纖維素高粱紅原液著色技術研究

王光銀，金 東，黎 謙(， )

1 前言

纖維素是自然界中廣泛存在的可再生資源，是由β-D-葡萄糖通過1,4苷鍵結合而成的高聚物[1]。苷鍵的存在、纖維分子間和分子內大量存在的氫鍵間相互作用、纖維局部規整的結晶序列等因素使得纖維素不易水解，普通溶劑難以將其溶解[2-4]。近年來開發有多種纖維素溶劑體系，如N-甲基嗎啉-氧化物(NMMO)、LiCl/二甲基乙酰胺、離子液體、氨基甲酸酯以及NaOH/尿素或NaOH/硫脲溶劑體系等[5-6]，其中NaOH/尿素/水溶劑體系能快速溶解纖維素且綠色環保，是一種極具發展前途的纖維素溶劑,該溶劑與纖維素的作用對于開發新型再生纖維具有重要意義[7-10]。

目前再生纖維素染色主要采用合成染料，而部分合成染料對人體健康存在潛在危險[11]。合成染料的制備及應用過程中對環境產生的污染問題正日益受到關注，多種危害人類健康的染料已被禁用[12]。天然染料具有無毒、無污染的特點，對人體無毒、無害、無副作用而重新得到人們的重視[13-14]。高粱紅是從高粱殼中提取的一種天然色素，性質穩定，為獲得較高的得色效果我們可通過原液著色技術實現高粱紅對再生纖維素的著色[15-16]。

纖維素纖維原液著色有很多優點，但到目前為止再生纖維的染色還是以后染為主[17]。纖維素原液著色技術預計可實現纖維素制品紡絲和染色的一體化生產，解決染料染色中存在日曬牢度差、色澤不勻等弊病，省略了下游產品的染色環節，減少水和能源消耗，有效解決染廠的污水問題[18-19]。

2 實驗部分

2.1 試劑與儀器

主要試劑：棉短絨(DP=100，000)；高粱紅染料；氫氧化鈉；無水硫酸鈉；濃硫酸；尿素。

主要儀器：SF-600型電腦測配色儀(DATACOLOR)；TU1901紫外可見分光光度計；AS-24振蕩染色機。

2.2 透明再生纖維素膜的制備

棉短絨于80℃真空干燥24 h備用。將7wt%NaOH/12wt%尿素水溶液冷卻至-12℃加入棉短絨，于室溫下快速攪拌制成4wt%的纖維素溶液，離心過濾去除凝膠，超聲脫氣，得清澈透明纖維素溶液。再將纖維素溶液采用流延法制膜，依次浸入第一凝固浴(5wt%H2SO4/Na2SO4水溶液)及第二凝固浴(5wt%的H2SO4溶液)凝固得透明再生纖維素膜(RC0)。

2.3 高粱紅原液著色實驗

2.4 再生纖維膜染色實驗

將實驗制得透明再生纖維素膜(RC0)用高粱紅染色，實驗處方為：

高粱紅：(0.5%，o.w.f )

溫度：80℃

時間：30 min

浴比：1∶30

染色工藝曲線(見圖1)：

圖1 染色工藝曲線

將染色纖維素膜水洗后取出于空氣中自然風干，制得再生纖維素膜(RC2)。

②目前國內發表的相關成果主要是王立新《美國國家認同的形成及其對美國外交的影響》(《歷史研究》2003年第4期)、《美國的國家認同及面臨的挑戰》(《中國社會科學報》2010年8月24日)等，其中有一定篇幅論及自由主義與美國國家認同的關系。

2.5 UV-Vis紫外光譜分析

將原液著色和染色再生纖維素膜分別用TU1901紫外可見分光光度計測定其吸收光譜曲線。

2.6 K/S值 Lab值 三刺激值的測定

K/S值、Lab值、三刺激值采用Datacolor SF600電腦測配色儀測試，測試條件為膜4層，D65光源和A光源，10°標準視場，掃描范圍400～700 nm，讀取最大吸收波長處數據。

2.7 水洗牢度的測定

將原液著色和染色的再生纖維素膜分別于振蕩機中80℃水洗30 min，再用722型分光光度計測定水洗前后再生纖維素膜在最大吸收波長下的吸光度(A0)及(A1)并計算脫色率。

3 實驗結果與討論

3.1 再生纖維素膜的制備

棉短絨纖維素可在-12℃的7wt%NaOH/12wt%尿素水溶液形成均相透明的溶液，并且當溫度升高至室溫時也不會析出。-12℃7wt%NaOH/12wt%尿素水溶液有很強的極性，可以將纖維素的分子內氫鍵打斷，同時形成纖維素與溶劑間的氫鍵，促進纖維素的溶解。

