決明子提取物對蠶絲織物的高牢度染色及功能性研究

摘要： 為提高蠶絲織物的附加值，拓寬決明子的應用領域，采用超聲波技術提取決明子染料并對蠶絲織物進行染色。采用單因素法研究了染色工藝，染色后的織物具有與合成染料相當的染色牢度，同時具有抗紫外和熒光的性能。結果表明：最佳染色工藝為pH 3，溫度60 ℃，時間60 min;媒染劑對顏色深度有較好的提升能力。染色后的織物的干、濕摩擦色牢度分別為4和3級，皂洗變色和沾色色牢度均為4級，日曬色牢度為4級;決明子染料染色后的織物具有優良的紫外防護性能，UPF值可以達到74.8，同時染色后蠶絲織物的熒光強度可以提高2～3倍。

關鍵詞： 決明子;蠶絲織物;超聲波;媒染;色牢度;抗紫外;熒光

中圖分類號： TS193.62

文獻標志碼： A

文章編號： 10017003（2020）10000606

引用頁碼： 101102

DOI： 10.3969/j.issn.1001?7003.2020.10.002（篇序）

High fastness dyeing processes and functionalities of silk fabric dyed with extracts from cassia seed

WANG Tian

（Department of Clothing， Guangdong Polytechnic and Technical College， Foshan 528000， China）

Abstract：

In order to improve the added value of silk fabrics and expand the application fields of cassia seed， the ultrasonic technology was used to extract cassia seed dye and dye silk fabrics. The dyeing process of cassia seed was studied by single factor method. The dyeing fastness of silk fabric dyed by cassia seed was similar to that dyed by synthetic dyes， and the dyed fabric had the UV protection properties and fluorescent properties. Results indicated that the optimal conditions for dyeing by cassia seed were： pH 3， dyeing temperature 60 ℃， time 60 min. The mordant could well promote the color depth. The color fastness properties to dry and wet rubbing were 4 and 3， respectively. The color fastness properties to soaping and staining were both 4 and the color fastness to sunlight was 4. The fabric dyed by the cassia seed dye had excellent UV protection properties， and UPF could reach 74.8. Meanwhile， the fluorescence intensity of dyed silk fabric could increase by 2～3 times.

Key words：

cassia seed; silk fabric; ultrasonic technology; mordant dyeing; color fastness; UV protection; fluorescence

收稿日期： 20200307;

修回日期： 20200916

基金項目： 廣東職業技術學院專利資助項目（ZL2020013）;廣東職業技術學院校級科研項目（K202012）

作者簡介： 王田（1985），女，講師，碩士，主要從事服飾品綠色生態設計的研究。

中國作為絲綢的發源地，使用天然染料對其進行染色具有悠久的歷史。在近代，隨著合成染料的出現，其具有色譜齊全、染色工藝簡單和各項染色牢度優良的特點，逐漸取代了天然染料的位置[1]。合成染料的原料通常來源于石油，其原料具有不可再生性，在染色的過程中產生大量含顏色的廢水需要處理，染色后的織物制成的成衣在服用過程中某些染料存在釋放致癌芳香胺的可能[2]。隨著國家對生態環境保護的日益重視，合成染料的生產和使用未來可能會受到越來越多的管控。而天然染料除了可以染色外，還具有很多獨特的功能性，可以滿足越來越多的消費者對差異化的功能性紡織品的需求。天然染料來自大自然，具有良好的可降解性和生物相容性。但是目前存在的主要問題是染料價格高和染色牢度普遍無法達到合成染料適用的標準，并且色譜較窄。

尋找高牢度的天然染料成為科研工作者當前的一大熱點。根據報道，決明子中至少含有70種化學物質，其主要成分為蒽醌類、萘并吡喃酮和油脂類物質，其中蒽醌類物質占到決明子干重的1%～2%[3?5]。除了含有其他植物常見的大黃酚和大黃素等蒽醌[6]成分外，還存在獨有的橙黃決明素、純菇菌素和決明蒽醌等蒽醌類成分及其與單糖和二糖組成的配糖體[7]，決明子中有超過53種蒽醌結構的成分存在，主要結構式如圖1所示。決明子具有良好的抗氧化、抑菌和抗癌等功效[8]，在醫療保健、功能性的食品和功能性的紡織品[9]中具有良好的應用前景。目前決明子染料的研究主要集中在染料提取[10]、在食品和藥品中的使用[11]，應用在紡織品方面的文獻報道只有決明子染料對亞麻織物[12]和絲織物[13]染色工藝的探討，但對決明子染色后的色牢度及功能性的考察仍存在不足。本文研究了超聲提取決明子染料的提取率，優化了決明子染料的染色條件，并測試了媒染后的顏色變化。經過決明子染料染色后的蠶絲織物，摩擦、皂洗和日曬等常規色牢度可以達到商用染料的色牢度水平，織物的抗紫外性能獲得極大的提高，同時染色后的織物還具有熒光的性能，進一步提高了蠶絲織物的附加值，拓寬了決明子的應用領域。

