（纺织工程专业论文）山羊绒纤维低温染色及纤维结构与性能研究.pdf

摘要 我国山羊绒产量、质量居世界首位。随着生活水平的提高，人们对服装不仅要求 款式美观、大方、新颖，而且更注重其内在品质，追求环保、健康和生态化，而山羊 绒产品的轻、薄、柔、滑的天然风格恰好满足人们的这些需求，越来越受到人们的喜 爱，如何提高山羊绒加工技术是目前山羊绒工业企业的工作重点。山羊绒在常规染色 过程中，通常采用沸染法，山羊绒因受热和化学试剂的作用而受到较大损伤，物化性 能发生变化，纤维强力下降，纺纱性能和制成率降低。 本课题基于此目的，利用正交实验法对山羊绒纤维常规染色工艺和低温染色工艺 进行了探讨，并对山羊绒纤维常规染色和低温染色的助剂用量、保温时间和保温温度 进行优选，确定山羊绒纤维浅色、中色、深色的最佳低温染色工艺。同时还测试了两 种染色工艺对山羊绒纤维强伸性能、水沈与皂洗牢度( g b t 3 9 2 1 - t 9 9 7 ) 、耐热压色牢 度( g b t 6 5 1 2 1 9 9 7 ) 、耐汗渍色牢度( g b t 3 9 2 2 1 9 9 5 ) 的影响，实验表明低温染色 工艺的色牢度都在4 级以上，只是耐汗渍色牢度相对常规染色工艺来说稍差，但都达 到了国家色牢度要求；利用扫描电子显微镜、x 射线衍射仪、红外光谱仪和激光共焦 拉曼光谱仪测试山羊绒在常规染色工艺、低温染色工艺和原绒表面形态、内部结晶度 和化学成份的变化。实验结果表明，经低温染色工艺后，纤维的平均长度比常规染色 工艺提高了2 3 r a m ，平均细度增加1 岬以上；纤维强伸性能比常规染色工艺好，特别 是深色染色更为明显：通过扫描电子显微镜可以看出低温染色工艺中鳞片表面的损伤 比常规染色要少的多；通过低温染色工艺和常规染色工艺的相对结晶指数可以看出， 低温染色工艺纤维的相对结晶度都比常规染色工艺纤维的相对结晶度高，说明低温染 色工艺对山羊绒纤维的破坏程度小。 山羊绒采用低温染色，有利于减小纤维损伤，提高染色品的质量，使羊绒产品的 手感和风格得到有效保护，有利于山羊绒后道纺纱加工，提高产品制成率，对提高产 品的质量、发挥山羊绒制品优雅的天然风格、节约能源、降低成本具有重要的意义。 关键词：山羊绒、低温染色、强伸性能、色牢度、表面形态、结晶度 l o wt e m p e r a t u r ed y e i n go fc a s h m e r ef i b e r sa n dt h es t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so fd y e df i b e r s a b s t r a c t t h eo u t p u ta n dt h eq u a l i t yo fc a s h m e r ei nc h i n aa r et h ef i r s ti nt h ew o r l d w i t ht h e i m p r o v i n go fs t a n d a r do fl i v i n g ，p e o p l eb e c o m em o r ea n dm o r el i k ec a s h m e r ep r o d u c tb y i t sl i g h t ，t h i n ，s o f t ，a n ds m o o t h h o wt oi m p r o v et h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fc a s h m e r ei s t h ek e yp o i n ti nc a s h m e r ei n d u s t r yc u r r e n t l y i nt h en o r m a lp r a c t i c eo fc a s h m e r ed y e i n g ，w e o f t e nu s et h eb o i l i n gs o l u t i o n b e c a u s eo fh e a t i n ga n dc h e m i c a la c t i o n ，t h ec a s h m e r ei s d a m a g e dh e a v i l ya n dp h y s i c a lp r o p e r t yc h a n g e sal o t f o re x a m p l e ，h a n d l eb e c o m e sc o a r s e ， s t r e n g t hi sd e s c e n d i n g ，s i g n i n g sp r o p e r t ya n dr a t eo ft h r o u g h p u ta r ed e c r e a s e da n di t s n a t u r a la p p e a r a n c ec o n f o r m a t i o nb e c o m e sb a d b e c a u s eo fa l la b o v e ，t h i ss t u d yf