背景技术
海藻酸钙纤维是以天然海藻中提取的多糖为原料,水溶性的钙盐溶液为凝固浴,通过湿法纺丝生产工艺得到的一种新型高性能绿色生态纤维。海藻中积累了海洋中丰富的矿物质,并含有碳水化合物、氨基酸、脂肪及各种维生素等成分,可以激活细胞的新陈代谢,具有消炎、止痒的功能,使得海藻酸钙纤维对人体皮肤有自然养护、保湿、美容的功效,同时对皮肤病治疗也具有特殊用途。另外,海藻酸钙纤维还具有良好的生物可降解、生物相容性和优异的吸湿性、阻燃性和电磁屏蔽能力,使得海藻酸钙纤维非常适合用于生产高档服装和内衣面料、防护服以及装饰用纺织品和医用纺织品。但是海藻酸钙纤维不耐酸和碱处理,而且在含有Na+的溶液中易发生凝胶化,造成染色困难,限制了其应用领域。
为了实现海藻酸钙纤维的染色,科研工作者相继开展了系列研究工作。中国专利公开号为CN 101736440 A,公开日为2010年6月16日,发明名称为可染海藻酸盐纤维的制造方法,该申请案将水溶性的树状大分子添加到海藻酸盐纤维纺丝溶液中,采用湿法纺丝设备和工艺,经凝固、牵伸、水洗和后处理,得到染色性能优异的海藻酸盐纤维。中国专利公开号为CN 102418260 A,公开日为2012年4月18日,发明名称为一种炉甘石海藻纤维面料的前处理、染色和整理工艺,该申请案采用常规活性染料的染色工艺,使用硫酸钠促染和碱剂固色。中国专利公开号为CN101413207A,公开日为2009年4月22日,发明名称为海藻纤维面料的染整工艺,该申请案采用分散染料和活性染料,使用硫酸钠促染,纯碱和烧碱固色。孔保运等人(海藻酸钙纤维活性染色工艺,印染,2013年第8期,22—24)采用氯化钙代替氯化钠进行促染,参照活性染料的常规染色工艺,进行海藻酸钙纤维的染色。吕芳兵等人(海藻酸纤维活性染料稀土染色,印染,2009年第24期,11-14)采用硝酸铈代替氯化钠进行促染,参照活性染料的常规染色工艺,进行海藻酸钙纤维的染色。中国专利公开号为CN 103981744A,公开日为2014年8月13日,发明名称为一种海藻酸钙纤维的无盐染色方法,该申请案采用硫酸铝对海藻酸钙纤维进行预处理,然后采用直接染料进行无盐染色,最后采用氯化钙水溶液进行固色处理。中国专利公开号为CN 104264280 A,公开日为2015年1月7日,发明名称为一种采用色淀染料对海藻纤维原液着色的方法,该申请案向海藻纤维纺丝原液中加入色淀染料,搅拌混合均匀后,经过滤、脱泡,进一步制备得到色淀染料着色的海藻纤维。
以上相关文献中,海藻纤维的染色工艺技术均采用合成染料为着色剂。合成染料又称“人造染料”,是以石油和煤炭化工原料为中间体,通过一系列化学方法,人工合成的染料。随着经济的高速发展,人们开始逐渐认识到,合成染料着色的纺织品对人体的安全健康和人类的生存环境产生了严重的危害和影响。于是,人们更加青睐和推崇一种有益于人体健康和无害于环境的,采用天然染料着色的生态纺织品。
海藻酸钙纤维原本是以海藻生物质为原料,通过湿法纺丝获得的一种生物质纤维,符合生态纺织品的要求。由于染色过程中合成染料的使用,现有方法制备的染色海藻酸钙纤维及其纺织品不能满足生态纺织品的要求,限制了海藻酸钙纤维及其制品在高端纺织品领域的应用,降低了产品的附加值。
然而,天然染料种类较多,不同植物中提取出来的天然染料的分子量和结构不同,其与海藻纤维的固着能力不同,同时,由于海藻酸纤维的特殊结构,导致天然染料很难通过常规的染色工艺固着在纤维上。
