天然彩棉后整理加工中颜色稳定性的影响因素

2021-01-05曾玉晖张亭亭王克作陈益人

纺织学报 2020年8期

曾玉晖，张亭亭，王克作，何力，陈益人,3

(1. 武汉纺织大学纺织科学与工程学院，湖北武汉 430200； 2. 湖北省纤维检验局，湖北武汉 430061；3. 武汉纺织大学湖北省纺织新材料与先进加工技术省部共建国家重点实验室培育基地，湖北武汉 430200)

天然彩棉的颜色是在棉花吐絮时利用现代生物工程技术培育得到的[1]，虽然已有很多颜色被成功培育出来，但目前能够大规模种植的天然彩棉只有棕棉和绿棉[2]。尽管天然彩棉的研究和开发仍处于初级阶段，并不能完全替代染色棉纺织品，但天然彩棉在加工过程中不需要经过印染工序，加工流程缩短，环境污染减少，与当今世界低碳环保的发展主题契合，具有巨大的发展潜力[3-4]。

通过对天然彩棉的培育研究，彩棉纤维性能得到很大改善，纤维的品质和可纺性都有很大提高。但天然彩棉的颜色存在不稳定性，这成为扩大其应用领域亟待解决的问题。天然彩棉培植生长过程中受到光照、气候、土壤等因素的影响，不同地区、不同季节种植的天然彩棉其颜色深浅会产生一定差异[5]。天然彩棉的后期加工中颜色也会受到退浆、丝光及后整理工艺的影响，尤其是后整理过程的高温、助剂中的金属离子、酸碱处理等因素都会使其颜色发生一定程度变化，使染整加工工艺难以控制[6]，因此，研究天然彩棉的颜色变化规律对其开发利用具有十分重要的意义。

为此，科研人员进行了较多的研究：赵酒泉[7]用生物酶代替碱煮对天然彩棉进行前处理加工以改善其颜色在前处理中的变化；Demir等[8]用氩气和空气等离子体处理天然彩棉织物，研究了处理前后织物的亲水性、导热性、耐热性和色牢度等发现，等离子体处理对天然彩棉织物的色牢度和热性能无明显影响；Tsaliki等[9]探讨了湿加工整理对天然棕棉色牢度的影响发现，酶整理对天然棕棉颜色的影响较小；程田田等[10]探讨了碱缩工艺对天然绿棉织物颜色稳定性的影响；顾艳[11]研究了酸、碱、日晒、温度、整理剂等对天然彩棉色素变化的影响，并用金属盐对天然彩棉进行固色或变色整理；Zhou等[12]研究了洗涤温度对天然棕棉颜色的影响发现，洗涤温度越高，天然棕棉颜色变化越大；Park等[13]分别用化学助剂(Na2CO3或NaOH)和生物助剂(生物酶或沸水)对天然彩棉进行煮练，研究了几种不同煮练方法对天然彩棉颜色的影响。为进一步分析各因素对天然彩棉色素变化的影响机制，本文研究了不同温度、不同pH值、石油醚预处理以及不同金属离子对天然彩棉颜色的影响。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

材料：天然彩棉(棕棉平均长度为28 mm，绿棉平均长度为26 mm，新疆维吾尔自治区纤维质量监测中心)；石油醚、脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)渗透剂、NaOH、醋酸、氯化钙、硫酸铜、氯化铁、氯化亚铁、氯化钠(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)。

仪器：TSG001Color i5型电脑测色配色仪(D65光源，泰仕特仪器(中国)有限公司)；DHG-9123A型台式鼓风干燥箱(上海康路仪器设备有限公司)；CT-6022 型pH(笔式)酸度计(深圳市宝莱发检测仪器有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 不同pH值溶液处理天然彩棉

室温条件下，分别配制pH值为2、3、5、9、11、13的水溶液。将梳理好的天然绿棉和棕棉纤维分别放入一定pH值的溶液中，每个烧杯中均滴入2滴JFC渗透剂，室温避光处理2 h，然后取出纤维，置于避光处自然阴干，待用。

