蛋白类防沾色剂与棉纤维作用机理探讨

徐华凤，王雪燕

(西安工程大学 纺织与材料学院，陕西西安 710048)



蛋白类防沾色剂与棉纤维作用机理探讨

徐华凤，王雪燕

(西安工程大学 纺织与材料学院，陕西西安 710048)

探讨了自制蛋白类防沾色剂对棉纤维的吸附机理，包括动力学吸附性能和热力学吸附性能。结果表明,蛋白类防沾色助剂的最大吸收波长是190 nm,在此波长下蛋白类防沾色助剂的浓度与吸光度成线性关系；该防沾色剂在棉织物上的吸附过程为准二级动力学吸附；其最佳吸附温度为80 ℃；在棉织物上的吸附属于朗格缪尔(Langmuir)型,为化学定位吸附。

棉织物 蛋白类防沾色助剂 吸附动力学 吸附热力学

在纺织品服装贸易中，对产品的质量要求除了传统的实用性、美观性和耐用性等以外，同样重视纺织品的色牢度[1-2]。因此纺织品在染色印花后需要进行皂洗后处理来去除浮色提高色牢度，同时要进行防沾色处理来防止洗涤下来的染料在一定条件下再次沾染到织物或者白地沾污[2-5]。近年许多科研者研究出了防沾污皂洗剂，低温防沾污皂洗剂，具有良好的防沾污效果和皂洗效果[2，6]。本课题采用的是自制蛋白类防沾色剂，既具有良好的防沾色效果又具有良好的环保性。防沾色剂的作用机理包括两部分，一是防沾色剂与染料的相互作用，二是防沾色剂与织物的相互作用。本文探讨了该蛋白类防沾色剂与棉织物的吸附作用，进一步表明了该防沾色剂的防沾色机理。

1 试验

1.1 实验材料、仪器与试剂

实验材料：纯棉漂白织物

试剂：自制蛋白类防沾色助剂，碳酸钠

仪器：HP1100紫外吸收光谱仪(上海精密科学仪器有限公司)、双列四孔恒温水浴锅(北京科伟永兴仪器有限公司)、BS110S电子天平(北京多利斯天平有限公司)等。

1.2 实验工艺方法

1.2.1 蛋白类防沾色剂在棉织物上吸附动力学实验

取质量为1 g的纯棉织物若干块，配制10 %(o.w.f.)的防沾色助剂溶液若干份，浴比为1:30。分别在60℃、80℃和100℃下对棉布进行恒温处理,处理过程中加入2 g/L无水碳酸钠。每隔一段时间取样,测定溶液的吸光度,并计算吸附量,以时间为横坐标,吸附量Qt为纵坐标,绘制上染速率曲线。

1.2.2 蛋白类防沾色剂吸附热力学实验

改变防沾色助剂的用量,分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%(omf),在60℃、80℃和100℃下,对棉布进行恒温处理,处理过程中加2 g/L无水碳酸钠,浴比1∶30,时间20 min。吸附达到平衡后,测定防沾色剂各残液的吸光度,计算残液中防沾色剂的质量浓度[D]s(mg/L)和织物上防沾色剂质量分数[D]f(mg/g).以[D]s为横坐标,[D]f 为纵坐标,绘制热力学吸附等温线。

1.2.3 蛋白类防沾色剂吸附百分率及吸附量的测试

用紫外-可见分光光度计分别测定吸附前、吸附后的最大吸光度值A，测试A0时以蒸馏水做参比液，测试Ai时以煮棉布的蒸馏水做参比液，浴比30:1，按(1-1)公式计算吸附百分率E。

(1-1)

其中：Ai为吸附残液稀释n倍的吸光度；

A0为吸附原液稀释m倍的吸光度；

E为吸附百分率。

(1-2)

其中：Qt为蛋白类防沾色剂在t时间时吸附到纤维上的浓度，mg/g；[D]f为吸附达到平衡时，助剂吸附到纤维上的浓度；[D]s为吸附达到平衡时，防沾色剂在残液中的浓度，单位mg/L；M1为防沾色剂质量，mg；M2为棉织物质量，mg；E为吸附百分率；V为处理液体积，L。

2 结果与讨论

2.1 蛋白类防沾色剂最大吸收波长测定

在紫外分光光度仪上测定不同波长时防沾色剂的吸光度值,要求范围在0.4～0.8，以波长为横坐标,吸光度为纵坐标作图,得出该浓度下蛋白类防沾色剂的吸收光谱曲线,确定最大吸收波长为190nm.

2.2 蛋白类防沾色剂对棉织物的动力学吸附性能研究

2.2.1 蛋白类防沾色剂对棉织物吸附的吸附速率曲线

用防沾色助剂模拟皂洗条件处理棉织物：10%(o.w.f.)防沾色剂，2g/L碳酸钠，浴比30∶1，分别在温度60 ℃、80 ℃、100 ℃下保温处理不同时间，然后在波长λ=190nm下测量残液的吸光度，按1.2.3计算防沾色助剂在棉织物上的吸附量，实验结果如图1所示。

图1 蛋白防沾色剂对棉织物吸附速率曲线

该蛋白类防沾助剂在棉纤维上的吸附是一个吸附和解析并存的过程,吸附开始阶段,防沾色助剂的浓度最大,吸附最快,吸附速率大于解析速率；随着时间的延长,反应浴中防沾色剂的浓度不断减小,吸附速率减慢,解析速率提高,最后吸附和解析速率一样,达到平衡状态,此时的防沾色剂吸附量就是平衡吸附量。由图1可以看出,15 min时已经达到了最大吸附量，说明防沾色剂与棉纤维的亲和力较大，这是因为该蛋白防沾助剂结构中含有的正电荷和蛋白质结构(-NH2、-OH等极性活性基团)，与棉纤维表面带有的负电荷所形成的静电引力，范德华力，氢键等的作用力增强；随着时间的延长，溶液中助剂的浓度逐渐降低，直到助剂在纤维上的吸附量趋于平衡。60℃、80℃、100℃的平衡吸附量相差不大,80 ℃的平衡吸附量最大。

