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大豆蛋白纖維結構與活性染料染色的研究

宋曉峰1,靳玉偉2,宋旸3

(1.長春工業(yè)大學,吉林長春130012;2.吉林大學,吉林長春130012；3.吉林化纖股份有限公司,吉林吉林132101)

摘要:通過對大豆蛋白纖維結構的分析,提出采用活性染料變性浴染色方法對大豆蛋白纖維進行染色。經(jīng)過染色實驗,結果表明:采用Cibacron FN和Cibacron LS型棉用活性染料染色,上染率分別提高23%和20%,且有較好的固色率和染色牢度;而Lanasol型毛用活性染料不適宜大豆蛋白纖維染色。

關鍵詞:大豆蛋白纖維;結構;活性染料;變性浴;染色

中圖分類號:TS 193.63+2文獻標志碼:A文章編號:1000-4033(2007)08-0046-03

大豆蛋白纖維是我國在本世紀初首次自主研究發(fā)明的新型再生纖維。其面料具有羊絨的手感、蠶絲的柔和光澤,兼有棉纖維的吸濕和導濕性,穿著十分舒適,同時它還具有合成纖維的機械性能,而這些性能需要通過染整加工才能實現(xiàn)。本文在對大豆蛋白纖維的結構和活性染料上染過程分析的基礎上,提出采用活性染料變性浴對大豆蛋白纖維染色,可使活性染料的染色效率大為提高。

1大豆蛋白纖維的結構

1.1大豆蛋白纖維的化學結構

大豆蛋白纖維是由大豆蛋白(SPF)與聚乙烯醇(PVA)共混紡絲形成的,其中蛋白質(zhì)25%~45%和聚乙烯醇75%~55%組成。在大豆蛋白纖維中,羥乙烯基高聚物大分子是以平面鋸齒直線及大豆蛋白大分子是以空間彎曲直線形砌入的[1]。羥乙烯基高聚物大分子帶有大量羥基,大豆蛋白帶有較多的羥基、胺基、羧基和含硫基等,這些極性基團在單組分和雙組分大分子間形成氫鍵、鹽式鍵和雙硫鍵等交聯(lián),在紡絲的條件下,可能產(chǎn)生能量較高的化學鍵,如酰胺鍵和酯鍵等[2]。特別是在纖維成形后的縮醛化處理中,甲醛參與了化學反應,在單組分和雙組分的大分子間形成了交聯(lián)[3]。因此,大豆蛋白纖維的聚集態(tài)結構是以直線形大分子網(wǎng)狀結構為主體的。這些不同性質(zhì)的化學基團,使各種染料對大豆蛋白纖維染色出現(xiàn)不同效果。但從總體來說,大豆蛋白屬于蛋白質(zhì)纖維,它和酸性染料有親和力。而聚乙烯醇大分子主要攜帶羥基,這一點和棉纖維相似,因此對堿性染料有親和力。唐人成[4]等在研究各種染料對大豆蛋白纖維染色時也發(fā)現(xiàn)酸性染料對大豆蛋白纖維的染色深度低,這主要是由于大豆蛋白組分含量低所致。

1.2大豆蛋白纖維的物理結構

目前共混纖維成功的例子均為非對抗性相容混合紡絲。非相容二元共混纖維呈兩相結構,即連續(xù)相和分散相。根據(jù)二元共混聚合物的質(zhì)量比不同,連續(xù)相和分散相的分布狀態(tài)可劃分為5種類型,又視其相容性、黏度和機械混合條件的不同,可能存在著相轉變[5]。本實驗采用纖維中聚乙烯醇與大豆蛋白的質(zhì)量比為75:25,因此聚乙烯醇為連續(xù)相,大豆蛋白為分散相。姜巖[6]等也通過研究發(fā)現(xiàn),纖維的表皮層為聚乙烯醇組分,大豆蛋白隨機分布其中,其共混模型如圖1所示。這說明大豆蛋白纖維在染色過程中,染料首先上染大豆蛋白纖維中的聚乙烯醇組分,然后在擴散作用下繼續(xù)上染大豆蛋白纖維組分。

2活性染料變性浴染色

活性染料有別于其他水溶性染料,在于分子中有一個或多個活性基,在上染過程中或上染纖維之后可和纖維發(fā)生共價結合,因此染色牢度較高[7]。所謂上染就是染料含染液(或其他介質(zhì))向纖維轉移,并將纖維染透的過程。染料從染液內(nèi)向纖維界面轉移;染料在擴散邊界層中靠近纖維到一定距離后,染料分子迅速被纖維表面所吸附,染料分子和纖維表面分子之間發(fā)生氫鍵、范德華力結合;染料吸附到纖維表面后,在纖維內(nèi)外形成一個濃度差,因而可以向纖維內(nèi)擴散;纖維中染料分子在堿性或高溫條件下,和纖維分子中有關基團發(fā)生反應形成共價結合固著在纖維中。除固色階段外,前3個過程都是可逆的。在未達到平衡時,是上染速率大于解吸速率,但隨著纖維上的染料濃度不斷增加,解吸速率也不斷增加,最后達到上染和解吸速率相等,即達到上染平衡狀態(tài)。

由于活性染料在上染過程中會與纖維形成共價結合,將會不斷打破吸附平衡。從理論上說,吸附過程可以不斷進行,直到所有染料都和纖維共價結合為止,對大豆蛋白纖維來說,兩種組分都得到充分上染。但是由于在通常的染料上染條件下,染液中含有如電解質(zhì)、助溶劑、均染劑或緩染劑、固色劑以及染液的pH值、溫度等因素,都會改變?nèi)玖显谌芤褐械姆植紶顟B(tài),因而更適合其中一種組分上染,使之達到近似的上染平衡。另一方面,染料在上染或與纖維反應的同時,還會與水反應形成水解染料,它對纖維的親和力很低,失去了與纖維反應形成共價結合的能力,也可以說是失活。所以隨著時間的延長,不僅吸附在纖維上的染料濃度不會增加,固著纖維上的染料量也不會增加;相反已固著在纖維上的染料,其共價鍵還會發(fā)生水解,即發(fā)生斷鍵反應,使纖維上共價結合的染料量降低?；钚匀玖戏肿幽阁w結構較為簡單,一般為酸性或酸媒染料,也可以說失活后的活性染料變成酸性染料[8]。

因此,根據(jù)大豆蛋白纖維的結構特點和活性染料上染過程的分析,采用活性染料變性浴的染色方法上染大豆蛋白纖維,可以進一步提高活性染料的上染率。所謂變性浴染色,即活性染料首先在堿性浴中上染大豆蛋白纖維中的聚乙烯醇組分,在上染的同時,活性染料不可避免地要發(fā)生水解,對聚乙烯醇組分失去上染能力而失活。失活現(xiàn)象使活性染料在堿性條件下染色效率下降。失活的活性染料和酸性染料相似,也可以說失活的活性染料變成了酸性染料,因此,如果在這時將堿性染浴調(diào)節(jié)為酸性浴,即經(jīng)過變性處理,那么剩余染料就可以繼續(xù)擴散上染纖維中的大豆蛋白組分。