1?試?驗

1.1?材料與儀器

材料：桑蠶絲縐緞織物平方米質量為81.81 g/m2（浙江省杭州市吳雙絲綢有限公司），熟決明子（蕪湖四月茶儂茶葉有限公司），碳酸鈉、氫氧化鈉、冰醋酸、硫酸亞鐵、硫酸鋁鉀、硫酸銅（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）。

儀器：Datacolor Ahiba型風冷式紅外染色小樣機（德塔顏色科技有限公司），Datacolor 850臺式分光光度儀（美國Datacolor公司），P?A0直立式小軋車（無錫陽博印染機械設備有限公司），Y（B）571 C刷洗色牢度摩擦儀、SW?24 E耐洗色牢度試驗機（溫州大榮紡織儀器有限公司），KH?400 KDB型高功率數控超聲波清洗器（昆山禾創超聲儀器有限公司），TI?S倒置熒光顯微鏡（日本尼康株式會社）。

1.2?方?法

1.2.1?決明子染色溶液的制備

取10 g決明子在中藥打粉機中處理5 min直至成細粉，然后加入100 mL蒸餾水中，放入超聲波清洗器中在60 ℃、100%功率下提取1 h。提取后的混合溶液在5 000 r/min下離心10 min，取上層清液作為染色原液備用，下層不溶性固體在105 ℃下烘干直到恒重后稱重。

提取率/%=決明子干重-提取后不溶性固體質量決明子干重×100（1）

計算得到決明子提取物的提取率為42.6%，這與文獻報道的決明子水提取可溶解物相一致[14]。決明子水溶解物中除了含有可以對蠶絲織物上染的蒽醌類物質（決明子干重約1%～2%）外，主要成分為水溶性的單糖、二糖和多糖[5]。

1.2.2?染色工藝

蠶絲織物在蒸餾水中經二浸二軋后，控制布面的含水率為50%，將織物投入到含有決明子染料的染液中進行染色，浴比為1︰40。對染色溫度、保溫時間和染色pH值進行優化。染色結束后，用蒸餾水將織物清洗直到洗液為中性，然后晾干。

1.2.3?預媒染色

蠶絲織物預先在含有媒染劑質量濃度為1～5 g/L的預處理液中于60 ℃下處理60 min。之后按照1.2.2中優化的染色方法進行染色。由于經過媒染劑媒染后蠶絲織物的K/S值曲線在360～750 nm內沒有峰值，所以除了對比媒染前和媒染后蠶絲織物的在色光方面相關參數L、a和b值之間的差異外，可以對比未媒染和媒染后蠶絲織物的K/S值面積（360～750 nm）來表征。

1.3?測試方法

1.3.1?顏色特征值的測試

用Datacolor 850臺式分光光度儀在D 65光源，10°視角下測試360～750 nm內顏色的相關參數，其中蠶絲織物的顏色深度用K/S值表示。

1.3.2?染色織物的牢度測試

耐皂洗色牢度按照GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗耐皂洗色牢度》測試，摩擦色牢度按照GB/T 3920—2008《紡織品色牢度試驗耐摩擦色牢度》評價，日曬色牢度按照GB/T 8427—2008《紡織品色牢度試驗耐人造光色牢度》測試，測試后通過標準灰卡進行評級。

