風干。取25 g脫膠后的生絲溶于100 mL濃度為9.3 mol/L的LiBr溶液中,放置于60 ℃的烘箱中溶解4 h,每隔1 h搖晃1次。將所得溶液倒入截留分子質量為3 500 kDa的透析袋中,置于去離子水中透析36 h,透析過程中每隔4 h換水1次。取出后在高速離心機上離心處理。最后測得制備的家蠶生絲絲素蛋白溶液的質量分數(shù)約為5.8%。

1.3 滌綸仿真絲織物試樣的制備

滌綸仿真絲織物試樣的制備流程如下。

(1)從滌綸面料上剪裁出8塊尺寸為15 cm×15 cm的織物試樣,待用。

(2)采用“A1”“A2”“A3”“A4”和“B1”“B2”“B3”“B4”對織物試樣進行標記。其中,“A”代表絲素蛋白溶液中不添加精油,“B”代表在絲素蛋白溶液中添加精油?！?”代表未經(jīng)絲素蛋白溶液處理(即絲素蛋白質量分數(shù)為0%)的對照組;“2”代表質量分數(shù)為0.1%的絲素蛋白溶液處理組;“3”代表質量分數(shù)為0.5%的絲素蛋白溶液處理組;“4”代表質量分數(shù)為2.5%的絲素蛋白溶液處理組。

(3)制備絲素蛋白質量分數(shù)分別為0%、0.1%、0.5%和2.5%的不添加精油的A系列絲素蛋白溶液。具體制備方法如下:取25 mL去離子水放入50 mL燒杯中,即獲得對照組(A1)用溶液;取15 mL質量分數(shù)為5.8%的絲素蛋白溶液放入50 mL燒杯中,加入19.8 mL去離子水,得到34.8 mL絲素蛋白質量分數(shù)為2.5%的A4組用絲素蛋白溶液;從A4組用絲素蛋白溶液中取6.8 mL溶液放入50 mL燒杯中,再加入27.2 mL去離子水,得到34.0 mL絲素蛋白質量分數(shù)為0.5%的A3組用絲素蛋白溶液;從A3組用絲素蛋白溶液中取5.0 mL溶液放入50 mL燒杯中,再加入20.0 mL去離子水,得到25.0 mL絲素蛋白質量分數(shù)為0.1%的A2組用絲素蛋白溶液。

(4)制備B系列絲素蛋白溶液的方法同A系列,不同的是,配制好絲素蛋白質量分數(shù)分別為0%、0.1%、0.5%和2.5%的絲素蛋白溶液后,利用注射器在每種溶液中添加與絲素蛋白溶液體積比為2%的天竺葵精油,即可得到B系列絲素蛋白溶液。將混合溶液放入超聲波浴中,啟動超聲波設備,通過高頻振動將天竺葵精油有效分散在絲素蛋白涂層液中。在絲素蛋白涂層處理過程中,定期檢查和攪拌混合液,確保涂層液均勻分散。

(5)將織物試樣分別放入相應的絲素蛋白溶液中,使其完全被溶液浸沒,待浸潤后反復搓洗3次,再用軋機軋去多余的溶液。將A系列試樣展平后依次放置在一個60 ℃的烘箱中,B系列試樣展平后依次放置在另一個60 ℃的烘箱中,進行烘干處理。放入不同烘箱是為了避免不同系列試樣的相互影響。織物烘干處理0.5 h后取出。

1.4 織物試樣的后整理

取32 mL質量分數(shù)為75%的乙醇溶液放入燒杯中,再加入88 mL去離子水使兩者均勻混合,配制120 mL質量分數(shù)為20%的乙醇溶液。將配制好的乙醇溶液加入蒸汽熨斗的水槽中,用“低溫蒸汽”檔快速均勻地熨燙試樣3～4次(將A系列與B系列織物分開熨燙,以防改變試樣的特性)。此后整理的目的是提高涂層牢度,乙醇的作用是使絲素蛋白的結構更穩(wěn)定。將熨燙好的滌綸仿真絲織物試樣置于干燥通風處晾干,貼上標簽以防混用。

2 性能測試與表征

2.1 表觀形貌表征

從經(jīng)不同質量分數(shù)絲素蛋白溶液處理后的滌綸仿真絲織物上各剪取一小塊試樣,再用導電膠將其粘貼到SEM的樣品臺上,進行織物的表觀形貌表征。剪取未經(jīng)絲素蛋白溶液處理的滌綸織物作為空白對照組進行對比。試樣噴金時間為90 s,設置工作電壓為3 kV。