o c u s e so nt h el o wt e m p e r a t u r ed y i n go fc a s h m e r e u s i n go r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o dt oc h o o s er e a g e n td o s a g e ，h e a tp r e s e r v a t i o nt i m e ， h e a tp r e s e r v a t i o nt e m p e r a t u r eo ft h en o r m a la n dl o w t e m p e r a t u r ed y e i n g a c c o r d i n gt ot h e v a r i e g a t i o nr a t eo fd y e s t u f ft od e c i d et h ed y e i n gt e c h n o l o g yo fl i g h tc o l o r ，n o r m a lc o l o ra n d d a r kc o l o rr e s p e c t i v e l yw i t hl o wt e m p e r a t u r ed y e i n g i ti st h ef i r s tt i m et ou s es c a n e l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ，x r a yd i f f r a c t i o ni n s t r u m e n t ，a n dl a s e rr a m a ns p e c t r o m e t e rt o t e s tt h ep r o p e r t i e sa n dc r y s t a ld e g r e eo fc a s h m e r eb e f o r ea n da f t e r d y e i n ga b o u tn o r m a la n d l o wt e m p e r a t u r ed y e i n g a tt h es a m et i m e ，w ea l s ot e s tt h es t r e n g t ha n de x t e n s i b i l i t y , a n d a l lk i n d so fc o l o rf a s t n e s s e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea v e r a g el e n g t ha d v a n c e d2 - 3 r a m ， a v e r a g ef i n e n e s si m p r o v e dm o r et h a niu m ，f i b e rs t r e n g t ho fl o wd y e i n ga r ea l lb e t t e rt h a n t h a to f h i g hd y e i n g ，e s p e c i a l l yd a r kc o l o ro f n o r m a ld y e i n g a n dt h ec o l o r f a s t n e s sr e a c h e s 4d e g r e ea n df i t st ot h es t a n d a r do fo u rc o u n t r yt o o o n l yf a s t n e s so f e n d u r i n gs w e a ti sn o t a sg o o da sn o r m a l b e c a u s eo fa v o i d i n gl o n gt i m eb o i l i n ga n dt h ed a m a g e c a u s e sb y c h e m i c a lr e a g e n t ，b ys c a ne l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ，w ec a ns e et h e r ei sa no b v i o u sr e d u c t i o n i nt h eb r e a k a g eo fs q u a m as u r f a c ea n dc r y s t a ld e g r e eo fc a s h m e r e s ol o wt e m p e r a t u r e r e d u c e st h ec a s h m e r e sd a m a g i n g a p p l y i n gl o wt e m p e r a t u r ed y e i n gb e n e f i t st om i n i s ht h eb r e a k a g eo ff i b e r , i m p r o