天然彩棉织物免烫整理工艺yd9703

张广知  安徽工程科技学院"纺织面料"省级重点实验室，安徽芜湖  241000

收稿日期：2007-08-13

作者简介：张广知(1965-)，男，教师，主要从事纺织品染整教学与科研

原载：染整技术2008/2；7-11

 

    【摘要】采用柠檬酸为免烫整理剂，分析了柠檬酸浓度、催化剂、添加剂、整理工艺条件等对彩棉织物整理效果(弹性回复度、弹性提升率；断裂强力、降强率；色差等)的影响，通过正交试验及分析得到天然彩棉抗皱整理的最佳工艺条件为：柠檬酸9%(对织物重)，混合催化剂10%(对织物重)，三乙醇胺5%(对织物重)，焙烘温度160℃，焙烘时间150s。试验表明：经柠檬酸抗皱整理后，天然彩棉的抗皱性能得到较大程度提高，可代替传统的羟甲基类抗皱整理剂，整理后织物上无甲醛存在。

    【关键词】天然彩棉 柠檬酸 抗皱整理 甲醛

【中图分类号】TS195·55  文献标识码：B   文章编号：1005-9350（2008）02-0007-05

 

    随着人们环保意识的增强和对健康问题的关注，崇尚自然、回归自然的意识已经日益在人们的日常生活中得以体现，天然彩棉纺织品应运而生。天然彩棉是一种具有天然色彩的棉花新品种，从种植、纺织到成衣整个过程都严格遵循绿色生产标准，是一种健康无害、生态友好的特种棉，国际上又称为生态棉，因其具有色泽自然、质地柔软、穿着舒适、不用染色等优点，适合制作直接接触皮肤的纺织品，而彩棉纤维属纤维素纤维，制成服装经水洗和穿着后易起皱变形，影响穿着外观，因此要通过防皱整理使服装具有良好的抗皱性。传统的N-羟甲基酰胺类防皱整理剂，抗皱效果良好，但经它处理后的织物在加工、贮存和服用过程中会释放出对人体有害的甲醛。多元羧酸化合物最有潜力成为传统N-羟甲基酰胺类整理剂的替代品，本文采用柠檬酸为免烫整理剂，彩棉织物经处理后，抗皱性有较大提高。在整理过程中，防皱整理剂用量和工艺条件必须适当，否则会影响织物的抗皱整理效果以及织物的服用性能。

1   抗皱整理机理

1·1  柠檬酸抗皱整理机理

    柠檬酸属于多元羧酸，为α-羟基酸。柠檬酸与纤维素交联机理一般认为存在两种不同的机理：

    第一种成酐机理：

第二种成酯机理

          

1·2  催化剂的作用

    关于多元酸抗皱整理中催化剂作用机理，是多元酸抗皱整理研究中一个值得关注的问题，它与多元酸的反应机理也是密切相关的。根据多元酸的抗皱机理和反应历程，在多元酸研究和发展的不同阶段，曾经有多种观点。一种观点认为催化剂在多元酸脱水形成酸酐阶段起作用。另一种观点则认为，催化剂促进了多元酸的环状酸酐与纤维上的羟基进行酯化反应。近来，又有两者综合作用的观点提出，并逐渐受到了重视。

1·2·1  催化脱水成酐的机理

    针对多元酸在整理过程中的先脱水后酯化交联的反应历程，有人认为催化剂的作用是催化促进了多元酸脱水生成环酐中间体。

    羟基酸盐的催化机理是：多元羧酸的羧基与羟基酸盐反应生成了羧酸根离子，羧酸根离子具有很强的亲核性，而其相临羧基上的碳原子由于与吸电子基羟基相连，带有亲电性，易被羧酸根离子进攻而形成中间产物，此中间产物又继续结合体系中的氢离子，从而使离去基以水的形式脱离，得到酸酐。羟基酸盐分子中的羧酸根离子和羧基上的氢离子分别在反应中起了路易斯碱和路易斯酸的作用，从而夺取和提供了所需的氢离子。多元酸就在羧酸盐的酸碱协同催化作用下，完成了从酸到酸酐的转化。

