棉纤维碱处理后的微观特征和染色性能

摘要：采用无张力碱处理方法处理棉纤维，可更好地提高棉纤维对染料的吸附力。通过对碱处理工艺进行优化，即碱液质量浓度200g／L，在20℃处理40s，采用扫描电镜、红外光谱和x一射线衍射等测试方法，研究碱处理前后棉纤维的化学组成和结晶结构，测试了碱处理前后棉纤维的上染百分率、上染速率和固色率。结果表明，碱处理后棉纤维横截面由腰圆形变为近似圆形，中腔消失，纵向天然转曲消失，转变为光滑的近似圆柱体；而化学组成基本无变化，只是一部分纤维素I转变为纤维素II；结晶度下降了约25％左右；碱处理后棉纤维的上染百分率提高了约23％，上染速率显著提高，固色率提高了约11％，染色性能明显改善。

前言

棉纤维作为最重要的天然纺织纤维之一，具有许多优良的性能。但是，当棉纤维与甲壳素纤维、粘胶纤维等其它上染率较高的纤维混纺制成混纺产品染色时，由于其独特的几何结构和表皮化学组成，使棉纤维的上染率和上染速率相对较低，常会出现染色不匀的现象，致使这类混纺产品的应用受到局限。传统的丝光工艺是一种常用于棉纱、棉布的碱处理工艺，它可以改善棉纱、棉布的光泽、手感、抗皱保形等性能，提高棉纤维纺织品的附加值，丝光棉纱被广泛应用于针织T恤、吸湿排汗面料、高级衬衣等高档棉纺产品，深受消费者喜爱。目前关于棉纤维的丝光或碱处理基本有施加张力和无张力两种工艺，传统丝光工艺是在一定的张力下进行碱处理，而研究表明，无张力碱处理能更好地提高棉纤维对染料的吸附力。

本试验采用无张力碱处理方法处理棉纤维，并对碱处理工艺进行优化，以期提高棉纤维的染色性能，同时考察碱处理后棉纤维结构的变化以及碱处理对棉纤维染色性能的影响。

1试验部分

1．1材料和仪器

纤维：1．8dtex精梳细绒棉纤维，长度32mm

药品：NaOH，NaC1，Na2CO3，(分析纯)，皂粉

染料：活性大红BES，活性黄BES，活性蓝BES

仪器电热恒温水浴锅，BS110B型电子分析天平，Y802L型通风式烘箱

1．2处理工艺

1．2．1碱处理工艺

煮练处方／(g／L)

NaOH l0

Na2SO3 1．5

Na2SiO3 1．5

Na3PO4 1

煮练温度℃ 100

煮练时间／h 2.5

1．2．2染色工艺

染料／％(omf) 2

NaCI／(g／L) 20

Na2CO3／(g／L) 15

洗衣粉／(g／L) 2

浴比 1：50

1．3性能测试与表征

1．3．1纤维染色K／S值

采用Datacolor600电脑测色配色仪测定样品的K／S值。K／S值越高表示碱处理后纤维染色的表观深度越深，越低则越浅。

1．3．2扫描电镜分析棉纤维形态

采用PHILIPSXL一30ESEM环境扫描电子显微镜对碱处理前后棉纤维的横截面及纵向形态进行表征。

1．3．3红外光谱

采用布鲁克TENSON37型傅里叶变换红外光谱仪，分辨率为4cm^-1，扫描次数64。制备5．0mg干燥纤维粉末和200mgKBr混合压片用于红外光谱测试。

1．3．4X一射线衍射

采用D／max2550PC型x射线衍射仪测试，测试条件：Ni滤波，Cu靶Ka射线，电压40kV，电流40mA，扫描速度2^。／min，衍射角10^。～45^。。

1．3．5上染速率

按1．2．2节染色工艺，采用残液比色法，在722型分光光度计上分别测定原液和残液的吸光度，按式(1)计算上染百分率E：4

E=(1-A1/A0) ×100％ (1)

式中：A0——染色前染液的吸光度

A1—染色后染液的吸光度

1．3．6固色率

测试染色纤维皂煮前后的K／S值，按式(2)计算固色率：

固色率=(K／S)1/(K／S)2×l00％ (2)

式中：(K／S)1——染色纤维皂洗后的K／S值

(K／S)2—染色纤维皂洗前的K／S值

2结果与讨论

2．1碱处理工艺条件对棉纤维K／S值的影响

2．1．1NaOH质量浓度

棉纤维经不同质量浓度NaOH处理后进行染色，通过测试染色后试样K／S值，考察NaOH用量对棉纤维染色性能的影响，结果见图1。

由图1知，随着NaOH质量浓度的提高，染色纤维的K／S值逐渐增大，在200g／L时基本达到最大值。NaOH质量浓度直接关系到棉纤维在碱液中的膨化作用，只有碱液浓度达到一定值以后，纤维才会产生显著的膨化作用，从而提高对染料的吸附力；但是随着碱液质量浓度的增大，纤维的膨化接近饱和，即使碱液浓度继续增大，K／S值提高不再显著。同时，随着碱液质量浓度的增大，纤维收缩增大，不利于后续加工。综合考虑，碱处理工艺中取NaOH质量浓度为200g／L。

