紫外吸收剂对竹浆纤维的吸附特点及防护性能
唐人成, 曹机良 (苏州大学纺织与服装工程学院,江苏苏州215006)
收稿日期:
2008-08-11
基金项目:国家科技支撑计划项目(2007BAE41B04)
作者简介:唐人成( 1966-),男,博士,教授,主要研究方向为染料/助剂/纤维之间的相互作用、染色物理化学、新纤维结构性能与染整加工、新型纺织化学品的制备与应用。
原载：印染2008/22；1-5
网上来稿：zhanyizhen，qt20090509-2
【摘要】 采用低温反应性紫外吸收剂对竹浆纤维织物进行抗紫外线整理。研究了浸渍条件对吸尽率的影响,及其吸附特点;探讨了紫外线吸收剂单独整理、活性染料染色、染色和整理分浴/同浴加工等工艺对紫外线防护效果的影响。研究表明,紫外线吸收剂整理和活性染料染色,均可赋予织物较好的紫外线防护功能;低温反应性紫外线吸收剂,则可用改进的活性染料预加碱染色法进行染色整理同浴加工。
【关键词】 防辐射整理; 紫外线吸收剂; 染色; 活性染料; 竹浆纤维
【中图分类号】 TS195159113 文献标识码: A 文章编号: 1000-4017(2008)22-0001-05
0 前言
开发功能性纺织品是提升我国纺织品竞争力的重要途径。据中国印染行业协会统计[1], 2007年度我国印染六大类产品进口单价高于出口单价48. 86% ,这反映了我国印染产品附加值不高,同时也说明了我国印染产品还有很大的提升和发展潜力。本课题采用反应性紫外吸收剂对竹浆纤维织物进行抗紫外线整理,探讨其吸附特点和浸渍整理工艺条件对吸尽率的影响,以及活性染料与紫外线吸收剂分浴和同浴染整后的织物紫外线防护效果。
1 试验部分
1. 1 材料
织物 20/30 dtex,
140g/m2 竹浆纤维
1/1 平纹机织物(市售)。
试剂 紫外吸收剂Rayosan C
(三嗪类活性化合物,科莱恩上海有限公司,取样后在五月的室温条件下存放约1 个月后用于试验); Evercion H2E 活性染料(双一氯均三嗪型)、Everzol染料(乙烯砜硫酸酯型)(台湾永光化学工业股份有限公司),M 型活性染料(一氯均三嗪/乙烯砜硫酸酯型,张家港市化工五厂);平平加O (工业品)、皂洗剂Eriopon R (亨斯迈纺织染化)、碳酸钠和硫酸钠(化学纯)。
1. 2 整理和染色方法
1. 2. 1 紫外吸收剂整理
整理液组成
Rayosan C
/% (owf) 2
纯碱/(g/L)
1
元明粉/(g/L)
60
平平加O /(
/L)
0.5
浴比 1∶40
在常规振荡式染色小样机中于30 ℃进行浸渍整理。先加入Rayosan C处理10 min,加入1/2 碱处理10 min,再加入另1/2碱继续处理30min。处理后,冷水洗→60℃水洗→冷水洗→晾干。
1. 2. 2 染色
染液组成 染料0.3, 0.6,
0.9和2.0% (owf) ,对应的纯碱用量为10,10,15和15g/L,对应的元明粉用量为20,20,20和40g/L,平平加O 0.5g/L,浴比1∶40。
染色工艺
30℃始染, 10min后以1℃/min升温至60℃( Everzol和M型染料)或80℃(Evercion HE染料),加入1/3量纯碱,10min后再加入剩余的纯碱,续染30min。染毕,冷水洗→2g/L Eriopon R皂洗剂90℃皂煮15min→水洗→晾干
1. 2. 3 染色整理一浴法
染色整理液组成
染料/%(owf)
0.3
Rayosan C
/%(owf)
2
纯碱/(g/L)
10
元明粉/(g/L)
60
平平加O
/(g/L)
0.5
浴比 1∶40
工艺 30℃始染,10min后加入1/12量的纯碱,染30min(使紫外线吸收剂在低温条件下固着在纤维上,以防高温水解) ,然后以1℃/min升温至60℃或80℃固色,加入1/4量纯碱, 10min后再加入剩余的纯碱,再续染30min。染色后的水洗和皂洗同1. 2. 2。
1. 3 测试方法
织物的紫外线防护因子(UPF指数)和紫外线透过率曲线在Labsphere UV21000F纺织品紫外防护因子测试仪(美国Labsphere公司)上测定。
紫外吸收剂的吸尽率(% E)采用残液法测定。采用Shimadzu
