桑蚕丝织物在洗涤过程中的褪色行为研究

胡 钒,张红娟,郭 静,王际平

(1.上海工程技术大学 纺织服装学院, 上海 201620; 2.上海工程技术大学 上海纺织化学清洁生产工程技术研究中心, 上海 201620)

丝绸以光泽柔和、手感细腻、吸湿透气性良好等优点备受人们喜爱,被广泛用于服装、丝巾、工艺品等高档产品的制造[1-2]。

早期研究者使用绛草、黄栀等天然染料对丝绸进行染色,染色后的丝绸颜色多样,但天然染料普遍存在染色牢度低、色光黯淡等缺点,不能满足高档面料的要求。随着合成染料工艺的发展,酸性染料、活性染料成为丝绸织物染色的重要选择。丝绸作为一种蛋白质纤维,分子结构中的羧基(—COOH)能够与酸性染料以离子键结合,与天然染料相比,酸性染料染色色牢度得到了显著改善,但在洗涤过程中,仍极易出现褪色的问题[3-5],严重影响了桑蚕丝服用性能。随着消费者对桑蚕丝高档服装的需求,桑蚕丝织物褪色与洗护之间的关系也成为研究的热点。

近年来,桑蚕丝织物家庭洗涤研究主要集中在纤维损伤、外观平整度、色牢度、尺寸稳定性等方面[6-8]。周慧玲等[9]指出停时间、转时间、洗涤转速及洗涤转速与负载量的交互作用对素绉缎织物光泽度的影响最为显著。唐文彬等[10]通过制备了牛奶、炭黑和食用油污渍布样,研究了洗涤转停比、洗涤温度、洗涤时间对综合污渍去污率和桑蚕丝织物的缩水率、平整度、色变等性能的影响。尽管夏天等[11]已经探究了活性染料染色棉织物的褪色及护色性能,但酸性染料染色桑蚕丝织物与活性染料染色棉织物的结合方式完全不同,目前关于洗涤过程中桑蚕丝织物褪色行为的规律性研究较少。因此,本文详细探究洗涤参数对桑蚕丝织物褪色的影响规律,继而建立预测模型,以对减少丝绸在家庭洗涤中的褪色提供参考。

1 试 验

1.1 试验材料及仪器

试验材料:酸性湖蓝5GM染料染成的桑蚕丝织物(16 mm缎,织物成分为 100% 桑蚕丝,经纬向密度1 300、520根/(10 cm),面密度为71.0 g/m2,浙江丝绸科技有限公司),酸性湖蓝5GM染料结构如图1所示。不锈钢珠(直径6±0.5 mm,深圳振华五金制品有限公司)。试验使用国标洗衣液,参考GB/T 13174—2021《衣料用洗涤剂去污力及循环洗涤性能的测定》进行洗涤试验,洗涤液配方如表1所示。

表1 国标标准洗涤液配方Tab.1 Formula of national standard washing liquid

图1 酸性湖蓝5GM染料分子结构式Fig.1 Molecular structural formula of acid lake blue 5GM dye

试验仪器:SW-24C型耐洗色牢度试验机(宁波纺织仪器厂);UV-2600紫外可见分光光度计 (岛津企业管理有限公司);Waters e2695高效液相色谱仪(HPLC,Waters公司);Datacolor 800测色配色仪(德塔颜色商贸上海有限公司);TESCAN VEGA3 钨丝灯扫描电子显微镜(TESCAN公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 洗涤参数水平的选取

为确定不同洗涤参数对酸性湖蓝5GM染色桑蚕丝褪色的影响程度,使用JMP设计6因素3水平(如表2所示)50组试验[12-13]。设计空间比例图在0.8时对应的预测方差为0.31,表明只需1次试验就可以达到3次试验的精度。

表2 洗涤参数与测试水平Tab.2 Washing parameters and test levels

1.2.2 洗涤方法

以2 g的酸性湖蓝5GM染色丝绸作为洗涤样品,按照JMP试验设计依次进行各组洗涤,考虑到滚筒内洗涤环境复杂,洗涤后产生的残液中残留较多杂质,故采取SW-24C型耐洗色牢度试验机进行洗涤试验,主洗1次后漂洗1次,漂洗脱水后,将织物放进恒温恒湿室自然晾干。