2.2 絲素蛋白附著情況觀察

取經(jīng)不同質量分數(shù)絲素蛋白溶液處理后的滌綸仿真絲織物試樣各一塊,用羅丹明b染料染色后,采用Zelss Axio Vert A1型倒置熒光顯微鏡觀察其熒光現(xiàn)象,用于表征絲素蛋白的實際涂覆效果。

2.3 織物厚度

根據(jù)GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》對滌綸仿真絲織物進行厚度測試。采用YG141D-Ⅱ型數(shù)字式織物厚度儀測試織物厚度。壓腳面積選用50 mm2,壓力選擇50 cN/cm2。

2.4 織物吸濕性

織物吸濕性以回潮率表征。按照GB/T 9995—1997《紡織材料含水率和回潮率的測定 烘箱干燥法》對織物進行回潮率測試。將滌綸仿真絲織物試樣在恒溫(20 ℃)和恒定相對濕度(65%)下平衡24 h,平衡后稱取織物濕態(tài)下的質量,然后將其放入烘箱中以104 ℃的溫度烘干,再稱取得到試樣干態(tài)下的質量。根據(jù)式(1)計算回潮率。

(1)

其中:W為回潮率,%;m1為織物濕態(tài)下的質量,g;m2為織物干態(tài)下的質量,g。

2.5 織物透氣性

織物透氣性測試參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》進行。采用YG461E-Ⅱ型自動透氣性測試儀,測試滌綸仿真絲織物的透氣性。試樣測試面積為20 cm2, 試樣的裁取面積需大于20 cm2。設置試樣兩側壓差為200 Pa,在溫度為(20±2)℃、相對濕度為(65±2)%的室內條件下重復測試5塊取自不同位置的試樣, 結果取平均值。

2.6 精油香氣持久性

將天竺葵精油加入織物中,可賦予織物愉悅的香氣和消臭效果。同時,天竺葵精油具備抗菌特性,有助于維持織物的清潔衛(wèi)生。此外,天竺葵精油還具備舒緩和抗炎癥作用,可為穿著織物的皮膚提供護理和舒適性。這些附加功能能夠提升織物的整體舒適性,但在使用時需要確保安全性和適用性,以滿足不同織物類型和使用條件的需求。

通過發(fā)送問卷,由問卷參與人員對織物精油香氣進行主觀評價。分別對密封20 d的織物試樣、放在室內溫度為20 ℃環(huán)境下10 d后的織物試樣,以及放在室內溫度為20 ℃環(huán)境下20 d的織物試樣進行精油香氣評價。

3 結果與分析

3.1 表觀形貌

采用SEM觀察絲素蛋白溶液處理前滌綸織物中纖維的形態(tài),可以看出, 處理前滌綸織物中的纖維表面大多沒有黏附物, 從每一束纖維中可清晰地分辨出大量的單根纖維,如圖1a)所示。而絲素蛋白處理后,滌綸織物的表面形貌與未處理織物相比存在明顯的差異。由圖1b)可以看出,處理后絲素蛋白附著在滌綸纖維表面,且絲素蛋白溶液在織物上形成了一層連續(xù)的膜,使不同的單纖維粘連在一起, 纖維之間的空隙被絲素蛋白溶液填充,因此單纖維之間的空隙減小。纖維表面的溝槽裂紋被絲素蛋白溶液填充后,單根纖維表面變得更加光滑圓潤。

圖1 絲素蛋白溶液處理前后織物中纖維的SEM圖Fig.1 SEM images of fibers in fabric before and after treated with silk fibroin solution

3.2 絲素蛋白附著情況

通過倒置熒光顯微鏡拍攝,可以清晰地觀察到在紫外光照射下,滌綸纖維發(fā)出明亮的橙黃色熒光。仔細觀察圖2可得,絲素蛋白溶液處理后滌綸纖維表面覆蓋著大量的絲素蛋白,這些蛋白質連續(xù)且均勻地附著在織物上,形成覆蓋層。這種覆蓋層在顯微鏡下清晰可見,賦予織物表面新的特征和結構。這進一步證實了絲素蛋白已成功涂覆并附著在滌綸纖維織物表面,且分布較均勻。

圖2 經(jīng)質量分數(shù)為0.5%的絲素蛋白溶液處理后織物的熒光顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 Fluorescence microscope images of fabric treated with 0.5% silk fibroin solution

