蚕丝织物的栀子蓝色素染色

2021-01-05宋慧君翟亚丽钞意元朱超宇

纺织学报 2020年6期

宋慧君，翟亚丽，钞意元，朱超宇

(1. 河南工程学院材料与化学工程学院，河南郑州 450007； 2. 河南工程学院纺织学院，河南郑州 450007)

随着生活水平的提高，人们对环境及健康的关注度日益提高[1]，天然色素因具有环境相容性好、易生物降解及多功能性等优点而备受青睐[2-3]。蚕丝织物触感好，吸水性、透气性好，穿着舒适，是春夏季服装内衣的首选面料。将天然染料用于蚕丝织物染色，二者相得益彰。近年来，天然色素在蚕丝织物染色方面的研究以红、黄、棕等暖色调为主，而冷色调蓝色的研究较少。

栀子蓝色素是由制备栀子黄色素残液中的色素前体(栀子苷)经β-葡萄糖苷酶水解成栀子苷元，再与氨基酸结合而成蓝色色素[4]，呈深蓝色粉末，易溶于水[5]，且具有抗菌性。制备桅子蓝色素的主要原料桅子苷还具有保肝利胆的作用[6]。已有研究表明：栀子蓝色素耐酸、碱性及耐热稳定性较好，耐光性较差[5,7-8]，对金属离子Fe3+、Al3+(三价金属离子)的稳定性较差，对Na+、K+、Ca2+、Zn2+、Mg2+、Ba2+、Cu2+、Fe2+(一价和二价金属离子)的稳定性较好[9]。染色方面研究了栀子蓝色素对羊毛的染色热力学和染色动力学[10-12]，但采用的染色条件不同，染色热力学研究结果相差较大，染色动力学研究表明符合准二级动力学。栀子蓝色素对羊毛的染色工艺结果表明，栀子蓝色素用于羊毛染色可得到鲜艳的蓝色，对羊绒的染色效果优于羊毛[13-14]。而栀子蓝色素对蚕丝织物的染色研究较少，陈秀芳等[15]研究了微波加热时间、pH值、媒染剂明矾用量对栀子蓝色素上染蚕丝织物的影响，但微波染色技术在实际生产中的应用还不成熟。羊毛和蚕丝虽然都是蛋白质纤维，但组成羊毛和蚕丝的各种氨基酸含量不同，而且羊毛和蚕丝的结构不同，因此，羊毛与蚕丝的性能也有所不同。目前缺少栀子蓝色素对蚕丝织物染色的系统研究。本文通过探讨染色工艺条件对栀子蓝色素上染蚕丝织物上染百分率的影响，优化了栀子蓝色素上染蚕丝织物的工艺条件，分析栀子蓝色素上染蚕丝织物的染色动力学和染色热力学，为栀子蓝色素应用于蚕丝织物染色提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

栀子蓝色素(河南中大恒源生物科技有限公司，粉末状)；蚕丝织物(素绉缎，练白绸，面密度为81.8 g/m2, 市售)；冰醋酸、碳酸氢钠，均为分析纯。

振荡水浴锅(上海一派印染公司)，pH计(上海仪电股份有限公司)，TU-1901型分光光度计(北京普析公司)，CE-7000 A型高精度测色仪(沈阳彩普科技有限公司)，SW-12A型耐洗色牢度试验机、Y571N型摩擦色牢度仪(温州方圆仪器有限公司)，YG611L型日晒气候色牢度仪(莱州市电子仪器有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 染色工艺

染色前用温水将织物充分润湿，然后用手挤干水分待用。

工艺处方：栀子蓝色素3% (o.w.f)，浴比为1∶50。

工艺流程：40 ℃入染→2 ℃/min升至所需温度→保温染色→水洗→中性皂洗→水洗→晾干[16]。

1.2.2 上染百分率的测试

使用分光光度计分别测量染色原液和染色残液的吸光度，按下式[12]计算上染百分率：

(1)

式中：E为上染百分率，%；A1、A0分别为染色残液以及染色原液的吸光度。

1.2.3 染色动力学

染料用量为3% (o.w.f)，浴比为1∶50，pH值为3，保温染色温度为60 ℃，使用分光光度计测试不同染色时间染色原液和染色残液的吸光度，按照式(1)计算不同时间的上染百分率，以染色时间为横坐标，上染百分率为纵坐标，作上染速率曲线。为探索蚕丝对栀子蓝色素的吸附机制，分别用准一级吸附动力学模型和准二级吸附动力学模型进行拟合。

准一级吸附动力学方程为：

ln(qe-qt)=lnqe-k1t

(2)

准二级吸附动力学方程为：

(3)

式中：qt为t时刻蚕丝织物对栀子蓝色素的吸附量，mg/g；qe为吸附平衡时的吸附量，mg/g；k1为准一级动力学吸附速率常数，min-1；k2为准二级动力学吸附速率常数，g/(mg·min)。

