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大豆蛋白纤维结构与活性染料染色的研究

                                       大豆蛋白纤维结构与活性染料染色的研究

                                                宋晓峰1,靳玉伟2,宋旸3

                          (1.长春工业大学,吉林长春130012;2.吉林大学,吉林长春130012;

                               3.吉林化纤股份有限公司,吉林吉林132101)

       摘要:通过对大豆蛋白纤维结构的分析,提出采用活性染料变性浴染色方法对大豆蛋白纤维进行染色。经过染色实验,结果表明:采用Cibacron FN和Cibacron LS型棉用活性染料染色,上染率分别提高23%和20%,且有较好的固色率和染色牢度;而Lanasol型毛用活性染料不适宜大豆蛋白纤维染色。

      关键词:大豆蛋白纤维;结构;活性染料;变性浴;染色

      中图分类号:TS 193.63+2文献标志码:A文章编号:1000-4033(2007)08-0046-03

      大豆蛋白纤维是我国在本世纪初首次自主研究发明的新型再生纤维。其面料具有羊绒的手感、蚕丝的柔和光泽,兼有棉纤维的吸湿和导湿性,穿着十分舒适,同时它还具有合成纤维的机械性能,而这些性能需要通过染整加工才能实现。本文在对大豆蛋白纤维的结构和活性染料上染过程分析的基础上,提出采用活性染料变性浴对大豆蛋白纤维染色,可使活性染料的染色效率大为提高。

1大豆蛋白纤维的结构

1.1大豆蛋白纤维的化学结构

      大豆蛋白纤维是由大豆蛋白(SPF)与聚乙烯醇(PVA)共混纺丝形成的,其中蛋白质25%~45%和聚乙烯醇75%~55%组成。在大豆蛋白纤维中,羟乙烯基高聚物大分子是以平面锯齿直线及大豆蛋白大分子是以空间弯曲直线形砌入的[1]。羟乙烯基高聚物大分子带有大量羟基,大豆蛋白带有较多的羟基、胺基、羧基和含硫基等,这些极性基团在单组分和双组分大分子间形成氢键、盐式键和双硫键等交联,在纺丝的条件下,可能产生能量较高的化学键,如酰胺键和酯键等[2]。特别是在纤维成形后的缩醛化处理中,甲醛参与了化学反应,在单组分和双组分的大分子间形成了交联[3]。因此,大豆蛋白纤维的聚集态结构是以直线形大分子网状结构为主体的。这些不同性质的化学基团,使各种染料对大豆蛋白纤维染色出现不同效果。但从总体来说,大豆蛋白属于蛋白质纤维,它和酸性染料有亲和力。而聚乙烯醇大分子主要携带羟基,这一点和棉纤维相似,因此对碱性染料有亲和力。唐人成[4]等在研究各种染料对大豆蛋白纤维染色时也发现酸性染料对大豆蛋白纤维的染色深度低,这主要是由于大豆蛋白组分含量低所致。

1.2大豆蛋白纤维的物理结构

      目前共混纤维成功的例子均为非对抗性相容混合纺丝。非相容二元共混纤维呈两相结构,即连续相和分散相。根据二元共混聚合物的质量比不同,连续相和分散相的分布状态可划分为5种类型,又视其相容性、黏度和机械混合条件的不同,可能存在着相转变[5]。本实验采用纤维中聚乙烯醇与大豆蛋白的质量比为75:25,因此聚乙烯醇为连续相,大豆蛋白为分散相。姜岩[6]等也通过研究发现,纤维的表皮层为聚乙烯醇组分,大豆蛋白随机分布其中,其共混模型如图1所示。这说明大豆蛋白纤维在染色过程中,染料首先上染大豆蛋白纤维中的聚乙烯醇组分,然后在扩散作用下继续上染大豆蛋白纤维组分。

2活性染料变性浴染色

      活性染料有别于其他水溶性染料,在于分子中有一个或多个活性基,在上染过程中或上染纤维之后可和纤维发生共价结合,因此染色牢度较高[7]。所谓上染

就是染料含染液(或其他介质)向纤维转移,并将纤维染透的过程。染料从染液内向纤维界面转移;染料在扩散边界层中靠近纤维到一定距离后,染料分子迅速被纤

维表面所吸附,染料分子和纤维表面分子之间发生氢键、范德华力结合;染料吸附到纤维表面后,在纤维内外形成一个浓度差,因而可以向纤维内扩散;纤维中染料分子在碱性或高温条件下,和纤维分子中有关基团发生反应形成共价结合固着在纤维中。除固色阶段外,前3个过程都是可逆的。在未达到平衡时,是上染速率大于解吸速率,但随着纤维上的染料浓度不断增加,解吸速率也不断增加,最后达到上染和解吸速率相等,即达到上染平衡状态。

     由于活性染料在上染过程中会与纤维形成共价结合,将会不断打破吸附平衡。从理论上说,吸附过程可以不断进行,直到所有染料都和纤维共价结合为止,对大豆蛋白纤维来说,两种组分都得到充分上染。但是由于在通常的染料上染条件下,染液中含有如电解质、助溶剂、均染剂或缓染剂、固色剂以及染液的pH值、温度等因素,都会改变染料在溶液中的分布状态,因而更适合其中一种组分上染,使之达到近似的上染平衡。另一方面,染料在上染或与纤维反应的同时,还会与水反应形成水解染料,它对纤维的亲和力很低,失去了与纤维反应形成共价结合的能力,也可以说是失活。所以随着时间的延长,不仅吸附在纤维上的染料浓度不会增加,固着纤维上的染料量也不会增加;相反已固着在纤维上的染料,其共价键还会发生水解,即发生断键反应,使纤维上共价结合的染料量降低。活性染料分子母体结构较为简单,一般为酸性或酸媒染料,也可以说失活后的活性染料变成酸性染料[8]。

