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羊毛高新改性技术的研究进展

                           羊毛高新改性技术的研究进展
                                     唐杰1,吴赞敏1,2
    ( 1. 天津工业大学纺织学院,天津300387; 2. 先进纺织复合材料教育部重点实验室,天津300387)
    摘要: 介绍了目前应用最多的羊毛高新改性技术( 低温等离子体技术、超声波技术、紫外线辐射技术以及离子液体) 的改性类型以及特点,归纳了在纺织中应用的主要特点,分析了羊毛纤维改性后的物理性能、染色性能和水解性能,并且阐述了各项技术在羊毛改性中的主要研究方向及其进展,总结了高新技术在实际应用中仍存在的主要问题,并对未来的发展趋势进行了展望。
    关键词: 低温等离子体; 超声波; 紫外线; 离子液体; 羊毛改性.
    中图分类号: TS195 文献标志码: A 文章编号: 1003-1456( 2014) 05-0012-04
    羊毛织物以其手感丰满、舒适保暖、风格厚重及细腻高贵而深受人们的喜爱,被公认为高档商品。近年来毛皮外衣、羊绒、纯毛毛毯等高档制品日益增多。羊毛纤维表面覆盖一层有定向摩擦效应的鳞片,其疏水性很强,不易润湿,只有在较高温度下才会张开,给羊毛纤维染色带来了很大困难,较高温度、较长时间染色会导致羊毛纤维一定的损伤。因此,许多低温染色方法( 溶剂法、甲酸法、尿素法等)被应用于羊毛染色加工,效果虽然较好,但是污染非常严重[1]。此外,可用于纺织加工的优质羊毛比例非常低,大部分羊毛被废弃,造成资源的极大浪费,传统方法采用强氧化剂或还原剂破坏羊毛角蛋白之间的二硫键来溶解,对蛋白质的降解严重,对环境污染也较大。
    随着科技的迅速发展,一些交叉学科的高新技术被应用于纺织工业。本文通过采用高新技术对羊毛纤维进行改性,使其表面性质或染色性能得到改善,从而实现低温染色及提高染色效果,保持或改善织物风格,以及对废弃羊毛的溶解回收利用。
    1· 羊毛的高新改性技术
    目前,用于羊毛改性的方法很多,羊毛改性是通过物理、化学等方法,改善羊毛纤维表面的特性,以提高产品的舒适度和附加值。目前应用最多的有低温等离子体技术、超声波技术、紫外线辐射技术以及离子液体等,其特点如表1 所示。
     
    2· 高新技术在羊毛改性中的研究进展
    2. 1 低温等离子体技术
    低温等离子体技术通常是利用低温辐射中被高度激发的、不稳定的活性粒子对羊毛纤维表面破坏鳞片层、刻蚀破坏胱氨酸中二硫键,或引入极性基团等,不但可以提高羊毛的润湿性、亲水性以改善羊毛染色性能[2 - 3],而且可以提高羊毛织物的功能性。低温等离子体技术通过对羊毛鳞片层的刻蚀可以减少毡缩,在适当的工艺条件下,织物可以获得一定的防毡缩效果。
    汪前东等[4 - 5]将羊毛织物进行低温等离子体处理后,对其进行染色和抗起毛起球性、防缩性等研究,结果表明,经低温等离子体处理后的羊毛纤维表面变得粗糙,并且碳- 氧键增多,上染速率增大,表观色泽增深,色牢度也提高了0. 5 级,可提高羊毛织物抗静电性、易去污性、抗起球性等多方面性能,而且防缩性得到了显著的提升,从而减少了环境污染,降低了染料用量以及染色成本。
    李永强等[6]采用CF4低温等离子体对羊毛织物进行改性,研究改性后羊毛织物的性能变化,结果表明,羊毛织物经CF4低温等离子体短时间处理后,润湿性得到改善,染色性能提高,延长处理时间,并且在羊毛织物表面引入含氟基团,可以使其获得良好的拒水、拒油性能,热稳定性也略有提升。李亮[7]研究了羊毛织物经低温等离子体处理后,对纤维本体不会造成损伤,并且使其具有一定的防毡缩性能,在1 mPa、100 W 处理3 min 后,其毡缩率进一步降低。
