锦纶的染色和抗紫外一浴加工

李娟,蔡沫杭,郭金爱,陆辉,曹机良

(河南工程学院材料与化学工程学院,河南郑州450007)

21世纪以来，人们的生活改善很多，对生活的品质也提高了要求，对衣食住行的品质要求达到了一个新阶段[1-2]。人们对穿衣的要求不再是“衣能蔽体”，人们不仅要求衣物舒适美观，更要求其能有效保护人体不受外在因素损伤[3-4]，并同时保持其鲜亮的颜色。锦纶是夏季常用服饰面料可以作为防晒服使用，但锦纶大分子对热和光较敏感，耐热和耐光稳定性差，使用过程中它的强力损失很大[5-6]。经紫外线防护整理后可减缓锦纶纤维的老化速度，提高其耐光牢度，同时又能达到保护人体皮肤的目的[7-8]。然而传统锦纶的染色和抗紫外防护整理工艺流程长，不利于节能减排。而锦纶的染色和紫外线防护整理一浴加工缩短了工艺流程，提高了生产效率，且当前经染色和紫外线防护整理是锦纶防晒衣等面料必须进行的染整加工。

鉴于上述考虑，本课题采用结构类似酸性染料的紫外吸收剂HMBS和酸性红MZ-2B用于超细锦纶织物的染色和紫外线防护整理一浴加工，以期为锦纶防晒服面料的短流程染整加工生产提供借鉴。

1　实验

1.1　材料与仪器

1.1.1材料

织物：锦纶织物(40D，40g/m2，UPF=11.29)。

紫外线吸收剂：2-羟基-4-甲氧基-5-磺酸基二苯甲酮(分析纯，阿拉丁工业公司)，化学结构式如图1所示。

图1　HMBS化学结构式

其它化学品：pH缓冲溶液(实验室自制)、氯化钠(分析纯，天津市德恩化学试剂有限公司)、十二烷基苯磺酸钠(阴离子型表面活性剂，天津市科密欧化学试剂开发中心)、标准合成洗涤剂(上海市纺织技术监督管理局)、合成单宁(工业品，阴离子型固色剂)、CWF-HC(工业品，阳离子型固色剂)、酸性红MZ-2B染料(上海安诺其纺织化工股份有限公司)。

1.1.2仪器

JJ2000电子天平(常熟市双杰测试仪器厂)，IR-24S红外线染色机(上海一派印染技术有限公司)，UV-2000F纺织品紫外线防护测试仪(美国蓝菲光学)，TU-1901紫外-可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)，RO-Z2400振荡式常温常压染样机(上海一派印染技术有限公司)，CE 7000A测色配色仪(美国X-Rite爱色丽)。

1.2　实验方法

1.2.1染色方法

在红外线高温高压染色机内对锦纶进行染色和紫外线防护整理一浴加工，锦纶1g，浴比1：100，pH缓冲液调节pH值，30℃入染，先以2℃/min升温至50℃再以1℃/min升至染色温度，分别在不同的染料用量，HMBS，pH，温度，NaCl，时间条件下处理，结束后将锦纶水洗，烘干。

1.2.2固色方法

在振荡式常温常压染色机内已经完成染色和抗紫外整理后的锦纶进行固色。锦纶1g，浴比1：100，pH缓冲液调节pH值，在染样机升温至60℃时加入锦纶进行40min的固色处理。固色结束，将锦纶水洗，烘干。

1.3　测试方法

1.3.1织物紫外线防护性能测试

实验样品采用UV-2000F紫外线防护测试仪依据AS/NZS4399-1996《日光防护服 评定和分组》测试织物的UVA和UVB的透过率和紫外线防护因子UPF。

1.3.2K/S值的测试

本实验是在D65光源、10°视场角下，通过CE7000A染料纺织品测色配色系统测试染色织物的K/S值，每个试样测量4次，取平均值。

1.3.3耐洗性测试

待振荡式常温常压染样机升温至40℃，把锦纶织物投入含有4g/L标准合成洗涤剂的锥形瓶中进行振荡式洗涤，在经过10min，30min，50min，100min，200min，300min后用蒸馏水洗涤烘干，然后参照织物紫外线防护性能测试进行UPF的测定。

2　结果与分析

2.1　染料用量对锦纶紫外线防护性能的影响

图2和图3为HMBS 0或2%owf，pH 3，95℃染色60min后锦纶的抗紫外测试和K/S值的测试结果。从图2可以看出随着染料用量的增加，锦纶织物的紫外线防护系数UPF增加，即织物的抗紫外线效果加强，不加HMBS试剂时随着染料量的增加其性能也加强，可以看出锦纶上染料量的增多也会提高其抗紫外线性能。实验结果表明，HMBS的加入可以有效的提高锦纶织物的抗紫外线性能，但是因为在酸性条件下聚酰胺上的氨基会与氢离子结合形成氨基正离子，这时溶液中带有负电荷的染料和同样带有负电荷的紫外吸收剂就会与铵离子结合，且聚酰胺上的氨基有限，所以紫外吸收剂和酸性染料之间就出现了“竞染”，即导致锦纶的颜色有所减弱。对于本实验的锦纶用酸性红MZ-2B染色后，从图中可以看出随着染料用量的增加锦纶的抗紫外性能也越好，而当染料用量小于0.5%owf时织物需要进行紫外线防护整理，故本课题针对的是锦纶织物浅色染色抗紫外一浴整理。染料用量定为0.3%owf。

