摘 要:采用涤纶用紫外线吸收剂CibafastP对聚乳酸(PLA)纤维针织物进行紫外线防护整理,研究了CibafastP用量、整理温度和时间对吸附量和织物紫外防护因子(UPF)的影响;探讨了CibafastP在PLA纤维上的吸附特性。研究表明,CibafastP对260~330nm波段的紫外线具有良好的吸收性能,能有效地防止UV2B透过PLA织物;CibafastP在PLA纤维上的吸附符合Langmuir模型,存在吸附饱和值;随着用量增加、处理温度升高和时间延长,吸附量和UPF值增加,UPF值与吸附量之间存在很好的线性关系;与分散染料不同,低于100℃,CibafastP在PLA纤维上的吸附速度很慢,且吸附量低,故浸渍法整理应在110℃下进行。
0 前言
聚乳酸(PLA)纤维不含芳香环,紫外线吸收率低、透过率高,具有很好的抗紫外线老化性能。但对于白色和浅色PLA纺织品而言,紫外线的透过率较高,有损人体健康。
日本长濑有色化学株式会社近年推出了与染色配套使用的PLA纤维专用紫外吸收剂DenaPLAUVCut2terNH,除了能赋予PLA纺织品很好的防护紫外功能外,还能提高其上分散染料的耐光牢度。
此外,KMogi等人采用涤纶用的苯并三唑型紫外吸收剂《2pEE2200N(日本第一工业制药)对PLA织物于100℃浸渍处理,发现该紫外吸收剂能将270~380nm波段紫外线的透过率降低到极低数值,同时还有助于改善部分偶氮分散染料的耐光牢度。
目前,有关涤纶织物紫外线防护整理和紫外线吸收剂整理的研究已有大量文献报道,但对PLA织物的相关报道极少。笔者采用亨斯迈纺织染化有限公司生产的涤纶用紫外线吸收剂CibafastP对PLA纤维针织物进行紫外线防护整理,讨论了CibafastP及其整理织物的紫外线吸收和透过特性,重点研究紫外线吸收剂用量、整理温度和时间对其在纤维上吸附量的影响,分析了紫外线吸收剂在纤维上的吸附量与紫外防护因子之间的关系,并对紫外线吸收剂在PLA纤维上的吸附规律进行了探讨。
1 试验
1.1 试验材料
织物 9.74tex×2(60S×2)PLA纤维单面针织物;涤纶织物(染色牢度测试用标准聚酯白布)。
PLA针织物的前处理条件 平平加O0.5g/L、碳酸氢钠1g/L,浴比1∶50,60℃处理45min。
试剂 紫外线吸收剂CibafastP(微黄色粘稠状产品,其稀释液的平均粒径为0.37μm);氯仿、醋酸、醋酸钠、碳酸氢钠(均为分析纯)。
1.2 紫外线吸收剂处理方法
在StarletDL2600型红外线染色打样机(韩国大林斯达乐公司)中进行织物紫外线吸收剂处理。
基本处方和工艺 CibafastPx%(owf),采用醋酸/醋酸钠调节pH值至5,浴比1∶40。30℃开始处理,以2℃/min的速度升温至110℃,保温40min;之后,以2℃/min降温至70℃,取样,然后冷水洗、60℃水洗10min、冷水洗、晾干。
1.3 测试方法
1.3.1 紫外线透过率及UPF的测定
织物的紫外线透过率(T%)和紫外线防护因子(UPF)在LabsphereUV21000F纺织品紫外防护因子测试仪(美国Labsphere公司)上测定,采用UPF指数评判织物抗紫外线性能。
1.3.2 纤维上紫外线吸收剂含量的测定
紫外线吸收剂CibafastP在PLA纤维上的吸收量采用溶解法测定。采用氯仿室温溶解经紫外线吸收剂处理的试样,所得溶解液在最大吸收波长(278nm)下,用ShimadzuUV22550紫外可见光分光光度计(日本岛津公司)测定吸光度,紫外线吸收剂在氯仿溶液中的紫外吸收光谱曲线如图1所示。根据图2的标准工作曲线确定溶解液中紫外线吸收剂浓度,最后计算每克纤维上吸附的紫外线吸收剂质量(Cf)。处理液中紫外吸收剂的残留浓度(Cs)和吸尽率根据原始用量与在纤维上吸附量之差计算。
2 结果与讨论
2.1 PLA和涤纶织物紫外线防护性能比较
紫外线对PLA纤维针织物和涤纶标准贴衬的透过性能见图3和表1;表2为纺织品的UPF指数与紫外线防护效果的对照。
由图3和表1可知,几乎在所有紫外线波段内,PLA织物紫外线透过率均高于涤纶织物,320nm以下更为明显。在UV2B(280~320nm)波段对PLA织物的平均透过率为7.9%,对涤纶织物的透过率为4.0%,而在UV2A(320~380nm)波段对两种织物的透过率相差较小;PLA和涤纶织物的UPF指数分别为11.6和19.5。由表2可知,PLA织物的紫外线防护性能明显差于涤纶织物。
2.2 CibafastP处理织物的紫外线吸收和透过特性
由图1可知,在氯仿溶液中,CibafastP在紫外区有两个吸收峰,其最大吸收波长分别为278nm和310nm。虽然本项目未测定CibafastP在PLA纤维上的紫外吸收光谱曲线,但其在PLA纤维上与氯仿溶液中的紫外吸收光谱相差不会很大,可以认为PLA纤维上的CibafastP对260~330nm波段的紫外线(包括UV2B)具有良好的吸收性能。