    2. 2 超声波技术
    2. 2. 1 对羊毛物理性能的影响
    Cunko 等[8]研究了超声波处理对羊毛纤维物理性能的影响,试验结果发现,超声波可以使羊毛纤维表面的形态和结构发生变化,对羊毛纤维鳞片具有刻蚀作用,使其受到一定的破坏,经超声波处理的羊毛鳞片变钝、变光,摩擦效应降低,并且作用时间越长,降低幅度越大,从而可改变羊毛纤维的毡缩性.唐淑娟等[9]以高锰酸钾为氧化剂,利用超声波对羊毛纤维进行防缩处理,可以减少药品用量,降低反应温度,处理后羊毛纤维的各项性能指标都很好。
    2. 2. 2 对羊毛染色性能的影响
    超声波对羊毛染色性能的提升有2 方面: 一是利用超声波的空穴效应对染液中染料颗粒有解聚与分散作用,从而使染色速率和得色量均有提高,这方面的研究在国内外已经比较广泛; 另一方面是对羊毛纤维作用,对其表面进行改性,这方面的研究国内外都比较少。
    费燕娜等[10]研究了超声波处理对羊毛纤维润湿性的影响,研究结果表明,经过超声波处理的羊毛纤维鳞片层表面出现了刻蚀效果或鳞片层局部出现了剥离现象,羊毛的润湿性得到显著改善,为进一步对羊毛织物整理加工提供了条件。
    彭帆等[11]对羊毛纤维经超声波处理后的表面形态和内部结晶进行了研究,研究发现,羊毛经超声波处理后纤维表面的鳞片被刻蚀、边缘破损,鳞片倾角增大,羊毛表面有无定形物碎片沉积以及波纹状条痕等,表明超声波对羊毛鳞片表层、鳞片外层、鳞片内层和CMC 已经起到作用。并通过X - 射线衍射发现,羊毛结晶度有所下降。通过这些可以推测,超声波处理有利于初始上染壁障的削弱以及纤维内部透染的改善,从而提高羊毛的染色性能。
    顾佳等[12]研究了超声波对羊毛纤维性能的影响,结果表明,超声波处理能使羊毛油脂质量分数减少,提高了纤维白度和润湿性,纤维表面鳞片张角增大并且有不规则裂纹,部分二硫键断裂,β 折叠链大分子有序程度降低,因此,羊毛染色过程中更易润湿,减少了染料分子在纤维内部扩散的障碍,从而促进在纤维内部的上染。
    2. 2. 3 对羊毛水解性能影响
    超声波可以降解蛋白质的机理一般认为是由于受到力的作用,以及空化泡爆裂时的高压影响和热的作用[13]。
    陈宗良等[14]研究了采用超声波技术辅助碱还原水解羊毛纤维,结果表明,超声波通过空化现象和物理效应,无序的打断了角蛋白分子内或分子间的化学键,破坏了角蛋白规整、有序的结构,对羊毛有促进水解作用。产物为大分子多肽和少量小分子氨基酸的混合物,全是非晶相,具有良好的热稳定性。
    2. 3 紫外线辐射技术
    20 世纪90 年代后期,紫外线照射技术才开始研究与应用于纺织印染行业[15],紫外线辐射( UV 处理) 是一种低能量辐射,在纺织工业中有许多用途,例如在纤维基质物通过接枝共聚的化学改性和聚合物涂层的焙烘中使用,相关研究表明,紫外线处理可提高羊毛纤维的润湿性[16]。
    朱若英等[17]研究了紫外线处理对羊毛染色性能的影响,研究结果表明,羊毛经紫外线处理后鳞片表层肤氨酸的二硫键形成的致密网状结构被氧化和破坏,而羊毛主体不受影响,染料分子从染浴向纤维内扩散的染色壁障被去除,从而改善了羊毛的染色性能,但是不影响毛织物的毡缩性能,作为蛋白酶变性处理的预处理可以明显改善毛织物的抗起球和抗毡缩性能。
    邹新振等[18]采用紫外线辐射对羊毛纤维进行处理,研究了不同条件紫外线辐射处理对羊毛染色性能的影响,研究结果表明,紫外线辐射改变了羊毛表皮层的化学结构,特别是鳞片层的化学结构,上染百分率有所提高。
    2. 4 离子液体
