咖啡渣提取液對蠶絲織物的超聲染色研究

彭文芳 黃美瑜

摘要： 為了提高咖啡渣的附加值，以咖啡渣為原料，采用超聲波提取法，以未染色蠶絲織物與染色蠶絲織物的色差值ΔE為指標，研究染液質量分數、染色時間、染液pH值、染色溫度、媒染劑對咖啡渣提取液超聲染色蠶絲織物顏色特征值的影響。結果表明，超聲染色單因素最優工藝為：染色溫度60 ℃、染色時間40 min、染液質量分數3.0%、染色pH4.0。超聲波對咖啡渣色素上染蠶絲織物具有明顯的增艷和增深作用，且能獲得偏紅調的咖啡暖色系，具有更寬廣的色譜范圍，耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度均達到服用標準。

關鍵詞： 咖啡渣;超聲染色;蠶絲織物;天然染料;顏色特征值

Abstract： In order to increase the added value of coffee grounds， coffee grounds were used as the raw material to study effects of mass fraction of dye solution， dyeing time， pH value of dye solution， dyeing temperature and mordant on the color characteristic value of ultrasonically dyed silk fabric of coffee grounds extract with the ultrasonic extraction method based on the indicator of color difference value ΔE of undyed silk fabric and dyed silk fabric. The results showed the single-factor optimal process for ultrasonic dyeing： dyeing temperature 60 ℃， dyeing time 40 min， mass fraction of dye solution 3.0%， pH 4.0. Ultrasound had obvious brightening and deepening effect on silk fabrics dyed by coffee grounds pigments， and a reddish coffee warm color system could be obtained. It had a wider chromatographic range， and the color fastness to soaping and rubbing could meet the standard of wearing.

Key words： coffee grounds; ultrasonic dyeing; silk fabrics; natural dye; color characteristic value

咖啡是咖啡豆經過不同程度的烘焙、研磨后形成的一種棕褐色飲料，具有優良的提神效果和醇香口感，隨著人們生活、工作方式的改變，咖啡市場呈現井噴式增長，但工業生產一噸速溶咖啡粉就會產生兩噸咖啡渣。目前國內外的咖啡渣主要用于肥料、飼料、燃料或高溫碳化制作成咖啡炭纖維[1-3]，作為與茶葉、洋蔥皮并稱的三大天然染色農業廢棄物，其作為天然染料的生態染色方面卻鮮有研究。

超聲波作為一種高效的物理加工方法，能通過染液產生空化作用，提高染色效率，如李萍等[4]、王亞麗等[5]、柯貴珍等[6]探討了超聲波染色法在紫膠、黃連、石榴皮等幾種天然染料染色中的應用。研究結果表明，超聲染色在增加染色深度及色牢度等方面有促進作用。

因此，本文選用咖啡渣為原料，探討咖啡渣提取液在超聲波輔助染色下對蠶絲織物的上染效果，為咖啡渣在蠶絲織物天然染色應用提供理論參考。

1 試 驗

1.1 材 料

蠶絲織物平方米質量35 g/m2（市售），碳酸氫鈉、檸檬酸（分析純）、明礬（市售），咖啡豆（馬來西亞）。

1.2 工 藝

1.2.1 染液提取

稱取干燥粉碎的咖啡渣，以蒸餾水為提取劑，在超聲波功率250 W、溫度80 ℃、時間80 min，質量分數15%的條件下進行提取，然后用200目的篩網過濾、靜置20 min后，待用。

1.2.2 直接超聲染色工藝

將潤濕后的蠶絲織物投入制備好的染液中，在250 W的超聲功率下，設置染色時間20～100 min、稀釋提取液質量分數0.5%～4.0%、溫度40～80 ℃、pH值2.0～6.0，采用單因素控制變量法，探討各因素變化對超聲上染效果的影響，染色完畢后取出織物，用蒸餾水洗凈、陰干。