1.3.3?紫外防護性能測試

抗紫外性能按照GB/T 18830—2009《紡織品防紫外線性能的評定》進行測試。

1.3.4?織物熒光性能測試

采用倒置熒光顯微鏡分別對染色前后的蠶絲織物在UV、B和G模式下進行激發和發射光的測試。

2?結果與分析

2.1?染色溫度對蠶絲織物顏色深度K/S值的影響

按照1.2.2中所述的試驗方法，在pH3的條件下，考察蠶絲織物采用不同溫度（50～90 ℃）染色60 min后的顏色深度K/S值，結果如圖2所示。

從圖2可以發現，當蠶絲織物染色時溫度由50 ℃升高到60 ℃時，染色后的織物深度K/S值隨溫度的升高而增加;當蠶絲織物染色溫度由60 ℃升到70～80 ℃時，經過染色后織物的K/S值基本保持不變;當溫度升高到90 ℃時，染色后織物的顏色深度K/S值略有下降。根據報道，決明子提取物蒽醌衍生物中的極性基團主要有蒽醌母體上的羥基及配糖體中糖環上的羥基，所以總的來說決明子提取染料的水溶性相比合成的酸性染料的水溶性相對低一些，在水溶液中染料的聚集程度會高一些[15]。當蠶絲織物染色溫度較低時，升高染色溫度，可以降低決明子染料的聚集程度并提高決明子染料在蠶絲織物上的擴散速率。但是當染色溫度超過一定值后，染料分子的運動較快，反而會降低吸附在蠶絲織物上的染料量[1]。綜合考慮蠶絲織物上染料的上染量及染色能耗兩方面的原因，決明子染蠶絲織物的染色溫度選擇60 ℃比較合適。

2.2?保溫時間對蠶絲織物顏色深度K/S值的影響

參照1.2.2中的染色方法，在pH值為3的條件下，考察蠶絲織物在60 ℃下經過不同保溫時間（10～90 min）后的顏色深度K/S值，結果如圖3所示。

從圖3可以看出，當保溫時間從10 min提高到60 min時，蠶絲織物的顏色深度隨著時間的延長而增加。當染色時間超過60 min后，染色后織物的顏色深度K/S值趨于平衡。決明子染料在上染蛋白質織物時除了染料分子和蛋白質分子之間的范德華力及氫鍵作用外，還存在正負電荷之間的靜電引力。在染色的過程中，蠶絲織物上的氨基先被氫離子質子化，然后與決明子染料進行結合。延長保溫時間可以提高決明子染料在蠶絲織物上的擴散速率及上染量[1]。綜上所述，保溫時間定60 min較為合適。

2.3?染液pH值對蠶絲織物顏色深度K/S值的影響

按照1.2.2中的染色方法，在pH值為2～10的條件下，考察蠶絲織物在60 ℃下保溫60 min后的顏色深度，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，當決明子染液的pH值從2增加到3時，經過染色后的蠶絲織物的顏色深度有一個快速增加的趨勢;當染液的pH值提高到4～6時，染色后蠶絲織物的顏色深度K/S值基本保持恒定;當染液的pH值大于7，即為8和10時，經過決明子染液染色后的顏色深度下降。這是由于決明子染料主要的成分為蒽酚類物質及蒽酚的配糖體，分子結構中含有一定量的酚羥基，當染液的pH值較低時，染料分子上的酚羥基在染液中的電離會受到限制，從而降低單分子存在的染料。當染液pH值在酸性條件時，染液中的氫離子會將蠶絲織物上的氨基質子化，所以染料與纖維的結合方式除了范德華力和氫鍵外，染料與蠶絲織物的結合還存在鹽鍵的形式。當染液的pH值為堿性時，此時蠶絲織物上的羧基因為電離帶負電，而蒽酚類的決明子染料也因為電離帶負電，導致靜電排斥作用使織物上染料的量降低[16]。綜合考慮，染液的pH值選擇3比較合適。

2.4?媒染性能

按照1.2.3中預媒染的染色方法，在pH 3和媒染劑的質量濃度為5 g/L的條件下，考察蠶絲織物在60 ℃下保溫60 min后的染色質量，結果如表1所示。

由表1可知，經過媒染處理后，織物的明度都發生了下降，織物的顏色深度都有一定的增加。其中銅媒染>鐵媒染>鋁媒染>無媒染。經過鐵媒染的蠶絲織物，相比未媒染的織物，a和b值都降低，表示色光偏綠和藍;經過鋁媒染的蠶絲織物，相比未媒染的織物，a和b值都增加，表示色光偏紅和黃;經過銅媒染的蠶絲織物，相比未媒染的織物，a值增加，b值基本未發生變化，表示色光偏紅。這是由于金屬離子在預媒染時可以吸附在蠶絲織物上，與蠶絲織物上的極性基團如氨基、羧基和羥基等基團形成配位鍵，然后在決明子染液中與決明子染料中的極性基團形成鹽鍵、配位鍵和氫鍵等，蠶絲織物?決明子染料作用機理如圖5所示。經過金屬離子媒染后，蠶絲織物的顏色會有一定程度的加深。

