双面双色和多功能真丝素绉缎的制备及性能研究

崔豪杰, 艾 丽, 曹红梅, 徐 明, 朱亚伟

(1.苏州大学 纺织与服装工程学院,江苏 苏州 215021; 2.武汉纺织大学 化学与化工学院,武汉 430200;3.常州纺织服装职业技术学院 纺织学院,江苏 常州 213164; 4.常州喜莱维纺织科技有限公司,江苏 常州 213125)

炭黑是一种价格便宜的无定形碳材料,其结构类似于无序石墨,表面含有酚羟基、羧基、内酯基、酸酐基和醌基等极性基团,赋予炭黑优良的性能[1-2]。炭黑的导电性与分散性有关,也与炭黑和添加剂的结合状态有关[3]。表面活性剂对炭黑粉末有很高的亲和力,因非离子表面活性剂的分子结构和体积特性,非离子表面活性剂比阴离子表面活性剂能更好地润湿和稳定水介质中的炭黑粉末[4]。炭黑的性能依赖于炭黑与助剂的相互作用及稳定性,添加炭黑的熔融纺丝工艺能制备良好抗静电性PET或PBT纤维[5-6]。碳纳米管—炭黑/聚二甲基硅氧烷(CNTs-CB/PDMS)复合材料和炭黑/聚氨酯材料具有较宽的应变感应灵敏度,能满足运动监测的要求,可用于人体运动检测的可穿戴的压力传感器[7-8]。与涂料一样,炭黑缺乏与纤维的亲和力,除共混改性外,可借助黏合剂和交联剂制备炭黑表面改性的功能纺织品[9-10]。香云纱是以野生植物薯莨的块茎为染料,对织物进行多次浸染和曝晒,之后再经过富含铁质的塘泥涂覆而制成的一种双面双色的真丝绸产品。薯莨单宁氧化形成醌式结构而显棕色或棕红色,铁离子与薯莨生成黑色的鞣酸亚铁,是一种生态的染色技术[11-13]。

为制备双面双色和多功能真丝素绉缎,本研究选择自制液体炭黑和市售涂料大红,首先采用浸轧和烘干法,制得黑色素绉缎织物;再用涂料大红对织物正面进行不渗色印花,经烘干和焙烘,制备出一面为炭黑面、另一面为涂料大红面的真丝素绉缎织物。因涂料大红色的不渗色,形成颜色叠加效应,正反面色泽既相互独立,又相互影响,织物表现出正面为暗红色和反面为深黑色的双色织物。又因炭黑的多功能性,如此制备出多功能真丝素绉缎。这为双色多功能真丝面料的开发提供了一种新方法,有潜在的应用前景。

1 实 验

1.1 材 料

织物:平方米质量63.35 g/m2的真丝素绉缎(吴江和盛至美时装面料有限公司)。

试剂:工业级粉状炭黑2860F(安徽黑珏颜料新材料有限公司),工业级涂料大红G-11(上海泗联实业有限公司),工业级研磨剂AL50(阴离子和非离子表面活性剂复合物)和防沉剂AF(非离子聚合物)(苏州常春藤进出口公司),工业级匀染剂MP-1、黏合剂E101和合成增稠剂PFN(诸暨市悦洲新型材料有限公司),工业级水性交联剂SJ-1805(上海水集新材料科技有限公司)。

1.2 方 法

1.2.1 水性炭黑分散液制备

在自制氧化锆研磨装置中,将25.0 g粉状炭黑2860F、6.25 g研磨剂AL50、2.5 g防沉剂AF和63.25 g水混合,研磨1.5 h,过滤制得质量分数为25.0%的水性炭黑分散液(CB),CB分散液的粒径为120 nm;经自然放置1年,粒径为125 nm,具有优异的稳定性。

