不同媒染劑下姜黃色素對羊毛纖維染色工藝優(yōu)化

何吉祥 張東東 馬 越 梁 鵬 趙蝴蝶 王雪梅

（1. 蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2. 吉林大學(xué)新聞與傳播學(xué)院，吉林 長春 130012；3. 蘭州挺大個文化傳媒有限公司，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

隨著近代科學(xué)的發(fā)展，合成染料由于色譜齊全、色澤鮮艷、價格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用，逐漸替代了天然染料成為紡織品染色的主要著色物質(zhì)。然而合成染料在生產(chǎn)過程中給環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染，且一些合成染料對人體有一定的危害[1-5]。由于天然染料更安全和更環(huán)保以及染色產(chǎn)品色調(diào)獨(dú)特別致和部分染料兼具保健的功能，使得天然染料被認(rèn)為是合成染料良好的替代品[6]。姜黃色素作為天然染料應(yīng)用于紡織品染色也日益成為學(xué)者們研究的方向[7-8]。

姜黃作為一種日常的天然染料，染色力較其他天然染料好，目前天然食用色素在染色方面的進(jìn)展還主要處于實(shí)驗(yàn)室的研究階段[9]，工業(yè)化的應(yīng)用很少見到，主要的原因是天然食用色素的色譜不像合成染料那樣豐富，有些天然食用色素的日曬牢度不理想[10-11]。同時酶解法提取天然色素的環(huán)保性還沒有充分被開發(fā)出來[12]。隨著國家倡導(dǎo)環(huán)保綠色的理念，應(yīng)用酶法提取姜黃色素并應(yīng)用于紡織品著色領(lǐng)域有著很廣闊的前景。

1 試驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料：姜黃粉末（市售）、羊毛條（蘭州三毛實(shí)業(yè)股份有限公司提供）。

儀器：DZF-6050 真空干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）、HH-S8 數(shù)顯雙列八孔不銹鋼水浴鍋（北京科偉永興儀器有限公司）、電子天平PTX-FA2015（福州華志科學(xué)儀器有限公司）、NS800 分光測色儀（深圳市三恩時科技有限公司）、光學(xué)電子顯微鏡（北京普瑞賽司儀器有限公司）、CT-6020 數(shù)顯防水筆式pH 計(jì)（常州德社精密儀器有限公司）、電子單纖維強(qiáng)力測試機(jī)（溫州大榮紡織儀器有限公司）、實(shí)驗(yàn)室水純化系統(tǒng)（上海芷昂儀器有限公司）。

藥品：檸檬酸、硫酸鋁鉀、氯化亞錫、36%乙酸、氯化鑭（均為分析純，成都市科隆化學(xué)品有限公司）。

1.2 測試方法和標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 色差測試方法與標(biāo)準(zhǔn)

試樣色差執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8424.3-2001 (2009)。測試染樣色差值越大，染樣得色越深，染色效果越好。

1.2.2 耐皂洗色牢度測試方法與標(biāo)準(zhǔn)

試樣耐皂洗色牢度測試執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3921-2008。

1.2.3 單纖維強(qiáng)力測試方法與標(biāo)準(zhǔn)

試樣單纖維強(qiáng)力測試執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27629-2011。

1.3 色素提取

姜黃色素染液配制：被粉碎的姜黃色素粉末按照工藝，酶解溫度55℃、酶用量20 mg·g-1、酶解時間40min、酶解pH 4.4 浸提得到姜黃色素染液，過濾后，密封、冷藏、避光保存以備染色使用。

1.4 直接染色

試驗(yàn)采用成熟的直接染色工藝，參考相關(guān)文獻(xiàn)，確定浴比為1: 50、染色溫度90 ℃、染色pH 為4.5、染色時間為60 min。直接染色工藝曲線如圖1 所示。

批量稱取1.0 g 羊毛共36 份，室溫浸泡24 h，充分潤濕。根據(jù)染色工藝配置36 份姜黃色素染液置于燒杯中，按照圖1 所示的工藝曲線進(jìn)行直接染色，之后進(jìn)行媒染固色工藝試驗(yàn)。

1.5 媒染固色工藝試驗(yàn)

1.5.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

上述直接染色的36 個染浴不換，一浴二步法配置檸檬酸、硫酸鋁鉀、氯化亞錫、氯化鑭4 種媒染固色劑的媒染固色工藝參數(shù)，考察在不同梯度的固色時間、固色溫度、媒染劑用量下的媒染固色工藝，運(yùn)用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)和分析。參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，選取媒染時間為20 min、30 min、40 min，媒染溫度為60 ℃、70 ℃、80 ℃，媒染劑用量為5%、6%、7%，設(shè)計(jì)三因素三水平的正交試驗(yàn)方案如表1 所示。

