天然染料对纯棉织物的染色性能研究

2018-09-12王坤，李媚

纺织科学与工程学报 2018年3期

王坤，李媚

(1.湖南工程学院纺织服装学院，湖南湘潭 411100；2.东华大学纺织学院，上海 201620)

目前，我国在天然染料对织物进行染色方面成绩突出，开发的植物染料从植物中提取色素运用民间工艺[1]，注入新的科技，采用现代化先进的生产设备及质量监控仪器和手段，确保产品质量稳定可靠，达到了植物染料的产业化。在国外，如日本、印度、韩国、美国以及意大利等国在天然染料对织物进行染色这方面都做的比较出色[2]。进入21世纪，在全球呼唤生态、绿色、环保的大潮下，天然染料凭借其无毒、无害、抗菌性强、与环境友好、绿色、生物降解性良好等特性[1-4]，再度被世人所光注。而天然染料对纯棉织物进行染色的纺织品既满足了环保、生态的生产要求,又符合健康、功能化的服装需求。天然染料可以给人带来健康和环保，促使其越来越受到重视。随着人们生态环保意识的增强，经由天然染料染色的纯棉织物必定会越来越受到消费者的青睐[5]。

选择废弃物野生菱角壳和野生莲子壳，通过从中提取色素对纯棉织物进行染色而实现变废为宝的理念。菱角壳即菱角的外壳，是一种深黑色的固体，形状比较不规则，是一种一年生的水生植物。菱角主要是生长在那些湖网相对较多的地域。在古代药学里面被认为是一种对身体健康有好处的药材。菱角的果肉、根茎、叶子以及在菱角还没有成熟时生长在外面的那一层绿色的果皮，等到菱角成熟之后慢慢的就会变成深褐色。在日常生活中人们一般都是在吃完里面的果肉之后就会随手把外面的那一层硬硬的外皮扔掉，其实这是一种浪费，菱角壳的价值没有被利用出来。在南方的一些主要生长菱角的地方，在取完菱角里面的果肉之后就把菱角作为一种废弃物，任其被微生物分解或者用火焚毁，这种做法不但没有尽最大的可能利用到菱角壳，反而在一定程度上会造成环境的污染，所以这种方法是极其不环保的。我们应该对菱角壳进行最大程度的利用[6]。莲子壳莲子的外壳，未成熟之前为青色，成熟之后变为红棕色，莲子壳外形为椭圆形，质地很硬，种皮很薄，并且不容易被剥离。子叶共有两片，是黄白，叶子比较厚，质地较柔软，中间会有空隙，含有绿色的莲子心，无臭，味道稍稍甘苦，具有轻微苦涩的口感。莲子生在规则的莲蓬里面，因为其外壳比较坚硬，所以在古代人们习惯叫做石莲子。莲子是莲的副产品之一。莲子是我国的特产之一。在我国南部就有非常著名的子莲产区，如湖南湘潭、浙江武义，以及福建建阳。这三地出产的莲子不仅在国内享有盛誉，更是远销国外，广受人们的喜爱。

纯天然染料最大的优点在于其环保性以及可持续性[7]。本次课题是在单因素分析的基础上设置不同的染色温度、媒染剂、媒染方法等变量进行实验，实验完成后对经由天然染料染色的纯棉织物进行测试。根据实验结果进行分析并探讨这两种天然染材的最佳染色工艺条件[8]。

1 实验部分

1.1 实验原料

坯布：市售纯棉坯布，参数如表1所示。

天然染材：市售野生菱角壳，野生莲子壳。

实验药品如表2所示。

表1 坯布参数

表2 实验药品

平平加O：化学名为烷基聚氧乙烯醚，外观为白色软片状，易溶于水，pH：6～7，HLB值：14.7；本品在硬水、酸液和碱液中均不起变化能保持稳定，是一种优良的匀染剂；对各种纤维无结合能力，应用后易洗去[9]。在印染中，做匀染剂、扩散剂，有比较明显的效果，使最终上染时色牢度较为稳定，色彩效果均匀。漂白液：专用于对纯棉织物进行漂白的漂白液，主要成分为次氯酸钠以及表面活性剂，且是较温和的漂白液，对染坯的损伤较小。生豆浆：在超市购买适量黄豆，用豆浆机制作生豆浆。

1.2 实验仪器与设备

表3 实验仪器与设备

注：其它仪器有烧杯、玻璃棒、量筒、剪刀、温度计、容量瓶、测定变色用灰卡、评定沾色用灰卡

2 实验结果与讨论

2.1 温度对染色效果的影响因素

图1 温度对天然染料染色效果的影响

(注：k/s值：是对染料染色性能评价的重要指标之一即染色度。Kubelka-Munk染色深度方程在被测物体的吸收系数K和散射系数S与固体试样中有色物质浓度C之间建立了一定的函数关系[10]，通过计算得到的K/S值越大,固体试样表面颜色越深,即有色物质浓度越高,代表染料染色性能越好。)

由图1可知，可以看到随着温度的降低，由菱角壳色素染色的织物的表观颜色深度K/S是在逐渐降低。考虑到得色深度的因素，在其它因素不变的条件下，天然染料菱角壳对纯棉织物的染色温度控制在80℃～100℃较好。而随着温度的升高，经由莲子壳色素染色的织物的表观深度K/S都是在上升。在其它因素不变的条件下，天然染料莲子壳对纯棉织物的染色温度控制在40℃～60℃较好。这是因为在该温度下对纯棉织物的活性较好。