v et h e q u a l i t yo fd y e i n gp r o d u c t s ，m a k et h eh a n d l ea n ds t y l eb e t t e r ，i m p r o v et h ep r o d u c t i o nr a t e ； a n da l lt h ec o l o u rf a s t n e s s e sa r ea sg o o da sn o r m a ld y e i n go n l ye x c e p tf a s t n e s so f e n d u r i n g s w e a c s ot h ea p p l i c a t i o no fl o wt e m p e r a t u r eh a sm a n yi m p o r t a n tm e a n i n g sf o ru st o i m p r o v eq u a l i t yo fp r o d u c m ，e x e f lw e l ln a t u r a ls t y l eo fc a s i m l e r e ，s a v ee n e r g ys o u r c e ， r e d u c et h ec o s te c ta n dh a sag o o dp o p u l a r i z i n gp e r s p e c t i v e l iq i a n ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl il o n g k e yw o r d s ：c a s h m e r e ，l o wt e m p e r a t u r ed y e i n g ，s t r e n g t ha n de l o n g a t i o n ，c o l o u r f a s t n e s s ， a p p e a r a n c ec o n f o r m a t i o n ，c r y s t a ld e g r e e 西安工程大学学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工 作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程大学。学院有权保 留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签气、厉谦 指导老师签名：，二弓套 “! 日期： & 口口7 岁，口 西安工程大学学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，不包括本人 已申请学位或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研 究所作的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了感谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担相关责任。 学位论文作者签名： 日期： 文秉小 r、“0；一协哆 绪论 1 绪论 随着生活水平的提高，人们对服装不仅要求款式美观、大方、新颖，而且更注重 其内在品质，追求环保、健康和生态化，而山羊绒恰好满足了人们的这些需求。山羊 绒是一种珍贵的特种动物纤维，它的产品具有轻、薄、柔、滑的天然风格，用它加工 成的羊绒制品具有穿着舒适、保暖性强、绒面丰富、手感柔软、滑糯和光泽柔和的独 特风格，f 1 益受到消费者的喜爱。所以对山羊绒原料进行合理加工，不但能做出高品 质的产品，而且也符合国际纺织品的发展潮流。 我国山羊绒产量、质量均居世界首位，同时山羊绒加工业已具有一定的规模，许 多羊绒产品在国际市场上占有重要地位。普通山羊绒制品的生产工艺基本成熟，但山 羊绒制品的加工技术与英国、意大利等先进国家的差距还很大，主要表现在后整理加 工方面比较落后，深加工能力的总体水平较低【1 1 。所以在实际生产中，通过正确选择 染色助剂和工艺曲线，对羊绒性能和微观结构的研究和分析，在保持羊绒原有的物理 性能和发挥羊绒制品优雅的天然风格具有重要的意义。尤其高温染色，不仅耗能，而 且导致山羊绒产品风格的破坏，所以f 确选择染色助剂和染色工艺，研究和分析染色 助剂、染色工艺对山羊绒纤维结构和性能的影响，这对于保持山羊绒原有的物理机械 性能和改善羊绒制品服用性能具有重要理论意义和实际应用价值。 1 1 山羊绒纤维概述 1 1 1 山羊绒 国家标准1 2 j 中对山羊绒术语的规定是：指绒山羊发毛下层的底绒，它也称为丌司 米( c a s h m e r e ) ，纤维细而柔软，按其天然颜色划分为白、青、紫和红绒等颜色，白 山羊绒要求绒纤维均为白色；青山羊绒是指绒纤维呈灰白色或青色：紫和红山羊绒是 指绒纤维呈紫色或棕色。综合有关文献口】，山羊绒术语同时包含着以下几方面的含义： 1 ) 山羊绒是由身体具有外层粗毛、内层绒毛双层覆盖毛被的绒山羊生产的、柔软 纤细的底绒纤维。 