纯棉纱线的甲基丙烯酸丁酯改性及酸性染料染色

张 凯，杜立新，张庆法，刘德延，倪爱红，韩 晓，任纪忠

（鲁泰纺织股份有限公司，山东 淄博 255100）

棉纤维大分子链上含有大量羟基，因此棉纤维的改性一直是领域内研究的热点课题［1-3］。棉纤维的改性方法主要包括氧化［4-5］、酯化［6］和醚化［7］及接枝［8-10］等。甲基丙烯酸丁酯作为烯类单体的一种，已有研究报道其对真丝织物［11］、羊毛［12］及棉纤维［13］的改性。甲基丙烯酸丁酯改性真丝的目的是使真丝织物获得一定的接枝增重率；甲基丙烯酸丁酯改性后的棉纤维主要是用作拒水亲油的吸油材料，可应用于新能源领域。甲基丙烯酸丁酯对纯棉纱线的改性及改性前后纱线的物理性能和染色性能的变化尚无系统性研究报道。本课题重点研究了以甲基丙烯酸丁酯为单体、过硫酸铵为引发剂的纯棉纱线接枝改性工艺，并对接枝后纯棉纱线的酸性染料染色性能及物理性能进行测试分析。

1 实验

1.1 材料与仪器

织物：纯棉14.6 tex精梳纱线，筒子纱。酸性染料：多丽新坚牢红SWF-B、多丽新坚牢橙SWF、多丽新坚牢藏青SWF-G、多丽新坚牢深蓝SWF-R、多丽新黄SWF（商品化染料，德国多闻公司）。试剂：引发剂过硫酸铵，改性剂甲基丙烯酸丁酯，皂洗剂WPA、乳化剂WAM、柔软剂SPB、中和酸PHN、固色剂RO（工业级，淄博鲁瑞精细化工股份有限公司）。

仪器：AHIBA 型红外染色机（美国Datacolor 公司），DHG-9420A 型电热鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司），HD021NH-5 型电子单纱强力仪、YG-086C 型缕纱测长仪（南通宏大实验仪器有限公司），LABWIN 型筒纱染色机（香港立信染整机械有限公司），Datacolor 650 型电脑测色配色仪（美国Datacolor 公司），JCM-7000 型扫描电子显微镜（日本日立电子公司），PHS-3C 型pH 计（上海仪电科学仪器有限公司），GF-3000 型电子天平（日本A＆D 艾安得股份有限公司）。

1.2 纯棉纱线的接枝改性工艺

缕纱改性：缕纱的改性在红外染样机中进行，缕纱质量为5.0 g，改性温度为90 ℃，中和酸PHN 用量为1.0 g/L，乳化剂WAM 用量为1.5 g/L，引发剂用量为1%（对甲基丙烯酸丁酯质量），甲基丙烯酸丁酯用量为0～50.0 g/L，改性时间为10～50 min；改性结束后依次进行皂洗、柔软、烘干工序。

筒子纱改性工艺：纯棉筒子纱的接枝改性在筒纱染色机中进行，筒子纱质量为1 kg，甲基丙烯酸丁酯用量为20.0 g/L，引发剂用量为1%（对甲基丙烯酸丁酯质量），乳化剂WAM 用量为1.5 g/L，中和酸PHN用量为1.0 g/L，改性温度为90 ℃，改性时间为40 min，染色机泵速为90%；改性结束后依次进行皂洗、柔软、烘干工序。

皂洗工艺：皂洗剂WPA 2 g/L，温度95 ℃，时间10 min，皂洗2次。

柔软工艺：柔软剂SPB 3%（对纱线质量），温度60 ℃，时间20 min。

纯棉纱线的甲基丙烯酸丁酯改性工艺流程如下所示：

1.3 纯棉纱线染色工艺

文中经过甲基丙烯酸丁酯改性的纯棉纱线采用酸性染料染色，酸性染料由德国多闻公司提供，具体染色工艺如下。

染色工艺：采用缕纱测长仪将纱线纺成5 g 的绞纱，染色浴比1∶10，酸性染料染色温度98 ℃，染色时间50 min，染浴pH 为（4.18±0.10）。

皂洗工艺：皂洗剂WPA 2 g/L，温度95 ℃，时间10 min。

柔软固色工艺：柔软剂SPB 3%（对纱线质量），固色剂RO 2%（对纱线质量），温度60 ℃，时间20 min。

酸性染料的染色工艺流程如下所示：

1.4 测试

1.4.1 接枝增重率

以改性前后纯棉纱线的质量变化表示棉纱的接枝增重率，计算式如下：

其中，m0、m1分别为未改性纯棉纱线及接枝改性纯棉纱线的质量（g）。

1.4.2 回潮率

采用GB/T 9995—1997《纺织材料含水率和回潮率的测定烘箱干燥法》对改性前后棉纤维的回潮率进行测试。

1.4.3 纱线断裂强力

采用GB/T 3916—2013《纺织品卷装纱单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定（CRE 法）》进行测试。测试参数：夹持长度500 mm，拉伸速度500 mm/min，预加张力（0.5±0.1）cN/tex，测试20 次取平均值，温度（20±2）℃，相对湿度（65±2）%。