1.2.3 染料掉落量的测定

在洗涤试验前准确称取1 g酸性湖蓝5GM染料,搅拌、溶解(溶液为去离子水),定容于100 mL容量瓶中,制得酸性湖蓝5GM的母液,质量浓度为0.01 g/mL。分别取不同量的酸性湖蓝5GM置于10 mL容量瓶中,稀释定容至染料质量浓度为2、5、8、11、14 mg/mL,分别测定其吸光度,以染料质量浓度为横坐标、吸光度值为纵坐标,得到酸性湖蓝5GM染料的标准曲线。

在每次洗涤试验后,取20 mL洗涤残液,在623 nm(酸性湖蓝5GM的最大吸收波长)处测定残液的吸光度,再根据染料吸光度标准曲线及洗涤用水量,计算出残液中游离染料的质量。

1.2.4 织物的颜色测试

洗涤后的样品在恒温恒湿室内(温度(20±2) ℃,湿度(65±2)%)平摊至完全晾干,使用Datacolor 800测色配色仪测试试样的颜色参数,测试条件为D65光源、大孔径、镜面光泽为不包含、滤镜为100%UV,在每个样品的正面随机取5个位置测量其表观深度K/S值,并取平均值。

2 结果与讨论

2.1 染料掉落成分分析

酸性染料与丝绸主要通过离子键结合,如图2所示[14]。本文采用HPLC进一步分析了掉落染料和原染料的差异,如图3所示。洗涤残液中掉落染料和染色用酸性染料的出峰时间相同,即均在4.5和14.5 min出现一个较强的吸收峰,这也说明当染色桑蚕丝在水中洗涤时,由于洗涤剂与机械力的存在,酸性染料上的阴离子部分或者未与纤维以离子键结合的酸性染料很容易从织物上脱落下来,导致丝织物褪色。

图2 酸性湖蓝5GM染料上染丝绸机制图Fig.2 The mechanism of silk dyed with acid lake blue 5GM

图3 掉落染料与纯染料的HPLC分析Fig.3 High performance liquid chromatography.(a) Solution of pure dye;(b) Solution of residual after washing

2.2 掉落量显著性影响因素分析

在完成50组JMP设计的洗涤试验后,汇总试验数据,通过标准最小二乘法的拟合模型(RSM)逐步分析在不同测试水平下滚筒洗涤各参数与染料掉落量之间的关系,如表3所示。概率>|t|的数值小于0.05,则表明该参数是影响试验结果的关键参数,t值的绝对值大小,代表此项对于试验结果影响的程度,t值为正代表正影响,为负则是负影响。随着洗涤时间、洗涤温度、洗涤剂质量浓度及浴比增加,染料的掉落量均随之增加,且洗涤剂质量浓度和浴比对其影响较大。

表3 染料掉落量RSM模型项系数Tab.3 The RSM model term coefficient of dye shedding

从洗涤剂的配方可知,除了85%的三级水外,占比最多的组分是中性表面活性剂十二烷基苯磺酸钠和非离子型表面活性剂聚乙氧基化脂肪醇,二者协同作用可以有效降低桑蚕丝织物的表面张力,使丝织物更容易被水润湿发生溶胀作用,导致以离子键与丝织物结合的酸性染料很容易溶于水中,且由于表面活性剂胶束对酸性染料的增溶作用,进一步促使染料从丝织物表面掉落[15-17]。浴比和洗涤温度也是造成染料掉落的显著因素,当浴比增大时,洗涤用到的水量也在增多,在织物表面形成的初始动压更大,在洗涤过程中织物内部的流体流动加快,也增加了洗涤后染料的掉落量[18]。洗涤温度的升高增加洗涤剂的溶解度,进一步增加染料的掉落量。此外,温度的增加也会加速纤维的膨胀,使染料更易掉落。

2.3 布样表观深度显著性影响因素分析

通过标准最小二乘法的拟合模型逐步分析滚筒各洗涤参数与染料掉落量之间的关系。如表4所示,洗涤时间的t值绝对值最大,机械力次之,说明洗涤时间是造成丝织物K/S值下降的最显著因素,其次是机械力。

表4 K/S值的RSM模型项系数Tab.4 RSM model term coefficient of K/S value

这是因为洗涤过程中主洗时间越长,织物所受的温湿作用及洗涤机械力作用的时间越长,桑蚕丝织物的磨损程度也会越大,而机械力越大,洗涤后织物的K/S值越小。增加钢珠数带来的强机械力会对布样表面造成损伤,易导致纤维断裂,布样表面容易发生起毛起球,进而影响光线在布样上的折射或反射行为,使布样色差发生明显变化[19-20]。

