棉纤维阳离子化的简易定量检测方法

王梦琴， 王树根

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122)

棉纤维阳离子化的简易定量检测方法

王梦琴， 王树根

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122)

针对目前棉纤维阳离子改性时改性程度的盲目性问题，建立了一种简单有效的定量检测棉纤维阳离子化程度的方法。采用结构简单的单阴离子酸性染料对阳离子化棉纤维上染，酸性染料在阳离子化棉纤维的吸附符合Langmuir型吸附，纤维染色饱和值精确对应了改性后棉纤维上阳离子的摩尔数量。研究得出，利用酸性黄36和酸性橙7这2种酸性染料定量测定棉纤维阳离子化程度时，因染料结构不同产生的误差仅为0.8%，因仪器不同测试误差仅为1.2%。结果表明，这种新的简易定量检测方法有效可行，准确度高。

棉纤维； 阳离子化； 酸性染料； 吸附等温线

棉纤维接枝阳离子基团是活性染料无盐染色的一种有效方法[1-2]，在涂料染色中也有广泛应用[3]。棉纤维阳离子化程度检测的研究很多，一般用含氮量(凯式定氮法[4])、Zeta电位和K/S值来表征阳离子改性程度[5-7]，但是由于接枝到纤维上的阳离子量较少，使用凯式定氮法操作繁杂，准确度不高；Zeta电位和K/S值不能直接表征纤维上的阳离子数量。本文提出定量检测棉纤维阳离子化程度的新方法：选用结构简单的单阴离子酸性染料上染阳离子化的棉纤维，阴离子染料在阳离子化纤维上的吸附属于Langmuir型吸附[8]，通过测定染料吸附等温线计算纤维染色饱和值，经换算得到纤维上阳离子的量。本文还用不同染料、不同仪器检验了该方法的可行性，为定量检测纤维阳离子化程度提供了一种简便准确的测定方法。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

材料： 纯棉织物半制品(27.8 tex × 27.8 tex，425根/10 cm × 228根/10 cm)；3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTAC)(杭州银湖化工有限公司)；氢氧化钠(NaOH，国药集团化学试剂有限公司)；精制酸性黄36、精制酸性橙7(天津市大邱庄宏达化工有限公司)。

仪器：α-1101型可见光分光光度计(上海谱元仪器有限公司)，UV-2450型紫外光分光光度计(岛津仪器苏州有限公司)，UV-1800型紫外光分光光度计(苏州贝锐仪器科技有限公司)，HH-6型数显恒温水浴锅(江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司)，L-24A-1型数显恒温振荡水浴锅(厦门瑞比精密机械有限公司)。

1.2 实验原理

棉纤维阳离子化处理：3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTAC)在碱性条件下接枝到棉纤维[9]：

阳离子化处理后，纤维上形成了阳离子染座。当用结构简单的单阴离子酸性染料对阳离子化棉上染时， 染料主要以静电引力上染纤维。 纤维上的1个阳离子染座仅与1个单阴离子染料分子结合，当所有的“阳离子染座”都吸附了染料时，吸附达到饱和，根据染色饱和值可按等摩尔吸附计算得到纤维上阳离子染座的数量。

表1 工作曲线的线性回归方程式Tab.1 Linear regression equation of working curve

选用的2种染料为：酸性黄36，相对分子质量为375.38；酸性橙7，相对分子质量为350.32。结构式如图1所示。

图1 酸性黄36和酸性橙7的结构式Fig.1 Structure of Acid Yellow 36 (a) and Acid Orange 7 (b)

染料酸性黄36与酸性橙7 通常用于羊毛染色，染料分子结构简单，对棉直接性很低，可认为只能通过静电引力上染阳离子化的棉，仅只在每个阳离子中心发生1个染料分子的等摩尔上染。

1.3 实验方法

1.3.1 棉纤维阳离子改性预处理

纯棉织物半制品阳离子改性处理条件[10]： CHPTAC 20 g/L，NaOH 10 g/L，[m(NaOH)：m(CHPTAC)=2.35∶1]，浴比1∶30。充分水洗，去除未接枝的改性剂。

1.3.2 阴离子染料上染

1)染料溶液的吸光度工作曲线：配制质量浓度为8、10、12、14、16、20 mg/L酸性黄36染料溶液和酸性橙7染料溶液。用α-1101可见光分光光度计、UV-2450紫外光分光光度计和UV-1800紫外光分光光度计测定最大吸收波长下的吸光度，根据公式A=KC+b，得到线性回归方程，K为比例常数，b为截距。用于后续检测时确定残液中染料质量浓度。式中C为染料溶液质量浓度，mg/L。

2)染色：精制酸性黄36和精制酸性橙7的质量分数分别为5.5%、8.3%、11.0%、13.8%、16.5%、19.3%、22.0%、24.8%、27.5%、30.3%。浴比为1∶40，中性条件下对阳离子化棉纤维进行振荡上染4.5 h，测定染料上染量。

2 结果与讨论

2.1 染料吸光度工作曲线

测定了染料酸性黄36和酸性橙7在不同仪器上的吸光度-染料浓度工作曲线，线性回归方程式如表1所示，用于确定残液中的染料质量浓度。

表1结果表明，标准曲线方程线性相关度高，相关系数R2均在0.999以上。

2.2 酸性黄36上染阳离子化棉纤维

酸性黄36上染完成后，分别测定残液在3台分光光度计上的吸光度，并根据工作曲线线性回归方程式确定残液中的染料量，计算酸性黄36在改性棉织物上的染色参数，结果见表2，得到等温吸附线。采用α-1101可见光分光光度计测定不同染料初始浓度条件下，染色吸附等温线qe与ce的关系，如图2所示。

