紅茶色素對羊毛纖維染色工藝的優化

王雪梅，張東東，劉 霞，馬 越，趙蝴蝶，洪國英，易 帆

(1.蘭州理工大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730050； 2.太原理工大學 輕紡工程學院， 山西 晉中 030600；3.吉林大學 新聞與傳播學院，吉林 長春 130012)

紅茶是六大茶類之一，其富含的紅茶色素在較低溫度和pH值下具有良好的穩定性和耐光性，但紅茶色素對金屬離子的穩定性較差[1]。紅茶色素中所含的茶黃素、茶紅素、茶褐素等，在醫藥領域可以預防糖尿病、高血脂、癌癥等疾病，對人體健康具有很大的益處，且由其染色的織物在pH值為5.5時具有良好的抗菌性[2]。在食品領域，紅茶色素可以用于食品著色，并可以代替其他化學著色劑，減少著色劑對人體的危害[3]。此外，紅茶色素也具有很強的抗氧化活性，對食品保鮮也具有一定的效果[4]。在吸附領域，茶葉殘渣或廢棄后的茶葉經過改性或碳化后對廢水中的染料以及其他物質具有一定的吸附性能[5]。在化妝品領域，紅茶和綠茶的提取物都有防曬、保濕、抗衰老的功效，二者聯合使用的提取物具有協同增效的作用[6]。

傳統用紅茶色素染色纖維的文章，其染色工藝未進行優化[7]，且染色進程中使用對環境和人體危害較大的媒染劑硫酸亞鐵[8]。本文采用正山小種紅茶色素對羊毛纖維進行染色，使用相對無危害的檸檬酸[9]進行媒染固色，并對染色工藝進行響應面優化；測試染色羊毛纖維的耐皂洗色牢度、斷裂強力等性能指標，得到優化的紅茶色素上染羊毛纖維染色工藝和綠色環保的染色方法，以期減少化學染料對環境的污染和人體健康的危害。

1 試驗部分

1.1 材料和儀器

試驗材料：正山小種紅茶(市購);羊毛纖維(品質支數66支，細度為20.1～21.5 μm，蘭州三毛實業有限公司)。

試驗藥品：無水乙醇(分析純，廣州市錦源化學有限公司)；鹽酸(分析純，河南斯維爾實驗器材有限公司)；檸檬酸(分析純，天津渤化化學試劑有限公司)。

試驗儀器：WG700CTL型微波爐(廣東格蘭仕微波爐電器制造有限公司)；HH-S8數顯雙列八孔不銹鋼水浴鍋(鄭州市亞榮儀器有限公司)；中藥粉碎機(武義海納電器有限公司)；JJ224BC雙杰電子天平(惠州市衡源電子有限公司)；孔徑180μm(80目)篩網。

1.2 紅茶色素提取

將紅茶用中藥粉碎機粉碎后過篩網得到紅茶粉末。將紅茶粉末在乙醇體積分數67%、時間62 s、微波功率490 W、料液比1∶23條件下浸提得到紅茶色素染液，過濾后備用。

1.3 染色工藝

1.3.1 染前預處理

染色前對羊毛纖維進行預處理。首先，將水浴鍋加熱至80 ℃，然后將30 g羊毛纖維完全浸泡在裝有去離子水的燒杯中，將燒杯在水浴鍋中加熱到90 ℃，保溫60 min后取出燒杯冷卻，在室溫條件下浸泡24 h后自然晾干，待染色試驗使用。

1.3.2 染色工藝過程

水浴鍋加熱至入染溫度后，將1 g預處理后的羊毛纖維放入裝有pH值為5.5、含50 mL紅茶色素染液的燒杯中，待染液溫度升至染色溫度后恒溫染色一定時間(tmin)，之后加入一定量的檸檬酸(mg/L)，并用玻璃棒充分攪拌后媒染30 min。染色期間需用保鮮膜覆蓋杯口并扎小孔，且需定時進行攪拌以防染色不勻。染畢降溫至室溫，水洗晾干。

1.3.3 單因素試驗

以紅茶色素上染羊毛纖維的時間、溫度和檸檬酸的質量濃度為3個因素，以經過預處理后的羊毛纖維為標準樣，測試染色前后羊毛纖維的色差值(ΔE)。單因素試驗如表1所示。

表1 單因素試驗表

1.3.3.1染色時間對色差值的影響

染色時間對染色羊毛纖維色差值的影響如圖1所示。可見，色差值隨染色時間的增大呈先增大后減小的趨勢，并在60min時達到最大，因此選響應面染色時間的3個水平為50、60、70min。

圖1 染色時間對染色羊毛纖維色差值的影響

1.3.3.2染色溫度對色差值的影響

染色溫度對染色羊毛纖維色差值的影響如圖2所示，由于色素分子的熱運動導致色差值隨染色溫度的升高呈先增大后減小的趨勢，并在90℃時最大，因此選響應面染色溫度的3個水平為80、90、100℃。

