現(xiàn)行蠶繭在烘繭、煮繭、繅絲時(shí)都是雌雄混合,只能繅制雌雄復(fù)合絲,很難批量生產(chǎn)出6A級(jí)高品位生絲[1]。雄蠶絲跟雌蠶絲相比它具有繭絲及解舒絲長(zhǎng),出絲率高,繭絲纖度細(xì),凈度優(yōu),絲色亮麗的優(yōu)點(diǎn),是目前國(guó)內(nèi)唯一具備繅制6A級(jí)高品位生絲條件的蠶絲[2]。傳統(tǒng)生產(chǎn)雄蠶絲的蠶品種有:溫敏致死效應(yīng)蠶品種、性連鎖平衡致死蠶品種、家蠶限性品種,這些品種存在著:成活率低、繅制生絲難度高、蠶農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度大、繭絲質(zhì)量差等問(wèn)題,因此很難大批量得到純正的雄蠶絲[3]。近年來(lái),我國(guó)通過(guò)基因工程的方法將普通蠶品種轉(zhuǎn)育成熒光繭色判性蠶品種,在保持現(xiàn)行蠶品種優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上,利用雌雄繭在紫外線燈光下所發(fā)射出來(lái)顏色的不同而實(shí)現(xiàn)雌雄繭分離,鑒別的成功率已高達(dá)100%,進(jìn)而可以做到雌雄繭分開(kāi)繅絲,極具市場(chǎng)前景[4-5]。目前對(duì)雄蠶絲的報(bào)道不多,尤其對(duì)它的染色性能沒(méi)有詳細(xì)的報(bào)道。本文通過(guò)研究直接染料錫利黑VSF在雄蠶絲上的染色速率、染色擴(kuò)散系數(shù)、半染時(shí)間和染色速率常數(shù)等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)來(lái)研究雄蠶絲的染色動(dòng)力學(xué)性能。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 材料及藥品
脫膠后雄蠶絲(江蘇民星繭絲綢股份有限公司);脫脂棉(上海銀京義勇衛(wèi)生材料有限公司),錫利黑VSF(德斯達(dá)公司),元明粉(分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。
1.2 染色方法
將染料1%(o.w.f)、元明粉35g/L和水配制成染液,浴比1:50,升溫至一定溫度后投入纖維,在染色過(guò)程中每隔一定時(shí)間取樣測(cè)吸光度,計(jì)算上染百分率。
1.3 上染百分率(E%)的測(cè)定
采用殘液比色法測(cè)定, 染液的吸光度在UV2000紫外可見(jiàn)光分光光度儀上測(cè)定,采用1cm的比色皿,E%按下式計(jì)算:
| E%=( | A1 | )×100% |
| A0 |
式中,A
2 結(jié)果與討論
2.1 染色速率曲線
根據(jù)1.2中的染色方法,分別測(cè)定在70,80,90℃下直接染料錫利黑VSF對(duì)雄蠶絲的染色速率曲線,結(jié)果見(jiàn)圖1。
|
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| (a)℃ | (b)℃ | (c)70℃ |
| 圖1 | ||
染色速率曲線是染料在纖維上的擴(kuò)散性的表征,曲線的斜率反映了染料在纖維上的上染速度。由圖1可見(jiàn),在染色的初始階段上染迅速,隨著上染的進(jìn)行上染速率降低,最終趨于穩(wěn)定。這說(shuō)明較多的染料吸附發(fā)生在染色的最初階段。在同一上染時(shí)間,染料在雄蠶絲上的上染百分率要高于棉纖維,說(shuō)明直接染料在雄蠶絲上比棉要有較好的染色性能。
2.2 染色擴(kuò)散系數(shù)
擴(kuò)散系數(shù)作為染料上染纖維的一個(gè)動(dòng)力學(xué)的特征參數(shù),可以用來(lái)評(píng)價(jià)不同染料在同一纖維上的擴(kuò)散行為,不同纖維對(duì)于同一染料的擴(kuò)散滲透性,以及上染條件對(duì)染料-纖維體系擴(kuò)散性的影響[6-7]。影響染料擴(kuò)散系數(shù)的主要因素為染料用量及分子結(jié)構(gòu)、纖維材料性質(zhì)和染色溫度等。本實(shí)驗(yàn)用希爾公式測(cè)定擴(kuò)散系數(shù),該數(shù)學(xué)模型適用于染料從無(wú)限染浴向無(wú)限長(zhǎng)的圓柱狀纖維上染的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。通過(guò)測(cè)定纖維直徑和半染時(shí)間,即可計(jì)算出直接染料在纖維中的擴(kuò)散系數(shù)。此方法操作簡(jiǎn)單,但所使用纖維的截面必須呈圓形,且纖維皮層的存在、截面的不規(guī)則性、纖維結(jié)晶度及取向度等因素都可能給試驗(yàn)帶來(lái)誤差。希爾公式如下:
式中:M—纖維上吸收的染料量;
D—擴(kuò)散系數(shù);
t—染色時(shí)間;
Vn—第n個(gè)測(cè)試?yán)w維半徑;
—纖維半徑。
希爾公式為一無(wú)窮遞減級(jí)數(shù),實(shí)際計(jì)算比較困難