1·2·2   催化酸酐与纤维素成酯的机理

    第二种观点是催化剂催化环状酸酐与纤维素上羟基的酯化反应。首先在焙烘过程中，热作用促使环酐的形成；催化剂与五元环酐生成酰化羟基酸盐或混合酐的活性中间体。然后这个酰化的活性中间产物再与纤维素酯化交联，并重新释放出催化剂。

1·2·3   双重作用的催化机理

    随着研究的深入，在分阶段催化机理的基础上，又提出了催化剂对两个阶段皆有作用的双重作用理论。即催化剂既能催化多元酸脱水形成环状酸酐，又能催化酸酐和纤维素的羟基酯化交联。

2    实验

2·1  主要仪器、化学药品及材料

    仪器：JMU5OIM型立卧式轧车 (北京纺织机械器材研究所)；JMU543型热定形拉幅机 (北京纺织机械器材研究所)；Y8O2A型八篮恒温烘箱(常州纺织仪器厂)；DHG-9003BS-Ⅲ型电热恒温鼓风干燥箱(上海新苗医疗机械制造有限公司)；JY2002型电子天平 (上海精密科学仪器有限公司)；YGO65H型电子测试织物强力机(莱州市电子仪器有限公司)；GB250-84标准评定变色用灰色样卡；LFY-l型织物折痕恢复性测定仪(山东省纺织科学研究院)。

    药品：柠檬酸(CA)，分析纯(北京市红星化工厂)；三乙醇胺(TEA)，分析纯(上海试剂一厂)；次亚磷酸钠，分析纯；混合催化剂(自制，柠檬酸钠、酒石酸钠等混合物)；2D树脂 (中天印染有限公司提供)；氯化镁(MgCl2·6H2O)分析纯；渗透剂JFC等。

    材料：棕色天然彩色棉织物(18.2×18.2彩棉交织物)。

2·2   实验方法

2·2·1   工艺流程及工艺条件

    二浸二轧(轧余率70%)→预烘(80-100℃，4.5min)→焙烘→热水洗(5O℃，5min)→冷水洗→烘干→测试。

2·2·2   工艺配方

    处方(owf,%)：柠檬酸        a

                 混合催化剂    b

                 三乙醇胺      c

                 JFC          O.2

                 浴比         20︰1

2·3   测试方法

    (1)折皱回复角测定：采用LFY-l型织物折痕恢复性测定仪，按国标GB3819-83测定。按下式计算弹性提升率：

弹性提升率=

整理后织物弹性(T+W)-整理前织物弹性(T0+W0)

×100%

整理前织物弹性(T0+W0)

    (2)断裂强力测试：按国标GB/T3923·1-1997方法测定，并计算降强率：

降弹率=

整理前织物强力-整理后织物强力

×100%

整理后织物强力

    (3)色差测试：按国标GB250-84，用灰色样卡评定整理前后色变等级。

3   结果与讨论

3·1   柠檬酸用量的影响

柠檬酸用量分别为：0，4%，6%，8%，10%；三乙醇胺为：5%(owf)；自制混合催化剂为：10%(owf)；润湿剂JFC为：0.2%(owf)；焙烘温度为160℃，焙烘时间为2.5min。经整理后，织物的主要指标测试结果见表l。

表l   柠檬酸用且对织物整理效果影响

柠檬酸用量%

弹性回复角(T+w),(°)

断裂强力N

弹性提升率%

断强下降率%

色差(级)

0

172

512．0

 

 

 

4

211

451．1

22．7

11．9

3．5

6

219

401．5

27．3

21．6

3

8

228

398．4

32．6

22．2

3

10

215

320．8

25．0

37．3

2．5

    表1表明，随着CA用量的增加，织物弹性增加，防皱性能上升，但达到一定值后有所下降。其原因可能是：由于柠檬酸与纤维素在催化剂作用下发生成酐或成酯的交联作用，提高了彩棉的弹性模量，随浓度继续增大到一定值后，会出现过多表面树脂，弹性反而有所下降；而织物的断裂强力会随柠檬酸用量的增加出现逐步降低的趋势，而色差级数也逐步下降，主要是由于柠檬酸与纤维素形成交联后，纤维受外力作用后均匀承担外应力的能力下降，造成应力易集中，大分子链更易断裂，断裂强力降低；而色差的降低可能是由于柠檬酸的酸性影响，本文末做深入研究。综合考虑织物的抗皱性、强力及色差等因素，柠檬酸合适用量选8%(对织物质量百分率)。

