稀土对姜黄天然色素上染丝绸的影响

2014-07-17黎谦

山东纺织科技 2014年2期

黎谦

（武汉纺织大学，湖北武汉430073）

天然色素是从植物、动物或矿物资源中获得的，很少或没有经过化学加工的染料［1］。天然色素应用较为广泛，通常用于食品、医药、化妆品及其它精细化工产品上，近年来在纺织印染上的研究逐渐增多，与之相关的文献屡见不鲜。天然色素染色性能差，多数对纺织纤维没有亲和力或直接性，需和媒染剂一起使用才能固着在纤维上，并且存在不耐光，不耐洗及牢度差等不足。天然色素中的大部分是天然有机染料或颜料，其化学结构分别属靛类、蒽醌、萘醌、二氢吡喃、类胡萝卜素、黄酮、花色素及多元酚类等［2－3］。按此类结构有所针对的应用天然着色剂对各类纤维进行染色的研究已有较多报道，就改善染色效果而言，如何选用媒染剂及媒染工艺的调整、开发新型染色助剂或染色工艺改进等成为研究热点。天然色素采用的媒染剂多为含Fe2＋、Cr3＋、Cu2＋等含重金属离子的盐类，尽管这些方法能一定程度的提高染样的 K／S值、染色的耐光性及其它染色牢度［4－7］，但采用重金属媒染剂用于媒染，同样会产生污水，并会使染色后纺织品上含有重金属物质。本文选用无污染、用量低的富镧氯化稀土作为媒染剂，研究姜黄天然色素对丝绸的染色工艺，分析稀土的媒染原理及染色效果。

1 实验

1.1 材料及药品

织物：脱胶和漂白真丝织物。

药剂：姜黄素、氢氧化钠、硫酸钠、亚硫酸铁、碳酸铈、乙醇（均为分析纯）、富镧氯化稀土、硫酸铝（化学纯）等。

仪器：DCISF－600 电脑测配色仪，PHSJ－4A实验室pH计，TU－1901紫外可见分光光度计，AY120电子天平，AS－24常温小样染色机，LFY－304摩擦牢度仪。

1.2 姜黄色素最大吸收波长的测定

用紫外可见分光光度计扫描姜黄色素水溶液在380～780nm波长范围内的吸光度，测得最大吸收波长λmax＝430nm。

1.3 姜黄色素直接染色条件的确定

实验用丝绸1.5g／块，姜黄天然色素1%（o.w.f.），浴比50∶1，通过测定上染百分率和K／S值，确定最佳染色条件。包括：pH值、染色温度、染色时间、电解质用量。

1.4 媒染剂及媒染染色工艺的确定

实验用丝绸1.5g／块，姜黄天然色素1%（o.w.f.），浴比50∶1，染色条件为以上实验步骤所确定的最佳pH值、温度、染色时间、电解质用量。分别以硫酸铝、硫酸亚铁、富镧氯化稀土、碳酸铈为媒染剂，采用预媒染色、同浴媒染、后媒染色三种工艺进行染色，测定上染百分率和K／S值，确定最佳媒染剂和媒染工艺。使用媒染剂硫酸亚铁时温度低于60℃。

1.4.1 预媒法染色

将润湿的织物放入含媒染剂的溶液中于60℃处理20min后取出，再投入含天然植物染液的染浴中按最佳直接染色工艺条件进行染色处理，并测试上染百分率和K／S值。

1.4.2 同浴法染色

将润湿的织物放入含媒染剂和天然植物染液的染浴中按最佳直接染色工艺条件进行染色处理，并测试上染百分率和K／S值。

1.4.3 后媒法染色

将润湿的织物放入含天然植物染液的染浴中按最佳直接染色工艺条件进行染色处理，然后加入媒染剂再染色20min，并测试上染百分率和K／S值。

1.5 测试

上染百分率的测试：采用 GB／T 2391－2003规定的方法进行。

表观深度K／S值：将待测织物折叠6～8层，用D65光源，10°视场在DCISF－600型电脑测配色仪上测定织物不同位置的色度值，取平均值。

耐摩擦色牢度：根据 GB／T3920－2008《纺织品色牢度试验耐摩擦色牢度》测定。

耐洗色牢度：根据 GB／T3921－2008《纺织品色牢度试验耐皂洗色牢度》中A（1）法测定。

2 结果与讨论

2.1 姜黄色素染色条件的确定

2.1.1 pH值对染色效果的影响

在不同pH下进行姜黄色素直接染色，实验结果如表1所示。丝绸通常在酸性或中性条件下染色，而姜黄素不易在中性和碱性条件下染色，适宜在酸性条件下染色。由表1可以看出，随着姜黄染液pH值的增大，上染百分率和丝绸染样的K／S值先增加后下降，在pH为4左右其上染百分率和丝绸染样的K／S值均较高。因此，姜黄素染液染色应控制在pH为4为宜。

2.1.2 温度对染色效果的影响

不同温度下用姜黄色素直接染色，实验结果如表2所示。由表2可以看出，随着姜黄素染液温度提高，上染百分率和丝绸染样的K／S值先增加后减少，说明温度提高可以促进姜黄素的上染，但有一个最大值，超过这个值不增反降，因此可认为染液上染温度控制在70℃较好。