圖2 染色溫度對染色羊毛纖維色差值的影響

1.3.3.3檸檬酸質量濃度對色差值的影響

檸檬酸質量濃度對染色羊毛纖維色差值的影響如圖3所示。由于檸檬酸分子對染色位點的占據導致色差值隨檸檬酸質量濃度的增大呈先增大后減小的趨勢，并在10g/L時最大，因此選響應面檸檬酸質量濃度的3個水平為9、10、11g/L。

圖3 檸檬酸質量濃度對染色羊毛纖維色差值的影響

1.3.4 響應面優化試驗

在單因素試驗的基礎上，選取染色時間A、染色溫度B、檸檬酸質量濃度C3個因素，結合軟件Design-Expert 12.0.3 Trial的Box-Benhnken的原理[10]，設計如表2所示的響應面試驗因素水平表。

表2 響應面優化因素水平表

2 結果與分析

2.1 染色工藝試驗

2.1.1 響應面優化結果

依據紅茶色素上染羊毛纖維的色差值△E為響應指標，染色時間、染色溫度、檸檬酸質量濃度為響應因子的羊毛纖維染色工藝試驗結果如表 3所示。

表3 響應面優化結果表

2.1.2 方差分析響應面優化結果

根據Design-Expert 12.0.3Trial和表3所示的羊毛纖維染色工藝結果，求得染色時間、染色溫度、檸檬酸質量濃度與色差值之間的關系方程為：

模型的方差分析結果如表 4所示。分析可知，響應面法預測的模型F值為114.95(P<0.000 1)，經顯著性檢驗表明，模擬預測的回歸方差達到顯著水平，又因失擬項不顯著(P=0.0572>0.05)，因此該模型可用于此染色工藝的預測和分析。在一次項中，染色時間(P<0.000 1)、染色溫度(P<0.000 1)極顯著，檸檬酸質量濃度(P=0.022 5<0.05)顯著。在交互項中，各因素均不顯著。在二次項中，染色溫度(P<0.000 1)極顯著，檸檬酸質量濃度(P=0.020 7<0.05)顯著，染色時間不顯著。因此，影響羊毛纖維色差的各項因素之間并不是簡單的線性關系。

表4 方差分析表

2.1.3 各因素交互作用分析結果

由Design-Expert 12 Trial軟件對模型分析[10-11]，得到各因素交互作用響應面圖，如圖4～6所示。

圖5 染色時間與檸檬酸質量濃度交互作用響應面圖

圖6 檸檬酸質量濃度與染色溫度交互作用響應面圖

分析可知，各因素之間的交互作用都不顯著。結合表4的數據分析可知，各因素主次順序為：染色溫度>檸檬酸質量濃度>染色時間。根據染色溫度的F值(499.51)和P(<0.000 1)值，可以得到染色溫度對紅茶色素上染羊毛纖維的色差值影響最大，說明染色溫度較小的變化就會對上染后羊毛纖維的色差值產生很大的影響。

2.1.4 染色工藝響應面優化結果

根據Design-Expert 12.0.3 Trial優化軟件對羊毛纖維的染色工藝優化結果如表 5所示，得到理論最優工藝為：染色時間70min、染色溫度93.839℃、檸檬酸質量濃度10.336g/L，在此條件下的理論色差為40.256。為便于實際操作，將理論數據修正為：染色時間70min、染色溫度94℃、檸檬酸質量濃度10g/L，在此條件下進行多次試驗測得羊毛纖維的平均色差值為40.339，與理論數值基本吻合。

表5 染色工藝響應面優化結果

2.2 最優工藝染色試樣性能測試

在染色時間70min、染色溫度94℃、檸檬酸質量濃度10g/L的最優工藝條件對羊毛纖維進行染色，然后測試染色試樣的耐皂洗色牢度和單纖維強力。其中試樣耐皂洗色牢度按照GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗 耐皂洗色牢度》進行測試，試樣單纖維強力按照GB/T 27629—2011 《毛絨束纖維斷裂強度試驗方法》進行測試，結果如表6所示。可見，最優工藝試樣的耐皂洗色牢度均在3級以上，染色前后羊毛單纖維強力變化幅度很小，說明預處理和最優工藝染色并未對羊毛纖維強力造成實質性影響。

表6 最優工藝染色試樣性能測試結果

3 結 論

本文通過研究紅茶色素對羊毛纖維的染色工藝，運用響應面法優化染色工藝參數，分析各染色因素對染色結果的影響，并測試最優工藝染色試樣的性能，可得到以下結論：

① 通過響應面軟件中的Box-Behnken原理，對優化結果進行修正，得到修正后的染色工藝參數為：染色時間70min，染色溫度94℃，檸檬酸質量濃度10g/L，此條件下測得染色羊毛纖維的色差值為40.339。

② 經響應面分析得到各因素的主次順序為：染色溫度>染色時間>檸檬酸質量濃度，其中染色溫度的影響最為顯著，其較小的波動就會對染色試樣的色差產生較大的影響。

③ 測得最優工藝下染色羊毛纖維的耐皂洗色牢度均達到3級以上，滿足日常服用需求；染前預處理工藝和最優工藝染色并未對羊毛纖維強力造成實質性影響。

④ 媒染劑檸檬酸不僅表現出良好的媒染固色效果，而且避免了金屬離子媒染劑的環境問題。