1.4.4 纤维外观形貌

采用扫描电子显微镜（SEM）对甲基丙烯酸丁酯改性前后纱线的表观形貌进行表征，观察改性前后纱线的外观形貌变化。

1.4.5 纱线表观颜色深度（K/S值）

染色纱线表观颜色深度的大小常用K/S值来表示。实验过程中采用电脑测色配色仪测试纱线的K/S值，使用测色配色仪时，采用D65光源、10°视角，使用前首先对仪器进行校正，被测纱线要梳理平整后进行测试。

1.4.6 色牢度

耐皂洗色牢度：按照GB/T 3921—2008《纺织品色牢度试验耐皂洗色牢度》方法3进行测试。

耐摩擦色牢度：按照GB/T 3920—2008《纺织品色牢度试验耐摩擦色牢度》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 改性工艺优化

2.1.1 改性时间

选用14.6 tex 纯棉纱线作为实验对象，纯棉缕纱5 g，甲基丙烯酸丁酯用量设定为50.0 g/L，改性温度为90 ℃，中和酸PHN 用量为1.0 g/L，乳化剂WAM 用量为1.5g/L，引发剂过硫酸铵用量为1%（对甲基丙烯酸丁酯质量），改性时间分别设定为10、20、30、40、50 min。实验结束后对纱线的接枝增重率和回潮率进行了测试，结果如图1所示。

由图1 可以看出，固定甲基丙烯酸丁酯用量为50.0 g/L，纯棉纱线的接枝增重率随着改性时间的延长而逐渐增大，当改性时间为40 min 时最大，继续延长改性时间，接枝增重率不再增大；改性纱线的回潮率随着改性时间的延长呈现逐渐降低后趋于稳定的趋势。综合考虑，改性时间选择40 min。

2.1.2 甲基丙烯酸丁酯用量

选用14.6 tex 纯棉纱线作为实验对象，纯棉缕纱5 g，甲基丙烯酸丁酯用量设定为5.0、10.0、20.0、30.0、50.0 g/L，改性温度为90 ℃，中和酸PHN用量为1.0 g/L，乳化剂WAM 用量为1.5 g/L，引发剂过硫酸铵用量为1%（对甲基丙烯酸丁酯质量），改性时间为40 min。实验结束后对纱线的接枝增重率和断裂强力进行了测试，结果如图2所示。

由图2 可以看出，随着甲基丙烯酸丁酯用量的提升，纯棉纱线的接枝增重率逐渐增大，与此同时改性纱线的断裂强力呈现逐渐降低的趋势；改性过程中发现，随着接枝增重率的提升，纱线手感变硬。

鉴于上述因素的影响，同时考虑纱线的实用性，确定纯棉纱线的优化改性工艺为：甲基丙烯酸丁酯用量20.0 g/L，改性温度90 ℃，改性时间40 min，中和酸PHN 用量1.0 g/L，乳化剂WAM 用量1.5 g/L，引发剂过硫酸铵用量1%（对甲基丙烯酸丁酯质量）。

2.2 棉纤维外观形貌（SEM 表征）

采用纯棉筒子纱优化改性工艺在筒纱染色机中对纯棉纱线进行改性，改性结束后测试其接枝增重率为（8.5±0.5）%，通过扫描电镜观察改性前后纤维表面形貌的变化，结果如图3所示。

由图3 可以看出，经过甲基丙烯酸丁酯改性的纯棉纱线纤维表观形貌与纯棉原纱纤维存在显著差异，纯棉原纱纤维表面光滑，而经过甲基丙烯酸丁酯改性的纯棉纱线纤维表面呈不规则的凹凸状。甲基丙烯酸丁酯改性前后棉纤维的表观形貌差异间接表明甲基丙烯酸丁酯成功接枝到了棉纤维上。

2.3 纯棉纱线染色性能

筒子纱改性前后的纯棉纱线采用酸性染料染色，染料用量为1%（omf），实物如图4 所示，染色纱线的K/S值如表1所示。

由图4 中的染色实物样以及表1 中的数据对比发现，采用5 种酸性染料对纯棉原纱分别进行染色后，纱线得色深度很浅，染色后纯棉纱线的K/S值介于0.288～0.895；而5种酸性染料对甲基丙烯酸丁酯改性后的纱线染色后，改性纱线的得色深度为纯棉原纱的10～20 倍。酸性染料对甲基丙烯酸丁酯改性前后纯棉纱线的染色差异性进一步表明甲基丙烯酸丁酯成功接枝到了棉纤维的表面。

2.4 色牢度

由表2 可以看出，经过酸性染料染色后的改性棉纱具有良好的耐干、湿摩擦色牢度，均可达到4 级或以上；多纤维标准贴衬织物中，酸性染料染色后的改性纱线除了对羊毛组分沾色较严重（2～3 级）外，对其他组分均可以达到3级或以上。

3 结论

（1）纯棉纱线的接枝增重率随着甲基丙烯酸丁酯用量的增大以及改性时间的延长而逐渐提高，改性纱线的断裂强力和回潮率呈现逐渐降低的趋势。

（2）纯棉纱线甲基丙烯酸丁酯的优化改性工艺为：甲基丙烯酸丁酯用量20.0 g/L，改性温度90 ℃，改性时间40 min，中和酸PHN 用量1.0 g/L，乳化剂WAM用量1.5 g/L，引发剂用量1%（对甲基丙烯酸丁酯质量）。此工艺条件下纯棉筒子纱的接枝增重率为（8.5±0.5）%。

（3）甲基丙烯酸丁酯改性纯棉纱线可以采用酸性染料染色，且染色后的纱线具有良好的耐摩擦色牢度和较好的耐皂洗色牢度。