桑树皮色素对棉织物的染色工艺

2020-08-19周衡书徐国强曾晓琳刘婧婕刘晋夫

印染助剂 2020年7期

谢燕，周衡书，，徐国强，曾晓琳，刘婧婕，刘晋夫

（1.湖南工程学院纺织服装学院，湖南湘潭 411104；2.湖南省新型纤维面料及加工工程技术研究中心，湖南益阳 413100；3.中国针织工业协会，北京 101149）

植物染料作为天然染料的一种，来源广泛、生态友好［1］，多用于棉麻、羊毛和蚕丝类纺织品的染色，在开发功能性、安全性纺织面料中具有广泛的应用前景。高粱红［2］、桑叶［3］、桑椹［4-5］等都是目前应用较多的天然植物染料，但存在上染率低、色谱种类少和色牢度差等缺陷，因此需要寻找新型、适用的植物染料源。桑树浑身是宝，业内已对桑叶和桑椹上染羊毛和蚕丝作了一些探索，但利用桑树皮色素进行染色的研究还不多。桑树皮是桑树幼嫩枝条或茎秆剥取而得的内皮，其主要活性成分为黄酮类化合物，包括桑素、桑色烯、环桑素、环桑色烯和桑酮等，是一种很好的天然植物染料源［6-9］。但大多数天然染料的染色性能不好，需借助媒染剂来提高上染率。传统的媒染剂多是铜、铁、铝、铬等金属盐，会对环境产生一定的污染。近年来对稀土-柠檬酸媒染剂的研究较多，但会影响棉纤维的强力，其环保性还需更多的实验来证实［10-12］。本研究采用正交实验法分析了染色方法、pH、染色温度、染色时间对上染率的影响，提出了可行的染色工艺。

1 实验

1.1 材料和仪器

材料：纯棉平纹漂白布（20 cm×6 cm，平均质量为1.55 g），桑树皮（户外摘取），氢氧化钠、氯化钠、柠檬酸、无水硫酸铜、明矾、醋酸（分析纯）。仪器：JJ-1 型电热恒温水浴锅，TU-1901 双光束紫外可见分光光度计，Y571B 型摩擦色牢度试验仪，SW-12A+型耐洗色牢度试验机，101-3A 数显电热鼓风烘箱。

1.2 桑树皮色素的提取

植物染料色素易溶于水，因此采用水提取法进行提取。以NaOH 溶液为提取剂，料液比设定为1∶25。称取桑树皮粉末40 g，于蒸馏水中浸泡2 h，使树皮表面充分膨胀，再投入1 000 mL 15 g/L的NaOH溶液中，加热至90 ℃，保温45 min，使色素充分溶解于水中，静置冷却后过滤，混合两次滤液作为染液。

1.3 染色

将经过前处理的棉织物在热水中润湿后进行染色，染色工艺曲线如下：

采用直接染色法时不添加媒染剂，直接将润湿的织物放入染液进行染色。采用同浴媒染法时，配制50 g/L 硫酸铜溶液、明矾溶液或柠檬酸溶液作为媒染剂。用醋酸溶液调节染液pH，每组染色实验初期均加入10 g/L 氯化钠溶液作为促染剂，浴比为1∶50。

1.4 测试

上染率：采用残液法测定。取1 mL 染色原液/残液稀释至100 mL，定容，使用紫外可见分光光度计测试最大吸收波长处的吸光度，计算上染率=(1-A1/A0)×100%。式中，A0、A1分别为染色原液、残液的吸光度。以蒸馏水作为空白对照，多次测量取平均值。

色牢度：耐摩擦色牢度参照GB/T 3920—2008《纺织品色牢度试验耐摩擦色牢度》用摩擦色牢度试验仪进行测试；耐皂洗色牢度参照GB/T 3921—2008《纺织品色牢度试验耐皂洗色牢度》用耐洗色牢度试验机进行测试。

