天然黑枸杞色素在桑蠶絲染色工藝中的應(yīng)用

宋金香,李美真,趙士毅,宿宇峰

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 輕工與紡織學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080)

黑枸杞主要分布在中國西北地區(qū),其生長(zhǎng)條件極其惡劣,是典型的荒漠植物,產(chǎn)量較少,被稱為“軟黃金”[1-2]。 黑枸杞具有降低人體膽固醇,增強(qiáng)人體免疫力、抗衰老等功效[3],其漿果為紫黑色的球形,其中花青素含量很高,相關(guān)研究較少[2]。 花青素是廣泛存在于植物中的水溶性天然色素,屬黃酮類化合物,可溶于水,顏色可以隨著酸堿改變[4],其具有清除自由基的作用,對(duì)皮膚具有保健功能;開發(fā)黑枸杞色素可用于天然桑蠶絲的染色[5]。 趙航等[6]采用后酶染色的方法將黑枸杞色素應(yīng)用于真絲織物的染色當(dāng)中并取得較好的效果。 但是,天然黑枸杞色素染色還具有色牢度不足的缺點(diǎn),本文試驗(yàn)通過探討不同試驗(yàn)因素對(duì)染色結(jié)果的影響,并使用媒染劑固色、稀土媒染及纖維改性的方法來進(jìn)一步提高黑枸杞色素的上染百分率和固色率。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

桑蠶絲(蘇州湖光山色絲絨發(fā)展有限公司)、黑枸杞(中寧縣杞福源商貿(mào)有限公司)。 纖維素酶(南寧龐博生物工程有限公司),元明粉(湖南新澧化工有限公司)、明礬(無錫市亞太聯(lián)合化工有限公司)、陽離子改性劑(東莞市太洋紡織用品有限公司)、重鉻酸鉀(深圳市博林達(dá)科技有限公司)、稀土氧化釹(山東豪順化工有限公司)、80%醋酸(遼陽瑞鴻化工有限公司)。

HH·S11-4 型恒溫電熱水浴鍋(上海博泰電子設(shè)備制造有限公司),測(cè)色配色儀CM-3600 A(柯尼卡美能達(dá)),電子天平DJ-200J(上海精密儀器儀表有限公司),Y(B)802 N 小型高溫烘箱(溫州際高檢測(cè)儀器有限公司),pH 測(cè)試計(jì)JD、分光光度計(jì)7230G(上海精密科學(xué)儀器有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 色素提取

黑枸杞中含有大量紫色物質(zhì),紫色物質(zhì)可溶于水,具有很強(qiáng)的浸染能力。 本文試驗(yàn)采用常規(guī)水提取法,將50 g 黑枸杞置于常溫(15 ℃左右)水中靜置1 h, 用濾布過濾雜質(zhì),濾液用于染色,設(shè)定此濾液的染料質(zhì)量濃度為50 g/L。

1.2.2 染色工藝

染色配方:桑蠶絲5 g,染料用量5%(owf),元明粉40 g/L,明礬0.5 g,染色溫度X ℃,染色時(shí)間t min,pH 值Z,浴比1 ∶10。

工藝流程:提取色素→制備染液→桑蠶絲染色→固色→皂洗(皂洗液質(zhì)量濃度1 g/L)→烘干→性能測(cè)試。

1.3 上染百分率測(cè)試

用752 N 型分光光度儀測(cè)試染色前后剩余染液的吸光度值,通過下式計(jì)算上染百分率:

式中:A0為染色前染液吸光度;A1為染液后殘留染液的吸光度。

1.4 K/S 值測(cè)試

在CM-3600A 測(cè)色配色儀上進(jìn)行K/S 值測(cè)試,每個(gè)試樣測(cè)量5 次,取平均值。 K/S 值的大小表示染色深度的大小,K/S 值越大,表示染色深度越深,反之則淺。

2 結(jié)果與討論

2.1 染液pH 值對(duì)染色效果的影響

量取75 mL 染液,染液質(zhì)量濃度50 g/L,再加入5 g 桑蠶絲,元明粉40 g/L,明礬0.5 g,攪拌均勻,使明礬和元明粉全部溶解。 之后將燒杯放置于60 ℃恒溫水浴鍋進(jìn)行染色30 min,浴比1 ∶10。 通過醋酸調(diào)節(jié)pH 值,觀察pH 值對(duì)K/S 值的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 pH 值對(duì)K/S 值的影響

由圖1 可知,隨著染液pH 值的升高,桑蠶絲染色的深度呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì),當(dāng)pH 值為5.0時(shí),染色深度達(dá)到最大值,之后隨著pH 值的上升,染色深度下降。 推測(cè)可能是因?yàn)槿疽核嵝詼p弱,黑枸杞色素發(fā)生了部分水解。 可見,桑蠶絲染色的最適pH 值為5.0,此時(shí)桑蠶絲上染百分率最高,色澤明亮。