2.5?決明子染色蠶絲織物染色色牢度測試

按照1.2.2中的染色方法，在pH值為3的條件下，經60 ℃下保溫60 min后的蠶絲織物分別測試摩擦色牢度、皂洗色牢度和日曬色牢度，結果如表2所示。

由表2可以發現，決明子染色后的各項色牢度可以滿足商用的要求。目前文獻報道的天然染料染色織物的牢度測試中，比較難達到合成染料牢度水準的主要是皂洗色牢度和日曬色牢度。決明子提取的染料結構屬于蒽醌型，分子結構上不含有傳統酸性染料所具有的磺酸基，所以摩擦、皂洗色牢度均很好。根據文獻報道，蒽醌型的染料相比偶氮類染料具有更高的日曬色牢度，而且蒽醌結構的染料在紫外線、羥基自由基及活性氧的作用下被激發后仍然可以回到初始單線態的結構[17]。決明子染色后蠶絲織物的染色色牢度基本可以達到目前商業用的合成染料的染色色牢度。

2.6?決明子染色后蠶絲織物的抗紫外性能測試

參照1.2.2中的試驗方法，在染液的pH值為3的條件下，蠶絲織物經60 ℃下保溫60 min后水洗并晾干后測試染色織物的抗紫外性能，結果如表3所示。

從表3可以看出，染色前經過前處理后的蠶絲織物紫外防護性能比較差，UPF值僅有7.99。但是經過決明子染料染色后，雖然織物的顏色深度K/S值只有2.3，對于蠶絲織物這種主要用于夏天穿著的面料，紫外防護性能可以達到74.80。決明子染料可以給予織物優良的抗紫外性能的原因在于其具有蒽醌的結構。蒽醌結構的染料在紫外線的作用下會處于單線態，經過分子內的重排后會處于三線態和自由態，在紫外線、羥基自由基及活性氧的作用下，處于三線態和自由態的蒽醌結構的染料仍然可以變回單線態[17]。這也從側面印證了決明子染料具有良好的日曬色牢度。

2.7?決明子染色蠶絲織物的熒光性能測試

按照1.2.2中的染色方法，在決明子染色溶液的pH為3的條件下，蠶絲織物經60 ℃下保溫60 min后水洗并晾干，分別從染色前后的織物上取紗線在倒置熒光顯微鏡下觀察其熒光性能，結果如圖6所示。其中圖6（a）（c）為分別在倒置熒光顯微鏡B模式和G模式中呈現的熒光結果，圖6（b）（d）為分別在倒置熒光顯微鏡B模式和G模式中的熒光強度。

從圖6（a）可以發現，染色前的蠶絲織物經藍光激發時，基本不能發射綠色的熒光，經過決明子染色后，蠶絲織物可以發射出明顯的綠色熒光。從圖6（b）可以得出，染色后的蠶絲織物發射綠色熒光強度為染色前的3倍。圖6（c）中，決明子染色前的蠶絲織物經綠光激發時，有比較弱的紅色熒光，經過決明子染料染色后，蠶絲織物可以發射出較強的紅色熒光。從圖6（d）可以得出，染色后激發的紅色熒光強度為染色前的2倍。根據文獻報道胭脂紅酸和胭脂蟲紅存在具有熒光功能的蒽醌結構的基團，可以吸收紫外光區的光放出紅色和藍色的熒光[18]。決明子提取染料的結構主要是蒽醌類及其與單糖和二糖組成的配糖體，結構跟胭脂紅酸和胭脂蟲紅的結構很相似，從圖6的測試結果也可以發現決明子染料中存在許多可以被激發的具有熒光功能的基團。

3?結?論

蠶絲織物具有手感滑爽、吸濕透氣和特殊的光澤等優點，天然染料具有來源廣、無毒和生物相容性好等特點，使用合適的天然染料對蠶絲織物染色可以提高其價值。決明子染料使用適合的提取和染色工藝可以給予蠶絲織物高染色牢度和特殊的功能性。本文中決明子染料對蠶絲織物染色的優化工藝為：1）pH值為3，染色溫度為60 ℃，染色時間為60 min;2）媒染劑對顏色深度的提升能力為銅媒染>鐵媒染>鋁媒染>無媒染;3）染色后干、濕摩擦色牢度分別為4和3級，皂洗變色和沾色色牢度均為4級，日曬色牢度為4級;4）桑蠶絲織物經過決明子染色后，具有優良的抗紫外性能（UPF值為7480），其熒光性能提升了2～3倍。

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