王金玉，李向順，王黎明，覃小紅，崔運(yùn)花

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620；2.東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

羊毛/聚丙烯腈(PAN)混紡紗線不僅保留了羊毛優(yōu)良的彈性及保暖性，還彌補(bǔ)了羊毛耐日曬性差的缺點(diǎn)，因此在紡織領(lǐng)域被應(yīng)用廣泛[1-3]。但傳統(tǒng)的聚丙烯腈纖維由于纖維直徑的限制，依然無法滿足人們對(duì)服裝功能性的需求，而PAN納米纖維由于超高的比表面積和超細(xì)的纖維直徑，在紡織領(lǐng)域的吸濕、抗菌、過濾等方面得到廣泛應(yīng)用[4-6]，因此羊毛/PAN納米纖維復(fù)合紗線的制備成為潛在發(fā)展趨勢(shì)。

染色是服裝后整理的重要組成部分，不同的染色效果帶給人們的視覺感受也大不相同。目前，由于羊毛和PAN纖維分子結(jié)構(gòu)的差異：羊毛具有陽(yáng)離子基團(tuán)，PAN纖維缺少陽(yáng)離子基團(tuán)，故羊毛/PAN纖維混紡紗線(織物)難以采用一浴一步法染色，因此羊毛/PAN纖維混紡紗線(織物)的染色面臨較大的挑戰(zhàn)。吳宗其等[7]使用一浴兩步法對(duì)羊毛/PAN混紡紗線進(jìn)行染色，工藝復(fù)雜，且同色性難以控制；張煒棟等[8]采用鹽酸羥胺和醋酸銨對(duì)羊毛/PAN混紡織物進(jìn)行改性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)一浴一步法染色，但對(duì)環(huán)境有所危害。而羊毛/PAN納米纖維混紡織物的染色問題目前尚未有研究報(bào)道。

本文采用PAN納米纖維包覆紗線，并首次采用聚乙烯亞胺(PEI)-PAN納米纖維包覆羊毛紗線，制備得到2種靜電紡納米纖維/羊毛包芯紗，進(jìn)而織成織物，并使用活性染料克牢素對(duì)制得的2種納米纖維/羊毛包芯紗織物進(jìn)行一浴一步法染色，同時(shí)對(duì)其染色性能進(jìn)行了研究。這項(xiàng)工作為PAN納米纖維/羊毛包芯紗織物的制備及染色可提供一些理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料、試驗(yàn)藥品與儀器

原料：羊毛紗線(線密度35.13 tex，江蘇丹毛紡織股份有限公司)。

試驗(yàn)藥品：聚丙烯腈(PAN)(粉末，平均相對(duì)分子質(zhì)量75 000，上?；瘜W(xué)纖維集團(tuán))；聚乙烯亞胺(PEI)(平均相對(duì)分子質(zhì)量70 000，上海阿拉丁有限公司)；N,N—二甲基甲酰胺(DMF)(分析純，上海凌鋒化學(xué)試劑有限公司)；克牢素染料(上海興康化工有限公司)。

儀器：靜電紡絲機(jī)(實(shí)驗(yàn)室自制)；磁力加熱攪拌器(上海貝倫儀器設(shè)備有限公司)；TM-3000型日立臺(tái)式掃描電子顯微鏡(天美(中國(guó))科學(xué)儀器有限公司)；傅里葉變換紅外光譜儀(美國(guó)Varian公司)；XL-1A型紗線強(qiáng)伸度儀(上海新纖儀器公司)；紫外可見近紅外分光光度計(jì)(珀金埃爾默儀器(上海)有限公司；DL-2003(16)常溫震蕩染色試驗(yàn)機(jī)(東莞博萊德儀器設(shè)備有限公司)；D650型電腦測(cè)色配色儀(美國(guó)Datacolor公司)；SW-8A型耐洗色牢度實(shí)驗(yàn)機(jī)(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器公司)；Y571B耐摩擦色牢度實(shí)驗(yàn)機(jī)(恒準(zhǔn)儀器科技有限公司)。

1.2 樣品制備

1.2.1 紡絲溶液的制備

分別稱取一定量的DMF溶劑與PAN粉末，置于干凈的燒杯中，將其放在磁力攪拌器上常溫?cái)嚢? h，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的PAN/DMF溶液，靜置以待使用。

稱取一定量的PEI試劑與DMF溶劑放置于燒杯中，90 ℃下水浴加熱攪拌4 h，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的PEI/DMF溶液，靜置以待使用。