3.3 織物厚度

本文探究了不同質量分數(shù)絲素蛋白溶液處理后織物的厚度變化情況?？椢锖穸葴y試結果顯示,A系列試樣的厚度與B系列試樣的厚度基本無差異,因此取相同處理工藝兩個不同系列織物厚度的平均值作為最終測試數(shù)據(jù)。經(jīng)不同質量分數(shù)絲素蛋白溶液處理后,織物厚度相對于未處理滌綸織物厚度的增加率如圖3所示。由圖3可以看出,織物厚度與涂覆的絲素蛋白溶液質量分數(shù)之間存在一定關聯(lián),隨著絲素蛋白質量分數(shù)的增加,織物的厚度相應增加。采用絲素蛋白質量分數(shù)為0.1%的絲素蛋白溶液處理后,織物的厚度增加了0.86%;采用絲素蛋白質量分數(shù)為0.5%的絲素蛋白溶液處理后,織物厚度增加了2.59%;采用絲素蛋白質量分數(shù)為2.5%的絲素蛋白溶液處理后,織物厚度增加了6.59%。初步可判斷,織物厚度與絲素蛋白質量分數(shù)呈正相關。由于織物厚度影響織物的服用性能,如堅牢度、防風性、剛度和懸垂性等,因此可以推斷:絲素蛋白涂層處理可能會提升織物的堅牢度和懸垂性,且隨著絲素蛋白質量分數(shù)的增加,這些性能的提升幅度增大。但總體而言,絲素蛋白涂層處理對織物厚度的影響相對較小,織物厚度增加不明顯,基本不會影響其手感。此外,處理后織物的厚度分布均勻,表面仍保持平整狀態(tài)。

圖3 絲素蛋白質量分數(shù)對織物厚度增加率的影響Fig.3 Effect of the concentration of silk fibroin on the percentage increase of fabric thickness

3.4 織物吸濕性

本文采用回潮率評價絲素蛋白涂層處理后織物的吸濕性能。纖維材料的吸濕性在紡織品加工生產(chǎn)中十分重要, 因為纖維吸濕性影響其抗靜電性能、力學性能及光學性能。纖維的吸濕作用還與紡織品的染色、整理加工密切相關, 并且還會影響紡織品的尺寸穩(wěn)定性?？椢镂鼭裥詼y試結果顯示,A系列試樣的回潮率與B系列試樣的回潮率基本無差異,因此取相同處理工藝兩個不同系列織物回潮率的平均值作為最終測試數(shù)據(jù)。圖4為經(jīng)不同質量分數(shù)絲素蛋白溶液處理前后織物的回潮率測試結果。由圖4可以看出, 與未經(jīng)絲素蛋白涂層處理的滌綸織物相比, 采用絲素蛋白質量分數(shù)為0.1%的絲素蛋白溶液涂層處理后,織物的回潮率增加了1.00倍;采用絲素蛋白質量分數(shù)為0.5%的絲素蛋白溶液涂層處理后,織物的回潮率則提高了6.25倍;采用質量分數(shù)為2.5%的絲素蛋白溶液涂層處理后,織物的回潮率大幅提高,提高了14.50倍?；爻甭实脑黾优c織物吸濕性的改善之間存在密切聯(lián)系,因為回潮率反映了織物在不同濕度條件下吸收水分的能力?；爻甭试黾右馕吨椢镌诟邼穸拳h(huán)境下能更有效地與水分子發(fā)生相互作用,即織物的吸濕性能好?？椢镂鼭襁^程涉及織物表面積的擴大、水分子的吸附增強以及織物孔隙結構的變化,這些因素協(xié)同作用,使織物更具吸濕性,更適用于需要快速吸濕的應用場合。總體而言,隨著絲素蛋白質量分數(shù)增大,織物的回潮率增加,與未經(jīng)處理的對照組相比,增大幅度較明顯。

圖4 絲素蛋白質量分數(shù)對織物吸濕性能的影響Fig.4 Effect of silk fibroin mass fraction on moisture absorption of fabrics

3.5 織物透氣性

測量絲素蛋白溶液處理前后織物的透氣性,結果如圖5所示。由圖5可以看出,A系列的織物透氣量分別為874.40、962.40、1 041.33和1 225.00 mm/s;B系列的織物透氣量分別為914.44、1 010.67、1 194.33和1 331.67 mm/s。由圖5還可以看出,織物的透氣性與絲素蛋白質量分數(shù)呈正相關。涂覆的絲素蛋白質量分數(shù)越大,織物透氣性越好。膜的透氣性受多種因素的綜合影響,如涂層材料類型、膜的微觀結構、涂層厚度以及涂層液濃度等。涂層液在織物上形成連續(xù)的膜,將纖維黏在一起并填充了纖維之間的空隙。涂層液在纖維間形成連續(xù)的膜。值得注意的是,膜的存在并不意味著織物透氣性下降,因為膜本身并非完全不透氣。此外,涂覆膜的材料特性也與織物透氣性相關,某些材料相比織物原料可能具有更好的透氣性能。這些因素都有可能導致織物上附著絲素蛋白膜后,透氣性反而提升。