1.2.3 前媒染色工藝

以5 g/L的明礬為媒染劑，將潤濕的蠶絲織物放入60 ℃的媒染液中，30 min后取出擠干，分別在常規和250 W超聲波條件下染色，染畢用藍月亮手洗液水洗、陰干。

1.3 測試方法

1.3.1 顏色特征值

以未染色的蠶絲織物為標樣，用NH 310色差儀（深圳市三恩馳科技有限公司）在染色織物的不同位置隨機測試5次，取平均值。記錄未染色織物與染色織物的色差值ΔE。

1.3.2 色牢度

參考GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗耐皂洗色牢度》A（1）的測試方法，在40 ℃清洗30 min后測定耐皂洗色牢度。參考 GB/T 3920—2008《紡織品色牢度試驗耐摩擦色牢度》的方法，測定耐摩擦色牢度。

2 結果與分析

2.1 溫度對蠶絲織物超聲染色效果的影響

參考1.2.2直接超聲染色工藝，設置染液質量分數30%，染色pH5.3，染色時間30 min，探究不同恒溫條件下咖啡渣染液對蠶絲織物染色效果的影響，結果如表1所示。

由表1可知，在染色溫度40～80 ℃，隨著溫度升高，咖啡渣染料對蠶絲織物的ΔE值在40～60 ℃時快速增大。這是因為染浴溫度升高，不僅使蠶絲織物溶脹程度提高，也使染料分子的動能增加，有利于咖啡渣染料分子擴散進入蠶絲織物內部。60 ℃后速率變慢，在80 ℃時ΔE值達到最大。這是由于超聲波的作用溫度一般在45～65 ℃，當溫度升高，空化核增多對產生空化有利，加速有效成分的溶解，但超聲溫度過高，氣泡中的蒸汽壓增大，使氣泡在閉合期間增強了緩沖作用而使空化減弱。同時，超聲波的熱效應使咖啡渣中的多酚類物質容易被氧化，導致得色量上升緩慢。同時，染色溫度過高，染色蠶絲織物的L*不斷下降，顏色加深，但蠶絲織物表面光澤變差。所以，染色溫度宜選擇60 ℃左右較合適。

2.2 時間對蠶絲織物超聲染色效果的影響

參考1.2.2直接超聲染色工藝，設置染液質量分數30%，染色pH5.3，染色溫度60 ℃，探究不同染色時間下咖啡渣染液對蠶絲織物染色效果的影響，結果如表2所示。

由表2可知，隨著染色時間的延長，蠶絲織物的ΔE值先快速上升，到達40 min后速率逐漸減慢。這是因為染料開始上染纖維時，吸附遠大于解吸的數量，但隨時間的延長，染色接近動態平衡時，染料吸附與解吸的數量差不斷縮小，所以，ΔE值上升速率逐漸變慢。繼續延長時間，在60～100 min，顏色特征值a*、ΔE值、艷度值C*的增加都不大，但明度L*下降較多，同時染色時間過長，對實際生產不利。所以，染色時間宜選擇40 min左右較合適。

2.3 染液質量分數對蠶絲織物超聲染色效果的影響

參考1.2.2直接超聲染色工藝，設置染色pH5.3，染色時間40 min，染色溫度60 ℃，探究不同質量分數下咖啡渣染液對蠶絲織物染色效果的影響，結果如表3所示。

由表3可知，隨著染液質量分數的提高，染料在纖維內外的濃度梯度增大，染色蠶絲織物的顏色迅速變深，ΔE值快速增加。當染液質量分數增加到3.0%后，ΔE值的變化速率趨于緩慢，蠶絲織物的ΔE值、艷度值C*也增加不大。這是因為色素濃度增加到一定程度時，染色逐漸接近飽和，再繼續提高染料的質量濃度，蠶絲織物的ΔE值增加也不明顯。同時，質量分數3.0%和4.0%時明度值L*下降較大，而色相角H基本不變。因此，從節約成本的角度考慮，染液質量分數3.0%左右較佳。