取出適量PAN/DMF溶液和PEI/DMF溶液，質(zhì)量比為8∶5，放置在干燥的燒杯中，常溫?cái)嚢? h，制備得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的PAN/PEI溶液，靜置以待使用。

1.2.2 納米纖維/羊毛包芯紗的制備

利用課題組自主改進(jìn)的納米紗線機(jī)制備2種包芯紗，即PAN納米纖維/羊毛包芯紗(下文簡(jiǎn)稱為PAN包芯紗)和PAN-PEI納米纖維/羊毛包芯紗(下文簡(jiǎn)稱為PAN-PEI包芯紗)。具體操作流程為：從芯紗的供應(yīng)裝置上引出羊毛紗線，通過張力裝置后，利用導(dǎo)紗鉤穿過金屬圓靶的中心孔洞，到達(dá)納米纖維的收集區(qū)域，最后將羊毛紗線纏繞在紗線旋轉(zhuǎn)收集裝置上進(jìn)行包芯紗線的收集，其主要紡絲過程如圖1所示，紡絲參數(shù)如表1所示。2個(gè)帶有相反電荷的針頭呈對(duì)稱配置，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，金屬圓盤的圓周部分和空心金屬桿前部的尖端部分會(huì)發(fā)生“尖端放電”，電荷密集，使兩側(cè)的射流進(jìn)入到包芯紗成紗區(qū)，待紡絲開始穩(wěn)定后，為增強(qiáng)納米纖維束的捻度，使金屬圓靶開始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后形成的加捻三角錐能夠增強(qiáng)納米纖維的取向度，并使其緊密包纏在羊毛紗線外部，形成羊毛紗線在內(nèi)、納米纖維在外的復(fù)合包芯紗，最后復(fù)合包芯紗被牽引出卷繞在收集裝置上進(jìn)行收集[9]。

圖1 靜電紡絲過程

表1 靜電紡絲參數(shù)

1.2.3 包芯紗織物的制備

將上述制備的包芯紗利用小樣機(jī)制備平紋織物。經(jīng)紗為純羊毛紗線，緯紗分別為純羊毛紗線、PAN包芯紗和PAN-PEI包芯紗，制備3種不同的織物(在下文中，純羊毛紗線制備的織物簡(jiǎn)稱為羊毛織物，PAN包芯紗/羊毛織物簡(jiǎn)稱為PAN包芯紗織物，PAN-PEI包芯紗/羊毛織物簡(jiǎn)稱為PAN-PEI包芯紗織物)，其中羊毛織物作為空白樣，另外2種作為試驗(yàn)樣，具體上機(jī)參數(shù)：經(jīng)紗390根，筘號(hào)64，穿綜路數(shù)為2，綜框數(shù)為4，采用順穿法穿綜。

1.2.4 染色工藝

采用活性染料克牢素紅、克牢素黃、克牢素藍(lán)進(jìn)行染色，染色浴比1∶100，染料用量5%(owf)，添加適量冰乙酸調(diào)節(jié)pH值為5，染色工藝如圖2所示，染色起始溫度為40 ℃，升溫速率為1 ℃/min，升溫和降溫分別保溫一段時(shí)間。

圖2 織物染色工藝

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 納米纖維形貌表征

分別制取以下幾個(gè)樣品：羊毛紗線、PAN包芯紗、PAN-PEI包芯紗以及相對(duì)應(yīng)紗線織制的織物，并對(duì)上述樣品先進(jìn)行噴金處理，后使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察上述樣品的纖維形態(tài)。

1.3.2 測(cè)量納米纖維直徑

將拍攝的SEM照片，使用Nano measure軟件進(jìn)行纖維直徑測(cè)量，從而得出包覆于復(fù)合包芯紗表面的PAN納米纖維及PAN/PEI納米纖維的直徑分布情況。

1.3.3 紗線成分測(cè)試

利用傅里葉紅外光譜儀(FTIR)對(duì)紗線進(jìn)行組分分析，在分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為32，掃描范圍為4 000～500 cm-1的條件下進(jìn)行測(cè)試。

1.3.4 紗線強(qiáng)力測(cè)試

使用紗線強(qiáng)伸度儀分別對(duì)羊毛紗線、PAN包芯紗和PAN-PEI包芯紗的單紗強(qiáng)力進(jìn)行測(cè)量，拉伸速度10 mm/min，夾持長(zhǎng)度100 mm，預(yù)加張力0.20 cN。