3·2  催化剂用量的影响

    采用两种不同催化剂：次亚磷酸钠和自制的混合催化剂，分别进行整理实验。催化剂用量分别为：6%，8%，10%，12%；柠檬酸用量为：8%（owf）；三乙醇胺用量为：5%(owf)；润湿剂JFC为：0.2%(owf)；焙烘温度为160℃焙烘时间为2.5min。经整理后织物的主要指标测试结果见表2和表3。

表2  次亚磷酸钠用量对织物整理效果影响

次亚磷酸钠用量%

弹性回复角(T+W)/(°)

断裂强力N

弹性提高率%

断强下降率%

色差(级)

6

180

461.1

4.7

9.8

3.5

8

198

400.5

15.1

21.6

3.5

10

211

396.4

22.7

22.4

3.5

1

23

319.8

23.8

37.4

3.5

   注：整理前彩棉织物的弹性回复角(T+W)172°；断裂强力为511.0N

    表2表明，随着次亚磷酸钠用量的增加，织物弹性增加，防皱性能上升，但达到一定值后有所下降。其原因可能是：由于柠檬酸与纤维素在催化剂作用下发生成酐或成酯的交联作用，提高了彩棉的弹性模量，随浓度继续增大到一定值后，弹性的提升率增加得并不多；而织物的断裂强力会随次亚磷酸钠用量的增加出现逐步降低的趋势，而色差儿乎没有什么变化。综合考虑织物的抗皱性、强力及色差等因素，次亚磷酸钠合适用量选10%(对织物质量百分率)。但次亚磷酸钠属于磷酸盐，含磷化合物排放到水中，会引起水体的富营养化，导致藻类和其他一些水生植物的疯长，消耗水体中的氧，使鱼类和其他水生动物的繁殖和生长受到影响，水环境的生态平衡易遭到破坏，存在一定的环境污染问题，一直引起人们关注。因而本次实验采用了一种自制的混合催化剂来代替次亚磷酸盐，主要成分为柠檬酸钠和酒石酸钠等的混合物。

      表3  自制催化剂用量对织物整理效果影响

催化剂用量%

弹性回复角(T+W)/(°)

断裂强力N

弹性提高率%

断强下降率%

色差(级)

6

185

462.3

6.9

9.2

3.5

8

201

401.8

16.2

21.1

3.5

10

210

400.4

21.4

21.3

3.5

12

201

320.8

16.2

37.0

3.5

       注：整理前彩棉织物的弹性回复角(T+W)173°；断裂强力为509.0N

    表3表明，采用自制的混合催化剂经过对彩棉织物的整理后，各项性能的影响与采用次亚磷酸钠作催化剂差不多。完全可以用来替代次亚磷酸钠，但没有环境污染问题，真正做到绿色抗皱整理。合理用量：10%(owf)。

3·3   添加剂用量的影响

    本文中主要采用三乙醇胺作为柠檬酸抗皱整理改善织物性能的添加剂。

    三乙醇胺用量分别为：3%，4%，5%，6%(owf)；柠檬酸为：8%(owf)；混合催化剂为：10%(owf)；润湿剂JFC为O.2%(owf)；焙烘温度为160℃，焙烘时间为2.5min。经整理后，织物的主要指标测试结果见表4。

     表4  添加剂用量对织物性能影响

三乙醇胺用量%

弹性回复角(T+w)/（°）

断裂强力N

弹性提高率%

断强下降率%

色差(级)

3

190

4613

11.1

9.9

3.5

4

203

431.9

18.7

15.6

4

5

215

423.2

25.7

173

4

6

202

340.5

18.1

33.7

4

        注：整理前彩棉织物的弹性回复角(T+W)171°；断裂强力为511.8N

表4表明，随添加剂三乙醇胺的加入，弹性逐渐增大，防皱性能也越来越好，但到一定值后，反而有所下降，主要是随三乙醇胺浓度增加，彩棉纤维交联程度提高，弹性增加，当到达一定值后，由于三乙醇胺能同CA分子上的羧基酯化，可交联基团数目会有所减少，防皱性能会出现降低；而断裂强力会随三乙醇胺浓度增大而下降，主要与交联形成有关；但色差变好，主要是由于三乙醇胺可防止CA脱水形成不饱和多元羧酸而减少泛黄的产生。综上分析，TEA用量为5%。