1.2.2 双面双色织物制备

工艺流程:织物→浸轧CB分散液(二浸二轧)→烘干(90 ℃)→涂料色浆印花(织物正面)→烘干(90 ℃)→焙烘→双面双色织物。

CB分散液组成:由x% CB,y% E101,z% SJ-1805,1.5% MP-1和水组成。

涂料色浆:由2%大红G-11、8% E101、2.0% PFN和水组成。

二浸二轧:在EL-400立式轧车(上海朗高纺织设备有限公司)上进行,轧液率100%。

焙烘:在DHG-9146A电热鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)上进行,焙烘温度150 ℃,焙烘时间3 min。

1.3 性能测试

颜色特征值:在Ultra scan-XE电脑分光测色配色仪(美国Hunter Lab公司)上测试织物颜色特征值(L*、a*和b*值)和可见光透射率,条件为D65光源,10°视角,测4次取平均值。

织物透光率(TVS,%):在测色配色仪上测试透射率,计算350～750 nm波长内透射率的平均值,其值越小,织物越不容易透光。

抗静电性:在S-5109静电测试仪(日本Shishico公司)上参照GB/T 12703.1—2021《纺织品 静电性能试验方法》测试织物的静电电压(EV,kV)和静电压半衰期(SHP,s),条件为温度20℃,湿度35%,试样平衡24 h,测3次取平均值。A级抗静电织物的半衰期≤2.0 s。

织物电阻:在ST-2258C型多功能数字式四探针测试仪(苏州晶格电子有限公司)上参照GB/T 1551—2009《硅单晶电阻率测定方法》测试织物电阻(Rs),测5次取平均值。

抗紫外线性能:在UV-1000F纺织品抗紫外因子测试仪(美国Labsphere公司)上,测试织物UVA(315～400 nm)、UVB(290～315 nm)透射率(TUVA、TUVB)和紫外辐射防护系数(UPF,388 nm),测3次取平均值。

透气性:在YG461G全自动透气仪(宁波纺织仪器厂)上参照GB/T 5453—1997《纺织品织物透气性的测定》测定织物透气性。测试条件为孔面积20 cm2,压力100 Pa,测试3次取平均值。

透湿性:在FX350全自动织物透湿量测试仪(瑞士TEXTEST公司)上参照GB/T 12704.2—2009《纺织品 织物透湿性试验方法:蒸发法》测试透湿性。测试条件为织物半径3.5 cm的圆,温度38 ℃,相对湿度50%,测试3次取平均值。

织物风格:在KES织物风格仪(日本京都大学)上参照FZ/T 01054.1—1999《织物风格试验方法总则》测试。测试条件为温度20 ℃,湿度65%,试样平衡24 h,热源台温度设定为20 ℃,贮热板标准温度为30 ℃。

导热性:在KES-F7精密瞬间热物测试仪(日本KES加多技术有限公司)上测试织物的导热系数,测3次取平均值。

拒水性:在OCA40全自动微观液滴润湿性测量仪(德国Dataphysics公司)上参照GB/T 1872—2016《纺织品 表面润湿性能的测定 接触角法》测试织物表面水接触角,测试3次取平均值。

力学性能:在Instron 5967万能材料试验机(美国INSTRON公司)上参照GB/T 3923.1—2013《纺织品 织物拉伸性能 第一部分:断裂强力和断裂伸长率的测定 条样法》测试织物强力和伸长率。

摩擦色牢度:在Y571B摩擦色牢度仪上参照GB/T 3920—2008《纺织品 色牢度试验 耐摩擦色牢度》测试。

耐久性测试:在SW-24型水洗色牢度仪上进行耐水洗性实验,水洗温度40 ℃,皂液5 g/L,时间30 min,浴比1︰50。

红外光谱:在Nicolet 5700红外光谱仪(美国Thermo Nicolet公司)上进行织物的衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)测试,扫描范围为4 000～400 cm-1。