UV21800双光束紫外可见分光光度计(日本岛津),在最大吸收波长277 nm下测定溶液吸光度,其溶液浓度根据标准工作曲线确定。
紫外吸收剂在织物上的吸收量(Cf)根据初始用量、吸尽率和织物质量计算。
由于水溶性紫外线吸收剂分子结构和直接性较小,在纤维上的水解产物和未反应物数量较少,故吸尽率基本反映了其与纤维的反应率。
2 结果与讨论
2. 1 反应性紫外吸收剂的吸附特点
反应性紫外线吸收剂与活性染料一样,浸渍整理温度对其吸尽率和反应程度的影响较大。
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图1 温度对Rayosan
C吸尽率的影响 |
由图1可知, Rayosan C在30 ℃低温条件下即达最大吸尽率;超过30 ℃后,吸尽率随温度升高而直线下降;当温度达70～80 ℃时,吸尽率几乎为0。这是因为Rayosan C活性较强,不仅能与纤维反应,同时也会在碱性整理液中发生水解,且水解速度随温度升高而加快。另外,紫外线吸收剂结构较小,对纤维的直接性低,且随温度的升高而快速降低,这也影响了其在纤维上的吸附和反应。由于Rayosan C的吸尽率对温度十分敏感,所以它不适合采用常规染色法与常用的中温型(60 ℃染色) 、高温型活性染料(80 ℃染色)同浴染色和整理。
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图2 纯碱用量对Rayosan
C吸尽率的影响 |
图2为30 ℃时纯碱用量对Rayosan C吸尽率的影响。碱的加入对Rayosan C吸尽率影响很大,该反应性紫外吸收剂与纤维的反应需在碱性条件下进行,但是,在一定纯碱用量范围内,其吸尽率受碱用量的影响不大。原因可能是再生纤维素纤维的反应性比棉麻等天然纤维高,在低温碱性条件下整理时水解程度小。仅就整理而言,碱剂只需低浓度即可。
活性染料染色时需采用大量中性盐促染,以提高
染料的吸尽率和固色率。紫外线吸收剂母体结构比活性染料小,更需要采用中性盐提高其吸尽率,并借此提高反应率。
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图3 元明粉用量对Rayosan
C吸尽率的影响 |
由图3 可知,随着元明粉用量的增加,
Rayosan C的吸尽率随之升高,元明粉用量较低时,吸尽率增幅较大。图3也显示了分子结构较小的Everzol橙3R在纯碱10 g/L和60 ℃下染色时的吸尽率(%
E)和固着率(% F) 。Rayosan C在元明粉用量很低时吸尽率很低,明显低于活性染料的吸尽率,这也反映出其对纤维的直接性明显低于活性染料。因此,应添加较高浓度的元明粉。
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图4 加碱后处理时间对Rayosan
C吸尽率的影响 |
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注:元明粉80 g/L |
图4为加入一定量纯碱后,处理不同时间的Rayosan
C吸尽率。随着加碱后处理时间的延长, RayosanC的吸尽率逐渐升高,当处理时间达到60 min后,吸尽率几乎不再增加,此时Rayosan C在纤维上的吸附达到平衡。这表明,尽管Rayosan
C是低温型化合物,本身的反应活性较高,但要达到较高的吸尽率和反应率,仍需要相对较长的反应时间。
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图5 Rayosan
C的提升性能 |
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注:纯碱1 ～ 2 g/L, 元明粉60 ～ 100 g/L, 加碱后处理60 min。 |
由图5可知, Rayosan C在纤维上的吸附量(Cf )随其用量的增加而呈线性增加,故Rayosan C具有很好的提升性能。在织物组织规格(如密度、空隙率等)合适的前提下,这为通过增加紫外线吸收剂用量来提高织物的紫外线防护效果提供了保证。此外,
Rayosan C在各种浓度下均保持了相对较高的吸尽率,这可能与其反应活性高有关。
2. 2 整理后织物的紫外线防护性能