表2 酸性黄36在改性棉织物上的染色参数Tab.2 Dyeing parameters of Acid Yellow 36 on modified cotton fabric

注：ce为染色达到平衡时染液中染料的质量浓度；qe为染色达到平衡时纤维上染料的质量浓度。

图2 qe与ce关系曲线图Fig.2 Curve relationship between qe and ce

由图可知，纤维上染料质量分数随染液初始染料质量分数的增加而增加，最终达到平衡，纤维上的染料质量分数不再随染料用量增加而变化。说明酸性染料上染阳离子化棉纤维符合Langmair型吸附。

分别采用Langmuir模型(式(1))和Freundlich模型(式(2))对实验数据进行线性回归分析。

Langmuir型吸附公式：

(1)

Freundlich型吸附公式：

lgqe=lgK2+nlgce

(2)

式中：K为Langmuir型等温线模型的常数，L/mg，[S]f为染色饱和值，mg/g；K、n为Freundlich常数。

依据式(1)得到线性回归方程式

ce/qe=2.168 7+0.125 63ce

(3)

(R2=0.999 7)

依据式(2)得到线性回归方程式

lgqe=0.478 9+0.159 84ce

(4)

(R2=0.884 8)

结果表明阴离子染料上染阳离子化棉纤维的吸附类型符合Langmuir型吸附等温曲线。该条件下的染色饱和值为

类似的，UV-2450测定得到的线性回归方程为

ce/qe=2.295 4+0.128 69ce

(5)

(R2=0.999 6)

UV-1800测定得到的线性回归方程为

ce/qe=2.279 03+0.128 80ce

(6)

(R2=0.999 6)

结果表明，酸性黄36在相同阳离子化程度的棉纤维上吸附测试结果一致。

2.3 酸性橙7上染阳离子化棉纤维

采用染料酸性橙7检验本文的测试方法，在棉织物上的染色参数见表3。

作出酸性橙7的吸附等温线，用Langmuir模型处理数据得线性回归方程式。采用α-1101可见光分光光度计得到方程式

表3 酸性橙7在改性棉织物上的染色参数Tab.3 Dyeing parameters of Acid orange 7 on modified cotton fabric

ce/qe=0.837 85+0.131 65ce

(7)

(R2=0.999 6)

采用UV-2450可见光分光光度计得到方程式

ce/qe=0.589 84+0.137 80ce

(8)

(R2=0.999 7)

采用UV-1800可见光分光光度计得到方程式

ce/qe=0.664 69+0.137 98ce

(9)

(R2=0.999 7)

结果同样证明该阴离子染料对阳离子化棉的吸附符合Langmuir型吸附，染色饱和值的不同是由于染料结构不同造成的。

2.4 纤维上阳离子数量的计算

根据以上染色饱和值，通过染料分子量计算纤维上阳离子的量，结果见表4。

表4 改性棉纤维上阳离子的量Tab.4 Number of cationic on modified fiber

酸性黄36和酸性橙7均可作为测定阳离子化棉纤维上阳离子量的染料，2种染料在各种仪器上测定的阳离子量为每克棉2.095×10-5mol，不同仪器上测定的阳离子量与均值之间的误差均较小，约1.2%，因此，该方法减小了分光光度计对阳离子量测定造成的误差。

2种染料上染阳离子化棉纤维，酸性黄36测定的阳离子化数量为每克棉2.086×10-5mol，酸性橙7测定的阳离子化数量为每克棉2.103×10-5mol，染料结构不同产生的误差值仅为0.8%，因此，该测定方法的染料选择范围广，结构简单的单阴离子酸性染料均可用于测定改性纤维上阳离子的量。

3 结 论

结构简单的单阴离子酸性染料(酸性黄36和酸性橙7)在阳离子化棉纤维上的吸附均符合Langmuir型吸附曲线，通过线性回归方程式得到纤维染色饱和值，纤维染色饱和值精确对应了改性后棉上阳离子的量。染料结构和仪器种类和产生的误差均较小，分别为0.8%和1.2%，因此，分光光度法测定纤维上的阳离子数量具有较高的准确性。另外，该方法还具有操作简便、适用范围广等优点。

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Simple quantitative detection of cationic degree on cotton fiber

WANG Mengqin， WANG Shugen

(KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China)

In view of the blindness on the modification degree of cotton, a simple and effective method was established to quantitatively detect the degree of cotton cationization. The cationized cotton was dyed with simple acid dyes with mono anionic groups, and the adsorption of acid dyes in cationic cotton fiber conforms to the Langmuir type, so the number of the cationic charges on the modified cotton fibers was in line with the dyeing saturation value accurately. When the cationized cotton was dyed with acid yellow 36 or acid orange 7, it was found that the difference in dye structure caused an error of 0.8%, and the difference in instrument caused an error of 1.2%. Therefore, this novel simple quantitative detection method is effective and feasible, with high accuracy.

cotton fiber; cationization; acid dye; adsorption isotherm

10.13475/j.fzxb.20150404605

2015-04-24

2015-08-24

王梦琴(1990—)，女，硕士生。研究方向为新型染整技术。王树根，通信作者，E-mail：wangshugen@163.com。

TS 197

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