3·4  焙烘温度的影响

柠檬酸为：8%(owf)；混合催化剂为：10%（owf）；三乙醇胺为：5%(owf)；润湿剂WC为：0.2% (owf)，焙烘温度为140℃，150℃，160℃，170℃。焙烘时间为2.5min。经整理后，织物的主要指标测试结果见表5。

表5  焙烘温度对织物性能影响

焙烘温度℃

弹性回复角(T+W)(°)

断裂强力N

弹性提高率%

断强下降率%

色差(级)

140

192

453.8

11.6

11.4

4

150

216

405.5

25.6

20.8

3.5

160

223

398.8

29.7

2.1

3.5

170

211

323.7

2.7

36.8

3

注：整理前彩棉织物的弹性回复角(T+W)172°；断裂强力为512.0N

表5表明，随焙烘温度的升高，织物弹性逐步提高，交联更加充分，弹性提高率也逐步增大，到一定程度后也会出现下降；而断裂强力和色差都有下降趋势。温度过低，交联反应不充分，不能充分发挥柠檬酸的抗皱性能；当温度过高时，柠檬酸会发生水解，生成乌头酸、衣康酸。阻碍了酸肝的形成，降低了柠檬酸的抗皱性能。同时由于乌头酸、衣康酸具有共扼发色体系，产生了色差。温度的增加会使织物强力损失，综上分析，焙烘温度选择为160℃。

3·5   焙烘时间的影响

柠檬酸为：8%(owf)；混合催化剂为：10%(owf)；三乙醇胺为：5%(owf)；润湿剂JFC为：0.2%(owf)，焙烘温度为160℃。焙烘时间分别为：60s， 120s，150s，180s。经整理后，织物的主要指标测试结果见表6。

表6  焙烘时间对织物性能影响

焙烘时间s

弹性回复角(T+W)(°)

断裂强力N

弹性提高率%

断强下降率%

色差(级)

60

196

481.5

14

5.9

4

120

206

451.5

19.7

11.8

4

150

216

435.9

25.6

14.9

3.5

180

210

305.8

22.0

40.3

3

注：整理前彩棉织物的弹性回复角(T+W)172°；断裂强力为512.0N

表6表明，随焙烘时间的延长，织物弹性逐步提高，交联更加充分，弹性提高率也逐步增大，到一定程度后也会出现下降；而断裂强力和色差都有下降趋势，主要是由于随交联程度增加，弹性模量增大，而负担外力更加不均匀，导致强力下降，色差的变化是由于随焙烘时间延长，柠檬酸高温下会发生水解生成乌头酸、衣康酸，与纤维素的酪化交联反应受到了抑制，而不能充分发挥柠檬酸的抗皱性能。同时由于乌头酸、衣康酸具有共扼发色体系，产生了色差。根据实际情况可选择焙烘时间为：150s。

3·6   正交实验

3·6·1  正交实验因子设计

根据前面实验及参考相关文献，影响彩棉织物整理效果的主要因素：柠檬酸用量、混合催化剂用量、焙烘温度，因此选择其为三个因子，每个因子分三个水平进行研究，采用L9(33)正交试验分析法(见表7)，正交试验结果见表8，根据极差分析获得最佳整理工艺。整理效果用织物弹性和断裂强度来综合评价。

表7  正交试验因素及水平因子

水平

因素

A%

B%

C/℃

l

6

8

l50

2

8

10

l60

3

10

12

170

注：A——柠檬酸用量(owf)；B——自制混合催化剂用 量(owf)；C——焙烘温度(℃)

表8   天然彩棉的正交实验结果

实验号

A

B

C

弹性提高率%

降强率%

1

1

1

1

7.8

12.1

2

1

2

2

20.1

16.5

3

1

3

3

22.8

21.6

4

2

1

2

19.8

7.8

5

2

2

3

28.9

23.8

6

2

3

1

25.7

25.4

7

3

1

3

21.9

20.8

8

3

2

1

24.6

14.7

9

3

3

2

25.3

33.2

k1

16.9

16.5

19.4

196.9

175.9

k2

24.8

24.5

21.7

 