纺织品紫外线防护整理主要是为了防止UV2B紫外线(280～315
nm)对人体的伤害[2,3]。
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图6为Rayosan C溶液的紫外吸收光谱。 |
图6 Rayosan C溶液的紫外吸收光谱(Rayosan C 0. 04g/L)由图6 可知, Rayosan C最大吸收波长在277 nm附近,在260～300 nm波段内具有较好的吸收性。此外,它对UV2C紫外线(200～280
nm)也具有吸收性。
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图7 整理织物的UV2A和UV2B透过率和UPF指数 |
图7反映了紫外线吸收剂用量不同(由图5不同用量的Rayosan
C试验获得)时,UV2A和UV2B紫外线对整理织物的透过率及UPF指数。随着紫外线吸收剂用量的增加, UV2A 紫外线的透过率缓慢降低,而UV2B紫外线的透过率先急剧降低,后又缓慢降低。未整理织物的紫外线防护指数UPF为6.
3,整理织物的UPF指数随着紫外线吸收剂用量的增加而增加。图8是竹浆纤维织物的紫外线透过率曲线。
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图8 整理织物的紫外线透过率曲线 |
由图8可知,经过Rayosan C整理后,
UV2A 紫外线(315～400 nm)透过率的降低程度并不大,而UV2B紫外线透过率则明显降低。
表1 AS /NZS 4399标准规定的纺织品紫外线防护等级的要求
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UPF数值 |
紫外线防护效果 |
有效紫外线透过率/% |
UPF等级 |
|
15～24 |
好 |
6.7～4.2 |
15,20 |
|
25～39 |
很好 |
4.1～2.6 |
25,30,35 |
|
40～50, 50+ |
优秀 |
≤2.5 |
40,45,50,50+ |
根据表1 中澳大利亚和新西兰AS/NZS
4399—1996标准规定的纺织品紫外线防护等级的要求判断[ 4 ] ,当Rayosan
C用量达到4% (owf)时,整理织物的紫外线防护效果达到“好”;只有当Rayosan C用量达到6%～10% (owf)时,紫外线防护效果才能达到“很好”,即UPF指数达到25以上。纺织品的UPF指数受织物密度和厚度的影响极大,本研究中的织物需要采用10%高用量的紫外线吸收剂才能使UPF指数达到30,这显然与织物的密度不高有关。
2. 3 活性染料染色织物的紫外线防护性能
由于染料的发色体和很多取代基具有紫外线吸收能力,故染色织物也具有紫外线防护功能[2,3,5]。本研究测定了竹浆纤维织物使用三种类型活性基染料染色后的UPF指数,结果见表2。
表2 不同染色深度的竹浆纤维织物的UPF指数
|
染料 |
染料用量/% (owf) |
|||
|
0.3 |
0.6 |
0.9 |
2.0 |
|
|
橙3R |
24.81 |
35.11 |
50.75 |
71.43 |
|
红3BS |
27.78 |
45.51 |
53.96 |
71.66 |
|
蓝BB |
18.85 |
31.96 |
39.51 |
68.74 |
|
黄M23RE |
23.55 |
39.54 |
47.62 |
60.57 |
|
红M23BE |
27.04 |
46.66 |
59.41 |
69.06 |
|
蓝M22GE |
42.50 |
62.17 |
76.52 |
94.31 |
|
黄H2E4R |
20.11 |
30.24 |
43.94 |
63.83 |
|
红H2E7B |
36.72 |
47.20 |
64.56 |
73.19 |
|
蓝H2ERD |
30.18 |
45.22 |
63.63 |
80.45 |
由表2 可知,随着染料用量的增加,染色织物的UPF指数也逐渐增加。根据表1
澳大利亚和新西兰AS/NZS 4399—1996标准规定的纺织品紫外线防护等级的要求,当染料用量大于等于0. 9%时,染色织物的UPF指数均在40以上,达到了“优秀”;当染料用量为0.