表1 pH值对染色效果的影响

表2 温度对染色效果的影响

2.1.3 染色时间对染色效果的影响

不同的染色时间对染色效果的影响如表3所示。由表3可以看出，随染色时间增长上染百分率及丝绸染样的K／S值均有提高，但时间超过60 min时提高幅度不大。因此上染时间控制在60 min为宜。

表3 染色时间对染色效果的影响

2.1.4 电解质浓度对染色效果的影响

改变电解质用量染色，实验结果如表4所示。电解质可促进姜黄素的上染，且染色效果比较稳定。从实验得到的上染百分率、K／S值和样布情况可以看出，增加染液电解质用量对提高上染率效果不明显，当用量超过2g／L时变化不大，电解质用量控制在2g／L较为合适。

表4 电解质浓度对染色效果的影响

通过对姜黄素在直接染色工艺中不同条件下对丝绸的染色效果的实验，可确定姜黄素上染丝绸的基本工艺条件：染浴pH为4，温度70℃，染色时间60min，电解质2g／L。

在直接染色工艺中虽然将各个工艺条件调到最佳，但上染效果并不理想，上染率偏低。

2.2 媒染工艺的确定

采用上述实验所得工艺条件，选择四种金属媒染剂分别采用预媒、同媒及后媒染色工艺进行实验，测定实验结果。

2.2.1 预媒染色

在不同媒染剂用量下，用预媒染色工艺进行实验，测定上染百分率和K／S值，实验结果如图1所示。

图1 预媒染色工艺媒染剂浓度对上染率及K／S值的影响pH＝4，T＝70℃，t＝60min，C（Na2SO4）＝2g／L

四种金属媒染剂均可提高姜黄色素的上染率和K／S值，其中硫酸铝和碳酸铈用量为2.0g／L时，染色效果最佳，其浓度超过2.0g／L后，这两个指标反倒出现一定程度的下降。而硫酸亚铁和富镧氯化稀土随着用量的增加，上染率逐渐提高，但当用量大于3g／L时，上染率提高效果不明显。

2.2.2 同媒染色

在不同媒染剂用量下，用同媒染色工艺进行实验，测定上染百分率和K／S值，结果如图2所示。

四种金属媒染剂均可提高姜黄色素的上染率和K／S值，其中硫酸铝、硫酸亚铁、富镧氯化稀土都有最大的峰值，分别为1g／L，2g／L和3g／L。使用碳酸铈作媒染剂时，随着碳酸铈用量的提高，上染率明显提高。但当碳酸铈用量大于3g／L后，染色效果并无显著提高。

2.2.3 后媒染色

染浴pH为4，温度70℃，染色时间60min，电解质2g／L。在不同媒染剂用量下，用后媒染色工艺进行实验，测定上染百分率和K／S值，结果如图3所示。

图2 同媒染色工艺媒染剂浓度对上染率及K／S值的影响pH＝4，T＝70℃，t＝60min，C（Na2SO4）＝2g／L

图3 后媒染色工艺媒染剂浓度对上染率及K／S值的影响pH＝4，T＝70℃，t＝60min，c（Na2SO4）＝2g／L

四种金属媒染剂均可提高姜黄素色素的上染率和K／S值，其中硫酸铝、硫酸亚铁、碳酸铈在浓度大于1g／L后染色效果并无显著提高。富镧氯化稀土在2g／L时出现最大峰值。

从上面的实验结果可以发现在预媒染色、同媒染色、后媒染色中，以后媒染色工艺的上染百分率和染后试样表观深度最高，后媒染色中又以富镧氯化稀土媒染剂的上染百分率和染后试样表观深度最高。这可能是因为在后媒染色中吸附到纤维上的染料分子能与金属离子形成络合物固着在纤维上而导致［5－7］。

由此确定最佳媒染工艺为用富镧氯化稀土作媒染剂进行后媒染色，在此条件下可获得最佳染色效果。

2.3 染色牢度

测试姜黄色素直接染色及富镧氯化稀土后媒染色试样的染色牢度，结果如表5，可以发现，通过以上工艺进行丝绸染色已基本能达到生产应用要求，富镧氯化稀土作为媒染剂对丝绸染色的起到了相当好的效果。这可能是由于稀土离子的电子结构为（n－1）d1nS2，可以失去3个以上的电子，原子半径比其他过渡元素大。在其周围可容纳较多的配位体，配位数多为6，具有形成络合物的强烈倾向。这样稀土金属离子在色素与丝绸蛋白化学结合时能起到中间连接物的作用。染色过程即为染料—稀土—织物三者形成稳定络合物的过程，稀土离子作为中心离子与作为配位体的带负电的染料阴离子络合，从而保证了上染的效果和牢度。此外，稀土除具有较强的络合配位作用外，还具有类电解质作用，与硫酸钠的促染存在加和性。再者稀土离子与植物染料所形成的多元络合体系之间的相互合作，使络合物共轭体系两端含孤对电子基团离解而产生络合体系之间的电子能级重排，导致染料与稀土离子的络合物产生超灵敏跃迁作用，从而改变了染料的特征吸收光谱，使植物染料在染色体系中能够抗击溶液pH波动而产生的色光变化，保持其染色织物色光的相对稳定［5－8］。