1.2.2 不同温度及石油醚预处理天然彩棉

为研究石油醚回流浸提在天然彩棉色素提取时对其颜色稳定性的影响，分别取经沸点为60～90 ℃的石油醚处理和未处理的天然棕棉、绿棉纤维，放入温度为60、80、100、120、150、180 ℃的烘箱内处理 2 h，取出待用。

1.2.3 不同金属离子溶液处理天然彩棉

室温条件下，在6个250 mL的烧杯中分别加入100 mL的去离子水；再分别向6个烧杯中加入1 g的硫酸铜、硫酸亚铁、氯化铁、氯化钠、氯化钙、氯化铝，配置含有Fe2+、Fe3+、Cu2+、Ca2+、Al3+、Na+的溶液；最后将梳理好的天然棕棉和绿棉纤维分别放入配置好的溶液中，滴入2滴JFC渗透剂后避光静置处理2 h，取出避光阴干，待用。

1.3 天然彩棉的颜色变化测试

取1张空白的硬纸片对折，在中间剪出直径为5 cm的对称孔，将待测的天然彩棉纤维梳理平整，放入对称孔中，纸的两端用别针固定。

参照GB/T 8424.1—2001《纺织品色牢度试验表面颜色的测定通则》，采用电脑测色配色仪测定不同pH值、不同温度、石油醚预处理以及不同金属离子溶液处理后天然彩棉的三刺激值X、Y、Z，根据CIE色差公式转换成L*(明度)、a*(红绿色光)、b*(黄蓝色光)值，利用CIE色差公式对处理前后的色差(ΔE)值进行计算。同时利用电脑测色配色仪测定处理前后的K/S值[14-16]。

2 结果与分析

2.1 不同pH值溶液处理天然彩棉颜色变化

经不同pH值溶液在室温下处理2 h后，天然绿棉和棕棉纤维的L*、a*、b*值以及K/S值变化如图1所示。由图1(a)可知：天然棕棉和绿棉纤维的L*值随着pH值的增大呈减小趋势；当pH值小于7时，随着pH值的减小，天然彩棉的颜色逐渐变浅；当pH值大于7时，随着pH值的增大，天然彩棉的颜色逐渐变深，说明酸碱性越强，对天然彩棉纤维颜色的影响越大；pH值在5～9之间时，L*值变化并不明显；当pH值达到10时，L*值的变化较大，说明当天然彩棉产品接触呈强碱性物质时，其L*值会有较大的变化。

天然彩棉纤维色素属于多酚类或黄酮类天然色素，—OH、—CO、—O和—OCH3等为天然色素中的常见极性基团，其在H+、OH-的诱导作用下易发生亲核和亲电重排反应，使吸收光谱的选择性向长波方向移动，产生颜色变化。在强酸处理过程中，H+引起的化学反应将使天然彩棉色素分子结构中的—OH 明显减少，使其吸收光谱的选择性向短波方向移动，色彩变浅；在强碱处理中，OH-取代H+与母核以共价键的方式结合，增加了天然彩棉分子结构中—OH的数量，使其色彩变深[17]。

图1 不同pH值下天然彩棉的L*、a*、b*值以及K/S值Fig.1 L*(a), a*(b), b*(c) and K/S(d) values of natural colored cotton at different pH values

由图1(b)、(c)可知：天然棕棉和绿棉纤维的a*、b*值均随着pH值的增大而逐渐减小；在pH值小于7时，随着pH值的减小，天然彩棉纤维颜色的红黄色调逐渐增强；当pH值大于7时，随着pH值的增大，天然彩棉纤维颜色的绿蓝色调逐渐增强，表明当天然彩棉接触到强酸和强碱物质时，其颜色的色光会发生明显变化；当溶液的pH值达到9时，a*、b*值减弱的趋势较大，与L*值的变化趋势相似。

由图1(d)可知：天然棕棉和绿棉纤维的K/S值随着pH值的增大逐渐变大，说明随着pH值的增大，2种天然彩棉纤维颜色的深度都在增大；随着溶液碱性的增强，天然彩棉纤维颜色变化的程度也在变大。

由不同pH值溶液处理后天然彩棉纤维的L*、a*、b*值以及K/S值的变化结果可知，当天然彩棉接触到呈强碱性的物质时，其颜色会发生较明显的变化，因为强碱可能会破坏色素细胞的结构，但在一定条件下这种变化是可逆的[13]。日常生活中洗涤或者加工彩棉产品时，应该选择中性或者弱酸碱性的物质，避免彩棉产品的颜色发生明显变化，影响其美观性。