2.2 染色溫度對(duì)染色效果的影響

應(yīng)用上述試驗(yàn)結(jié)果:染液pH 值為5.0,固定其他染色工藝條件:染液75 mL,桑蠶絲5 g,元明粉40 g/L,明礬0.5 g,燒杯放置于恒溫水浴鍋進(jìn)行染色30 min,浴比1 ∶10。 改變?nèi)旧珳囟葘?duì)桑蠶絲進(jìn)行染色,染色溫度對(duì)K/S 值的影響如圖2 所示。

圖2 染色溫度對(duì)K/S 值的影響

由圖2 可以看出,黑枸杞色素在高溫條件下穩(wěn)定性不好。 當(dāng)溫度低于70 ℃時(shí),隨著溫度的上升,染色K/S 值呈上升趨勢(shì)。 當(dāng)溫度高于70 ℃之后,染色K/S 值急劇下降,說明在高溫條件下,黑枸杞色素可能產(chǎn)生了分解。 因此,桑蠶絲使用黑枸杞色素染色屬于低溫型染色,選擇染色溫度70 ℃為宜。

2.3 染色時(shí)間對(duì)染色效果的影響

固定其他染色工藝條件:染液75 mL,桑蠶絲5 g,元明粉40 g/L,明礬0. 5 g,染色溫度70 ℃,染液pH 值為5. 0,浴比1 ∶10。 改變?nèi)旧珪r(shí)間對(duì)桑蠶絲進(jìn)行染色,染色時(shí)間對(duì)K/S 值的影響如圖3 所示。

圖3 染色時(shí)間對(duì)K/S 值的影響

由圖3 可知,染色時(shí)間越長(zhǎng),染色K/S 值則越來越小,染色深度變淺。 推測(cè)是因?yàn)楹阼坭缴卦谌驹≈须S著染色時(shí)間的延長(zhǎng),發(fā)生水解現(xiàn)象,使得纖維K/S 值下降,但是染色時(shí)間過短又會(huì)影響色牢度。 故黑枸杞色素染桑蠶絲時(shí)選擇染色時(shí)間60 min為宜。

綜上所述,黑枸杞色素染桑蠶絲的最優(yōu)工藝為:染液75 mL,桑蠶絲5 g,元明粉40 g/L,明礬0.5 g,染色溫度70 ℃,時(shí)間60 min,染浴pH 值5.0,浴比1 ∶10。

2.4 正交試驗(yàn)分析

根據(jù)以上單因素試驗(yàn)結(jié)果,選取染色溫度、染色時(shí)間、pH 值為3 個(gè)因素,以染色后的K/S 值為評(píng)價(jià)指標(biāo),進(jìn)行3 因素3 水平的正交試驗(yàn),優(yōu)化黑枸杞染桑蠶絲的最優(yōu)工藝條件,正交試驗(yàn)因素水平表如表1所示,正交試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

由表2 可以看出,影響K/S 值大小的主次因素為:染色時(shí)間＞染色溫度＞pH 值,其最優(yōu)整理工藝條件方案為A2B2C3,即染色溫度為70 ℃,染色時(shí)間為60 min,染浴pH 值為4.5,浴比1 ∶10。

2.5 正交試驗(yàn)驗(yàn)證

由于正交試驗(yàn)結(jié)果與單因素試驗(yàn)結(jié)果有所差異,且正交試驗(yàn)結(jié)果得到的染色K/S 值較低,因此對(duì)其最優(yōu)試驗(yàn)方案A2B2C3進(jìn)行驗(yàn)證。 選用與正交試驗(yàn)相同的試劑材料,按照方案A2B2C3要求的工藝進(jìn)行3 次平行試驗(yàn),其結(jié)果為皂洗前的K/S 值分別為4.468、4.523、4.506。 可知,驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果與正交試驗(yàn)表中數(shù)據(jù)的最優(yōu)結(jié)果沒有很大差異,因此最優(yōu)工藝條件為A2B2C3,即染色溫度為70 ℃,時(shí)間為60 min,染浴pH 值為4.5,浴比1 ∶10。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.6 提高上染百分率和色牢度的研究

2.6.1 媒染劑固色

本文試驗(yàn)采用后媒染染色法進(jìn)行染色,即色素分子與媒染劑中的金屬離子絡(luò)合配位,從而將形成的絡(luò)合物插入到纖維與色素的空隙間,產(chǎn)生色調(diào)變化并增強(qiáng)其色素分子的吸附牢度。