图2　染料用量对UPF、T[UVA]、T[UVB]的影响

图3　染料用量对K/S值的影响

2.2　HMBS用量对锦纶紫外线防护性能的影响

图4和图5为酸性红MZ-2B 0或0.3%owf，pH 3，95℃染色60min后锦纶的抗紫外测试结果，和对K/S值的影响。图4中加入染料后的锦纶织物抗紫外性能稍高于未加染料的锦纶织物，染液中加入染料后，其HMBS浓度不变，但锦纶在吸收HMBS离子时会同时吸收酸性红MZ-2B染料，因为染料分子同样有一些紫外线防护功能，从图4也可以看出加入HMBS后对有无染料的锦纶抗紫外性能都有很大的提升。因此加入染料后与HMBS共同作用织物的抗紫外线性能便高于单纯的HMBS整理。

图4　HMBS用量对UPF的影响

从图5也可以看出，紫外线吸收剂HMBS浓度对锦纶吸附酸性红MZ-2B染料影响并不是很大，因此在整理中选择HMBS的浓度时主要的依据还是HMBS的吸附程度，染料影响不大，HMBS用量为2%owf时锦纶的UPF达到50+，具有优良的紫外线防护性能。

图5　HMBS用量对K/S值的影响(MZ-2B 0.3%owf)

2.3　pH对锦纶紫外线防护性能的影响

图6和图7为酸性红MZ-2B 0.3%owf，HMBS 2%owf，95℃染色60min，pH改变对锦纶抗紫外和K/S值的影响。从图中可以看出随着pH值的增大，锦纶纤维的抗紫外线系数UPF降低，紫外线透过率升高，而染色后锦纶的K/S值也随之降低。当pH值在2～4之间时UPF和K/S值都较高，即锦纶织物抗紫外线性能较好。但当pH值大于4时，锦纶织物UPF和K/S大幅度降低，可以看出pH对HMBS吸附和酸性红MZ-2B的上染都有很大的影响。这是由于锦纶为两性纤维，当染液的pH值低于等电点时，其表面呈正电性，此时锦纶与HMBS和酸性红MZ-2B染料的负离子之间主要以离子键方式相结合，但同时也可以以范德华力和氢键的方式结合[9]。但当pH高于等电点后，锦纶纤维表面呈负电性，与HMBS和酸性红MZ-2B染料的负离子之间只能以范德华力和氢键结合，亲和力不足，吸附量减少，抗紫外线效果降低。而因为酸性红MZ-2B是酸性染料，在酸性条件下上染率较高，综合来看，pH值选择在2～4更合适。

图6　pH对UPF、T[UVA]、T[UVB]的影响

图7　pH值对K/S值的影响

2.4　温度对锦纶紫外线防护性能的影响

图8和图9为酸性红MZ-2B 0.3%owf，HMBS 2%owf，pH 3，染色温度改变对锦纶抗紫外和K/S值的影响。随着温度的升高，锦纶纤维的抗紫外线系数UPF和表面色深度值K/S值都大幅上升。这是由于，锦纶纤维是疏水性的纤维，在温度高于锦纶纤维玻璃化温度时，锦纶纤维吸湿膨胀，无定形运动剧烈，纤维间空隙增大，更利于HMBS和酸性红MZ-2B离子进入锦纶纤维内部[10]。这不仅会提高HMBS整理后锦纶的抗紫外线性能，达到更好的保护效果，染色锦纶的鲜艳度也得到改善，提高了锦纶纤维的服用性能，因此在锦纶的染色和HMBS抗紫外线整理中温度最好在90 ℃以上。

图8　染色温度对UPF、T[UVA]、T[UVB]的影响

图9　染色温度对K/S值的影响

2.5　NaCl对锦纶紫外线防护性能的影响

图10和图11为酸性红MZ-2B 0.3%owf，HMBS 2%owf，pH 3，95℃染色60min，NaCl用量对锦纶抗紫外和K/S值的影响。由图可以看出随着NaCl的加入，锦纶纤维的抗紫外线系数UPF和表面色深度值K/S值都降低，说明NaCl的加入起到缓染作用，这是因为酸性条件且pH在等电点以下时，锦纶表面带正电荷，可与HMBS离子及染料离子形成离子键，而加入NaCl会降低两者间的静电引力[11]。另一方面，NaCl的加入会降低染液中HMBS和酸性红MZ-2B离子的流动性，不利于HMBS和酸性红MZ-2B离子在锦纶上的上染。因此，在锦纶的染色抗紫外一浴整理中无需加入NaCl。