2.4 pH值對蠶絲織物超聲染色效果的影響

參考1.2.2直接超聲染色工藝，設置染液質量分數30%，染色時間40 min，染色溫度40 ℃，探究不同pH值的咖啡渣染液對蠶絲織物染色效果的影響，結果如表4所示。

由表4可知，染液pH值為3.0～6.0時，染色蠶絲織物的ΔE隨pH值的增大呈現下降趨勢，特別是pH3.0～6.0下降較大，艷度值C*和ΔE在pH3.0時最高，H色相角在pH值為2.0～4.0時變化不大。這是因為蠶絲的等電點為3.5～5.2，在pH值低于等電點的酸性溶液中，絲素帶正電荷。根據研究可知[7]，咖啡渣中含有綠原酸和多酚類等抗氧化物質，而多酚類染料負離子上染蠶絲織物主要依靠庫侖引力，并以離子鍵結合。隨著染液pH值的增大，蠶絲織物所帶的正電荷逐漸減小，庫侖引力減小，在pH值高于等電點的酸性溶液中，絲素帶負電荷，與多酚類染料負離子轉為庫侖斥力，咖啡渣染料難以上染蠶絲纖維，ΔE逐漸下降[8-10]。但是，pH值過低易對蠶絲織物造成損傷，而在蠶絲織物的等電點附近對纖維的損傷最小，因此染液pH值選擇4.0左右比較合適。

2.4 媒染對蠶絲織物染色效果的影響

采用明礬對蠶絲織物進行前媒染色處理，染色條件為溫度60 ℃、時間40 min、染液質量分數3.0%、染液pH4.0，分別在常規、250 W超聲、常規明礬和250 W超聲明礬條件下進行染色、皂洗。探討不同染色方式對蠶絲織物染色效果的影響，所得蠶絲織物的染色效果如表5所示。

由表5可知，超聲染色C對比常規染色B，明度L*、色相H均呈下降趨勢，但a*、b*、艷度值C*和ΔE均明顯增大，其中艷度值C*增大25.44%，色深值ΔE增大31.84%，說明超聲波染色具有明顯的增艷和增深作用。

同時，明礬常規前媒染D的明度比超聲染色C的明度L*稍亮，色深值ΔE略深，a* 、b*、H與超聲染色C的顏色特征值相差不大，說明超聲染色C與明礬常規前媒染D具有相似的染色效果。

而超聲前媒染色E對比超聲染色C，明度L*、色相H均有下降，a* 、b*、C*相差不大，但ΔE色深值比常規染色B高出44.67%，說明加明礬后，超聲染色對蠶絲織物的增深作用更明顯。

2.5 染色色牢度

以5 g/L的明礬恒溫30 ℃、前媒染色30 min后，放置于染色溫度60 ℃、染液質量分數3.0%、pH4.0的染液中，分別在常規和250 W超聲條件下染色40 min，其染色色牢度結果見表6。

由表6可知，在超聲前媒染工藝下，染色的蠶絲織物各項色牢度指標都達到服用紡織品的要求。

3 結 論

植物染料成本較高是制約其參與市場競爭的因素之一，咖啡渣作為尚未開發的天然農業廢棄色素，在超聲波輔助染色下對蠶絲織物進行上染，能獲得更寬廣、深沉的色域——現代主流色彩之一的棕色系，有利于與合成染料形成產業互補。

1）咖啡渣提取液對蠶絲織物超聲染色優化工藝為：溫度60 ℃、時間40 min、染液質量分數3.0%、pH4.0。

2）超聲染色C比常規染色B的鮮艷度C*和色深值ΔE分別高出25.44%和31.84%，超聲染色對蠶絲織物有明顯的增艷和增深作用，且超聲明礬前媒染蠶絲織物能獲得深咖啡色，比常規染色B的色深值ΔE高出44.67%，具有更寬廣的色譜范圍。

3）蠶絲織物超聲染色后各項色牢度等級在3～5，基本達到服用要求，作為尚未開發的天然廢棄色素農業新資源，咖啡渣具有潛在的商業價值。

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