2.2.2 蛋白类防沾色剂的半吸附时间和平衡吸附量

半吸附时间指达到平衡吸附量一半所需的时间，可以表示防沾色剂的吸附速率，也可以表明助剂吸附达到平衡的快慢，用t1/2表示。

(2-1)

式中：q∞为吸附平衡时纤维上的吸附浓度，即平衡吸附量，mg/g；

k为吸附速率常数。

根据吸附速率曲线和准二级动力学方程进一步推导出式2-2。

(2-2)

式中：qt为t时间时纤维上的吸附量；

qe为吸附平衡时纤维上的平衡吸附量；

K2为速率常数。

根据公式(2-2)绘制t/qe-t曲线，如下页图2所示。

图2 复配防沾色剂在棉织物上吸附的准二级动力模式线性拟合曲线

表1 各温度下的线性拟合方程及拟合度

由图2和表1看出，蛋白类防沾色剂对棉织物的吸附为准二级动力学吸附，各个温度的回归系数值R2都在0.99以上，其中60℃时回归系数值达到0.9999，拟合度最高。影响准二级动力学吸附作用的主要原因是化学键的形成，可以得出防沾色剂对棉织物的吸附是以化学吸附为主的。

按照公式2-2从上表中的截距和斜率计算出k和qe，结果如表2所示：

表2 复配防沾助剂处理棉纤维吸附的准二级动力学参数

注：qe,exp为实验所得的平衡吸附量；qe,eal为计算所得平衡吸附量；R2为线性拟合系数；K为速率常数。

由表2可以看出，qe,exp值与实验得到的qe,eal值比较接近，因此准二级动力学方程能很好地描述在此温度范围内蛋白类防沾色剂的吸附动力学过程。在80 ℃下平衡吸附量达最大值。另外，在不同温度下，防沾色剂的平衡吸附量和半染时间均有变化，说明温度对防沾色剂吸附棉纤维的吸附速率影响比较大。

2.3 蛋白类防沾色剂对棉织物的热力学吸附性能研究

按照1.2.2处理棉织物,处理结束后在波长(λ=190nm)下测试残液的吸光度，计算防沾色剂在棉织物上的吸附量[D]f和助剂在残液中的量[D]s，并以[D]f与[D]s关系作图，然后绘制出染色热力学吸附等温曲线。

(1) 温度为60 ℃时吸附等温线

图3 60 ℃下能斯特线性拟合曲线

图4 60 ℃下弗莱茵德利胥线性拟合曲线

图5 60 ℃下朗缪尔吸附性拟合曲线

表3 不同温度下各吸附等温线的线性拟合度

由表3可以分析出，在各个温度下拟合度最高的是朗缪尔吸附等温线，说明防色沾色剂对棉织物的吸附等温线类型为符合朗缪尔型，即化学定位吸附。因为棉纤维带有一定量的负电荷，蛋白类防沾色剂带有正电荷，当棉纤维上每一个负电荷上都吸附了一个带有正电荷的助剂分子后，吸附就达到饱和，此时被吸附的助剂的量称为吸附饱和值。

3 结论

综上所述该蛋白类防沾色助剂与棉纤维之间有较大亲和力，能很快吸附在织物上，能够与织物及织物上的染料作用，起到一定固色作用，减少织物上浮色的量，从而保证色牢度，并有效起到防沾色作用。

[1] 梁冬，王祥荣.防沾色皂洗剂的制备与应用研究[D].苏州：苏州大学，2008.

[2] 王百慧.活性染料用防沾色皂洗剂的研究现状[J].成都纺织高等专科学校学报，2016(1)：154-157.

[3] 徐华凤，赵晓丽，王雪燕.蛋白类防沾色剂在活性染料染色棉织物上的应用[J].成都纺织高等专科学校学报，2016(1)：66-69.

[4] 徐华凤，赵晓丽，王雪燕.蛋白类防沾色剂在活性染料染色棉织物皂洗处理中的应用效果评价[J].成都纺织高等专科学校学报，2016(2)：84-88.

[5] 徐华凤，王雪燕.蛋白类防沾色剂与活性染料相互作用探讨[J].成都纺织高等专科学校学报，2017(1)：120-123.

[6] 徐华凤，王雪燕.活性染料蛋白类防沾色剂的制备[J].成都纺织高等专科学校学报，2015(4)：38-41.

Exploration on the Mechanism of Protein Anti-staining Agent and Cotton Fiber

XUHua-feng,WANGXue-yan

(School of Textile and Materials,Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048)

The adsorption mechanism of self-made protein anti-staining agent for cotton fiber was discussed,including kinetic adsorption performance and thermodynamic adsorption performance. The results showed that the maximum absorption wavelength of protein anti-staining agent was 190 nm and the concentration of anti-staining agent in this wavelength had linear relationship with the absorbance; the adsorption process of the anti-staining agent on cotton fabric was a pseudo-second kinetic adsorption; the optimal adsorption temperature was 80 ℃; the adsorption of cotton fabric was Langmuir,which was a chemical locating adsorption.

cotton fabric protein anti-staining agent adsorption kinetics adsorption thermodynamics

2017-02-26

徐华凤(1990-)，女，硕士，研究方向：纺织品化学加工新材料、新工艺的理论及应用。

王雪燕(1963-)，女，教授，硕士生导师。

TS193.2+2

A

1008-5580(2017)02-0096-04