圖5 絲素蛋白質量分數(shù)對織物透氣性的影響Fig.5 Effect of silk fibroin mass fraction on air permeability of fabrics

此外,A系列(未添加精油)織物和B系列(添加了精油)織物的透氣性也存在一定的差異:B系列織物的透氣性普遍優(yōu)于A系列的。表明在絲素蛋白溶液中添加天竺葵精油,在一定程度上提高了處理后織物的透氣性?？椢锿笟庑耘c服裝的透氣性和保暖性等舒適性能密切相關。普通滌綸織物的透氣性較為一般,而真絲織物的透氣性非常好。通過在滌綸織物上涂覆絲素蛋白溶液,可提高滌綸織物的透氣性,使其在透氣性方面達到仿真絲的效果。

3.6 精油香氣持久性

本文的B系列絲素蛋白溶液處理在對滌綸織物進行表面涂層處理時,添加了天竺葵精油,目的是賦予織物愉悅的香氣,一定的消臭效果和舒緩作用,提升織物的整體舒適性和功能性。

通過問卷調查,獲得的B系列織物中精油香氣隨時間的變化情況如圖6所示?？梢缘弥?所有問卷參與人員都表示可以聞到天竺葵精油的香味,且在滌綸織物仿真絲處理工藝中添加天竺葵精油并對織物進行涂層處理后,長時間的通風放置并未顯著降低織物中天竺葵精油的香氣濃度,表明其在織物中的保留性較好。這意味著使用帶有這種香氣織物制成的產(chǎn)品,可以在相當長的時間內持續(xù)散發(fā)出令人愉悅的天竺葵香氣。此外,盡管長時間使用后香氣略微變淡,但香氣消逝速度相對較慢,這為帶香氣織物的持久釋放使用提供了有利因素。

圖6 精油香氣隨時間的變化情況Fig.6 Effect of time on the concentration of essential oil aroma

4 結論

本文采用絲素蛋白溶液在滌綸織物表面進行涂層處理,使絲素蛋白溶液附著在滌綸纖維上;再通過高溫乙醇蒸汽后整理提高涂層牢度,賦予處理后織物獨特的仿真絲特性;最后通過掃描電子顯微鏡測試、熒光顯微鏡觀察和理化性能分析,探討絲素蛋白溶液處理后織物表觀形貌、厚度、吸濕性及透氣性等的變化情況。

掃描電子顯微鏡測試結果顯示,經(jīng)絲素蛋白溶液處理后,絲素蛋白被成功涂覆在滌綸織物上。由熒光顯微鏡可以觀察到,織物試樣的熒光顯色效果明顯,絲素蛋白涂覆層基本上完全覆蓋整個織物表面,且絲素蛋白涂層的覆蓋效果好?？椢锖穸葴y試結果表明,經(jīng)絲素蛋白涂層處理后,織物的厚度增加不明顯,且表面仍然均勻,不會導致織物變硬和粗糙,處理后織物手感良好。由回潮率試驗可知,涂覆絲素蛋白后織物的回潮率最大提高了14.50倍,顯著改善了滌綸織物的吸濕性,解決了其吸濕性差的問題,證明了絲素蛋白涂覆方法的可行性和有效性。此外,通過在滌綸織物上涂覆絲素蛋白溶液,還可大幅提高織物的透氣性,使其透氣性接近真絲織物,從而有效解決了滌綸織物吸濕性、透氣性和親膚性差的問題,改善了其服用性能和生物相容性,實現(xiàn)了仿真絲效果。本文還在采用絲素蛋白溶液對滌綸織物進行表面涂層處理的過程中添加天竺葵精油,賦予織物更多的功能:織物散發(fā)出令人愉悅的香氣,產(chǎn)生消臭效果,有助于保持清潔和衛(wèi)生;織物中的天竺葵精油還具備舒緩作用,有助于提高穿著者的舒適性。該附加功能提高了織物的整體舒適性。

本文的絲素蛋白溶液涂層處理仿真絲方法采用性能優(yōu)良的絲素蛋白涂覆包裹價格低廉的滌綸,使制成的滌綸織物在外觀上和服用性能方面呈現(xiàn)出真絲織物的特性,仿真絲效果良好。該方法不僅成本較低,而且工藝相對簡單,對現(xiàn)有設備改造升級的要求低,可實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。未來,這種絲素蛋白溶液涂層處理仿真絲技術有望在醫(yī)用紡織品、家紡、服裝等領域取得更廣泛的應用。