发明内容
针对上述存在的问题,本发明的目的在于选择合适的天然染料并提供一种天然染料纺丝原液着色海藻酸钙纤维及其制备方法,主要是通过将天然染料、媒染剂添加到海藻酸钙纤维的纺丝溶液中,并经均质机搅拌和脱泡处理,再经计量泵从喷丝板挤出,进入氯化钙水溶液组成的凝固浴中得到初生纤维,初生纤维边牵伸边经媒染剂水溶液高压喷淋处理,然后进入水洗浴中洗涤处理,再经过二次牵伸后进入柔软剂溶液中进行柔软处理,最后经第三次牵伸、干燥和卷绕,得到天然染料纺丝原液着色海藻酸钙纤维。而且该发明方法可以克服传统染色生产过程中的高污染、高能耗等问题,染料的利用率高,制备出的着色海藻酸钙纤维的强度和柔韧度优异,满足生态纺织品的要求。
为了实现上述目的,其技术解决方案为:
一种天然染料纺丝原液着色海藻酸钙纤维及其制备方法,着色海藻酸钙纤维的制备方法包括如下步骤:
步骤(1):纺丝原液的制备
所述纺丝原液包括:海藻酸钠,天然染料,媒染剂和蒸馏水;
所述纺丝原液的制备方法为:先将称取的天然染料和媒染剂搅拌溶解于蒸馏水中,然后升温至70~90℃,采用均质机边搅拌边加入海藻酸钠,搅拌0.5~1h,然后静置脱泡24~36h,得到纺丝原液;
对于步骤(1),由于现有的天然染料对纤维或纺织品的着色,都采用传统的预媒法或后媒法等溶液染色工艺,染料从纤维的表面向内部扩散。若采用相同的工艺,由于海藻酸钙纤维与天然染料之间缺乏亲和力,染料的上染率非常低。但是直接将天然染料添加到海藻酸钙纤维的纺丝液中,由于纤维的放丝溶剂为蒸馏水,天然染料在蒸馏水中的溶解性能优异,使得天然染料能充分的分散在纺丝原液中,提高了天然染料的利用率,同时,通过在纺丝液中添加少量媒染剂的方法,利用媒染剂提高天然染料与海藻酸钙纤维之间的作用力,避免了天然染料在纺丝成形过程中的流失,进一步的提高天然染料的利用率,降低对天然染料的浪费,另外,媒染剂还能与纺丝液中的海藻酸钠分子相互作用形成微小的凝胶体,将天然染料固定在纤维中,防止其在纺丝成形过程中向纤维表面的扩散流失。对于提高海藻酸钠溶解的温度,可以加速纺丝液的制备,并通过搭配均质机的使用,可以改善媒染剂与海藻酸钠分子之间形成的凝胶体颗粒的均匀度,防止局部形成过大的凝胶体颗粒,造成纺丝困难。
步骤(2)湿法纺丝制备初生纤维
将步骤(1)制得的纺丝原液过滤,并经计量泵后从喷丝板挤出,进入氯化钙水溶液凝固浴中凝固成型,得到初生纤维;
步骤(3)第一牵伸与媒染剂处理
将步骤(2)得到的初生纤维进行第一次牵伸,第一次牵伸同时进行高压喷淋媒染剂水溶液,然后进入蒸馏水洗涤浴中洗涤,得到洗涤处理后的纤维;
步骤(4)第二次牵伸与柔软处理
将步骤(3)得到的洗涤处理后的纤维进行第二次牵伸,然后进入柔软剂溶液中进行柔软处理,得到柔软处理后的纤维;
步骤(5)第三次牵伸与后续步骤
将步骤(4)得到的柔软处理后的纤维进行第三次牵伸,然后干燥,卷绕,得到天然染料纺丝原液着色海藻酸钙纤维。
所述的天然染料为五倍子、栀子蓝、紫胶红、叶绿素铜钠盐、栀子黄、苏木、姜黄、茜草中的一种。
所述的媒染剂为硫酸铝钾、硫酸亚铁、硫酸铜、氯化亚锡中的一种或几种的混合物。
所述步骤(1)中海藻酸钠的质量为蒸馏水质量的1%~10%,天然染料的质量为海藻酸钠质量的0.1%~1%,媒染剂的质量为海藻酸钠质量的0.01%~0.05%。
所述步骤(2)中氯化钙水溶液质量百分比浓度为0.5%~2%,凝固浴温度为10~25℃,凝固时间为3~30s。
