金屬媒染劑對桉樹皮色素桑蠶絲上染效果的影響

何露茜，唐靈謝，萬 倩，何正斌，伊松林

(北京林業大學 木材科學與工程北京市重點實驗室，北京 100083)

隨著人們對生態環保問題的愈發重視，具有低毒低敏、生態友好等特點的天然染料在紡織品上的應用日益增加，染色產品也深受消費者青睞[1-2]。 桉樹是黃棕色系天然染料的主要來源之一，其樹皮抽提液中含大量苯環及其共軛、碳碳雙鍵、醛基等多種不飽和結構的發色及助色基團，能與蛋白質類織物發生反應牢固著色，故可以被考慮作為天然染料[3]。

桉樹(Eucalyptus)憑借其生長速率快，生態及社會效益高等特點，已成為我國三大造林樹種之一[4]。但在其加工過程中，常伴隨著廢水、廢渣等生產廢棄物的產生。桉樹皮便是廢棄物中的一種，其產量可占原木產量的0.13倍，但由于纖維韌性強、粉碎困難、抽提物含量大等特點，故在人造板及制漿造紙中均無法得到有效利用[5-6]。

目前，國內對桉樹皮的研究多集中于將其作為菌類的營養基質或生物顆粒燃料方面，對于將其作為天然染料應用于織物方面的研究較少。何忠琴等[7]的研究表明桉樹類樹皮可以萃取出染料，且其所染色織物具有良好的斷裂強度、折皺回復性等性能，其染色后的紡織品對人體無過敏現象。現有研究多集中于提取或染色工藝，對不同媒染劑對其染色效果的影響方面的研究較少。

本文將桉樹皮作為天然染料原料，以水煮提取法得到桉樹皮色素染液，對桑蠶絲織物進行直接染色，并以硫酸鋅、明礬、硫酸鋁及硫酸銅作為媒染劑對桑蠶絲織物進行媒染染色，對其染色性能及染色牢度進行比較。

1 實 驗

1.1 實驗材料與儀器

原料：氣干的巨尾桉(Eucalyptus grandis × E.urophylla)樹皮(廣西林場購買)，40 g/m2桑蠶絲織物(北京謙祥益絲綢有限責任公司)；去離子水、硫酸鋅、明礬、硫酸鋁、硫酸銅(分析純，天津光復科技發展有限公司)。

儀器：SHZ-III型循環水真空泵(上海知信實驗儀器技術有限公司)、DK-98-ⅡA型電熱恒溫水浴鍋(天津市泰斯特儀器有限公司)、SHA-C型數顯水浴恒溫振蕩器(中國·江蘇金壇市榮華儀器制造有限公司)、Datacolor 500型電腦測色配色儀(美國Datacolor公司)、Y571 A型手搖式色牢度磨擦儀(浙江溫州紡織儀器廠)、MX-A1004型耐水洗色牢度測試儀(東莞市默欣電子科技有限公司)、SUN XE-3 XENON TEST CHAMBER型氙燈試驗箱(美國Q-Lab公司)。

1.2 桉樹皮色素提取液的制取

將氣干的巨尾桉樹皮從原木上扒下，去除腐朽變色部分，沿木皮纖維方向將樹皮撕開、折斷。為方便進行水煮處理，先將樹皮切成小塊后打碎成短絮狀。取30 g短絮狀的巨尾桉樹皮置于燒杯中，加入500 mL去離子水。將水浴鍋內溫度升高至85 ℃，將其放入恒溫水浴鍋內，設置水煮時間為120 min(水煮時在燒杯口覆上保鮮膜防止染液過度蒸發)。取出水煮廢液冷卻至室溫，先用脫脂紗布對染液中樹皮殘渣進行粗過濾，濾去較大的樹皮殘渣后，對剩余染液進行抽濾，收集濾液。

1.3 桉樹皮色素的染色機制

桑蠶絲是動物蛋白質類纖維，對皮膚有保養作用，但其抗皺性及耐光性較差，不宜直接在陽光下曝曬。在實際應用中，由于動物蛋白質纖維在堿性介質中容易受損，所以桑蠶絲織物一般選用酸性染料進行染色[8]。