2.2 媒染剂对染色效果的影响

图2 媒染剂对天然染料染色效果的影响

由图2可知，其它条件都不变只有媒染剂不同时，硫酸亚铁做媒染剂时的织物表观深度K/S值最大，所以考虑到织物的得色深度的因素，在其它因素不变的条件下，使用硫酸亚铁做媒染剂时天然染料对纯棉织物的染色效果最好。其次是硫酸铜做媒染剂时效果较好。由图2可知，使用媒染剂比没使用媒染剂对纯棉织物的上染效果较好。这是因为媒染时金属离子可作为中心离子,与织物及染料分子中的配位基团形成配合,使得染料能更好地上染纤维并固着于纤维。

2.3 媒染方法对媒染剂的媒染效果影响

由图3、图4、图5可知，其它条件都不变只有染色方法改变，使用后媒染的方法对媒染剂进行染色时测得的K/S值最大，说明使用后媒染时织物的得色深度最深，上染效果最好；说明用铁离子做媒染剂时，用后媒染的方法，铁离子与染料中的配位基团结合的最好。对于菱角壳而言，前媒染效果较好，最差是同浴媒染，可能是同浴媒染时菱角染料与金属离子结合的较差，从而影响了织物的染色深度。而对于莲子壳而言前媒染的上染效果最差。

图3 媒染方法对铁离子的染色效果的影响

图4 媒染方法对铝离子的染色效果的影响

2.4 温度对媒染剂的染色效果影响

图6 温度对铁离子的染色效果的影响

由图6可知，其它条件都不变只有染色温度改变，对于菱角壳色素，在80℃～100℃的温度下染色时，测得的K/S值最大，织物的表观深度最深，说明织物的上染效果最好，该温度下染料与铁离子的配位结合的最好；在60℃～80℃的染色温度时织物的表观深度K/S值最小，说明在该温度下染料与铁离子的配位结合最差。而对于莲子壳色素织物，在60℃～80℃的染色温度时织物的表观深度K/S值最大，这是因为莲子壳在该温度下对织物的染色效果最好；40℃～60℃的温度下染色时织物的K/S的值最小，可能是因为温度太低导致染料与铁离子结合不好，从而上染率较差。

由图7可知，其它条件都不变只有染色温度改变，对菱角壳色素在80℃～100℃染色时织物的K/S值最大，织物的得色深度最深，上染率最好；该温度下铝离子与染料的结合效果最好。在莲子壳色素对纯棉织物的染色中，在60℃～80℃的温度下染色效果最好，是因为莲子壳色素在这个温度下的活性最好。而两种染料在40℃～60℃的温度下K/S值都较小，原因可能是温度太低，染料与铝离子结合不好。

图7 温度对铝离子的染色效果的影响

图8 温度对铜离子的染色效果的影响

由图8可知，其它条件都不变只有染色温度改变，对菱角壳色素，60℃～80℃的温度染色时，织物的表观深度K/S值最大，织物染色效果最好，因为铜离子在该温度下与菱角壳配位结合的最好；对于莲子壳，在80℃～100℃的染色温度时织物的表观深度K/S值是比较好，温度高有助于莲子壳染液与铜离子的结合。而在40℃-60℃的温度染色时，两种织物的染色效果都不理想，是因为温度较低时染料的活性也较差。

2.5 干湿摩擦色牢度

选择每种染料、每种变量下上染率最好的每组织物进行测试。

由表4～表5可以看出，经菱角壳染料染色后的纯棉织物干摩擦色牢度是3级，湿摩擦色牢度是2～3级。经莲子壳染料染色后的纯棉织物干摩擦色牢度是3～4级，湿摩擦色牢度是2～3级。总体来说这两种天然染料对织物染色的摩擦色牢度不是太差。

表4 菱角壳染料

表5 莲子壳染料

2.6 耐水洗色牢度的分析

表6 菱角壳染料

表7 莲子壳染料

如表6～表7所示，菱角壳、莲子壳染色后的织物的耐水洗色牢度分别为2～3级、2级。这两种天然染料对织物染色的耐水洗色牢度不是很好，可能是因为这两种天然染料本身就是水溶性的色素，对于染色后织物在遇水时色素可能会溶解在水中而造成织物的掉色[11]。另一方面，水洗时使用的洗衣粉具有表面活性剂、助洗剂以及酶等化合物，这在一定程度上会造成色素流失，甚至分解，从而降低了色素与织物的结合作用。所以在染色之后应注意对织物进行及时的固色。

2.7 扫描电镜的分析

图9 棉原样

图10 铁媒染

图11 铝媒染

图12 铜媒染

由图9～图12可知，棉织物表面相对比较光滑，图中所见的小裂痕可能是在对织物进行前处理过程中使用了纯碱溶液；纯碱溶液由于是弱酸盐，在与水接触时就会发生反应从而使得溶液变成碱性[12]。因此，纯碱溶液具有一定的腐蚀性，以及在漂白过程中，漂白液本身是有腐蚀性的。在经过三种金属离子媒染后，与没有经过媒染的棉织物相比较，织物的表面变得非常粗糙且有大的裂痕。因为酸性媒染液对纤维素大分子中甙键的水解有催化作用，且不同程度地腐蚀了棉纤维的表面结构。所以织物表面变得非常粗糙；又由于染色时的高温，使得织物表面出现裂痕。