表1 媒染固色工藝正交試驗(yàn)表

根據(jù)表1 的媒染固色正交試驗(yàn)表，每種媒染劑都可組合得到9 組試驗(yàn)，每組試樣以色差、耐皂洗變色牢度和沾色牢度為評價指標(biāo)，計(jì)算并分析正交試驗(yàn)結(jié)果，最終確定最優(yōu)媒染劑和最優(yōu)媒染固色工藝。

1.5.2 試驗(yàn)過程

每組試樣按照如圖2 的媒染固色工藝曲線所示的工藝條件進(jìn)行媒染固色工藝試驗(yàn)，染畢，測試試樣各項(xiàng)評價指標(biāo)。

圖2 媒染固色工藝曲線

1.6 最優(yōu)工藝驗(yàn)證試驗(yàn)

對優(yōu)化的4 種媒染劑下的媒染固色工藝結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，并做纖維表面形貌觀察和性能測試，分析篩選出最佳媒染劑和媒染固色工藝。

2 結(jié)果分析

2.1 檸檬酸媒染固色工藝試驗(yàn)

2.1.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

檸檬酸媒染固色工藝正交試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 檸檬酸媒染固色工藝正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 為檸檬酸媒染固色正交試驗(yàn)板差、優(yōu)方案計(jì)算和分析結(jié)果。

表3 檸檬酸媒染固色正交試驗(yàn)極差、優(yōu)方案計(jì)算和分析結(jié)果

由表3 可知，對于色差，固色劑用量R（極差）為2.82，固色時間R 為1.89，說明固色劑用量影響最大，固色時間最小，三因素對色差的影響順序?yàn)椋篊>B>A。得出最優(yōu)組合是A2B1C2，即固色時間30min、固色溫度60 ℃、固色劑用量6%。對于沾色牢度，固色時間R 為0.35，固色溫度R 為0.13，說明固色時間影響最大，固色溫度最小，故三因素對沾色牢度的影響順序?yàn)椋篈>C>B。得出最優(yōu)組合是A1B1C3，即固色時間20 min、固色溫度60 ℃、固色劑用量7%。對于變色牢度，固色溫度R 為1.19，固色劑用量R為0.61，說明固色溫度影響最大，固色劑用量最小，故三因素對變色牢度的影響順序?yàn)椋築>A>C。得出最優(yōu)的組合是A3B2C2，即固色時間40 min、固色溫度70 ℃、固色劑用量6%。

表4、5、6 分別為硫酸鋁鉀媒染固色工藝色差、耐皂洗沾色牢度和變色牢度方差分析表。

表4 檸檬酸媒染固色工藝方差分析表（色差）

表5 檸檬酸媒染固色工藝方差分析表（沾色牢度）

表6 檸檬酸媒染固色工藝方差分析表（變色牢度）

2.1.2 最優(yōu)工藝選擇

由極差和方差分析表綜合分析可以得出：以檸檬酸為媒染固色劑的最優(yōu)組合為A2B1C1，即固色時間30 min，固色溫度60 ℃，媒染固色劑檸檬酸用量5%。

2.2 硫酸鋁鉀媒染固色工藝試驗(yàn)

2.2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

硫酸鋁鉀媒染固色工藝正交試驗(yàn)結(jié)果如表7 所示。

表7 硫酸鋁鉀媒染固色工藝正交試驗(yàn)結(jié)果

表8 為硫酸鋁鉀媒染固色正交試驗(yàn)極差、優(yōu)方案計(jì)算和分析結(jié)果。由表8 可知，對于色差，固色溫度R 為6.40，固色劑用量R 為1.24，說明固色溫度影響最大，固色劑用量最小，故三因素對色差的影響順序?yàn)椋築>A>C。得出最優(yōu)組合是A1B1C1，即固色時間20 min、固色溫度60 ℃、固色劑用量5%。對于沾色牢度，固色劑用量R 為0.37，固色溫度R 為0.11，說明固色劑用量影響最大，固色溫度最小，故三因素對沾色牢度的影響順序?yàn)椋篊>A>B。得出最優(yōu)組合是A1B1C2，即固色時間20 min、固色溫度60 ℃、固色劑用量6%。對于變色牢度，固色時間R 為1.27，固色溫度R 為0.45，說明固色時間影響程度最大，固色溫度最小，故三因素對變色牢度的影響順序?yàn)椋篈>C>B。得出最優(yōu)的組合是A1B1C1，即固色時間20min、固色溫度60 ℃、固色劑5%。

