林徉臨、黃泳彬 / 工研院材化所
針對現今生產牛仔布的染色過程中存在水洗耗水量大、廢水處理成本高等問題，我們通過化學改質處理的方法對棉纖維染色過程進行改善。改質後的棉纖維染色性與傳統的棉纖維染色相比，染料的染色率及色牢度得到了顯著改善，研究成果表明這項新式技術具有增進經濟和環保的巨大潛力。
【內文精選】
現今棉纖維化學改質低碳染色技術
纖維素原料最廣泛的應用是製造棉纖維織物，歸功於其優異的性能，如高透氣性、柔軟性和吸濕性。如今，各式不同的染料已被廣泛用於染色棉纖維織物，因其具有廣泛的色調、亮度和良好的濕牢度，每年超過40萬噸各式染料被用於棉纖維紡織工業。用在棉纖維染色的這類染料通常需要添加大量無機鹽來克服棉纖維在水中本身呈現的負電排斥力，如Na2SO4或NaCl，以增加染料在棉纖維表面的上染率。然而，這也留下了一些缺點，例如，染料利用率約為50~70%，無機鹽染色後既不會被破壞也不會耗盡，殘留的染料和鹽分導致高產量成本和嚴重的環境污染。
棉纖維的表面化學改質劑通常分為兩類。第一類是低分子量的化學改質劑，如(3-Chloro-2-hydroxypropyl)-trimethyl-ammonium Choloride、2,3-Epoxypropyltrimethyl-ammonium Chloride與其本身的胺基衍生物。然而，這類改質劑本身存在一些重大缺點，例如毒性、難聞的氣味、潛在的污染與生產成本過高。
第二種類型的改質劑是末端結構具有多個氨基或陽離子基團的高分子聚合物(Aminoterminated Hyperbranched Polymer)，而中間段常見的構成單體則是Polyether與Polyethyleneimine，此類型改質劑是近年來已發展完備且廣泛應用的一類化學改質劑。然而，此類型改質劑普遍存在著纖維有時染色不均勻的問題，推測其原因是分子量太大以致於無法穩定滲透到纖維內部。
棉纖維改質之靛藍(Indigo)低碳染色新技術
相較於上述陽離子棉纖維化學改質，工研院材料與化工研究所開發出在陽離子化改質棉纖維之前，先進行一道預改質活化，將棉纖維表面的反應基團活性化以提高其與陽離子型高分子的結合性，使其較傳統陽離子化的化學改質更加優異(圖六)。此外我們探究不同分子量、高分子鏈種類與棉纖維表面滲透性等各種條件後，綜合考量發展了一種可貼近商業化試產範圍內的棉纖維表面化學改質技術，它提高了靛藍染料與棉纖維表面的反應性，減少未上染多餘的染料，進而降低後段的水洗用量。
圖六、棉纖維改質之靛藍低碳染色新技術
我們實際進行實驗，經由比較未經任何處理就進行染色的棉布空白對照組與經過化學改質處理後再染色的實驗組，發現經過改質的實驗組樣品在色度上明顯比空白對照組樣品高，這顯示了實驗組上染率較高。同時，於水洗段中建立在相同水洗量的前提下，比較了兩者的水洗殘液顏色，也顯示了實驗組殘液較為清澈，在水洗效率這點上明顯優於空白對照組。最後，將兩組樣品進行乾濕水洗牢度與進行五組染色實驗相同樣品測試，兩者表現相當，說明此改質方法並不會對靛藍染色過程中造成干擾。
為了評估此新式省水染色技術之商業化應用性，我們實際以市面上牛仔布所使用的棉纖維紗線原料來進行染色實驗。結果與市售棉布大致相符，使用此新式省水染色技術的實驗組色牢度及上染率都比對照組優異(圖九)。最後，我們將上述兩組棉纖維紗線樣品的水洗殘液進行稀釋後，再進行可見光吸收光譜法分析。根據比爾定律(Beer-Lambert Law)，特定物質濃度與特定可見光範圍波長的光吸收度成正比，實驗組中殘留的靛藍染料可見光吸收值較對照組明顯要小得多，這說明在相同的水洗量下，實驗組所殘留的靛藍染料濃度相較於對照組低---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖九、市面上牛仔布所使用棉紗原料染色後樣品
★本文節錄自《工業材料雜誌》433期，更多資料請見下方附檔。