表2 雄蠶絲和棉纖維錫利黑VSF染色的擴(kuò)散系數(shù)
| 時(shí)間/s | D×109/(cm.s1) | |||||
| 90℃ | 80℃ | 70℃ | ||||
| 雄蠶絲 | 棉纖維 | 雄蠶絲 | 棉纖維 | 雄蠶絲 | 棉纖維 | |
| 10 | 17.696 | 13.378 | 14.924 | 12.621 | 5.473 | 3.266 |
| 30 | 8.510 | 8.483 | 7.366 | 5.181 | 3.613 | 3.301 |
| 50 | 7.095 | 6.325 | 4.649 | 3.523 | 2.693 | 2.326 |
| 70 | 5.891 | 4.514 | 3.008 | 2.874 | 2.380 | 2.168 |
由表2可見(jiàn)D值隨著染色時(shí)間的增加而減少,隨染色溫度的提高而增大,且在同一溫度同一時(shí)間下,雄蠶絲擴(kuò)散系數(shù)始終高于棉纖維。這是由于雄蠶絲的結(jié)晶度低于棉纖維的緣故。這些結(jié)果恰與擴(kuò)散系數(shù)主要取決于纖維的物化性質(zhì)的結(jié)論相吻合。
2.3 半染時(shí)間
染料上染達(dá)到平衡吸附量一半所需要的時(shí)間稱為半染時(shí)間,以t1/2表示。它表示上染走向平衡的速率。由參考文獻(xiàn)9中和的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以知道,當(dāng)吸盡率達(dá)到50%時(shí)有=0.5,=0.06292,所以t1/2=0.06292×2/D。由此可以看出半染時(shí)間t1/2與擴(kuò)散系數(shù)D成反比,與纖維半徑的平方成正比。根據(jù)圖1中上染速率曲線,雄蠶絲和棉纖維在70、80、90℃的半染時(shí)間見(jiàn)表3。
表3 雄蠶絲和棉纖維的半染時(shí)間
| 溫度/℃ | t1/2/min | |
| 雄蠶絲 | 棉纖維 | |
| 70 | 12 .459 | 18.528 |
| 80 | 5.740 | 6. 723 |
| 90 | 5.273 | 6.286 |
在充分?jǐn)嚢璧臒o(wú)限染浴上染的情況下,染液中染料到達(dá)纖維表面的速率足以使纖維表面染料濃度保持恒定。染料的繼續(xù)上染有賴于表面染料向纖維內(nèi)部不斷擴(kuò)散。但是在有限染浴條件下,情況便有所不同。由表3可以看出,半染時(shí)間不是常數(shù),它隨平衡上染百分率高低而不同。一般來(lái)講,其他條件相同,平衡上染百分率越高,半染時(shí)間越短。
2.4 比染色速率常數(shù)
在實(shí)際應(yīng)用中,很難通過(guò)半染時(shí)間來(lái)準(zhǔn)確表達(dá)染料在纖維上的染色速率,有時(shí)在平衡上染百分率不同時(shí),半染時(shí)間有可能是相同的。這時(shí)單純通過(guò)半染時(shí)間難以準(zhǔn)確地判斷染色速度的大小,而必須同時(shí)考慮半染時(shí)間和平衡上染百分率。而比染色速率常數(shù)綜合考慮了半染時(shí)間、平衡上染百分率以及纖維直徑對(duì)染色速度的影響,所以用比染色速率常數(shù)判斷染色速度的大小比較準(zhǔn)確。
在實(shí)際數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,大多采用下式,根據(jù)半染時(shí)間t1/2來(lái)推算比染色速率常數(shù)[10]:
K'=0.5C(dt1/2)1/2
式中,C是在纖維與染浴之間平衡的條件下,纖維上染料的吸盡百分率,d是纖維直徑。根據(jù)比染色速率常數(shù)的公式所求的雄蠶絲和棉纖維的比染色速率常數(shù)結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 雄蠶絲和棉纖維的比染色速率常數(shù)
| 溫度/℃ | K'×103/(cm-1/2·min-1/2) | |
| 雄蠶絲 | 棉纖維 | |
| 70 | 2.943 | 2.347 |
| 80 | 5.710 | 4.630 |
| 90 | 6.583 | 5.325 |
由表4可知,在同一染色溫度下,染料在雄蠶絲上要比棉纖維的染色速度要快,且染色速度受溫度的影響較大,擴(kuò)散速度隨著溫度的提高而提高,這個(gè)結(jié)果與擴(kuò)散系數(shù)和半染時(shí)間的結(jié)果相一致。
3 結(jié)論
染色速率曲線直觀地描述了雄蠶絲的染色動(dòng)力學(xué)特性優(yōu)于棉纖維。在同一染色條件下,測(cè)定染料對(duì)雄蠶絲、棉在不同時(shí)間段染色的擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)果顯示:雄蠶絲的擴(kuò)散系數(shù)較大,且隨染色時(shí)間的增加而減少,隨染色溫度的增加而增大。由半染時(shí)間、平衡上染百分率、擴(kuò)散系數(shù)以及比染色速率常數(shù)可知,直接染料對(duì)雄蠶絲的上染性能比棉纖維要好。
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