2 ) 山羊绒细度在2 5 r t m 及以下，无髓质，有卷曲。 3 ) 山羊绒纤维平均直径上限为1 9 9 m 。 4 ) 山羊绒产品中如含有回用山羊绒，必须清楚标明，以与纯新山羊绒区分丌”】。 1 1 2 山羊绒资源及分类 由于绒山羊生长的自然分布条件，世界上出产山羊绒的国家有：中国、蒙古、伊 朗、阿富汗、印度、巴基斯坦、土耳其等国，总体来讲，山羊绒主要产于亚洲，尤其 是中国。中国山羊绒的产量居世界首位，2 0 0 0 年占世界总产量的5 3 ，其次为蒙古 1 绪论 ( 2 4 ) ，伊朗( 1 6 ) 、阿富汗( 3 ) 及印度( 3 ) 等1 6 j 。我国主要有5 大绒山羊产区：内蒙古 地区；西北地区；山西、河北与东北地区；西藏地区：山东地区。我国山羊绒产地分 布广，山羊绒品质差异较大。内蒙古地区的山羊绒纤维细、光泽好、强度高：西北地 区因地势高、气候寒冷，所以生产的山羊绒细腻柔软、纤维长；山西、河北一带的山 羊绒粗短：山东地区处于潮热地区，山羊绒品质差，山羊绒纤维粗短、光泽暗。 1 2 山羊绒纤维结构研究现状 1 2 1 山羊绒纤维的结构 1 2 1 1 物理形态结构“ 山羊绒纤维由很薄的鳞片层和发达的皮质层构成。鳞片是保护山羊绒纤维不受外 界条件的影响而引起性质的变化，它排列的疏密和附着程度，对山羊绒纤维的光泽和 表面性质有很大影响。 在扫描电镜下观察羊绒表面：鳞片清晰、整齐，鳞片层较厚，鳞片边缘较光滑， 且鳞片翘角较小，片层间距长( 图l 一1 ) ，鳞片密度约为7 3 个m m ( 表1 - 1 ) ，比羊毛密 度稀，鳞片层多为环状，紧贴毛干，不同品种山羊绒的鳞片密度和排列状况是不同的： 羊毛表面鳞片清晰，鳞片呈长条形并且较薄，鳞片高度平均为1 5 岬左右片间距短， 密度约为1 3 6 个m m ，有的鳞片稍有翘起( 图1 2 ) i s 。山羊绒与羊毛相比，鳞片比 较稀、平滑，所以纤维抱合力较差，会导致山羊绒纤维容易从其制品中滑移出来而产 生掉毛现象。 图1 1 山羊绒纤维表面特征 图1 2 羊毛纤维表面特征 表1 - 1山羊绒鳞片结构参数 皮质层是由枣核皮质细胞胶合构成，是山羊绒纤维的主体，也是决定纤维物理、 机械和化学性能的基本物质。山羊绒( 图l 一3 ) 在断面观察组织细而致密，同时有一定 1 绪论 的方向性，山羊绒纤维的皮质细胞大多呈双边分布，正、偏皮质各居纤维的一侧。所 山羊绒纤维具有不规则的天然卷曲，山羊绒纤维良好的卷曲说明山羊绒制品有好的手 感和弹性。而羊毛断面观察组织疏松，有空洞，方向性不明显( 图1 4 ) 。 图1 3 山羊绒横断面特征图1 4 羊毛横断面特征 山羊绒纤维的细度与长度因羊种、生长地区、饲养条件等有直接关系。原绒中绒 纤维长度多在3 0 m m 6 0 m m ，经过分梳后无毛绒纤维长度最长约为4 0 m m - - - 4 2 m m ，一般 为2 8 m m 3 8 m m 。中国的山羊绒平均细度为1 3 p s n 1 7 p a n ，变异系数为1 8 2 0 1 9 1 。 1 2 1 2 鳞片结构： 鳞片层是毛发纤维特有的结构之一，使羊绒纤维具有特殊的光泽和缩绒性能，同 时也导致羊绒染色困难。鳞片层是由角质化的扁平状细胞通过细胞膜复合物( c e l l m e m b r a n ec o m p l e x ，简称c m c ) 粘接而成。羊绒的鳞片细胞由三部分组成( 图1 5 ) ： 鳞片表层、鳞片外层和鳞片内层1 1 0 。 图1 5 鳞片构成示意图 1 ) 鳞片表层( e p i c u t i c l e ，简称e p i 层) 又称为表皮细胞薄膜层；它实质上就是由 胶原蛋白质组成的薄膜状物，外观环形鱼鳞，整齐均匀得覆盖于羊绒表面，其化学稳 定性较好。处于暴露状态的鳞片部位( 可见部分) 的鳞片表层呈单层脂类结构，非极性 基团外露，因此具有极强的疏水性。鳞片表层厚度约2 5 n m ，对溶剂或酸比较稳定， 1 绪论 但对较强的机械摩擦、氧化剂、强碱等不稳定。 2 ) 鳞片外层( e x o c u t i c l e ，简称e x o 层) - 位于鳞片表层内侧，是一层较厚的蛋白质， 主要由角质化蛋白质构成，在整个羊绒鳞片中厚度分布并不均匀。鳞片外层的蛋白质 分子肽链主要呈无定形结构，这是由于胱氨酸含量过多，难以有效地形成有序排列所 致。所以这种结构特点使其在湿热条件下的碱液中易被水解破坏。 3 ) 鳞片内层( e n d o c u t i c l e ，简称e n d 层) 位于鳞片层的最内层。由含硫量很低的非 角质化蛋白质构成、其厚度在整个鳞片中的分布也不均匀，所以化学性质较不稳定， 易于被化学试剂、水等膨润，亦可被蛋白酶消化破坏。 1 2 1 3 化学分子结构 山羊绒纤维的化学分子结构与羊毛的一样，它们的基本化学组成物质为蛋白质， 由多种a - 氨基酸以肽键的形式结合而成【“】。经水解后可以得到2 0 余种不同的氨基酸， 以二氨基酸一精氨酸、松氨酸，二羧基酸谷氨酸、天门冬酸和含硫氨基酸一胱氨酸等含 表1 2 山羊绒氨基酸组分表单位： 4 1 绪论 量为最高4 l ( 表1 2 ) ，两者只是在各种氨基酸组分上有所不同。