响应面法优化枸杞红色素对棉织物的染色工艺

2020-09-01郭潇涵王雪雪张富阳王雪梅

染整技术 2020年6期

郭潇涵，王雪雪，张富阳，王雪梅

（1.兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州 730050；2.兰州三毛实业有限公司，甘肃兰州 730300）

枸杞有多种生物活性物质，主要为甜菜碱、枸杞色素和枸杞多糖等[1-2]。枸杞色素是枸杞浆果中各种呈色物质的总称，主要成分是类胡萝卜素及类胡萝卜素酯组成[3]。枸杞色素性质比较稳定，安全可靠，不会使人体产生不良反应，并且颜色自然，具有药理价值，是一种环保型天然色素。将其应用到纺织材料的染色过程中，能明显改善大部分纺织染料对环境污染大的问题。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料：枸杞（采摘自张掖地区的野生红枸杞），无水乙醇（CH3CH2OH，分析纯），盐酸（HCl，分析纯），氯化钠（NaCl，化学纯）；经漂白处理的纯棉织物。

仪器：WG700CTL 型格兰仕微波炉（佛山市顺德区格兰仕微波炉电器有限公司），DZF-6050真空干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司），NS800 分光测色仪（深圳市三恩时科技有限公司），YG(B)026H 型电子织物强力机（温州大荣纺织仪器有限公司），恒温水浴锅，高速中药粉碎机，TP电子天平，pH计。

1.2 色素提取工艺

将野生红枸杞洗净晾干，放入冰箱冷冻48 h 后，放入高速中药粉碎机中粉碎到60 目。枸杞红色素提取的文献较多，提取工艺较为成熟，根据实验室现有条件参照相关文献进行枸杞红色素的提取：微波法辅助提取，采用0.1 mol/L HCl 与体积分数95%乙醇的混合溶液（体积比为2∶3）作为提取剂，微波功率420 W、提取时间30 s、料液比1∶10 进行浸提[4]。采用微波法辅助提取3次，合并提取液，经减压蒸馏得到浓缩液，再经真空干燥得到枸杞红色素粉末。。

1.3 染色工艺单因素实验

用枸杞红色素粉末配制染液，称取一定量的纯棉漂白织物，采用浸染法，按照实验设计的染色工艺上染，染毕，降温水洗，自然晾干。选取染色时间、染色pH、染色温度及促染剂NaCl 用量4 个因素，以未染色纯棉漂白织物为标样测试染色织物的色差（ΔE），色差越大，表示得色越深，以色差为测试指标进行单因素实验，实验安排表见表1。

1.4 染色工艺响应面法优化实验

依据单因素实验结果，选取A 染色时间，B 染色pH，C 染色温度，D 促染剂用量为实验因素，以未染色纯棉漂白织物为标样，以染色织物的ΔE 为测试指标Y，采用Design-Expert软件，利用中心组合实验设计原理设计4因素3水平响应面法优化实验方案，见表2。

表2 响应面法优化实验因素水平表

2 结果与讨论

2.1 染色工艺单因素实验

由图1可知，随着染色时间的延长，染色织物的色差总体呈上升趋势，当染色时间为120 min时，色差达到最大值，继续延长染色时间，色差反而有所降低，故选取染色时间100、120 和140 min 为响应面法优化实验染色时间的3 个水平；随着染色pH 的增加，染色织物的色差先升高后下降，在染色pH 为8.0 时，色差达到最大值，由此选取7.5、8.0 和8.5 为响应面法优化实验染色pH 的3 个水平；随着染色温度的升高，染色织物的色差先升高后下降，在染色温度为90 ℃时达到最大值，因此选取85、90和95 ℃为响应面法优化实验染色温度的3个水平；随着促染剂用量的增加，染色织物的色差变化不大，在促染剂用量为10 g/L 时达到最大值，因此选取9、10和11 g/L为响应面法优化实验促染剂用量的3个水平。