2．1．2反应温度对棉纤维K／S值的影响

NaOH质量浓度为200g／L，改变处理温度，对棉纤维进行碱处理，处理后试样再染色，测试染色后试样K／S值，考察碱处理温度对棉纤维染色性能的影响，结果见图2。

由图2可以看出，随着温度的升高，纤维染色的K／S值逐渐减小，温度为20℃时K／S值最大。NaOH与棉纤维反应，先生成碱纤维素，然后经水洗去碱，脱水烘干，生成丝光纤维素。碱纤维素极不稳定，易水解。温度过低，碱液黏度较大，不利于向纤维内部渗透，会造成表面丝光。同时，碱与棉纤维的反应是放热反应，随着温度升高，碱纤维素的水解反应增加，不利于生成碱纤维素，导致碱处理不完全。因此，反应温度为2O℃时效果较好。

2．1．3反应时间对棉纤维K／S值的影响

图3为碱处理时间对棉纤维染色K／S值的影响。

由图3可以看出，随着碱处理时间的增加，纤维染色K／S值先增大，当时间达到40s时，K／S值达到最大，之后略有减小。碱与棉纤维反应所需的时间很短，纤维经过煮练，在30S内，一般对碱液的吸附就可达到90％。因此，确定棉纤维碱处理时间为40S。

2．2碱处理对棉纤维微观特征的影响

2．2．1碱处理对棉纤维形态结构的影响

图4和图5是扫描电子显微镜下观察到的碱处理前后棉纤维的横截面和纵向形态。其中棉纤维的碱处理工艺为：NaOH为200g／L，温度20℃，时间为40S。

由图4可以看出，未经碱处理的棉纤维横截面呈腰圆形且有中腔；碱处理后的棉纤维横截面呈圆形，中腔几乎消失。

由图5可以看出，未经碱处理的棉纤维纵向有天然转曲，表面有皱纹；碱处理后的棉纤维纵向转曲、表面皱纹消失，变成光滑的圆柱体。这是由于NaOH的作用使棉纤维产生了不可逆的溶胀。

2．2．2碱处理对棉纤维化学组成的影响

图6为碱处理前后棉纤维红外光谱的比较。

由图6可以看出，棉纤维和碱处理棉纤维的红外吸收图谱相似，主要特征峰川如下：3400/cm附近有宽而强的吸收峰，是O—H伸缩振动吸收所产生，是所有纤维素纤维的特征吸收峰；2900/cm附近的吸收峰是由于C—H的伸缩振动，强度较弱；1630/cm附近的弱吸收峰是吸附水吸收峰，由纤维素纤维吸收水分所致；1370C1TI附近的中强吸收峰为C—H弯曲振动。碱处理前后棉纤维的最强吸收峰都在l058．8/cm处，而且两边伴有许多肩带峰，主要产生于c—O—c的伸缩振动，890/cm处为一cH弯曲振动特征吸收带，因此未处理和碱处理棉纤维的化学组分没有改变。

2．2．3碱处理对棉纤维结晶结构的影响

对碱处理前后棉纤维进行结晶结构的x一射线衍射分析，结果见图7。借助origin7．5软件，利用分峰法求得碱处理前后棉纤维的结晶度，结果见表2。

由图7可以看出，碱处理后棉纤维的晶型发生了变化。在碱处理棉纤维的X．射线衍射图中，除了纤维素I的特征峰，即对应2为14．75^。、l6．5^。、22．7^。的峰外，在衍射角2等于12．1^。和21．6^。处也有衍射峰，这与纤维素Ⅱ的特征峰非常接近，说明碱处理会使部分纤维素I转变成纤维素II。

由表1可以看出，碱处理后棉纤维的结晶度明显下降，约降低25％。这是由于NaOH中的Na离子非常容易水化，当NaOH与棉纤维反应时，Na离子将大量水分带人纤维中，进入无定形区和结晶区，使棉纤维产生剧烈的膨化，从而使得部分晶体在棉纤维膨化时遭到破坏，致使棉纤维结晶度下降。

2．3碱处理对棉纤维染色性能的影响

2．3．1碱处理前后棉纤维上染速率的变化
对碱处理前后的棉纤维采用2％(owf)BES活性染料染色，测试纤维的上染速率，结果见图8。

由图8可以看出，碱处理后棉纤维活性染料染色的上染速率明显提高。染色70min时，上染百分率由45％提高到70％左右。棉纤维经过碱处理，化学基团没有改变，但是纤维发生溶胀，结晶度降低，无定形区增大，纤维的内表面积增大，染料的吸附量和吸附速率增大，这有利于染料渗透到纤维的内部，与更多的基团反应，从而提高纤维的上染百分率和上染速率。

2．3．2碱处理前后棉纤维固色率的变化

对碱处理前后棉纤维进行染色，按1．3．6节测得固色率，结果见表2。

由表3可以看出，棉纤维经过碱处理，其上染率和固色率显著提高，上染率提高了24％左右，固色率提高了11％左右。由此可见，碱处理能显著提高棉纤维的染色效果。

3结论

(1)优化的棉纤维碱处理工艺为碱液质量浓度200g／L，温度为20℃，时间40S。该工艺可有效改善棉纤维的吸附能力和染色性能。

(2)碱处理可改变棉纤维的形态结构。经碱处理后，棉纤维的横截面由腰圆形变为圆形，中腔消失；纵向天然转曲消失，变为光滑的圆柱体，使得纤维光泽增强。

(3)碱处理后棉纤维的化学组分没有改变，只是部分纤维素I转变为纤维素II；浓碱使得棉纤维溶胀，破坏了部分结晶，导致纤维的结晶度下降25％左右。

(4)棉纤维碱处理后，上染百分率约提高24％，上染速率显著提高，固色率约提高11％。