山羊绒与羊毛纤维的 化学成份用结合键的形式基本相同的( 见图1 6 ) ，但山羊绒的结晶度要比羊毛纤维 高【3 】。 所示： 图1 - 6 羊绒纤维分子问的作用力示意图 同一蛋白质分子链的不同部位之问也通过胱氨酸二硫键形成交联，如图l 一7 h 2 耳s s 9 h 2 n h c h c o n h c h c 0 n h c h c h c o r 图1 7 羊绒胱氨酸的二硫键交联 1 绪论 由于上述交联的存在，羊绒纤维线性大分子形成了稳定的a 螺旋二级空间结构。 1 2 2 山羊绒纤维的性能 1 2 2 1 山羊绒的物理机械性能4 l 1 ) 细度与长度：细度是纺织纤维最重要的工艺性能之一，它直接关系到纺纱的 特数、加工的难易及最终的产品手感。长度是仅次于细度的重要工艺指标，当细度一 定时，长度越长，可纺性越好，纱及其制品的强力越高。山羊绒纤维的细度与长度因 羊种、生长地区、饲养条件等有直接关系。中国的原绒纤维长度一般3 0 - - 一6 0 m m ，经过 分梳后无毛绒纤维长度最长约为4 0 4 2 m m ，一般为2 8 3 8 m m ，平均细度为1 3 1 7 u m 。 2 ) 卷曲性能：纤维卷曲多，则抱合力好，易于成网，毛条强力也好，利于加工， 纺成的纱膨松性好，产品手感丰满，保温性好，但如果卷曲数太多，卷曲形态不正常， 则在精梳制条中由于纤维伸直度不好，造成较多落毛。山羊绒的卷曲与绵羊毛比较， 数量少，卷曲形态不正常，所以伸直度比羊毛小，因此山羊绒纤维抱合力较差，加之 山羊绒纤维鳞片比较稀、平滑，导致山羊绒纤维容易从其制品中滑移出来而产生掉毛 现象。 3 ) 摩擦性能：山羊绒和羊毛表面鳞片的方向性，使纤维长度方向的摩擦滑动方 向不同，导致摩擦系数不同。滑动方向从毛尖到毛根为逆鳞片摩擦；滑动方向从毛根 到毛尖为顺鳞片摩擦；纤维逆鳞片和顺鳞片摩擦系数差异的大小与纤维缩绒性关系密 切，差异越大，缩绒性越好。山羊绒与羊毛纤维的缩绒性都好，由于山羊绒鳞片的密 度比羊毛稀，所以缩绒性还是比羊毛差一些。正是山羊绒纤维缩绒性和摩擦系数均比 羊毛纤维小，纤维间的摩擦阻力减少，使得无论山羊绒纯纺还是混纺织物，山羊绒易 从织物中滑移出来，而产生掉毛现象。 4 ) 吸湿性能：山羊绒由空气中吸收水分和向空气中排去水分的性能称为山羊绒 纤维吸湿性。在同样条件下，由于山羊绒结构疏松，更容易吸湿，羊绒的回潮率总比 绵羊毛高，因此山羊绒纤维吸湿性能比绵羊毛好。纤维吸湿后对其性能( 如长度、直 径、机械性能、热学性能) 产生影响。 5 ) 静电性能：山羊绒纤维的比电阻比羊毛小，但它仍然属于大电阻纤维，在生 产中，山羊绒产生的静电现象比较严重。山羊绒和羊毛纤维属亲水纤维，吸湿后体积 与比电阻会下降。 6 ) 保温性能：山羊绒的保温性比羊毛好，在同样测试条件下羊毛的保温率为 7 0 3 ，而7 0 支澳毛保温率为6 3 5 ，所以羊绒衫虽轻薄，但保温性能却非常好。 7 ) 机械性能：纤维的机械性能反应制品是否耐用的直接指标。山羊绒纤维在纺 织加工和成品使用过程中所受的机械外力包括拉伸、弯曲、扭转、压缩等。酸性介质 和介质温度对羊绒纤维的拉伸性能产生影响。与羊毛相比，山羊绒纤维的强力较低， 6 l 绪论 强力范围在4 0 5 4 9 0 c n ，所以山羊绒在加工过程中容易损伤，在原绒加工分梳绒过程 中，纤维损伤近3 0 ，使山羊绒纤维明显变短。 1 2 2 2 山羊绒的化学性能 山羊绒对碱和热反应性比羊毛敏感，在碱浓度较低和温度较低的情况下，羊绒纤 维损伤就比羊毛纤维大。在耐酸方面，山羊绒较羊毛更耐酸，经浓酸处理后，羊毛的 强力、伸长率损伤均高于山羊绒。在染色性能方面，山羊绒较羊毛纤维容易染色， 染色温度低于羊毛纤维，较细羊毛低2 0 左右，在7 0 8 5 。c 上色率最高，而细羊毛在 9 5 以上上色率最高。 1 3 山羊绒纤维染色机理 1 3 1 染色上染过程及作用原理 所谓染色就是用染料按一定的方法将纤维或纺织物染上颜色的加工过程，染料上 染纤维一般分为三个过程f l s a 6 ： 1 ) 染料从染液向纤维表面扩散，并上染纤维表面，这个过程称为吸附。 2 ) 吸附在纤维表面的染料向纤维内部扩散，达到染色平衡或基本平平衡，这个 过程为染料在纤维中的扩散。 3 ) 染料和纤维发生固着作用( 如活性染料，染料与纤维之间发生化学反应形成 共价键结合，而固着在纤维上) 。 染料的染色过程主要取决于染料和纤维的结构、性能以及二者之间的结合力；而 染色质量、染色速率受很多因素的影响，包括染料和助剂的结构、染色工艺条件( p h 值、温度、升温速度、保温时间等) ，若染色条件控制不当，将会影响染色成品的质 量( 色泽、匀染性、色牢度、纤维损伤等) 。 1 3 2 山羊绒染色原理及影响因素 山羊绒是一种天然蛋白纤维，其分子既含有氨基，又含有羧基，可表示为 h 2 n p c o o h 。在水中，因它的电离而具有两性离子结构：h 3 盯p c o o 。，氨基和羧 基的离解程度与p h 值有关。通过调整溶液的p h 值使山羊绒分子上的正负电荷相等，此 时溶液的p h 值为山羊绒等电点，高于或低于等电点，均会使蛋白分子内的盐式键发生 断开，肽键发生水解，尤其高温碱性条件下更易发生水解，使纤维受到损伤。