表面形貌(SEM):在Regulus 8100扫描电镜(日本日立公司)上拍摄织物的表面形貌。

2 结果与分析

2.1 水性炭黑乳液的工艺优化

2.1.1 水性炭黑质量分数对织物性能的影响

固定黏合剂E101为10%,改变CB质量分数,CB质量分数对织物性能影响如表1所示。

表1 炭黑质量分数对织物性能的影响Tab.1 Influence of carbon black mass fraction on fabric properties

当CB质量分数为0～9%时,随着CB质量分数增加,织物色深度(L*值)增加,透光率(TVS)明显下降,TUVA和TUVB明显下降,织物具有优良的抗紫外线和低的透光性,且黑色织物有良好的耐摩擦色牢度(≥4)。这是因为真丝素绉缎的TVS、TUVA和TUVB分别为83.0%、26.7%和9.2%,是一种高透光率织物,不具有抗紫外线性能。织物经9% CB染色,借助黏合剂作用,CB能在纤维表面形成一层覆盖均匀的膜,CB对可见光和紫外光有极强的吸收作用,明显提高了抗紫外线(TUVA和TUVB下降了90.7%和75.1%)和低的透光性(TVS下降了95.8%)。进一步提高CB质量分数,上述指标不再明显变化,这是织物上CB膜性能(类似涂料的涂层效果)决定的。

织物抗静电性与织物表面的炭黑固着量和炭黑均匀分布有关,当CB质量分数为9%时,织物静电电压(EV)、静电压半衰期(SHP)和电阻(Rs)虽已明显下降,但仍达不到抗静电织物A级(SHP≤2 s)的要求。这是因为织物的导电性取决于CB聚集膜的三维连续导电网络层的构建,取决于纤维表面CB的质量。为此,当CB质量分数为15%时,织物的EV为0 kV(无感应静电产生),Rs为4.44 kΩ,具有优良抗静电性(达A级);但因增加了CB质量,导致耐摩擦色牢度下降(0.5级),为此,后续实验中优化了黏合剂和交联剂质量分数,来提高耐摩擦色牢度。

2.1.2 黏合剂和交联剂对织物性能的影响

固定CB为15%,改变黏合剂E101质量分数,E101质量分数对织物性能影响如表2所示。

表2 黏合剂E101质量分数对织物性能的影响Tab.2 Influence of binder E101’s mass fraction on fabric properties

由表2可知,与E101为10%相比,增加E101质量分数,L*和TVS变化率分别低于4.5%和8.0%,TUVA和TUVB变化率都低于10.5%;当E101为10%～25%时,织物的EV为0 kV,最高的Rs为61.28 kΩ,具有优良的抗静电性。当E101质量分数较高(25%)时能提高耐摩擦色牢度(增加0.5级),但会影响到织物手感。优选的黏合剂E101为15%,此时,TUVA和TUVB都低于2.0%,抗静电为A级。

在上述优化的工艺条件下,添加水性交联剂SJ-1805,其质量分数对织物性能影响如表3所示。

表3 水性交联剂SJ-1805质量分数对织物性能的影响Tab.3 Influence of aqueous crosslinking agent SJ-1805’s mass fraction on fabric properties