    离子液体是完全由有机阳离子和无机( 或有机) 阴离子构成的,在室温或近室温下呈液体状态的盐类化合物[19 - 21],有的离子液体甚至在- 96 ℃时仍为流体,且无色、黏度低。离子液体可以通过改变烷基链的长度或支链、调变阴阳离子的结构或种类来调控离子液体的物理化学性质,对大量的无机和有机物质具有良好的溶解能力,被认为是一种绿色溶剂。由于离子液体具有宽液程、低挥发、强溶解性以及可设计性,已经在纺织工业中的纤维改性、纤维再生和废水处理等方面得到了广泛应用[22 - 24]。
    2. 4. 1 对羊毛染色性能影响
    袁久刚等[25]研究了离子液体单独使用以及离子液体预处理和蛋白酶处理联合使用对羊毛纤维亲水性的影响,研究结果表明,由于氯化1 - 丁基-3 - 甲基咪唑离子液体对羊毛角蛋白的良好溶解能力,主要将羊毛纤维表层溶解,对纤维表层进行溶解破坏,从而使得蛋白质层暴露,以改善羊毛亲水性,从而提高润湿性能,而联合处理能起到协同作用,从而更有效的改善了羊毛的各项润湿性能。
    汪南方等[26]利用自制的离子液体[Bmim]Br、[Emim]Br、[Bmim]Ac、[Emim]Ac 处理羊毛织物,研究处理后羊毛纤维的染色性能。研究发现,离子液体对羊毛鳞片层具有很好的软化和剥除能力,使得羊毛上染性能提高,但是羊毛纱线强力有所下降。因此,用离子液体处理羊毛时应在提高上染百分率和强力下降之间取得平衡。
    2. 4. 2 对羊毛功能性影响
    张莉等[27]研究了次磷酸化三( 丙基醇) 膦氢磷离子液体( [( HOCH2CH2CH2)3PH]PO2H2) 对羊毛抗起毛起球效果的影响,研究结果表明,离子液体中的次磷酸根离子能与鳞片层中胱氨酸上的二硫键发生反应,使二硫键断裂,生成巯基( —SH) ,使得胱氨酸含量高的疏水部分变为亲水性,溶解、减薄鳞片层及消去鳞片棱角,起到降低羊毛的定向摩擦效应和卷曲弹性的作用,从而达到良好的抗起毛起球的效果。
    Kantouc 等[28]研究了经双咪唑类离子液体处理对羊毛纤维抗菌持久性的影响。羊毛角蛋白大分子的阴离子部位通过预先合成的阴离子剂( AA) 处理而被填充,离子液体会沿着阴离子部位结合,形成离子键。经处理后的羊毛织物的抗菌性通过大肠杆菌进行了检查,研究结果表明,离子液体处理可以提高羊毛织物的抗菌持久性。
    2. 4. 3 对羊毛水解的影响
    Katherine 等[29] 研究发现离子液体[( C4H9)4P][Cl]和[C4MPy][Cl]能将羊毛角蛋白溶解,并且通过XRD 和FT-IR 光谱确认了羊毛的三级结构和二级结构以及被退化。
    范雪荣等[30]研究了通过离子液体1 - 丁基-3 - 甲基咪唑氯盐改性对蛋白酶水解羊毛效率的影响,研究发现,离子液体对纤维表层的鳞片层起到了破坏作用,纤维减量率从2. 68%提高到4. 47%,碱溶解度达到11. 6%,增加了羊毛纤维表面润湿性能,并且使得纤维结晶度下降,导致蛋白酶对纤维的可及度增大,从而提升了酶解效率。
    3· 高新改性技术存在的主要问题
    虽然高新改性技术已经得到了广泛研究并且取得很多的研究成果,但在实际应用中还存在不少问题,离真正的工业化应用还有一段很长的距离,其主要问题如表2 所示。
     
    4· 结语
    高新技术改性羊毛可实现低温染色,提高染色产品品质,为羊毛更深层次的加工整理提供了必要的技术保证,在现代纺织工业应用方面显示出较强的优势。高新技术在一定程度上改善了羊毛的特性,提高了应用性能,但是仍然存在一定的问题。羊毛改性技术仍在不断的探索中,而高新技术与其他改性技术的联合改性可以起到协同作用,更好的发挥各个技术的优点,从而更好的提高羊毛纤维的性能,这也是羊毛改性技术的一大发展趋势。
    参考文献:略


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