2.4 染料掉落量与K/S值之间的关系

洗涤试验后,在JMP软件中用染料掉落量拟合K/S值,线性拟合如图4所示,拟合汇总如表5所示,可以看出染料掉落量与K/S值并没有一致性。

表5 染料掉落量与K/S值拟合汇总Tab.5 Fitting summary of shedding dye and K/S value

图4 染料掉落量与K/S值二元拟合Fig.4 Binary fitting of dropped dye and K/S

为了进一步解释织物K/S值下降的原因,从50组试验中选取洗涤时间分别为20、40、60 min的丝绸布样,且这3种布样染料掉落量相近(差值小于10-4g),具体参数如表6所示。利用TESCAN VEGA3 钨丝灯扫描电子显微镜观察表6所示3种织物的表面形貌,结果如图5所示。

表6 对照布样具体洗涤参数值Tab.6 Specific washing parameter values of cross-referenced fabric samples

图5 样品照片(×1 200)Fig.5 Images of fabrics sample (×1 200). (a) Unwashed sample; (b) 20 min washed sample; (c) 40 min washed sample; (d) 60 min washed sample

如图5所示,随着洗涤时间的增加,丝织物表面磨损程度逐渐变大。这进一步说明洗涤后织物的K/S值下降是多种因素作用的结果,与染料的掉落量并不存在绝对的一致性。

3 模型建立验证

3.1 模型建立

使用桑蚕丝织物的洗涤时间、洗涤温度、洗涤剂质量浓度、水硬度、浴比、机械力拟合染料掉落量及K/S值,拟合汇总如表7所示,洗涤参数试验中的调整R2达到0.80,说明该模型拟合效果很好。洗涤参数中的均方根误差数值都远小于响应均值。

表7 模型拟合汇总Tab.7 Fitting summary ofmodel

通过染料掉落量及K/S值模型方差分析(表8)可知,该模型中染色掉落量和K/S值的F值分别达到了34.6和36.3,而概率P值小于0.000 1,说明试验误差影响F值的概率非常小,因此该模型能够很好地预测丝织物的染料掉落量和K/S值。

表8 染料掉落量及K/S值模型方差分析Tab.8 Model variance analysis of dye shedding and K/S value

通过JMP软件可以进一步得到丝织物染料掉落量和K/S值的预测表达式分别为:

Y1=-0.724 2+0.003 8X1+0.010 5X2+

0.211 7X3-0.000 5X4+0.003 2X5+

0.003 4X6

Y2=23.09-0.046 67X1-0.005 9X2+

0.084 50X3+0.001 1X4+0.009 8X5-0.209 4X6

式中:X1为洗涤时间,min;X2为洗涤温度,℃;X3为洗涤剂质量浓度,g/L;X4为水硬度(CaCO3含量),mg/L;X5为浴比;X6为机械力(即钢珠数);Y1为染料掉落量;Y2为K/S值。

3.2 染料掉落量及布样色深模型验证

为了验证3.1节中染料掉落量及K/S值模型的准确性,在JMP软件中随机生成了3组洗涤试验进行验证,每组洗涤程序重复3次取平均值,具体的洗涤试验如表9所示。

表9 洗涤验证试验参数Tab.9 Parameters of washing validation test

表10为染料掉落量及布样K/S值验证的预测值与实测值的比较情况。预测值与实际值的差值较小,表明该预测表达式有较高的适用性,也说明试验结果的可靠性。

表10 预测值及实际值比较Tab.10 Comparison of predicted and actual values

4 结 论

通过JMP软件设计试验,利用最小二乘法逐步分析在洗涤过程中洗涤时间、洗涤温度、洗涤剂质量浓度、水硬度、浴比、机械力因素对酸性湖蓝5GM染色桑蚕丝丝织物的表观深度(K/S值)及染料掉落量的影响,得出结论如下:

①丝织物在洗涤过程中的褪色不仅与染料的掉落有关,还与织物表面的磨损有关。

②洗涤时间和机械力为丝织物表观深度影响最显著的因素,这和纤维表面受磨损有关,在染料掉落相同时,织物的表观深度也会有明显差异。

③酸性染料掉落受洗涤剂浓度的影响最显著,这主要和洗涤剂与酸性染料之间的强相互作用有关,其中洗涤剂浓度越大,浴比越大,温度越高,染料越易掉落。