因此， 各种染料在山羊绒的等电点附近染色，纤维损伤最小，才能保持山羊绒的天然特性。 染料的染色机理与山羊绒两性离子的作用有关。在强酸性染浴中山羊绒先吸附 h + ，使纤维带正电荷，匀染性酸性染料阴离子与纤维之间以静电引力作用为主；而中 性浴酸性染料在中性染浴中染色时，羊毛纤维带有负电荷，与染料阴离子之间不存在 静电引力，染料上染纤维的主要作用力为范德华力和氢键。中性染料在水溶液中成为 带负电荷的络合离子，其上染过程与酸性染料相似，染料与纤维之间能形成离子键、 7 绪论 范德华力和氢键结合；活性染料在水溶液中以阴离子形式存在，它与山羊绒纤维分子 间存在氢键、范德华力及离子键结合，吸附上染速率较快，而最终活性染料与山羊绒 固色后，形成共价键结合。 染色时必须加入适宜的染色助剂，染色助剂主要作用为改变染料在纤维上的吸 附、扩散、固着的性能。提高染料的扩散速率，促进染料分子向纤维内部转移，或改 进染色匀染性，提高染色后织物的各项牢度，保证染色产品质量。 影响山羊绒纤维染色性能的主要因素有：氨基酸残基、聚集态结构、表面电荷性 质、等电点、膨润性能、纤维细度、比表面积、耐酸碱性能、染色工艺等，对染色性 能如表1 3 所示： 表1 3山羊绒纤维结构、性能与染色的关系 项目 对染色的影响 分子结构 等电点 耐酸碱性 膨润性能 电荷性质 纤维细度 染色工艺 碱性氨基酸既含有酸基c o o h ，又含有氨基n h 2 ，因此为两性化合 物，可用酸性、中性、碱性染料染色。 p h p i 有利于酸性染料的上染；p h p i q b 性盐起促染作用。 染色中纤维会受到损伤，使强力降低，若染色条件控制不当，会造 成氨基酸的损失，山羊绒纤维较耐酸不耐碱，强酸强碱均会对纤维 造成损伤。 山羊绒纤维表面鳞片层产生蔽障作用使其膨润较差，应采用加入表 面活性剂和前处理的方法，改善其膨润性，更有利于染料扩散、渗 透，到达匀染目的。 纤维在水中的负电性大，对阴离子染料的排斥力大，不利于阴离子 染料的吸附，但在口h 大于等电点时中性电解质的促染作用更明显。 纤维越细，表面积大，可染性能好，但对光的漫反射强，表现色深。 同样浓度，山羊绒比羊毛上染快且均匀，上染率高达2 0 。 染色温度及时间对山羊绒纤维的强力及伸长影响较大，且影响成品 的色牢度及手感。 1 4 山羊绒低温染色现状 山羊绒与羊毛同属于动物蛋白纤维，有许多相似的物理化学性质。山羊绒传统染 色工艺也是采用高温沸染色工艺，这种工艺不仅耗能大，而且引起山羊绒泛黄，损伤 增大，进而影响产品的品质。因此，研究和开发山羊绒低温染色方法对节能和提高绒 8 1 绪论 产品的质量具有特殊意义。 山羊绒在低温下染色的困难在于难以获得满意的染色速率和牢度，所以要降低染 色温度，必须选择一种合适的染色助剂。国内外曾研究和应用的低温染色方法主要有 尿素法、蚁酸法、稀土染色法、有机溶剂法、预处理法和酶处理法等，由于成本高、 污染重等原因使得应用范围受到限制。目前常用的低温染色方法主要是表面活性剂 法，即用1 种表面活性剂或几种不同的表面活性剂拼混，作为低温染色助剂使用。 低温染色助剂的主要功能为：其首先作用于山羊绒的表面鳞片，打开羊绒纤维内 部的二硫键及部分肽键，使染料上染的屏障被破坏；其次，其对羊绒纤维具有溶胀 作用，使羊绒在较低的温度区间就发生膨胀，利于染料扩散进入纤维内部，将上染 温区前移；再次，低温染色助剂对染料有助溶作用，降低染料的聚集度，利于染料 扩散到纤维内部；此外，其能带动染料吸附到纤维的表面，在纤维外表形成一层染 料吸附层，增大染料向纤维内部扩散速率；因此利用低温助剂特殊作用，提高染色 速率，使低温染色达到高温染色的效果，实现低温染色。 低温染色助剂应具有以下功能： 1 ) 有较高的降低表面张力的效率和效能，以便使染色介质水容易浸润羊绒 纤维表面，使溶液中的染化药剂容易靠近或被羊绒纤维表面所吸附。 2 ) 低温染色助剂应有较好的净洗、乳化作用，便于去除纤维表面的油脂、污垢， 更加均匀、充分地接触纤维表面。 3 ) 对染料有足够的解聚作用，以便染料向纤维内部扩散。 4 ) 对羊绒纤维和染料有适宜的亲和力，以利于携带染料被羊绒大量吸附。 5 ) 能改变纤维表面的电荷状况，提高e 电位，以便染料阴离子被羊绒表面吸附。 6 ) 分子结构大小适宜，易于进入羊绒纤维内部，且由于它的进入，浸润了孔穴 的内表面，携带的水分子能够使纤维膨化，为染料的扩散创造有利条件。 7 ) 有足够的匀染作用，能有效防止染色疵病。 8 ) 染浴中使用的各种染化药剂有良好的相容性。 9 ) 使用稳定性好，温度变化时，使用性能不改变。 国内卢晓燕、薛广洲【j 7 】等用活性染料、金属络合酸性染料、媒介染料使用低温 助剂x g 2 对羊绒低温染色工艺进行了探讨；中国纺织建设规划院的郭宏钧、华珊【l 8 】 用酸性媒介染料、弱酸性染料、兰纳素染料、兰纳洒脱染料，选择国产低温促染剂 w l d 对羊绒低温染色工艺进行研究，试验和生产实践表明，羊绒在8 0 8 5 实现了染 色，成品的色光和色牢度与常规染色工艺基本相同；内蒙古鹿王羊绒集团公司的韩敏、 刘永【1 9 j 利用英国i c i 公司研制的羊毛低温染色助剂稳尔速对羊绒纤维及产品进行低温 染色，实现羊绒纤维在8 8 c 的低温染色，这些研究表明只对山羊绒纤维的染色工艺探 讨，而没有进一步对它内部结构与性能的影响进行探讨。