1.3.5 上染百分率測(cè)試

在染料最大吸收波長(zhǎng)條件下，使用紫外-可見光分光光度儀分別對(duì)染色前后的染液吸光度進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)下式計(jì)算上染百分率E(%)[10]。

式中：A0為染色前染料原液的吸光度值；A1為染色后染料殘液的吸光度值。

1.3.6K/S值測(cè)試

使用Datacolor測(cè)色儀測(cè)定染色織物的K/S值，在織物表面任取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，取其平均值。

1.3.7 染色牢度測(cè)試

耐水洗色牢度：參照GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐皂洗色牢度》進(jìn)行測(cè)定。

耐摩擦色牢度：參照ISO 105 X12—2001《紡織品 色牢度試驗(yàn) 第12部分：耐摩擦色牢度》進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果和討論

2.1 PAN包芯紗和PAN-PEI包芯紗的形貌分析

2.1.1 包芯紗紗線軸向平面表征

PAN包芯紗和PAN-PEI包芯紗表面形態(tài)及納米纖維直徑分布如圖3所示。從圖3(a)(b)可以看出，包芯紗表面是納米纖維，且較為順滑；從圖3(c)(d)可以看出，相對(duì)于PAN納米纖維，PAN-PEI納米纖維的取向性更好，二者的纖維表面都光滑且直徑分布較均勻，其中PAN包芯紗表面納米纖維集中分布在600～800 nm，PAN/PEI包芯紗表面納米纖維集中分布在350～600 nm，二者的纖維直徑相差不大，可能是由于纖維在紡絲過程中受到的拉伸不同。

圖3 包芯紗的SEM照片

綜合來看，試驗(yàn)制得的2種包芯紗外觀形貌良好，表層的納米纖維緊密包覆在內(nèi)層羊毛紗線上，且直徑均勻。

2.1.2 包芯紗徑向截面表征

PAN和PAN-PEI 2種納米纖維包芯紗的截面電鏡照片如圖4所示?？芍?，包芯紗呈現(xiàn)明顯的皮芯結(jié)構(gòu)，外圍的皮層由多根納米纖維緊密纏結(jié)在一起，形成中空的膜結(jié)構(gòu)，內(nèi)層的芯層則是由排列相對(duì)松散羊毛紗線加捻而成。

圖4 包芯紗截面SEM照片

2.2 PAN包芯紗與PAN-PEI包芯紗的FTIR分析

圖5 單紗紅外光譜圖

2.3 PAN包芯紗與PAN-PEI包芯紗的強(qiáng)力分析

使用XL-1A型紗線強(qiáng)伸度儀對(duì)羊毛紗線、PAN包芯紗及PAN-PEI包芯紗的單紗強(qiáng)力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試曲線如圖6所示?？芍灿谘蛎喚€外部的納米纖維對(duì)芯層羊毛紗線的拉伸斷裂并無明顯影響。經(jīng)多次測(cè)量后得到的紗線強(qiáng)力平均值分別為：羊毛紗線263 cN、PAN包芯紗280 cN，PAN-PEI包芯紗276 cN。由此可知，復(fù)合包芯紗的強(qiáng)力都略大于羊毛紗線，說明納米纖維的加入有助于提高羊毛紗線的強(qiáng)力。

圖6 單紗強(qiáng)力圖

2.4 包芯紗織物SEM照片分析

2種復(fù)合包芯紗織物SEM照片如圖7所示。由圖7可知，2種包芯紗織物的經(jīng)紗(即羊毛紗線)與緯紗(即納米纖維包芯紗)的形貌存在著明顯的差異：經(jīng)紗羊毛纖維排列較為松散，同時(shí)紗線條干較差；緯紗納米纖維包芯紗由于外層納米纖維的包裹，結(jié)構(gòu)相對(duì)緊密，且紗線條干較為均勻。此外，還可看出織物表面納米纖維的取向性依舊很高，說明織造過程中對(duì)其形態(tài)破壞較少。