图10　NaCl对UPF、T[UVA]、T[UVB]的影响

图11　NaCl对K/S值的影响

2.6　时间对锦纶紫外线防护性能的影响

下页图12和图13为酸性红MZ-2B 0.3%owf，HMBS 2%owf，pH 3，染色时间对锦纶抗紫外性能和K/S值的影响。随着温度的升高，锦纶的抗紫外线系数UPF值呈现增加趋势，从下页图12可以看出，当染色温度在90 ℃以下，时间少于60 min时，锦纶织物UPF值迅速增大，染色锦纶的表观色深度K/S也迅速增加。而直至温度上升至95 ℃，保温60min，抗紫外线系数UPF已基本不再大幅的提高，而锦纶织物的K/S值则更早的趋向平衡，说明酸性MZ-2B染料上染锦纶非常的迅速，因此两者共同使用时因根据HMBS的吸附确定吸附的时间。

图12　染色时间对UPF、T[UVA]、T[UVB]的影响

图13　染色时间对K/S值的影响

2.7　固色工艺对耐洗性的影响

不同固色工艺整理后的锦纶织物的耐洗性如图14。随着水洗次数的增加，织物的抗紫外线系数UPF逐渐降低，尤其是在洗涤次数5次以内降低更快。其耐洗性规律与不含染料是一致。对比固色的锦纶纤维和不固色的锦纶纤维的耐洗性，可以看出固色后的锦纶织物洗涤后虽然UPF值降低，但其值仍然大于未固色的锦纶纤维，可以看出对锦纶固色可以提高其抗紫外线性能。固色剂的原理是在织物表面形成一层保护膜，从而达到固色目的。从图14中可以看出，仅单用一种阳离子型固色剂或一种阴离子型固色剂形成的保护膜不稳定，耐水洗效果不好。然而先用阴离子型NBS再用阳离子型CWF-HC固色，则由于紫外吸收剂和染料均为带负电荷的基团所以会与NBS产生排斥，生成的保护膜不如先阳离子型CWF-HC后阴离子型NBS保护膜稳定。这种阴阳离子交替排列的保护膜可以最大程度的结合在锦纶织物的表面并保护锦纶的颜色和抗紫外性能。

图14　固色工艺对UPF的影响

3　结论

(1)锦纶的最佳染色和紫外线防护整理工艺：当酸性红MZ-2B 0.3%owf，HMBS 2%owf，pH 3，95℃染色60min不加NaCl时锦纶的UPF可以达到53，且对锦纶的K/S影响较小。

(2)最佳固色工艺：实验研究表明先用阳离子型固色剂CWF-HC 4g/L，pH 3，60℃固色40min再阴离子型NBS 4g/L，pH 3，60℃固色40min后锦纶经过30次洗涤后UPF仍在35以上。

(3)锦纶的染色抗紫外整理一浴加工缩短了工艺流程有利于节能减排，且该工艺适用于夏季防晒外套及其它浅色纺织品防晒整理。

[1]白仕婧, 陈传埔, 孙英男, 等. 电纺GO/纤维素纳米复合膜的性能研究及分析[J]. 成都纺织高等专科学校学报, 2017, 34(04): 106-109,141.

[2]王妍, 杨孟楠, 马志媛, 等. 蒲黄对蚕丝的染色和抗紫外性能[J]. 成都纺织高等专科学校学报, 2017, 34(03): 105-109.

[3]陆先权. 锦纶染色工艺[J]. 印染, 2001, 27(8): 20-23.

[4]蒋银燕, 吴一微, 张海丽. 浊点萃取与光度法联用测定防晒霜中的2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸[J]. 分析科学学报, 2008, 24(1): 79-81.

[5]周向东，陈迎春，蒲泽佳，等.锦纶用耐久性阻燃剂的合成与应用[J].成都纺织高等专科学校学报，2016(1)：37-41.

[6]管宇, 冒亚红. 八聚乙烯基倍半硅氧烷改性分散染料对芳纶纤维抗紫外染色[J]. 成都纺织高等专科学校学报, 2017, 34(01): 13-20.

[7]杨洋, 习智华, 李文燕, 等. 棉织物抗紫外整理工艺及测试标准的研究[J]. 成都纺织高等专科学校学报, 2016, 33(04): 33-36.

[8]王延伟,曹机良,孟春丽,等. 紫外吸收剂对锦纶的吸附性能探讨[J]. 染整技术,2016,38(07):50-54.

[9]Thanuki P N, Singh R P. Photostabilization of nylon 66 in presence of acid blue dyes[J]. Polymer Degradation and Stability, 2002, 75(3): 423-430.

[10] Rubino M, Netramai S, Auras R, etal. Effect of chlorine dioxde gas on physical, thermal, mechanical, and barrier properties of polymeric packaging materials[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2010, 115(5): 1742-1750.

[11] OKada Y, Hihara T, Morita Z. Photofading of phenylazo-aniline, pyridone and quinolone disperse dyes on a nylon 6 substrate[J]. Coloration Technology, 2009, 125(2): 86-98.