表8 硫酸鋁鉀媒染固色正交試驗(yàn)極差、優(yōu)方案計(jì)算和分析結(jié)果

表9、10、11 分別為硫酸鋁鉀媒染固色工藝色差、耐皂洗沾色牢度和變色牢度方差分析表。

表9 硫酸鋁鉀媒染固色工藝方差分析表（色差）

由表9 得出，固色溫度對色差的影響高度顯著，固色劑用量和固色時間對色差的影響較顯著。由表10 得出，固色時間和固色劑用量對沾色牢度的影響高度顯著，固色溫度對沾色牢度的影響顯著。可從表11 得出，固色劑用量對變色牢度的影響高度顯著，固色溫度和固色時間對變色牢度的影響顯著。

表10 硫酸鋁鉀媒染固色工藝方差分析表（沾色牢度）

表11 硫酸鋁鉀媒染固色工藝方差分析表（變色牢度）

2.2.2 最優(yōu)工藝選擇

由極差和方差分析表綜合分析可以得出：以硫酸鋁鉀為固色劑的最優(yōu)組合為A1B1C2，即固色時間20min，固色溫度60 ℃，媒染固色劑硫酸鋁鉀用量6%。

2.3 氯化亞錫媒染固色工藝試驗(yàn)

2.3.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

氯化亞錫媒染固色工藝正交試驗(yàn)結(jié)果如表12 所示。

表12 氯化亞錫媒染固色工藝正交試驗(yàn)結(jié)果

表13 為氯化亞錫固色正交試驗(yàn)極差、優(yōu)方案計(jì)算和分析結(jié)果。由表13 可知，對于色差，固色溫度R 為2.97，固色時間R 為0.81，說明固色溫度影響最大，固色時間最小，故三因素對色差的影響順序?yàn)椋築>C>A。得出最優(yōu)組合是A3B1C3，即固色時間40 min、固色溫度60 ℃、固色劑用量7%。對于沾色牢度，固色溫度R 為0.33，固色時間R 為0.06，說明固色溫度影響最大，固色時間最小，故三因素對沾色牢度的影響順序?yàn)椋築>C>A。得出最優(yōu)的組合是A3B2C1，即固色時間40 min、固色溫度70 ℃、固色劑用量5%。對于變色牢度，固色溫度R 為1.05，固色劑用量R 為0.51，說明固色溫度影響最大，固色劑用量最小，故三因素對變色牢度的影響順序?yàn)椋築>A>C。得出最優(yōu)的組合是A3B2C3，即固色時間40 min、固色溫度70 ℃、固色劑用量7%。

表13 氯化亞錫媒染固色正交試驗(yàn)極差、優(yōu)方案計(jì)算和分析結(jié)果

表14、15、16 分別為氯化亞錫媒染固色工藝色差、耐皂洗沾色牢度和變色牢度方差分析表。

表14 氯化亞錫媒染固色工藝方差分析表（色差）

根據(jù)表14 可得出，固色溫度對色差的影響高度顯著，固色劑用量和固色時間對色差的影響顯著。由表15 可得出，固色時間和固色劑用量對沾色牢度的影響高度顯著，固色溫度對沾色牢度的影響顯著。由表16 可得出，固色溫度、固色時間和固色劑用量對變色牢度的影響顯著。

表15 氯化亞錫媒染固色工藝方差分析表（沾色牢度）

表16 氯化亞錫媒染固色工藝方差分析表（變色牢度）

2.3.2 最優(yōu)工藝選擇

由極差和方差分析表綜合分析可以得出：以氯化亞錫為媒染固色劑的最優(yōu)組合為A3B1C1，即固色時間40 min，固色溫度60 ℃，媒染固色劑氯化亞錫用量5%。

2.4 氯化鑭媒染固色工藝試驗(yàn)

2.4.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

表17 為鑭媒染固色工藝正交試驗(yàn)結(jié)果。表18 為氯化鑭媒染固色正交試驗(yàn)極差、優(yōu)方案計(jì)算和分析結(jié)果。由表18 可知，對于色差，固色溫度R 為2.10，固色時間R 為0.20，說明固色溫度影響最大，固色時間最小，故三因素對色差的影響順序?yàn)椋築>C>A。得出最優(yōu)組合是A1B1C2，即固色時間20 min、固色溫度60 ℃、固色劑用量6%。對于沾色牢度，固色劑用量R 為0.33，固色溫度R 為0.08，說明固色劑用量影響最大，固色溫度最小，故三因素對沾色牢度的影響順序?yàn)椋篊>A>B。得出最優(yōu)組合是A1B2C2，即固色時間20 min、固色溫度70 ℃、固色劑用量6%。對于變色牢度，固色時間R 為0.92，固色劑用量R 為0.56，說明固色時間影響最大，固色劑用量最小，故三因素對變色牢度的影響順序?yàn)椋篈>B>C。得出最優(yōu)組合是A3B1C3，即固色時間40 min、固色溫度60 ℃、固色劑用量7%。