后媒染染色:桑蠶絲5 g,元明粉40 g/L 作為促染劑,明礬0.5 g,染色溫度70 ℃,染色時(shí)間60 min,用醋酸調(diào)節(jié)染浴pH 值為4.5,浴比1 ∶10。 后媒染染色工藝曲線見圖4。

圖4 后媒染染色工藝曲線

使用媒染劑重鉻酸鉀將上染到桑蠶絲上的黑枸杞色素進(jìn)行固色,桑蠶絲媒染劑處理皂洗前后K/S值如表4 所示。

表3 桑蠶絲媒染劑處理皂洗前后K/S 值

桑蠶絲媒染劑處理皂洗前后對(duì)比如圖5、6所示。

圖5 后媒染皂洗前試樣顏色

圖6 后媒染皂洗后試樣顏色

通過表3 可以得出,桑蠶絲用媒染劑處理呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),在媒染劑用量達(dá)到0.6 g 時(shí)出現(xiàn)峰值;而從圖5 中也可以看出,染色試樣的深度是先加深后變淺,皂洗后的固色情況也是0.6 g 時(shí)效果最好;故媒染劑重銘酸鉀的最佳用量為0.6 g,相當(dāng)于質(zhì)量濃度8 g/L。

2.6.2 稀土媒染

使用稀土氧化釹[7-9]將上染到桑蠶絲上的黑枸杞色素進(jìn)行固色,稀土媒染工藝及各項(xiàng)參數(shù)同2.6.1 節(jié)。

桑蠶絲稀土處理皂洗前后K/S 值見表4。 桑蠶絲稀土處理皂洗前后對(duì)比如圖7、8 所示。

表4 桑蠶絲纖維稀土處理皂洗前后K/S 值

圖7 稀土媒染皂洗前試樣顏色

由表4 可以得出桑蠶絲經(jīng)稀土媒染時(shí),隨著稀土用量的增加,K/S 值呈現(xiàn)下降趨勢(shì),皂洗后K/S值也呈現(xiàn)下降趨勢(shì);同樣從圖7、8 中可以看到,稀土用量越多,染色和固色的效果都在下降,當(dāng)稀土用量為0.3 g 時(shí),相當(dāng)于質(zhì)量濃度4 g/L,染色效果最佳。

2.6.3 陽離子改性處理

天然染料和纖維之間缺乏親和力,可以使用陽離子助劑對(duì)纖維進(jìn)行改性,增加纖維表面的正電荷,使纖維吸附更多的天然染料,以獲得更好的染色效果。 將未處理的桑蠶絲用陽離子改性劑GM-01在50 ℃下處理20 min 后取出,浴比1 ∶10,此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)染色,染色工藝同1.2.2 節(jié)。

將纖維用陽離子改性劑改性后再進(jìn)行染色[10],桑蠶絲陽離子改性處理皂洗前后K/S 值如表5所示。

圖8 稀土媒染皂洗后試樣顏色

表5 桑蠶絲陽離子改性處理皂洗前后K/S 值

桑蠶絲陽離子改性處理皂洗前后對(duì)比如圖9、10 所示。

圖9 陽離子改性桑蠶絲染色皂洗前試樣顏色

從表5 的數(shù)據(jù)和圖9、10 改性前后試樣對(duì)比可知,陽離子改性劑的質(zhì)量濃度為2 ～3 g/L 時(shí),固色效果不明顯,陽離子改性劑的質(zhì)量濃度為5 g/L 時(shí),固色效果比4 g/L 時(shí)要差,所以對(duì)桑蠶絲進(jìn)行陽離子改性時(shí),改性劑最佳質(zhì)量濃度為4 g/L。

圖10 陽離子改性桑蠶絲染色皂洗后試樣顏色

對(duì)比上述3 種提高上染百分率和色牢度的方法可以看出稀土媒染的效果最好。

3 結(jié) 論

將從天然黑枸杞中提取出的色素應(yīng)用于桑蠶絲的染色工藝中,通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析,得到以下結(jié)論:

①黑枸杞色素在酸性條件下上染百分率明顯大于在堿性條件下的上染百分率。 酸性條件下上染效果好,堿性條件下上染百分率極差。

②在保證桑蠶絲染色均勻,有良好的上染百分率的情況下,通過對(duì)pH 值、染色溫度以及染色時(shí)間這3 方面進(jìn)行單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn),得到黑枸杞色素上染桑蠶絲的最佳工藝為:染液pH值4. 5,染色溫度70 ℃,染色時(shí)間60 min,浴比1 ∶10。

③桑蠶絲用量為5 g 時(shí),用媒染劑處理時(shí)媒染劑的最佳用量為0.6 g。 用稀土處理時(shí)稀土的最佳用量為0.3 g。 桑蠶絲用陽離子改性劑GM-01,改性時(shí)改性劑的最佳質(zhì)量濃度為4 g/L。