摘要：为解决腈纶吸湿性差、回潮率低的问题，采用碱性水解法对其进行改性，通过正交实验和方差分析确定了最佳改性工艺为：水解温度90℃，水解时间18 min，NaOH浓度10%。然后用阳离子染料和酸性染料对改性前后的腈纶纤维进行染色，并对染色性能进行了对比研究。结果表明，腈纶水解改性后回潮率提高至6.72%，且阳离子染料更适合改性后腈纶纤维的染色。
关键词：腈纶；改性；阳离子染料；酸性染料
腈纶有许多优良的性能，但其吸湿性差、回潮率低（标准状态下回潮率为1.7%）、易起静电等不足之处不能满足人们对穿着舒适及防静电的要求，这也限制了腈纶的发展，为改善其吸湿吸水能力，国内外采用了多种改进方法［1-2］。本文采取碱性水解的方法对腈纶纤维进行改性，并使用阳离子染料和酸性染料对其进行染色，探讨改性前后腈纶的染色性能。
1·实验
1.1材料与药品
纤维：VAC型聚丙烯腈纤维（中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司腈纶厂）。
化学品：NaOH、浓硫酸、无水硫酸钠、醋酸钠（化学纯，天津化学试剂产品），汉诺阳离子红B-GRL、汉诺阳离子黄B-8GL、汉诺阳离子蓝B-GRRL、哈曼弱酸性红2B、哈曼弱酸性黄R、哈曼弱酸性蓝3R（天津第三染料厂）。
1.2仪器与设备
HH-4电热恒温水浴锅（江苏金坛市宏华仪器厂）、FA2004 Max200g电子天平（上海精科厂）、721型分光光度计（上海第三分析仪器厂）、WSD-3U荧光白度仪（北京康光仪器有限公司）、LLY-06电子纤维强力仪（莱州市电子仪器有限公司）、DL-101-1电热鼓风干燥箱（天津市中环实验电炉有限公司）。
1.3实验方法
1.3.1改性腈纶的制备
将一定浓度的NaOH溶液置于恒温水浴锅中加热，待温度恒定时，称取一定量的腈纶纤维放入其中，溶解一段时间后，取出放入电热烘箱中烘干。
由于聚丙烯腈在碱性条件下水解时，释放出的氨气会与未水解的氰基反应生成脒基，故水解后纤维表面会呈黄色［3］。为了改善改性后腈纶的外观，可在改性腈纶中加入丙三醇和甲酸对其进行处理。实验证明，改善后腈纶上的黄色明显变浅。
1.3.2回潮率的测定
称取腈纶纤维约30 g，加入到300 mL一定浓度的NaOH溶液中，在一定温度下进行碱性水解，然后取出洗净、烘干、称重W1，再将干纤维放置在标准状态下几个小时后称重W2，用式（1）计算纤维的回潮率：
回潮率=（W2-W1）/W1×100%（1）
1.3.3阳离子染料染色工艺
染色处方及条件：
阳离子染料8%
乙酸 pH值调节至4～5
无水硫酸钠5%
醋酸钠1%
浴比 1∶100
染色工艺曲线见图1。
1.3.4弱酸性染料染色工艺
染色处方及条件：
弱酸性染料 3%
乙酸 pH值调节至5左右
无水硫酸钠 5%
浴比1∶100
染色工艺曲线见图2。
1.3.5上染百分率的测定
用分光光度计测定染色前后染液的光密度，按公式（2）计算上染百分率：
上染百分率=（1-nA1/mA0）×100%（2）
式中：m为染色前染液稀释倍数；n为染色后染液稀释倍数；A0为染色前染液稀释m倍后的光密度；A1为染色后染液稀释n倍后的光密度。
1.3.6白度的测定采用WSD-3U荧光白度仪测试不同水解温度下改性腈纶的白度，对每个试样的5个不同部位进行测试并取平均值。
1.3.7力学性能测试
采用LLY-06电子纤维强力仪测试改性前后腈纶的力学性能。实验拉伸长度为10.0 mm，拉伸速度为10.0 mm/min。
2 ·结果与分析