表17 氯化鑭媒染固色工藝正交試驗(yàn)結(jié)果

表18 氯化鑭媒染固色正交試驗(yàn)極差、優(yōu)方案計(jì)算和分析結(jié)果

表19、20、21 分別為氯化鑭媒染固色工藝色差、耐皂沾色牢度和變色牢度方差分析表。

表19 氯化鑭媒染固色工藝方差分析表（色差）

由表19 得出，固色時間和固色溫度對色差的影響高度顯著，固色劑用量對色差的影響顯著。由表20得出，固色溫度對沾色牢度的影響高度顯著，固色時間和固色劑用量對沾色牢度的影響顯著。由表21 得出，固色時間和固色劑用量對變色牢度的影響高度顯著，固色溫度對變色牢度的影響顯著。

表20 氯化鑭媒染固色工藝方差分析表（沾色牢度）

表21 氯化鑭媒染固色工藝方差分析表（變色牢度）

2.4.2 最優(yōu)工藝選擇

由極差和方差分析表綜合分析可以得出：以氯化鑭為固色劑的最優(yōu)組合為A3B2C3，即固色時間40min，固色溫度70 ℃，媒染固色劑氯化鑭用量7%。

2.5 最優(yōu)工藝驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)上述分析得到檸檬酸、硫酸鋁鉀、氯化亞錫、氯化鑭4 種媒染固色劑的理論最優(yōu)工藝參數(shù)，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)并做性能測試和分析比較。

2.5.1 最優(yōu)工藝試樣表面形貌觀察（圖3）

圖3 最優(yōu)工藝媒染固色試樣纖維表面形貌觀察

顯微鏡下觀察4 種媒染固色劑最優(yōu)工藝試樣纖維的縱向條干表面形貌可知，羊毛表面都有姜黃染液顆粒的分布，同時可以明顯地看出媒染固色之后的試樣均有較深的呈色，在40 倍顯微鏡的觀察下，硫酸鋁鉀媒染固色試樣表面的染液顆粒分布較其余媒染固色試樣分布均勻，且固色效果最好，得色深度較為明顯，這與最優(yōu)工藝性能測試的結(jié)果一致。

2.5.2 最優(yōu)工藝試樣性能測試結(jié)果

對優(yōu)化的4 種媒染劑下的媒染固色工藝進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，測試染色試樣單纖維斷裂強(qiáng)力和色差，結(jié)果如表22 所示。

表22 最優(yōu)工藝試樣纖維斷裂強(qiáng)力和色差測試結(jié)果

根據(jù)表22 分析可得，從纖維斷裂強(qiáng)力來看，4 種媒染劑媒染固色后纖維斷裂強(qiáng)力均有所下降，其中下降最少的是硫酸鋁鉀媒染固色試樣；從色差值來看，最優(yōu)工藝試樣色差最大的是硫酸鋁鉀媒染固色試樣，達(dá)到了40 以上，而且如圖3 所示的硫酸鋁鉀媒染固色最優(yōu)工藝?yán)w維表面形貌觀察也證明了這一點(diǎn)。

綜上所述，可以分析得出4 種媒染劑中媒染固色效果最佳的媒染劑為硫酸鋁鉀，最優(yōu)媒染固色工藝為固色時間20 min，固色溫度60 ℃，固色劑用量6%，最優(yōu)媒染固色工藝曲線如圖4。

圖4 最優(yōu)媒染固色工藝曲線

3 結(jié)論

（1）檸檬酸媒染固色最優(yōu)工藝參數(shù)為：媒染固色溫度60 ℃、固色時間30 min，固色劑用量5%；

（2）硫酸鋁鉀媒染固色最優(yōu)工藝參數(shù)為：媒染固色溫度60 ℃、固色時間20 min，固色劑用量6%；

（3）氯化亞錫媒染固色最優(yōu)工藝參數(shù)為：媒染固色溫度60 ℃、固色時間40 min，固色劑用量5%；

（4）氯化鑭媒染固色最優(yōu)工藝參數(shù)為：媒染固色溫度70 ℃、固色時間40 min，固色劑用量7%；

（5）由最優(yōu)工藝驗(yàn)證試驗(yàn)可知，4 種媒染中媒染固色效果最好的是硫酸鋁鉀，最優(yōu)工藝試樣色差達(dá)到40 以上，纖維表面形貌觀察得色最深，纖維斷裂強(qiáng)力與未染色纖維原樣相比變化不大。

（6）由于文中選用的4 種媒染劑水溶液均為無色液體，因此對染色試樣的色光影響不大。其中硫酸鋁鉀媒染固色效果最好，表現(xiàn)為濃艷的亮黃色，其余3 種媒染固色試樣呈色效果相對淺一些，但也呈現(xiàn)出明亮的黃色。