 

k3

23.9

24.6

24.5

 

 

R

7.0

8.1

5.1

 

 

K’1

16.7

13.6

17.4

 

 

K’2

19

18.3

19.2

 

 

K’3

22.9

26.7

22.1

 

 

R’

6.2

3.1

4.7

 

 

表8中，从极差R、R'值反映了相应因素对评价指标影响是各不相同的，极差越大表明该因素对指标影响越大，以弹性提高率为评价指标时，影响弹性由主到次的顺序依次为：催化剂用量、柠檬酸用量、焙烘温度。最佳工艺为：A2，B3，C3。以断裂强力降强率为评价指标时，影响断裂强力由主到次的顺序依次为：催化剂用量、柠檬酸用量、焙烘温度。最佳工艺为：A3，B3，C3。

    综合各个因素，柠檬酸抗皱整理后，彩棉织物的抗皱性能明显提高，最终得到的优化工艺为：柠檬酸用量9%(owf)，自制混合催化剂10%(owf)，三乙醇胺5%(owf)，焙烘温度160℃，焙烘时间150s，JFC O.2%(owf)，浴比20︰1。由此说明经过柠檬酸抗皱整理后，织物抗皱性得到了很大程度的改善，强力损失也在可允许的范围内，另外柠檬酸的价格低廉，是理想的环保性防皱整理剂，同时采用了非磷系的催化剂也可防止带来水系污染问题，因而天然彩色棉的柠檬酸防皱整理有着广泛的应用前景。

3·7  对比实验

3·7·l  DMDHEU(2D)树脂的工艺

    工艺流程：配置整理液→二浸二轧(轧余率70%)→预烘(100℃)→焙烘(160℃，150s)→烘干→测试。

    工艺处方和实验条件：

2D树脂               35g/L

    MgCl2·6H2O            2Og/L

        焙烘条件         160℃、150s

3·7·2   柠檬酸防皱工艺

    柠檬酸防皱整理的工艺流程、工艺处方和工艺条件采用上述正交试验后的最佳工艺。

3·7·3    实验结果

    织物采用柠檬酸和2D树脂作为防皱整理剂整理后的性能比较见表9。

        表9  柠檬酸和2D为防皱整理剂整理后的效果

试样

折皱回

复角°

弹性提高率%

断裂强力N

降强率%

色差(级)

原布

172

 

511.0

 

 

2D树脂整理

231

34.3

475.3

7.0

3.5

柠檬酸整理

223

29.7

465.8

8.8

3.5

    表9表明，天然彩棉采用柠檬酸作防皱整理剂整理后的效果与传统的2D树脂相比：弹性提高率以及织物断裂强力降低率数值很接近，而柠檬酸防皱整理不存在甲醛问题，是一种绿色加工，完全可以替代含有甲醛的2D树脂作为天然彩棉的防皱整理剂。

4   结论

    (1)用柠檬酸作为天然彩棉无甲醛抗皱整理剂，其合理用量为8%（owf)，经整理后彩棉织物的各项性能指标最好。

    (2)在整理中可采用非磷系的催化剂，防止磷系催化剂(如次亚磷酸钠等)所带来的水系污染问题，成为绿色加工工艺。

5   参考文献

[1]张广知 胡娟，亚麻/粘胶混纺织物的无甲醛抗皱整理[J]染整技术，2006，28(2)；6-10

[2]王晓明 谢治明，催化剂在苎麻织物防皱免烫整理中的作用[J]纺织科学研究，2005，(2)；33-37

[3]王建申 潘霞，天然彩色棉及其工艺性能综述[J]天津工业大学学报，2004，23(4)

[4]王晓明，苎麻织物柠檬酸抗皱整理催化剂的优化[J]现代纺织技术，2005，(5)：5-9

[5]李明 徐秀室，用柠檬酸对真丝织物做防皱整理的工艺探  讨[J]纺织科学研究，2000，(3)：49-56

[6]吴坚 杨涛 邓丽丽，柞蚕丝织物的柠檬酸抗皱整理[J]印  染，2003，(9)；10-12