2 结果与讨论

2.1 上染率

由表1 可知，4 种染色方法的上染率从大到小依次为硫酸铜媒染、柠檬酸媒染、明矾媒染、直接染色，媒染效果均比直接染色好。这是因为植物染料对纤维素纤维的直接性低，不易上染，而媒染剂中的金属离子能与色素分子中的配位基团形成络合物，使染料分子和纤维结合在一起，提高上染率。硫酸铜媒染效果比柠檬酸媒染好，原因是金属离子、染料分子与织物纤维之间形成的配位键键能大于酸、染料、纤维之间形成的范德华力与氢键。硫酸铜和柠檬酸的媒染效果略优于明矾媒染，可能与其他实验条件协同影响有关。

表1 桑树皮色素染色残液吸光度和上染率

2.2 织物的颜色特征

染色织物整体色光呈浅黄色调，明度与饱和度较低，染色较均匀，无染斑。加入媒染剂后，织物由浅黄色向浅粉色转变，硫酸铜媒染织物呈现轻微的绿色。因为媒染剂可提高织物的色牢度，还可使染色织物呈现不同的色相，硫酸铜溶于水后显蓝色，桑树皮色素提取液显黄色，黄光和蓝光叠加后的光波频率与绿光接近，从而使织物显绿色。

2.3 正交实验

由表2 可知，对上染率的影响从大到小依次为染色方法、pH、染色时间、染色温度。A因素中，硫酸铜媒染是最优的染色方法，其次为柠檬酸媒染。B因素中，上染率在pH 为7～8 时普遍较高，说明植物染液在中性条件下更有利于色素分子上染纤维。C因素中，上染率随温度升高呈先上升后下降再小幅度上升的趋势。这是由于天然色素普遍在低温时性质较稳定，能得到较高的上染率，但在高温下色素分子结构被破坏，上染率下降，同时温度升高会加速体系中分子的布朗运动，色素分子动能增大，与纤维的反应加快，从而上染率又小幅度提升。为保证色素分子的完整性与染色质量，染色温度取70 ℃较适宜。D因素中，随着染色时间的延长，上染率先下降而后快速升高，但影响较小，不再进行额外验证，取60 min 既能节约能源，又能达到较高的上染率。桑树皮色素对棉织物染色的优化方案为A3B2C2D4，即50 g/L 硫酸铜媒染，pH 7～8，时间60 min，温度70 ℃，浴比1∶50。

表2 桑树皮色素对棉织物染色正交实验表

为研究各因素影响的重要程度，对实验结果进行方差分析，结果见表3。由表3 可以看出，因素C的均方比误差均方小，对实验指标无显著影响，因而归入误差。进行因素显著性检验时发现，FA=33.53 大于F0.01(3,6)=9.78，FB=31.14 大于F0.01(3,6)=9.78，所以因素A、B水平改变对实验指标有高度显著影响，F0.05(3,6)=4.76 小于FD=5.55 小于F0.01(3,6)=9.78，所以因素D水平改变对实验指标有显著影响，但影响程度不大。由平均偏差平方和可知，各因素的主次顺序为A、B、D、C，这一结果与直观分析一致。

表3 方差分析表

2.4 染色牢度

染色织物的色牢度见表4。

表4 染色织物的色牢度

由表4 可知，桑树皮色素对棉织物染色的耐摩擦色牢度较好，可达4 级及以上。由于桑树皮染液中色素分子较大，难以直接进入棉织物内部而得色较浅，经过洗涤后布面颜色为淡黄色，摩擦后也不会有严重的掉色情况。从耐皂洗色牢度看，沾色级别较高，均达到4 级，布面沾色不明显，这是因为织物染色后经过皂洗过程，浮色已基本去除，不易沾色。而变色级别仅为2～3 级，这是因为水洗过程中棉纤维在水分子的作用下发生溶胀，且织物上与水中具有染料浓度差，由于动态平衡，原本吸附在织物上但固着不牢固的染料会解析出来回到水中，并重新吸附到织物上，导致水洗变色，可尝试在染色过程中加入固色剂来提高变色牢度。