2.1 NaOH浓度对腈纶纤维回潮率的影响
在NaOH作用下，一方面，腈纶的—CN极性基团水解形成—COOH及—CONH2等亲水性基团［4］；另一方面，纤维表面的刻蚀形成大量的微孔结构，这些均提高了纤维的吸湿性能。表1是在不同NaOH浓度下，温度90℃，水解10 min改性后的纤维回潮率。
从表1可以看出，纤维的回潮率随NaOH浓度的增加而增大，这是因为NaOH浓度的增加使纤维的表面水解更充分，形成的微孔及—COOH、—CONH2基团的含量增加，因而纤维的回潮率增加。
控制NaOH浓度是控制水解反应的重要环节，因为浓度过高，会影响腈纶微孔结构的形成，还会导致纤维严重刻蚀，破坏纤维的机械力学性能；但NaOH浓度过低，纤维水解不充分，达不到较好的吸湿性能。鉴于经济实用考虑，NaOH浓度选在8%～12%比较合适
2.2水解时间对纤维回潮率的影响
表2是NaOH浓度为12%，水解温度为90℃，不同水解时间获得的纤维回潮率。
从表2可以看出，水解时间是影响纤维回潮率变化的主要因素。水解时间10 min时，回潮率仅为4.98%，12 min时为5.74%，随后，随着水解时间的增加，纤维的回潮率急剧增大。这是由于腈纶水解首先从表面开始，随着时间延长，不断向纤维内部渗透，纤维内部开始发生大量水解，纤维的微孔结构大量形成，使回潮率迅速提高。但实验表明，当水解时间超过18 min时，纤维的外观及物理机械性能已明显变差，纤维变黄、变硬、甚至成为黏稠状凝胶物质，失去了纺织用纤维的力学性能。而从纺织性能上讲，回潮率只要控制在3%～9%就足以满足纺织应用的要求，因此，选择纤维的水解时间为12～18 min。
2.3水解温度对纤维回潮率及白度的影响
表3、表4是NaOH浓度10%，不同温度条件下水解12 min的实验结果。
从表3可以看出，纤维的回潮率随温度的升高明显增大。这是因为升高温度使水解反应速度加快［5］，—COOH及—CONH2的含量增加，且微孔结构也增加。从表4看出，温度升高，纤维的氧化反应加剧，会使纤维黄度大大增加，由最初的白色变成淡黄、棕黄，最后到棕红色。温度过高会失去纺织应用对纤维白度的要求［6］。据此，综合纤维的回潮率和白度，纤维的水解温度最好控制在80～90℃。
2.4水解改性的最佳工艺
水解温度、水解时间和NaOH浓度是影响腈纶水解程度的主要因素，为了考察各因素对改性腈纶的回潮率是否有显著的综合影响，设定水解温度为（A）80～90℃，水解时间为（B）12～18 min，NaOH浓度为（C）8%～12%，采用L9（34）正交法进行实验，正交因素水平选择见表5，实验结果见表6和表7所示。
从极差的角度分析，极差越大，说明该因素对实验结果的影响越显著；反之，则说明影响越小。从表6可以看出，对改性腈纶回潮率影响顺序为水解温度＞水解时间＞NaOH浓度，且水解温度的影响最大，水解时间和NaOH浓度影响较小。另外通过方差分析，如表7所示，假设显著水平α=5%，查表得F0.05（2，2）=19，可见FA＞19，这也表明水解温度对改性腈纶的回潮率有显著影响；又FB＜19，FC＜19，表明水解时间和NaOH浓度对回潮率无显著影响。
通过9组实验数据的直观分析和极差分析，可得出最佳的实验条件是：水平组合A3B3C2，即水解温度为90℃，水解时间为18 min，NaOH浓度为10%。其中，水解温度对回潮率影响最大。
2.5腈纶改性前后回潮率的对比
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