圖7 包芯紗/羊毛紗線織物SEM照片

2.5 包芯紗織物染色性能分析

2.5.1 上染效果分析

包芯紗織物上染效果如圖8～10所示?？梢钥闯觯冄蛎椢锏娜旧Ч^好，色澤均勻。PAN包芯紗織物存在明顯的染色疵點(diǎn)，這是因?yàn)榘苍谘蛎喚€外層的PAN納米纖維缺少和活性染料克牢素結(jié)合的基團(tuán)，故克牢素染料難以對(duì)PAN包芯紗進(jìn)行染色，導(dǎo)致織物緯紗與經(jīng)紗存在明顯色差；而由于具有豐富氨基的PEI分子的摻入，PAN-PEI納米纖維具有與克牢素染料結(jié)合的染色基團(tuán)，使其使用活性染料克牢素染色效果優(yōu)異，因此相比羊毛織物和PAN包芯紗織物，PAN-PEI包芯紗織物的染色效果更好，色澤更加艷麗且均勻。

圖8 純羊毛織物上染效果圖

圖9 PAN包芯紗織物上染效果圖

圖10 PAN-PEI包芯紗織物上染效果圖

2.5.2 上染百分率分析

包芯紗織物的上染百分率如圖11所示?？梢钥闯觯先景俜致视筛叩降鸵来问牵篜AN-PEI包芯紗織物、純羊毛織物、PAN包芯紗織物。一方面是由于PAN包芯紗表面包覆的PAN納米纖維缺少與克牢素染料的上染基團(tuán)，故染料分子難以通過外層的納米纖維紗線與芯層的羊毛紗線結(jié)合，所以PAN包芯紗織物的上染百分率主要來自于經(jīng)紗羊毛紗線和染料克牢素的結(jié)合，故上染百分料最低；而PAN-PEI包芯紗織物的緯紗(PAN-PEI包芯紗)表面包覆的PAN-PEI納米纖維具有豐富的氨基，能夠結(jié)合染料克牢素，且納米纖維的比表面積大，更加有利于染料的上染，所以PAN-PEI包芯紗織物的上染百分率高于羊毛織物，更高于PAN包芯紗織物。

圖11 織物上染百分率

2.5.3K/S值分析

包芯紗織物的K/S值測(cè)試結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，PAN-PEI包芯紗織物的K/S值明顯高于PAN包芯紗織物，這是由于PAN包芯紗織物的緯紗(PAN包芯紗)無法和染料進(jìn)行結(jié)合，導(dǎo)致緯紗不能上色，呈現(xiàn)白色，測(cè)試時(shí)K/S值較低。而PAN-PEI包芯紗織物中PAN/PEI可以被克牢素染料上染，且納米纖維的上染百分率高，所以K/S值略高于羊毛織物的K/S值，但總的來說二者差異不大，且勻染性都較好。

圖12 織物K/S值

2.5.4 色牢度

羊毛織物、PAN包芯紗織物、PAN-PEI包芯紗織物的色牢度測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可知，羊毛織物和PAN包芯紗織物的色牢度良好，且由于PAN包芯紗缺少與克牢素染料相結(jié)合的基團(tuán)，故其色牢度與羊毛織物色牢度基本一致；同時(shí)還可看出，PAN-PEI包芯紗織物的干摩擦色牢度均略高于濕摩擦色牢度。且由于活性染料與纖維間形成共價(jià)鍵結(jié)合，在耐水洗色牢度測(cè)試中各纖維沾色較少。

表2 織物的色牢度

3 結(jié) 論

本文采用實(shí)驗(yàn)室自主改進(jìn)的納米紗線機(jī)，制備得到形貌良好的聚丙烯腈(PAN)/羊毛包芯紗和聚丙烯腈-聚乙烯亞胺(PAN-PEI)/羊毛包芯紗，并分別對(duì)2種包芯紗進(jìn)行掃描電鏡拍攝及纖維直徑測(cè)試，以及紗線強(qiáng)力測(cè)試。利用活性染料克牢素對(duì)2種包芯紗織物和羊毛織物進(jìn)行染色并進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試，得出如下結(jié)論：

①包覆在羊毛纖維表面的PAN納米纖維和PAN-PEI納米纖維直徑均勻，成形良好。

②紗線的強(qiáng)力大小為羊毛紗線< PAN-PEI/羊毛包芯紗< PAN/羊毛包芯紗。

③相比羊毛織物，PAN/羊毛包芯紗織物的一浴法染色同色性較差，PAN-PEI/羊毛包芯紗織物的同色性較好，且上染百分率達(dá)到99%。此外，PAN-PEI/羊毛包芯紗染色織物具有良好的色牢度，其中耐摩擦色牢度可達(dá)4級(jí)以上，耐水洗色牢度可達(dá)4～5級(jí)。為以后的羊毛混紡及染色提供了一種新的方法。