多數天然染料對纖維沒有親和性，它們大多沒有水溶性基團(某些天然染料以配糖體的形式存在，有一定水溶性)；木材抽提液中含有許多親水性基團—OH，并且多以酚羥基的形式存在，且其具有大量絡合配位結構，可以借助媒染劑在纖維上著色[9]。桉樹皮水煮液作為染料用于直接染色時，提取物中的有效成分能與蛋白質纖維及聚酰胺纖維上的氨基等基團發生化學反應，在染料及纖維間形成共價鍵的結合方式，使染料成為纖維大分子中的一部分，從而在織物上著色。當使用金屬媒染劑對織物進行媒染染色時，金屬離子可作為中心離子，作用于染料與纖維之間，可使得天然染料—金屬離子—織物間產生交聯，三者間形成較為穩定的配位化合物，以此改善織物的上染效果[10]。

1.4 染色工藝及配方

將裁剪成方形、質量為1 g的桑蠶絲織物充分潤濕，去除表面灰塵及油脂后投入配置好的染浴進行染色。

1.4.1 直接染色法

不添加任何染色助劑，直接使用染液對桑蠶絲織物進行染色，染色浴比1∶50。

工藝流程：制備染液(染色浴比1∶50)→直接染色(室溫入浴，以2 ℃/min的升溫速度升溫至80 ℃后，保溫60 min)→水洗→晾干。

1.4.2 同浴媒染法

染料和媒染劑在同一浴中完成上染和絡合的染色方法稱為同浴媒染法，本文實驗選用硫酸鋅、明礬、硫酸鋁及硫酸銅為媒染劑。

工藝流程：制備染液(媒染劑用量為1%～11%(owf)，染色浴比1∶50)→媒染染色(室溫入浴，以2 ℃/min的升溫速度升溫至80 ℃后，保溫60 min)→水洗→晾干。

1.5 染色織物顏色特征值及色牢度的測定

采用Datacolor 500型電腦測色配色計算機系統，對染色桑蠶絲織物的顏色特征值L*、a*、b*以及K/S值進行檢測與分析，每個樣品測試5次，取平均值。耐摩擦色牢度參照GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗 耐摩擦色牢度》進行測定；耐皂洗色牢度參照GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗 耐皂洗色牢度》進行測定；耐日曬色牢度參照GB/T 8427—2008《紡織品 色牢度試驗 耐人造光色牢度:氙弧》進行測定。

2 結果與討論

2.1 染色時間對桑蠶絲織物染色效果的影響

按照1.4中的直接染色法染色工藝對桑蠶絲織物進行染色，測定其染色特征值。染色時間與桑蠶絲織物顏色特征值的關系見表1。可以看出，在10～80 min的染色時間范圍內，隨著時間的延長，桑蠶絲織物的L*值不斷降低，b*值整體趨勢不斷升高，a*值變化不明顯，意味著染色時間的增加使得被染色桑蠶絲織物的整體明度降低，色深增大，同時織物色光的黃色偏向增強，但織物色光的紅色偏向無明顯變化。

表1 染色時間與桑蠶絲織物顏色特征值的關系

當染色時間大于60 min后，K/S值的增長速率顯著減緩，繼續延長染色時間，染色桑蠶絲織物的K/S值基本不再變化。這可以解釋為：隨著時間的不斷增加，附著在纖維表面的染料濃度逐漸增大，并勻染擴散至纖維內部；當繼續延長染色時間時，纖維上著色的染料濃度已趨近飽和，故K/S值幾乎保持不變[11-12]。因此，將桑蠶絲織物的染色時間設定在60 min左右較為合適。

2.2 媒染劑種類及用量對桑蠶絲織物染色效果的影響

取桑蠶絲織物1.0 g，浴比1∶50，染色溫度80 ℃，染色時間60 min，按照1.4染色工藝探討不同媒染劑種類及其用量對桉樹皮色素上染桑蠶絲織物染色效果的影響，媒染劑種類及用量與桑蠶絲織物顏色特征值的關系結果見表2，媒染劑種類及用量與桑蠶絲織物K/S值的關系見圖1。

在1%～11%(owf)的媒染劑用量范圍內，直接染色與媒染染色的色相相差不大，說明媒染劑并未改變染料的主體色相[13]。隨著4種金屬媒染劑用量的不斷增加，其所染色的桑蠶絲織物的L*值均呈現出先減小后略有增加的變化趨勢，意味著媒染劑的加入使得被染色桑蠶絲織物的整體明度降低，色深增大。其中以硫酸鋅作為媒染劑的織物，其b*值略有增大，而a*值變化不明顯，表示該媒染劑的加入增強了織物色光的黃色偏向。加入明礬及硫酸鋁的織物，其a*、b*值均隨著媒染劑用量的增加略有增大，表明這2種媒染劑的加入使得染色織物色光的黃色及紅色偏向增強。而硫酸銅加入使得織物的a*值略有下降而b*值增大，意味著織物色光的黃色偏向增強，而織物色光的紅色偏向減弱。