當體系中的成分發生變化時，溶劑的極性降低，分子間氫鍵減弱，纖維素趨向于形成分子內氫鍵，從而析出。

3.2 UV-Vis紫外可見光譜分析

對高粱紅原液和再生纖維素膜進行紫外光譜分析，得高粱紅的吸收光譜曲線圖，見圖2。

圖2 高粱紅的吸收光譜圖

由圖2可知，在可見光波長范圍內，高粱紅原液的最大吸收波長λmax為500 nm，在紫外光區有3個吸收峰，在λ=275 nm左右出現一較弱的吸收帶且呈現出一個很平緩的寬峰形狀，其結構中含有苯環。第3個吸收峰出現在λ03=300 nm處，說明結構中含有羰基。RC1吸收光譜曲線，在可見光波長范圍內，最大吸收波長為515 nm，在紫外區也有3個吸收峰，但是吸收峰向長波移動發生紅移，說明共軛體系增大，共軛雙鍵發生π→π*躍遷。RC2的吸收曲線與高粱紅原液的吸收曲線幾乎一致，沒有發生紅移。

3.3 再生纖維素膜K/S值與波長關系

測試再生纖維素膜RC1及RC2的K/S值，制得曲線圖(見圖3)。

圖3 再生纖維素膜RC1及RC2的K/S值

由圖3可知，當波長小于520 nm時，K/S值隨波長的增加而增大，當波長大于520 nm時，K/S值又隨波長的增加而減小；且RC2的K/S值始終大于RC1的K/S值，說明再生纖維素染色膜比原液著色再生纖維素膜表觀色深。

3.4 K/S值 Lab值 三刺激值

測試最大吸收波長下RC0，RC1，RC2纖維素膜的K/S值、Lab值及三刺激值如表1所示：

表1 再生纖維素膜的K/S值 Lab值 三刺激值

由表1分析可知，高粱紅天然色素對再生纖維素膜著色的直接性較好，兩種再生纖維素膜均可獲得較深的顏色，RC2的K/S值雖然大于RC1，但由于只是初步染色，尚未尋找最佳染色工藝，可能是由于天然色素的表面吸附而導致的表觀色深，產生RC2K/S值更高的結果。而RC1K/S值為10.37，已達到理想效果。

L代表亮度值的大小，由于RC2的K/S值較大，因此其L值亮度小于RC1。紅-綠值A顯示，RC1和RC2均偏紅，且RC2的A值大于RC1的，RC2偏紅程度較大；黃-藍值B顯示：RC1和RC2均偏黃，且RC1的B值大于RC2，RC1偏黃程度較大。兩種纖維素膜的C值大小相近，因此兩種再生纖維素膜的鮮艷度相近。

三刺激值顯示RC1中的三原色光紅、綠、藍含量均大于RC2，是因為原液著色時高粱紅天然色素已均勻滲透入纖維素內，亮度較大；而再生纖維素膜染色時染料吸附在纖維膜表面，顏色較深，亮度較暗。RC2的三原色光含量較少，所得顏色效果較暗。

3.5 水洗牢度及脫色率的計算(見表2)

表2 水洗前后RC1 及RC2的吸光度

由表2數據分析可知：RC1水洗前后吸光度差值較小，水洗牢度較好，RC2水洗前后吸光度差值差較大，水洗牢度較差。由脫色率可知：RC2脫色率遠遠大于RC1脫色率，說明原液著色的再生纖維素膜的水洗牢度好，染色再生纖維素膜由于染料吸附在纖維膜表面易于洗除而水洗牢度較差。

4 結論

-12℃的7wt%NaOH/12wt%尿素水溶液可將棉短絨纖維素溶解形成均相透明溶液，采用該溶劑體系溶解纖維素并采用原液著色法對再生纖維素膜著色，成膜后其K/S值較大為10.37，水洗后彩色再生纖維素膜脫色率較低為6.3%，表明原液著色所得再生纖維素膜的顏色較深，色光度好，水洗牢度好。染色再生纖維素膜染料吸附在纖維膜表面，其K/S值為11.45顏色較深，但是脫色率為28.7%，水洗牢度差。原液著色法對再生纖維素進行著色，染料可以全部利用，不僅減少了染料的浪費還可減少水和能源的消耗，有效解決了印染廠的污水問題。

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