图1 染色工艺单因素实验结果

2.2 染色工艺响应面法优化实验

2.2.1 染色工艺响应面优化实验及测试结果

按照Expert-Design 设计得到的28 组工艺条件进行染色工艺实验，并测试每组试样的色差，结果见表3。

表3 响应面法Box-Behnken实验及测试结果

利用Design-Expert 7.1.6Trial 软件，根据表3 进行二次多元回归拟合，得到经枸杞红色素上染的纯棉织物的色差Y与编码自变量A、B和C的二次多项回归方程为：Y=22.11-0.16A-0.094B+0.55C+0.32D+0.12AB-0.74AC- 0.043AD- 0.37BC- 0.78BD- 0.82CD- 1.64A2-2.29B2-0.99C2-1.07D2

由表4 可知，模型具有极度显著（P 小于0.000 1）和失拟项不显著（P=0.752 7，大于0.05），可知回归方程拟合度和可信度均很高，能够很好地对染色织物色差进行预测。模型的一次项C（P=0.009 5，小于0.01）对棉布色差的线性效应极显著，A（P=0.405 9）、B（P=0.612 6）和D（P=0.099 5）不显著；交互项AC（P=0.033 5，小于0.05）、BD（P=0.027 1，小于0.05）和CD（P=0.021 2，小于0.05）显著，其他交互项不显著。二次项A2（P小于0.000 1）和B2（P 小于0.000 1）极度显著，C2（P=0.009 5，小于0.01）和D2（P=0.009 5，小于0.01）极显著。以上表明各影响因素对染色织物色差的影响不是简单的线性关系，各因素对染色织物色差的影响程度从大到小依次为：染色温度、促染剂用量、染色时间、染色pH。

表4 染色工艺回归模型各项方差分析表

2.2.2 染色工艺响应面法分析

为了考察交互项对染色织物色差的影响，在其他因素条件固定不变的情况下，对模型进行降维分析。经Design-Expert 7.1.6Trial 软件分析所得响应面法见图2。

图2 两因素交互作用的响应面

等高线的形状可反映出交互效应的强弱，椭圆形表示两因素交互作用显著，而圆形则与之相反[5]。比较图2 各交互作用曲面可知，各因素间的相互作用都比较小。染色pH 和促染剂用量之间、染色温度和促染剂用量之间、染色时间和染色温度之间的交互作用相对显著。染色温度的一次相系数较大，有着较大的F 值和很小的P 值，染色温度是染色织物色差的限制因素，较小的波动会引起染色织物色差较大的变化。

2.3 染色工艺响应面法优化结果

为进一步确定最佳点，在模型范围内选择出发点，按照模型使用快速上升法进行优化，由表5可得优化的染色工艺为：染色时间117.58 min，染色pH=7.97，染色温度91.56 ℃，促染剂用量10.05 g/L，预测此条件下染色织物的色差为22.215 8。

表5 染色工艺响应面法Design-Expert软件优化结果

结合实验室条件及操作方便，对4 个优化的工艺参数进行修正，得到优化的染色工艺参数为：染色时间120 min、染色pH=8.0、染色温度90 ℃、促染剂用量10 g/L。进行3 次平行实验，测得染色试样色差为21.97，与理论预测值22.215 8 接近，说明该模型较真实地拟合了实际情况，具有实用价值。

2.4 最优染色工艺验证实验

2.4.1 染色性能

用NS800 分光测色仪测得最优工艺染色织物的色差为21.97，达到了20 以上，说明枸杞红色素在纤维素纤维制品上得色量较浅，适合染中浅色系；按GB/T 3921—2008《纺织品色牢度试验耐皂洗色牢度》测得最优工艺染色织物的沾色牢度为3.41，变色牢度4.31，耐洗色牢度指标均达到3级以上，满足正常穿着需要。

2.4.2 强力性能

织物强力性能按照GB/T 3923.1—1997《纺织品织物拉伸性能第1 部分：断裂强力和断裂伸长率的测定条样法》测定，在YG(B)026H 型电子织物强力机上测试。测得未染色织物原样和最优工艺染色织物试样的强力性能指标为：未染色织物的断裂强力、断裂伸长率分别为377.9 N、7.29%；染色织物的断裂强力、断裂伸长率分别为346.03 N、8.91%。与未染色织物原样相比，经最优工艺染色织物的断裂强力略有降低，但幅度甚微；而断裂伸长率反而有所增加。由此可知，用优化的染色工艺参数对此纯棉漂白织物进行染色并未对织物的强力性能造成负面影响。