1.2.4 染色热力学

浴比1∶50，染料用量分别为1%、2%、3%、4%、5%、6%、7% (o.w.f)，于60 ℃、pH值为3的条件下染色至吸附平衡，测试染色原液和染色残液的吸光度，计算上染百分率。

染色平衡时染料在染液中的浓度[D]s及在纤维上的浓度[D]f分别按下式计算：

[D]s=m×(1-Eq)×20

(4)

[D]f=m×Eq×1 000

(5)

式中：Eq为平衡上染百分率，%；m为加入染液中的总染料量，g。以染色平衡时染料在染液中的浓度[D]s为横坐标，在纤维上的浓度[D]f为纵坐标作吸附等温线。为研究栀子蓝色素对蚕丝的吸附类型，分别用朗缪尔型吸附等温线和弗莱因德利胥型吸附等温线进行拟合。

朗缪尔型吸附等温线方程为：

(6)

弗莱因德利胥型吸附等温线方程为：

lg[D]f=lgK+nlg[D]s

(7)

式中：[S]f为纤维的染色饱和值，g/kg；下角标中s表示溶液，f表示纤维；K、n为常数；0

1.2.5K/S值的测试

将织物折叠至不透明为止，用CE-7000 A高精度测色仪在D65光源下测试织物的K/S值。

1.2.6 染色牢度测试

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》进行测试。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》进行测试。日晒牢度参照GB/T 8427—2008《纺织品色牢度试验耐人造光色牢度：氙弧》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 染色工艺对上染百分率的影响

2.1.1 pH值的影响

栀子蓝色素3% (o.w.f)，浴比为1∶50，40 ℃入染，2 ℃/min升温至60 ℃，保温染色40 min。pH值对上染百分率的影响见图1。

图1 pH值对上染百分率的影响Fig.1 Effect of pH on dye uptake

由图1可知，pH值为3时，染料的上染百分率最高，随着pH值的升高，上染百分率下降。pH值小于3时，酸性太强，蚕丝纤维会受到损伤，导致强力下降，光泽变差，柔顺性变差。故栀子蓝色素上染蚕丝织物以pH 值3为佳。

2.1.2 温度的影响

栀子蓝色素3% (o.w.f)，浴比为1∶50，pH值为3，40 ℃入染，2 ℃/min升温至所需温度，保温染色40 min，染色温度对上染百分率的影响见图2。

图2 染色温度对上染百分率的影响Fig.2 Effect of dyeing temperature on dye uptake

由图2可知，随着温度升高，上染百分率增大，70 ℃ 后，升高温度，上染百分率呈现下降趋势。这是因为随染色温度的升高，染料分子的运动加剧，纤维大分子的膨化增强，有利于染料扩散进入纤维内部，使上染百分率提高[16]，继续升温，上染百分率下降，说明栀子蓝色素上染蚕丝织物是放热反应。染色温度60 ℃与70 ℃相比，上染百分率没有明显变化，从节约能源的角度出发，染色温度以60 ℃为佳。

2.2 栀子蓝色素对蚕丝的染色动力学

2.2.1 上染速率曲线

染料用量3% (o.w.f)，浴比为1∶50，pH值为3，保温染色温度为60 ℃。栀子蓝色素对蚕丝织物的上染速率曲线见图3。

图3 栀子蓝色素对蚕丝的上染速率曲线Fig.3 Dyeing rate curve of gardenia blue on silk fabric

由图3可知，在初始阶段，上染百分率提高很快，随时间延长，上染百分率上升平缓，50 min后，上染百分率不再随时间而变化，达到吸附平衡。这是由于染色初期，染液中染料浓度大，且栀子蓝色素主要吸附于蚕丝纤维的表面，吸附速率较大；随着时间的延长，染液中染料浓度变小，纤维表面染料浓度逐渐增大，导致吸附逐渐变慢，上染百分率上升平缓；染色 50 min 后，纤维达到吸附饱和，吸附与解吸达到平衡。因此，栀子蓝色素上染蚕丝的染色时间以 50 min 为佳。

2.2.2 染色动力学模型

为探索蚕丝对栀子蓝色素的吸附机制，根据式(2)、 (3)对图3的数据进行动力学方程拟合[12]，结果如图4、5所示。

图4 栀子蓝色素对蚕丝的准一级吸附动力学模型Fig.4 Quasi-first-order adsorption kinetic model of gardenia blue of silk fabric

图4拟合的相关系数R2为0.924，R2越接近1，拟合度越高，可见准一级吸附动力学方程的拟合度不高，说明准一级吸附动力学模型不能准确描述蚕丝纤维对栀子蓝色素的吸附。计算得到的参数为：k1=0.146 min-1，qe=40.919 mg/g，拟合计算得到的qe与实验结果得到的qe=23.052 mg/g相差较大。

图5拟合的相关系数R2为0.999，R2很接近1，拟合度很高，说明蚕丝对栀子蓝色素的吸附符合准二级吸附动力学模型，为化学吸附。计算得到：k2=0.016 3 g/(mg·min)，qe=23.501 mg/g，拟合计算得到的qe与实验结果得到的qe=23.052 mg/g接近。