6%时,所有染色织物的UPF指数均在30以上,且半数以上染色织物UPF指数在40以上,达到了“很好”;当染料用量为0. 3%时,只有3只染料染色织物的UPF指数在30以上,
5只染料染色织物的UPF指数在20～30, 1只染料染色织物的UPF指数在20以下,均至少达到了好的水平。这些结果表明,染色织物本身具有较好的紫外线防护功能,且紫外线防护能力随染色深度增加而增强,但随染料品种不同而有较大差异。因此,达到一定组织密度的中深色染色织物具有一定的抗紫外线功能;浅色若合理选用活性染料(如表2中的蓝M22GE、红H2E7B、蓝H2ERD)
,即可赋予竹浆纤维织物很好的紫外线防护功能。
表2中的Everzol、M型和Evercion
H2E染料分别属于乙烯砜硫酸酯、一氯均三嗪/乙烯砜硫酸酯和双一氯均三嗪活性基活性染料。相对而言,一氯均三嗪活性染料染色织物具有更好的紫外线防护性能,这与文献报道的结果一致,这是由于三嗪环在紫外区具有很好的吸收性能[ 6 ] 。
为了解染料结构与染色织物紫外线防护能力的关系,测定了染料溶液的紫外吸收光谱和0. 3% (owf)染色深度的染色织物紫外线透过率曲线,结果见图9。
(c) Everzol活性染料
(b)M型活性染料
© Evercion
H2E活性染料
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(a) Everzol活性染料 |
(b)M型活性染料 |
(c) Evercion H2E活性染料 |
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图9 染料溶液紫外吸收光谱和染色织物紫外线透过率曲线 |
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注:染料浓度0.06g/L,织物染色深度0.3%。 |
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由表2和图9可知,对于Everzol系列染料,染色织物的UV2B紫外线透过率顺序是:红3BS
<橙3R <蓝BB; UPF指数顺序是:红3BS >橙3R >蓝BB;染料溶液在UV2B区的吸收强度顺序是:红3BS >橙3R
>蓝BB。对于M型染料,染色织物的UV2B紫外线透过率顺序是:蓝M22GE <黄M23RE <红M23BE; UPF指数顺序是:蓝M22GE
>红M23BE >黄M23RE;三只染料溶液在UV2B 区的吸收强度也与UPF指数顺序相同。对于Evercion H2E染料,染色织物的UV2B紫外线透过率顺序是:红H2E7B≈蓝H2ERD
<黄H2E4R; UPF指数是:红H2E7B >蓝H2ERD >黄H2E4R;三只染料溶液在UV2B区的吸收强度顺序是:蓝H2ERD
>红H2E7B >黄H2E4R。由于每只染料纯度不同,在纤维上的固着量也各异等原因,染料溶液在UV2B 区的吸收强度与染色织物的UPF指数不完全成正比关系,但总体而言,染料溶液在UV2B区的吸收强度越高,染色织物的UPF指数也越高。由此可见,染色织物UPF指数的高低与染料本身的结构性质和紫外吸收光谱有一定的关系。因此,基本上可根据染料溶液在UV2B
区的吸收强度大小,预测染色织物的紫外线防护效果。
2. 4 染色织物浸渍整理方法的探讨
由前面的讨论可知, Rayosan