目前国内、外也主要对羊绒 9 1 绪论 低温染色的工艺有一些报道，对羊绒低温染色后它的结构和性能的变化却鲜有报道。 1 5 本文研究的意义与主要研究内容 1 5 1 研究的意义 综上所述，我国山羊绒产量、质量居世界首位，我国山羊绒工业在产品开发上研 究较多，也取得了较快的发展。但是山羊绒制品加工技术与世界先进国家的差距主要 在加工、整理方面。因此提高我国山羊绒制品加工、整理水平，是目前山羊绒工业的 工作重点。 山羊绒纤维采用低温染色工艺，对其手感、光泽、鲜艳度有明显改善；提高了山 羊绒单纤维的强力，单纤维强力的提高可使纺纱断头率下降，提高纺纱制成率和编织 生产效率，显著减少纱疵；可以改善织物的外观质量，提高织物的整体强力，使织物 的内在质量得到改善，延长了织物的穿着时间；扩大羊绒针织品组织结构和花型的变 化潜力，从根本上提高了产品的附加值：同时还可以节约能源，降低了生产成本。 山羊绒纤维低温染色工艺主要采用不同的染色低温助剂来实现，然后对低温染色 和常规染色的摩擦牢度、皂洗牢度、水洗牢度、汗渍牢度等物理性能作了比较。国内 外关于山羊绒纤维结构对染色性能的影响以及山羊绒低温染色后它的物理和化学性 能变化还没有详细报道2 3 1 ，所以对山羊绒等特种动物纤维的基础性研究远没有羊毛 广泛及深入【”】。 本文通过实验较深入地研究山羊绒纤维常规染色工艺和低温染色工艺对山羊绒 纤维的性能和结构的影响，为山羊绒纤维染色提供理论依据。 1 5 2 研究的主要内容 1 ) 研究山羊绒纤维低温染色工艺。利用正交实验对山羊绒纤维的常规染色工艺 和低温染色工艺的助剂用量、保温时间和保温温度进行优化选择，确定山羊绒纤维浅 色、中色、深色的最佳低温染色工艺； 2 ) 探讨低温染色对山羊绒纤维物理性能的影响；探讨染色温度对山羊绒长度、 细度的影响；测试常规染色工艺和低温染色工艺对山羊绒物理性能和染色牢度的效 果。 3 ) 探讨低温染色对山羊绒纤维结构与性能的影响。采用扫描电镜观察山羊绒在 常规染色工艺和低温染色工艺条件下的纤维表面外观；利用x 射线衍射测量山羊绒纤 维相对结晶度的变化；利用红外光谱仪测试山羊绒纤维内部官能团的变化；利用拉曼 光谱分析染色后对山羊绒纤维内部化学组成的影响。 1 0 2 羊绒纤维低温染色工艺的研究 2 羊绒纤维低温染色工艺的研究 2 1 羊绒纤维常规染色工艺的确定 2 1 1 染料与助剂选择 由于山羊绒纤维由致密的鳞片层和发达的皮质层构成，且羊绒纤维较细，所以在 染色时纤维与纤维之间的距离相对小，阻碍染料对纤维的吸附和向内部扩散，渗透比 较困难。根据羊绒纤维的结构性能和特点，通过试验和筛选，选择了色泽好、色牢度 高，并符合工艺技术条件的弱酸性染料一普拉染料和它的配套助剂m b e g a ls e t 。 a 1 b e 出s e t 为两性表面活性剂，对羊绒和染料均有亲和力，在染色开始阶段， m b e g a ls e t 和染料分子相互作用，形成胶束，把染料分子包围起来，同时，a l b e g a ls e t 优先占据纤维上染座，但由于染料分子与羊绒纤维的亲和力大于染料与a l b e gs e t 的 亲和力，也大于a l b e g a ls e t 与羊绒纤维的亲和力，因此，随着染色过程的进行，染料 分子逐渐“逃出”胶束与羊绒纤维结合，起到匀染作用2 6 1 。 本实验染料选用普拉黄g n 、普拉艳蓝i 认w l 、普拉艳红b 。 2 1 2 实验材料、药品及仪器、测试方法 1 ) 实验材料：选用内蒙古伊蒙地区的羊绒纤维，平均长度为3 2 m m ；平均细度 为1 5 2 帅； 2 ) 实验仪器和实验用化学试剂分别见表2 1 和表2 2 。 表2 1 实验用仪器 实验药品规格 制造厂家 2 羊绒纤维低温染色工艺的研究 3 ) 测试上染率的方法： 依据所用染料颜色的最大吸收波长范围，选择不同的吸收波长值测量一系列相应 的吸光度( 保证其吸光度的测定值在0 1 0 7 之间) 。以波长为横坐标，吸光度为纵坐标， 绘制光谱吸收曲线。在吸光曲线上得出最大吸光度所对应的波长即最大吸收波长。在 最大吸收波长下测定染前染液的吸光度和残液的吸光度。 上染率( e ) 采用残液比色法测定，染液的吸光度在7 2 2 型分光光度仪上测定， 采用l c m 的比色皿，e 按以下公式计算： e = 等器划一鲁m o o 其中：a 广为残液稀释n 倍的吸光度； a 0 - 一为染色原液稀释n l 倍的吸光度 2 1 _ 3 常规染色配方和染色工艺曲线 为了实验的可比性，选取了普拉艳红b 、普拉黄g n 、普拉艳蓝r a w l 三种颜色 相互拼色，得到浅色、中色和深色三种颜色，染色配方见表2 3 。 表2 3 浅色、中色、深色染料配方( o w f ) 根据厂家推荐，普拉染料染羊绒染色温度为9 8 c ；保温时间约为5 0 , - - 7 0m i r a 助 剂a l b e g a ls e t 用量为o 5 一2 ；冰醋酸用量1 0 o - - 5 。通过正交实验确定最佳保温 时间和助剂的用量。 