2.2 双面双色素绉缎织物的性能

2.2.1 双面双色织物的颜色特征及色牢度

图1为双面双色织物和对比织物K/S值光谱曲线,表4为双面双色颜色特征及色牢度。

由图1和表4可知,织物(PR-P)在520～555 nm处有较大吸收峰,这是涂料红的吸收峰,其a*值和b*值分别为57.54和30.73,是一种鲜艳红色印花织物。织物(CB-D)在400～750 nm处有均匀的吸收峰,这是炭黑的吸收峰,其a*值和b*值分别为0.08和1.48,是一种纯正的黑色染色织物。在黑色染色织物(正面)上进行涂料红印花,织物反面(BS-CB)在400～750 nm处也呈均匀吸收,其K/S值光谱曲线与织物(CB-D)很接近,L*、a*和b*都没有发生明显变化,其a*值和b*值分别为0.77和1.73,L*值仅增加了0.31,仍是一种纯正的黑色,即鲜艳的红色未发生渗透,说明黑色未受到涂料红的明显影响。黑色染色织物正面(FS-PR)在400～545 nm处有均匀吸收,在570～750 nm处吸收峰较低,在600 nm处呈最低吸收。这是因为涂料大红印花面受到炭黑染色面的影响,颜色由鲜艳红色转变为暗红色,L*值、a*值和b*值分别下降了23.59、45.7、20.41,这是黑色和大红色的叠加引起的。因此,制备的织物具有双面双色效果,且具有良好的耐干、湿摩擦色牢度和水洗色牢度,耐摩擦色和水洗色牢度达3～4级。

图1 K/S光谱曲线Fig.1 K/S spectral curve注:CB-D为15%CB染色织物,PR-P为2%涂料红印花织物,BS-CB为双面双色织物反面,FS-PR为双面双色织物正面。

表4 双面双色织物颜色特征及色牢度Tab.4 Color characteristics and color fastness of double-sided color fabrics

2.2.2 双面双色的功能性和耐久性

表5为双面双色素绉缎的功能性和耐久性。与未处理织物相比,TVS降低了94%,TUVA和TUVB降低了89%,UPF值高于50+,静电电压降低了93%,静电半衰期小于2 s(达A级),这说明织物具有优良的低透光率、抗静电性和抗紫外线性能。织物黑色面(反面)具有优良的拒水性,水接触角为127.3°;织物深红色面(正面)具有良好的亲水性,水接触角为58.0°。

表5 双面双色织物的功能性和耐久性Tab.5 Functionality and durability of double-sided color fabrics

织物经10次和15次水洗,抗静电性、抗紫外性和水接触角的变化都较小,说明双面双色功能素绉缎织物的多功能具有优良的耐久性。

上述性能可从红外光谱和织物表面形貌得到证实,如图2和图3所示。

图2 炭黑染色织物的衰减全反射红外光谱Fig.2 ATR-FTIR spectrum of carbon black dyed fabrics

由图2可知,炭黑染色真丝(CB-D)的红外特征峰与未处理真丝纤维(Silk)相同,波数3 275 cm-1为羟基伸缩振动峰,1 620 cm-1为β-折叠链结构,1 510 cm-1为酰胺键的C—H伸缩振动峰,1 450 cm-1为C—H弯曲振动峰,1 220 cm-1为酰胺键伸缩振动峰,1 070 cm-1为丝肽骨架伸缩振动。这是因为炭黑表面含有羧基、酚羟基、醚基、醌基和内酯基等极性基团,其特征吸收峰与丝蛋白质纤维重合。由此可见,双面双色织物的炭黑染色面具有大量的极性基团,这与真丝纤维上的羧基和羟基等极性基团类似,是织物具有优良抗静电性的主因。

炭黑能均匀地固着于纤维表面,可见清晰的纱线结构,如图3(a)所示;在炭黑层未见常规无定形炭的球状结构,炭黑形成粗糙的微纳米表面,如图3(b)所示;涂料和黏合剂成膜层均匀地覆盖在炭黑层上,表面的平整度较好,如图3(c)所示;炭黑聚集体具有微细的多孔结构,未见球状炭黑结构,炭黑呈片层状结构,如图3(d)所示。均匀CB膜结构的形成是提高织物抗紫外线能力,降低透光率和改善拒水性的主因。对比织物正面(FS-PR)和反面(BS-CB)的水接触角可知,织物拒水性的提高是由CB膜形成的,但黏合剂和交联剂也是有贡献的。