      因此,根据大豆蛋白纤维的结构特点和活性染料上染过程的分析,采用活性染料变性浴的染色方法上染大豆蛋白纤维,可以进一步提高活性染料的上染率。所谓变性浴染色,即活性染料首先在碱性浴中上染大豆蛋白纤维中的聚乙烯醇组分,在上染的同时,活性染料不可避免地要发生水解,对聚乙烯醇组分失去上染能

力而失活。失活现象使活性染料在碱性条件下染色效率下降。失活的活性染料和酸性染料相似,也可以说失活的活性染料变成了酸性染料,因此,如果在这时将碱性染浴调节为酸性浴,即经过变性处理,那么剩余染料就可以继续扩散上染纤维中的大豆蛋白组分。

3染色实验

3.1原料

      大豆蛋白纤维(浙江蛋白嘉俐纤维有限公司),活性染料Lanasol、

CibacronFN、CibacronLS(汽巴精化公司),碳酸钠、磷酸钠、冰醋酸。

3.2染色工艺

      a.CibacronFN染料染色

      染料                      3.0%

      元明粉                    50 g/L

      pH值                      10.0~11.0

      染色温度                  55~60℃

      时间                      15 min

      Na2CO3                    5 g/L

      固色时间                  40 min

      pH值(用HAc调节)           4.0~4.5

      温度                      90℃

      续染时间                  50 min

      b.CibacronLS染料染色

      染料                      3.5%

      元明粉                    30 g/L

      pH值                      10.0~11.0

      染色温度                  70~75℃

      时间                      20 min

      Na2CO3                    7 g/L

      温度                      80~85℃

      固色时间                  50 min

      pH值(用HAc调节)           4.0~4.5

      温度                      90~95℃

      续染时间                  60 min

      C.Lanasol染料染色

      染料                       3%

      元明粉                     40 g/L

      pH值                       10.0~11.0

      染色温度                   70~75℃

      时间                       20 min

      Na2CO3                     7 g/L

      温度                       80~85℃

      固色时间                   50 min

      pH值(用HAc调节)            4.0~4.5

      温度                       90℃

      续染时间                   60 min

3.3测定方法

3.3.1上染百分率

      应用UV—2102型Unic紫外-可见光分光光度计测定。

3.3.2固色率

      根据文献[9]测定。

3.3.3耐洗牢度

      根据GB/T3921.3—1997进行测定,贴衬采用两块棉织物。

3.3.4摩擦牢度

      根据GB/T3920—1997进行测定。

4结果与讨论

4.1不同工艺对上染率的影响

      大豆蛋白聚乙烯醇共混纤维上染百分率见表1。从表1可以看出,采用变性浴的染色工艺,CibacronFN和CibacronLS两种棉型双活性基活性染料的上染率分别提高23%和20%。这是由于碱性浴上染后的活性染料失活,仍有机会在酸性浴中上染大豆蛋白的大分子,不会造成大量浮色,可以使活性染料的利用率大为提高。与之相比,毛型活性染料Lanasol上染率虽有提高,但效果不佳,这主要是由于大豆蛋白纤维中蛋白质只占20%,含量低,并且以海岛式分布在聚乙烯醇中间。唐人成等也发现毛用活性染料Lanasol染色效果不佳。

        

4.2不同工艺对固色效果的影响

     大豆蛋白聚乙烯醇共混纤维染色固色率如表2所示。不论棉型活性染料CibacronFN和LS,还是毛型活性染料Lanasol,采用变性浴染色后,固色率均略有提高。这表明变性浴染色不但提高了染色上染效率,而且也使固色率得到了提高。

4.3不同工艺对色牢度的影响

      分别对不同染色工艺下的染色试样进行皂洗牢度和摩擦牢度测试,结果见表3。从表3中可以看出,与碱性浴和酸性浴染色相比,大豆蛋白纤维经活性染料变性浴染色后具有较好的色牢度。这主要是由于活性染料的结构中具有活性基团,利用活性基团和被染物纤维大分子相应的极性基团反应生成共价键结合,所以活性染料的染色牢度较高。

5结论

      大豆蛋白纤维是由大豆蛋白与PVA共混纺丝形成的。聚乙烯醇为连续相,大豆蛋白为分散相,大豆蛋白随机分布其中。采用活性染料变性浴染色,CibacronFN和CibacronLS两种棉型活性染料的上染率分别提高23%和20%,并且有较好的固色率和染色牢度。染棉型活性染料效果较好,染毛型活性染料效果不佳。

参考文献

[1]王其,冯勋伟.大豆纤维织物摩擦、弯曲和悬垂性能研究[J].棉纺织技术2001(7):22-23.

[2]姜岩,王宝东,王业宏,等.大豆蛋白纤维结构的研究(Ⅱ):聚集态结构[J].纺织学报,2005,26(1):30-32.

[3]吴宏伟,吴立峰.纺织纤维的结构性能[M].北京:纺织工业出版社,1985.

[4]唐人成,梅士英,赵建平,等.大豆蛋白纤维的染色性能[J].中国纺织经济,2001(6):38-42.

[5]日本纤维性能评价研究委员会.纺织测试手册[M].张亮恭,译.北京:纺织工业出版社,1980.

[6]姜岩,王宝东,章欧雁,等.大豆蛋白纤维的结构研究(Ⅲ):共混结构[J].纺织学报,2005,26(2):51-58.

[7]宋心远,沈煜如.活性染料染色的理论和实践[M].北京:纺织工业出版社,1981.

[8]侯毓汾,程侣伯.活性染料[M].北京:化学工业出版社,1991.

[9]金咸襄.染整工艺实验[M].北京:纺织工业出版社,1987.

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