由于羊绒表面具有鳞片层，当温度高于4 0 时，鳞片层才能充分打开，才有利于 染料上染纤维，所以确定入染温度为3 5 c ，浴比为3 0 - l 。 a 、正交实验选择浅色的助剂用量和保温时间 1 ) 普拉染料染浅色羊绒的推荐助剂a l b e g a ls e t 用量为1 一2 ；冰醋酸用量 1 屯。正交实验因素见表2 - 4 。 表2 - 4 正交实验因素与水平 2 羊绒纤维低温染色工艺的研究 2 ) 正交实验结果见表2 5 表2 5 实验结果 从表2 5 可以看出对上染率显著影响因素顺序：a l b e g a ls e t 的影响最大，保温时 间次之，最后是冰醋酸，因此最优工艺为：a l b e g a ls e t 取第2 水平l j l 1 5 ( o w 0 ；保温 时间取第3 水平即7 0 m i n ；冰醋酸取第2 水平即1 5 ( o 、哟。 确定常规浅色产品染色最佳工艺曲线见图2 1 和最佳染色配方。 浅色产品最佳染色配方： 普拉艳红b ：o 1 o w l 普拉黄g n ：o 1 o w l 普拉艳蓝r a w l ：o 0 5 o w l 冰醋酸：1 5 o w f a l b e g a ls e t , 1 5 o w l 2 羊绒纤维低温染色工艺的研究 3 5 助染 剂料 图2 1常规浅色染色工艺曲线 b 、正交实验选择中色助剂用量和保温时间 1 ) 普拉染料染中色羊绒纤维的推荐助剂a l b e g a ls e t 用量为0 5 。o , - - 1 5 ；冰醋酸 用量2 - - 4 。正交实验因素与水平见表2 - 6 ，正交实验结果见表2 7 。 表2 6 正交实验因素与水平 从表2 - 7 可以得出上染率显著影响因素顺序：冰醋酸最大，保温时间次之，然 后是a l b e g a ls e t 。所以最优工艺为冰醋酸选第3 水平即4 o w f , 保温时间选第3 水 平即7 0 m i n ，a l b e g a ls e t 选第2 水平即1 o w f 。确定常规中色染色最佳工艺曲线见图 2 2 和最佳中色染色配方。 最佳中色产品染色配方： 普拉艳红b - 0 7 o w f 普拉黄g n ：o 2 o w f 普拉艳蓝r a w l ：0 1 o w f 冰醋酸：4 o w l a l b e g a ls e t ：1 o w f 2 羊绒纤维低温染色工艺的研究 3 5 助染 剂料 图2 2 常规中色染色工艺曲线 表2 7正交实验结果 c ) i e 交实验选择深色助剂用量和保温时间 正交实验方法与选择浅色、中色染色工艺曲线染色配方相同，得出常规深色染色 最佳工艺曲线见图2 3 和染色配方。 最佳深色产品染色配方： 普拉艳红b ：2 o w l 2 羊绒纤维低温染色工艺的研究 普拉黄g n ：l o w f 普拉艳蓝r a w l ：0 5 o w f 冰醋酸：4 5 o w f a l b e g a ls e t ：0 5 o w f 3 5 助染 剂料 图2 - 3常规深色染色工艺曲线 2 2 羊绒纤维低温染色工艺的确定 2 2 1 低温染色助剂的选择 山羊绒纤维和羊毛纤维的结构相似，它t f f j j l - 表存在疏水性的皮质层和致密的鳞片层， 阻碍了染料对羊绒的吸附和向内扩散，因此山羊绒染色一般在9 8 即沸腾的水溶液中进 行，这样可提高染料的扩散速率。但高温长时间煮沸不仅消耗大量的能源，而且会使山 羊绒纤维泛黄，影响可纺性、手感、光泽、鲜艳度，破坏它们卓越的天然风格。 山羊绒低温染色可使山羊绒纤维损伤降低，是山羊绒染色的发展方向，但山羊绒低 温染色将影响染料的上染率，因此在羊绒低温染色过程中加入相关助剂，以提高其相应 的染色性能。 山羊绒低温染色工艺是在初染阶段加入低温染色助剂，对山羊绒进行预处理。低温 染色助剂对山羊绒具有润湿、渗透、膨化f 低温助剂中含有与羊绒配伍性很好的吸水性基 团，可使羊绒的亲水性进一步增强，促使纤维膨化，从而有利于染料在纤维内扩散) 作用， 能改变山羊绒的外层结构，有利于染料的吸附和扩散【27 】；低温染色助剂中的酰胺与染料 分子发生氢键蒂合，也能与水分子发生氢键蒂合，从而减少染料分子间的聚集，增加了 染液中与吸附在纤维上染料浓度梯度，使其扩散速率加快【2 卅；在染料向纤维内部扩散的 同时，分散在染液中的染料迅速补充，吸附到纤维表面，从而提高了染料的上染速率， 也能促使山羊绒表面鳞片胶质被染液润湿，降低表面负电荷，染色性能在7 0 9 0 c 之间完 】6 2 羊绒纤维低温染色l 艺的研究 之间完成 2 9 3 御。 根据山羊绒纤维的特性，我们选择了我校自制的山羊绒低温染色助剂，它能与羊绒 纤维上的活性醛基产生氢键引力，对染料有很好的增溶解聚作用，能提高羊绒纤维的吸 酸值；同时对羊绒有很好的溶胀膨化作用。在染色初期染料分子稳定的吸附分散，当温 度达到7 0 9 0 。c 时，染料分子就不断从低温染剂所含有的表面活性剂胶团内释放出来， 通过盐式键与羊绒纤维稳定结合，达到低温染色的目的。 国产硫酸铵可替代配套助剂a l b e g a ls e t 作为匀染剂，且具有更高的平衡上染率， 其染色牢度均能达到原普拉染料要求标准，所以在山羊绒低温染色时，选择硫酸铵作 为匀