2.2 不同温度及石油醚预处理彩棉颜色变化

石油醚预处理前后天然彩棉纤维在不同温度下ΔE值的变化如图2所示。可知：随着温度的逐渐升高，未经石油醚预处理的天然绿棉和棕棉纤维的颜色变化均逐渐增大；当温度小于80 ℃时，天然绿棉和棕棉纤维颜色发生了变化，但并不十分明显；当温度高于80 ℃时，纤维颜色变化逐渐明显；当温度达到150、180 ℃时，天然绿棉和棕棉纤维的颜色基本上都为黄褐色，与最初的颜色相差很大。在100 ℃ 以下，天然彩棉的颜色变化主要是色素结构发生变化造成的；在150和180 ℃条件下处理时，天然彩棉中的附生物可能产生结构变化，导致天然彩棉颜色发生更大的变化[18]。在天然彩棉类纺织品的生产加工以及日常使用过程中应该尽量避免温度高于80 ℃，防止过高温度导致产品色差。

图2 不同温度下石油醚预处理前后天然彩棉纤维的ΔE值变化Fig.2 Change of ΔE value of natural colored cotton fiber before and after petroleum ether pretreatment at different temperature

由图2还可以看出，随着温度的逐渐升高，经石油醚预处理的天然彩棉纤维颜色色差变化是逐渐增大的，但其色差变化的程度明显小于未经石油醚预处理的。其原因可能是石油醚预处理可去除部分不利于颜色稳定的化学成分，去除或改性天然彩棉中影响色泽稳定的物质[19]。用石油醚对天然彩棉进行预处理，一定程度上缓解了温度对于天然彩棉颜色的影响，提高了彩棉产品的颜色稳定性。

2.3 金属离子处理后天然彩棉的颜色变化

不同金属离子溶液处理对天然绿棉和棕棉纤维颜色的影响如表1所示。可知，室温下天然绿棉纤维经含有Fe2+、Fe3+、Cu2+、Ca2+、Al3+、Na+等金属离子溶液处理2 h后，L*、a*、b*值都有所减小。其中Ca2+对红绿指数a*的影响较大，Al3+对红绿色光基本上没有影响，但天然绿棉纤维整体上经金属离子处理后的色光更趋向于绿色光。Cu2+、Ca2+、Na+对于天然绿棉纤维颜色的黄蓝指数b*的影响比较大，Fe3+对其产生影响较小，说明天然绿棉纤维经金属离子处理后黄色光减小。几种金属离子对天然绿棉纤维颜色深度指数L*值的影响都比较大，其中以Ca2+对绿棉纤维颜色深度的影响最大，说明经过金属离子处理，天然绿棉纤维的颜色普遍加深。对于色差变化值ΔE而言，经金属离子处理后ΔE增加，天然绿棉纤维色差变大，其中Fe2+、Fe3+对绿棉纤维颜色的影响最大，Na+、Cu2+的影响相对较小。

天然棕棉纤维在常温下经金属离子溶液处理2 h 后，L*、a*、b*值整体的变化趋势和天然绿棉纤维相似，颜色普遍加深，绿色光增加，黄色光减少，色差变大。Ca2+对天然棕棉纤维红绿指数a*的影响较大，Na+对红绿色光影响较小。Fe3+、Cu2+、Ca2+对天然棕棉纤维黄蓝指数b*的影响比较大，Na+对其影响较小。几种金属离子对天然棕棉纤维的颜色L*、ΔE值的影响趋势与天然绿棉纤维基本相似，天然棕棉纤维色差的变化稍大于天然绿棉纤维，因此，在天然彩棉加工过程中应该避免接触含有Fe2+、Fe3+、Cu2+、Ca2+、Al3+的物质。金属离子引起天然彩棉纤维颜色变化的原因可能是由于金属离子可与色素中某些基团发生反应，使色素结构产生相应的变化，但其作用机制比较复杂，还有待于进一步研究。综上分析可知，Fe3+对天然彩棉纤维颜色的影响最大，Na+的影响最小。