C对温度十分敏感,在中高温时的吸尽率较低,故不能与中高温型活性染料进行同浴染色和整理,但可以采取染色和整理分浴法加工。考虑到染色和整理工艺的简便性及缩短工艺流程,本研究对一浴法染色和整理方法进行了调整,采取类似活性染料预加碱染色法的工艺。在始染时同时加入Rayosan
C和活性染料,并加入1 /12 量纯碱,于30 ℃染色30 min,让紫外线吸收剂在低温下与纤维反应,然后升温,继续进行染色整理。表3为一浴法染色整理、先染色后整理、染色未整理织物的UPF指数。
表3 染色和整理分浴和同浴加工织物的UPF指数
|
染料 |
染色未整理 |
先染色后整理 |
染色整理一浴法 |
|
橙3R |
24. 81 |
36. 37 |
39. 66 |
|
红3BS |
27. 78 |
33. 77 |
32. 34 |
|
蓝BB |
18. 85 |
30. 50 |
27. 35 |
|
黄M23RE |
23. 55 |
36. 89 |
33. 53 |
|
红M23BE |
27. 04 |
37. 68 |
34. 50 |
|
蓝M22GE |
42. 50 |
47. 15 |
51. 94 |
|
黄H2E4R |
20. 11 |
31. 53 |
29. 19 |
|
红H2E7B |
36. 72 |
42. 54 |
41. 51 |
|
蓝H2ERD |
30. 18 |
37. 84 |
44. 35 |
注:染料用量0. 3% ,
Rayosan C用量2%。
由表3可知,一浴法染色整理和先染色后整理织物的UPF指数总体上相差不大。对于有些染料,一浴法染色整理织物的UPF指数更高; 而对于另一些染料,则是先染色后整理织物的UPF指数更高。另外,染色整理试样的UPF指数较单独染色试样均有较大程度的提高,浅色染色织物经分浴整理或同浴整理后,均有很好的紫外线防护效果。对于蓝M22GE、红H2E7B、蓝H2ERD这类本身具有较好紫外线吸收功能的染料,其染色整理织物的UPF指数与单独染色织物相比,提高的程度要小一些。
3 结论
(1)反应性紫外线吸收剂Rayosan C在竹浆纤维上具有很好的提升性能,其吸附受浸渍整理温度、元明粉用量、时间的影响较大,而受纯碱用量的影响很小;吸附时,其对元明粉用量的敏感程度高于活性染料。
(2)
Rayosan C在UV2B 区具有较好的吸收性能,可有效降低UV2B 紫外线对竹浆纤维织物的透过率,在织物组织密度合适的情况下,可赋予整理织物很好的紫外线防护功能。在本研究紫外线吸收剂用量范围内,整理织物的紫外线防护功能随用量的增加而提高。
(3)活性染料染色织物本身具有较好的紫外线防护功能,且紫外线防护能力随染色深度增加而增强,随染料品种不同而有较大的差异,其中,一氯均三嗪活性染料所染织物具有更好的紫外线防护功能。活性染料的紫外线防护功能与其在UV2B 区的吸收强度有关,可根据染料溶液在UV2B区的吸收强度大小而预测染色织物大致的紫外线防护效果。中深色织物具有一定的抗紫外线功能,浅色织物合理选用活性染料,即可具有很好的紫外线防护功能。
(4)低温反应型紫外线吸收剂不适合采用标准染色法与中高温型活性染料进行同浴染色和整理,而应采用类似活性染料预加碱染色法与活性染料同浴染色整理,但需要延长预加碱后的染色时间。竹浆纤维织物采用染色和整理分浴、改进的预加碱染色和整理同浴等加工方法,其防护紫外线效果相差不大。
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