对于步骤(2)中,由于纺丝液中加入的媒染剂与海藻酸钠分子相互作用形成了微小的凝胶体,如果采用普通海无色海藻酸钙纤维的纺丝工艺,制备的着色海藻酸钙纤维脆性较强,不能满足后续纺织加工的使用要求。本申请通过降低凝固浴的浓度和温度,以及缩短凝固时间等综合手段的实施,降低海藻酸钠大分子与钙离子的交联度,从而改善着色海藻酸钙纤维的脆性。
所述步骤(3)中媒染剂水溶液的质量百分比浓度为0.05%~0.1%,所述的第一次牵伸的倍数为1.2~2.0倍,所述的媒染剂水溶液的温度为70~90 ℃,所述高压喷淋压力为0.5~1.5 Mpa,所述的洗涤浴的温度为70~90℃,洗涤时间为30~90s。
对于步骤(3),本申请先在纺丝液中添加媒染剂,可以防止天然染料的流失,但是如果添加量太多容易造成媒染剂与纺丝液中的海藻酸钠形成的凝胶体的颗粒过大,且不均匀,造成纺丝困难。本发明方法将媒染剂分成两次使用,有效地避免了上述问题,而且采用高压喷淋的办法使用媒染剂,可以加速媒染剂在纤维中的渗透,节约媒染剂的用量,缩短媒染固色时间。另外,在牵伸的同时进行媒染,缩短了工艺流程,简化了工艺设备,节省了设备占地空间,有利于降低纤维的生产成本。
所述步骤(4)中所述柔软剂溶液为氨基硅油柔软剂/乙醇溶液,氨基硅油柔软剂/乙醇溶液的质量百分比浓度为0.05~0.1%,所述第二次牵伸的倍数为1.0~1.5倍,所述的氨基硅油柔软剂/乙醇溶液的温度为25~50℃,柔软处理的时间为30~60s。
对于步骤(4),由于媒染剂的使用,增加了着色海藻酸钙纤维的脆性,影响了下游的纺织加工。采用传统的上油工艺,只能在纤维的表面涂覆柔软油剂,并不能改善着色海藻酸钙纤维的柔韧性。本申请对水洗后的纤维,进行了浸渍柔软剂处理,浸渍过程中柔软剂可以充分扩散和渗入到到单根纤维的表面和内部,且分布均匀,可以有效地解决上述问题。另外,本发明采用乙醇作为着色海藻酸钙纤维柔软处理的溶剂体系,可以快速脱除纤维中残留的水分,加速染料在纤维中的沉积,防止流失,且可以加速纤维的干燥,缩短纤维的干燥时间,改善纤维的可纺性能。
所述步骤(5)中第三次牵伸的牵伸倍数为1.0~1.2倍,所述干燥的温度为40~60℃,干燥时间为1~2min。
由于采用了上述技术方案,本发明一种天然染料纺丝原液着色海藻酸钙纤维及其制备方法的有益技术效果如下。
1 采用天然染料作为海藻酸钙纤维的着色剂,避免了合成染料着色的纺织品对人体的安全健康和人类的生存环境产生了严重的危害和影响,制备的有色海藻酸钙纤维满足生态纺织品的要求,提高了海藻酸钙纤维及其制品的附加值,且有利于推动海藻酸钙纤维及其制品在高端纺织品领域的应用。
2 采用将少量媒染剂和着色剂添加到海藻酸钙纤维纺丝液中的办法,实现了海藻酸钙纤维的原液着色,增加了天然染料的利用率,降低了成本,而且克服了传统染色生产过程中天然染料难以上染,以及染色过程中的高污染、高能耗等问题。
3 采用高压喷淋媒染剂的方法,并采用氨基硅油柔软剂/乙醇溶液进行增柔处理,减少了媒染剂的用量,而且制备出的着色海藻酸钙纤维的强度和柔韧度优异,有利于纤维的后续纺织加工,开发高品质和高附加值的产品。
4本发明一种天然染料纺丝原液着色海藻酸钙纤维及其制备方法,生产流程短,工艺简单,在普通海藻酸钙纤维的设备基础上就可以实现,可在现有产业基础上快速形成完整的产业链;而且节约了天然染料和媒染剂的使用,降低了生产成本。