现代心理学研究指出，一个正常完备的人格角色应当具备三个层次：“首先是生命层次，作为一个人要表现出自然的生命力，健康、蓬勃向上、昂扬、充满力量；其次即社会层次，作为一个社会个体，所处时代的观念、风尚，体现着特定时代的世界观和价值观，即应受到社会的选择；再者是异性审美层次，人类世界的两性，都应受到来自异性的选择，选择的标准不同，但应当是平等的，一个完整的人格应受到这三个力的制约⑧。”然而这种理想的人格在历来传统的女性中没有并出现过。女性生命力的层次在男权社会中被普遍抑制和弱化，女性美是作为一种可供观赏的价值性而存在的，这并非女性本身所固有的一种价值状态。

图3 双面双色织物的表面形貌Fig.3 SEM photos of fabrics with double colors on both sides

使用黏合剂和交联剂,可能对织物风格、透湿性、透气性和力学性能产生影响,如表6和表7所示。

表6 双面双色织物的力学性能、透气和透湿性Tab.6 Mechanical property, breathability, and moisture permeability of fabrics with double colors on both sides

由表6和表7可知,与未处理织物相比,制备的双面双色织物的透气性增加了6.7%,导热系数增加了12.2%,透湿性仅下降了7.2%,断裂强度下降了19.8%,断裂伸长率增加了20.2%,这说明织物具有良好的透气性、透湿性、导热性和服用性,增加了织物服用的凉爽性。其中,双面双色织物透气性的增加主要与炭黑的微多孔和片层状结构有关,且涂料印花对织物透气性的影响也较小,如织物经炭黑染色,透气性增加了58.3%;织物经涂料印花,透气性仅下降了11.5%。因织物上存在黏合剂和交联剂膜结构,改变了素绉缎的风格特征,明显增加了折弯刚度(B),降低了织物反弹性(2HB),纤维刚性增加导致织物不易弯曲;但表面粗糙度(SMD)、动摩擦平均系数(MIU)和摩擦系数平均偏差(MMD)的变化较小,织物仍具有真丝素绉缎的表面平整和光滑特性。与涂料红印花面相比,炭黑染色面的MIU、MMD和SMD更大,说明炭黑染色面更容易被压缩和有凹凸感。结合透气性和透湿性测试结果,炭黑结构由常规的无定形球状结构转变为片层状炭黑聚集体,即使在炭黑层上再施加涂料层,因涂料层很薄和均匀,不影响到片层状炭黑微细的多孔结构,仍保持了优异的透气性和透湿性。在黏合剂和交联剂作用下,具有丰富微孔和片层状的炭黑能在织物表面产生微纳米表面层,导致水滴能黏附在其表面,提高了水接触角,具有优良的拒水性;在炭黑的微纳米表面层上再经涂料色浆的覆盖,因涂料色浆形成的膜有一定的亲水性,且在纤维表面生成了粗糙的膜结构,导致织物印花面具有亲水性。

表7 双面双色织物的风格特征Tab.7 Style characteristics of fabrics with double colors on both sides

3 结 论

采用炭黑和涂料制备真丝功能面料是一种新的技术,基于炭黑染色和涂料红印花的配合应用,能制备出双面双色的多功能真丝素绉缎,这为真丝多功能面料的开发提供了理论依据。

1) 采用先炭黑染色后涂料红印花的焙烘固色工艺,能制备织物一面为深黑色和另一面为暗红色的双面双色真丝素绉缎。

2) 双面双色真丝素绉缎具有多功能性,具有优良的低透光率、抗静电性和抗紫外线性能,透光率降低了94%,静电电压降低了93%,抗静电等级为A级,TUVA和TUVB降低了89%(UPF达50+)。

3) 双面双色真丝素绉缎的一面具有亲水性(水接触角为58.0°),另一面具有优异的拒水性(水接触角为127.3°);而且具有优良的透气性、透湿性和导热系数;因黏合剂和水性交联剂的存在,织物风格具有表面平整、光滑和不易弯曲的风格,耐摩擦和耐皂洗色牢度不低于3～4级。

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