由图3知,经CibafastP整理后的PLA织物,紫外线透过率明显下降,UPF指数明显增加;且随着CibafastP用量增加,紫外线透过率下降程度越大。试验表明,CibafastP对PLA织物具有较好的紫外线防护性能,能更有效地防止UV2B透过,这与其对260~330nm的紫外线具有很好的吸收性能是一致的。
2.3 CibafastP用量和处理温度与UPF的关系
CibafastP的用量及处理温度对UPF指数的影响如图4所示;对其吸附量的影响如图5所示。
由图4可知,在两个处理温度下,PLA织物的UPF指数或紫外线防护效果均随着CibafastP用量的增加而增加。在CibafastP用量相同的情况下,处理温度越高,UPF指数越高。
由图5可知,随着CibafastP用量增加和处理温度升高,CibafastP在PLA纤维上的吸附量增加。显然,整理织物的紫外线防护效果随着CibafastP吸附量增加而增强。
整理织物的UPF指数与CibafastP吸附量的关系如图6所示。
由图6知,在本试验范围内,整理织物的UPF指数与CibafastP吸附量存在很好的线性关系。
另外,由图4还可看出,当CibafastP用量在2%以下时,UPF指数随其用量增加而明显升高;但超过2%后,升高的趋势减小。这与图5中,CibafastP在纤维上的吸附量在其用量超过2%后增加趋势减缓是一致的。图5还表明,CibafastP在PLA纤维上的提升性能是有限的,因此,不能盲目地通过增加其用量来提高PLA织物的紫外线防护效果。
由图7可知,当用量为2%时,110℃处理时的吸尽率约为46%,而100℃处理时的吸尽率仅为25%。因此,当CibafastP用量超过2%后,再增加用量,不仅不能获得所期望的很高的紫外线防护效果,而且还会造成紫外线吸收剂浪费和加工成本增加。
本试验的结果表明,PLA织物用CibafastP进行整理,其用量不宜过高,处理温度宜采用110℃。
2.4 CibafastP在PLA纤维上的升温吸附特性
CibafastP在PLA纤维上的升温吸附速率曲线如图8所示。
由图8可看出,在100℃以下及100℃开始保温前,吸附量不超过3mg/g,吸附速度很慢;在100℃保温的情况下,吸附量随时间的延长而增加的速度亦很慢。因此,紫外吸收剂CibafastP在PLA纤维上的吸附速度在100℃以下是很慢的,且吸附量低。这与很多分散染料在PLA纤维上的上染量从80℃开始很快增加的情况完全不同。
当温度超过100℃后,CibafastP在PLA纤维上的吸附速度明显加快,吸附量明显增加;在110℃保温时,吸附量仍随时间延长而明显增加。110℃保温60min时的吸附量几乎是100℃保温60min时吸附量的2.5倍,其相差程度比许多分散染料于110℃和100℃在PLA纤维上染色时的吸附量或上染率的相差程度大很多。CibafastP在高温下具有较快的吸附速度和较高的吸附量,这可能与PLA纤维分子链段高温下剧烈运动易形成较大尺寸的瞬时空隙有很大关系。
2.5 CibafastP在PLA纤维上的吸附规律
非水溶性紫外线吸收剂在合成纤维上的吸附热力学是,在恒温条件下吸附达到平衡时,讨论紫外线吸收剂在纤维上和在水浴中的分配或吸附规律。为了使吸附达到平衡,一般需要较长的处理时间,温度越低,吸附达到平衡的时间越长。根据文献和笔者的研究,对于PLA纤维,即使在100℃和110℃及正常时间内进行染色或空白染色,其结晶度也会增加,分子量有一定程度的降低。很显然,纤维结构的变化可能会影响紫外线吸收剂或分散染料在PLA纤维上的吸附。本文中CibafastP在PLA纤维上的吸附等温线试验是在类似于正常的染色条件下进行的(图9)。
图9中的曲线是采用Langmuir吸附方程对试验点进行模拟的结果,试验点与模拟曲线能很好地重叠,相关系数R2很高,这表明紫外吸收剂在PLA纤维上的吸附符合Langmuir模型,同时也表明PLA纤维大分子上具有可供紫外吸收剂定位吸附的活化点。
由表3的吸附参数可知,紫外线吸收剂在高温下的吸附饱和值和Langmuir吸附常数均比低温下的高。其原因是温度升高,有利于增大紫外线吸收剂的扩散动能和纤维内的自由体积或瞬时形成的空隙尺寸,从而导致纤维接受紫外吸收剂的能力增强。
3 结论
(1)紫外吸收剂CibafastP对260~330nm波段的紫外线具有良好的吸收性能,能有效防止UV2B透过PLA织物。随着CibafastP用量增加和浸渍处理温度升高,其在PLA纤维上的吸附量增加,导致PLA织物UPF指数的增加,且与CibafastP吸附量存在很好的线性关系。但CibafastP在PLA纤维上的提升性能有限,当用量超过2%后,再增加用量,效果不明显。
(2)低于100℃时,CibafastP在PLA纤维上的吸附速度很慢、吸附量低;超过100℃后,CibafastP在PLA纤维上的吸附速度明显加快,吸附量明显增加,且在110℃保温时,吸附量仍随着保温时间延长而明显增加。因此,在使用时,应采用110℃保温处理。
(3)CibafastP在PLA纤维上的吸附符合Langmuir模型,存在饱和吸附值,其在高温下的吸附饱和值和Langmuir吸收常数均比低温下的高。