表2 媒染劑種類及用量與桑蠶絲織物顏色特征值的關系

圖1 媒染劑種類及用量與桑蠶絲織物K/S值的關系

由圖1可知，隨著4種相同陰離子(SO42-)的金屬媒染劑濃度的增加，染色桑蠶絲織物的K/S值均呈先增大后減小的變化趨勢。在4種金屬媒染劑中，硫酸銅對桑蠶絲織物染色的促進作用最大，能在最小的媒染劑用量(3%(owf)左右)作用下達到最大的K/S值；其次是硫酸鋅，在用量7%(owf)達到較大的顏色深度；硫酸鋁與明礬的促進作用相當，分別在5%(owf)及7%(owf)左右的用量范圍達到較大的色深。當繼續增加媒染劑用量時，K/S值變化不再增加，甚至開始下降，其可能的原因是：在媒染劑用量增加初期，金屬離子作為中心離子，在桑蠶絲纖維及染料分子間形成配位鍵，隨著媒染劑用量的增加，不斷促進配合物的形成[13]；繼續增加媒染劑用量時，媒染劑與桑蠶絲織物及染料的結合逐漸達到飽和狀態，染料分子的吸附與解吸趨于動態平衡，故染色織物的K/S值的變化也基本趨于穩定狀態；當媒染劑用量過高時，由于過量的媒染劑與染液結合，減弱了染料分子與織物纖維之間的親和力，從而導致染料上染百分率降低，染色織物的K/S值下降[14-15]。

2.3 色牢度評價

對直接染色法及使用4種不同金屬媒染劑的同浴媒染法中染色顏色深度較大的桑蠶絲織物進行色牢度檢測，結果如表3所示。

表3 不同染色條件下桑蠶絲織物的染色牢度

使用桉樹皮天然染料直接染色的桑蠶絲織物具有較好的耐摩擦色牢度及耐皂洗色牢度性能，其等級均達到3級及以上等級，可滿足日常使用需求，但其耐日曬色牢度較低。可考慮將其作為避免日光直接曝曬的內搭衣物材料進行使用。在媒染劑的作用下，染色桑蠶絲織物的各項色牢度等級得到部分提升，特別體現在其對耐日曬色牢度的提高上，說明媒染劑在提高天然染料的色牢度方面有一定作用。其中硫酸銅的加入對色牢度的等級提升較為顯著，其次是明礬與硫酸鋁，其中硫酸鋁對織物色牢度的增強效果略高于明礬，硫酸鋅對提高色牢度方面的效果最弱。綜上所述，硫酸銅能以較低的用量達到較好的染色效果，故可將其考慮作為桉樹皮色素較為合適的金屬媒染劑。

3 結 論

①染色時間的增加使得被染色桑蠶絲織物的整體明度降低，所染織物色光的黃色偏向增強。隨著染色時間的不斷延長，被染色織物的K/S值先增大后基本穩定，在染色時間為60 min后，織物色深值基本保持穩定，故可將染色的時間范圍控制在60 min左右。

② 4種金屬媒染劑的加入均使得桑蠶絲織物的整體明度減小，織物色光的偏向發生改變。其對染色色深的增強能力為：硫酸銅>硫酸鋅>硫酸鋁≈明礬；隨著媒染劑用量的增加，染色織物的K/S值先增加后減小；媒染染色織物K/S值最大值對應的媒染劑用量分別為：硫酸鋅7%(owf)、明礬7%(owf)、硫酸鋁5%(owf)、硫酸銅3%(owf)。

③直接染色時，桑蠶絲織物的耐摩擦色牢度及耐皂洗色牢度等級較好，均達到3級以上，而耐日曬色牢度不佳；4種媒染劑對桑蠶絲織物染色的固色能力為：硫酸銅>硫酸鋁>明礬>硫酸鋅；加入金屬媒染劑對提高織物的染色牢度有作用，特別體現在對耐日曬牢度等級的提升上，不同金屬媒染劑的提升等級在0.5～2.0級不等。