废弃咖啡渣提取液对丝织物防紫外线性能的研究

2021-02-10金佳瑞

惠州学院学报 2021年6期

金佳瑞

（惠州学院旭日广东服装学院，广东惠州 516007）

咖啡，是用经过烘焙磨粉的咖啡豆制作出来的饮料，作为世界三大饮料之一，与可可、茶同为流行于世界的主要饮品．萃取后的咖啡渣残留物约占咖啡豆干重的2/3左右［1］．目前，全世界的废弃咖啡渣产量约为980万t/a，咖啡渣主要由半纤维素、木质素和纤维素物质组成，同时含有一定量的金属离子和酸性物质，若不经过处理而直接掩埋会造成土壤酸化污染．因此，有效地处理废弃咖啡渣并实现资源再利用成为当前研究的重点．早在2011年Solange［2］研究团队采用稀酸溶液溶解咖啡渣中的半纤维素糖，并成功将其用于生产化工合成原料乙醇．也有Hunter［3］的研究团队采用固-液萃取法对咖啡渣中的多酚物质进行提取，并将其用做食品和化妆品的添加剂．将废弃咖啡渣进行堆肥处理再制成蘑菇种植基，可以种植与培育各类菌菇实现废弃咖啡渣的回收再利用［4］．咖啡、洋葱皮与茶叶渣作为三大可染生物质，含有丰富的天然染料．天然染料是一类无毒、无害，且具有优良的生物可降解性和环境相容性，使用天然染料对织物上染颜色不仅可以染出独特优雅的色彩，同时还赋予织物抗菌与防紫外线等多种功能，非常适宜用于婴幼儿服饰染色．目前，有少量报道已经成功地将废咖啡渣中提取的染料用于棉、麻和毛等织物的染色上．

真丝织物具有清凉的触感、光泽优美、吸湿透气性良好等优点，适宜制作夏季服饰［5］．本研究从商业废弃咖啡渣中进行天然染料的提取，分别研究不同溶剂对咖啡渣天然染液提取的效果；对天然染料的提取工艺进行了优化，选择提取效果最优的提取液，对真丝织物进行染色，并考察媒染剂及其媒染方式对织物染色效果的影响，并对染色后织物的色牢度和防紫外线性能进行了测试分析．

1 实验部分

1.1 实验材料及仪器

材料：市售20姆米桑蚕丝双绉织物、氢氧化钠、乙酸、乙醇、碳酸钠、十二水硫酸铝钾（明矾）、硫酸亚铁（绿矾）、硫酸铜（蓝矾）（上述化学试剂均购于国药试剂）．

仪器：pH计（梅特勒-托利多），织物防紫外线测试仪（温州大荣），耐洗色牢度测试仪（温州大荣），紫外-可见分光光度计（Shimadzu UV-2600），NH 310色差仪（三恩时）．

1.2 试验方法

1.2.1 咖啡渣天然染料的提取

称取干燥废弃咖啡渣10 g，去离子水400 mL，选择5种不同的溶剂（去离子水、5 g/L乙酸、5 g/L NaOH、5 g/L Na2CO3、10%乙醇），采用超声波萃取法：超声功率300 W，温度80℃、时间90 min，待溶液冷却到室温之后，用滤纸将溶液过滤得到染液，静置30 min后使用.

1.2.2 染液直接染色工艺

在对蚕丝织物染色之前，先将丝织物冷水浸泡、皂洗去除污渍，随后用清水冲洗干净备用．染色时，采用1：50浴比、染色温度50～90℃、染色时间60～120 min、溶液pH值为4.0～8.0、采用控制变量法，研究各参数变化对于上染颜色及效果的影响．

1.2.3 前媒染色工艺

分别对选取的3种媒染剂，配制质量分数为5 g/L的媒染剂溶液，在上述染色工艺之前，先将洗净润湿的真丝织物放入媒染剂溶液中，控制温度为65℃，保温处理60 min后，随后再进行后续的染色工艺处理．

1.3 实验测试方法

1.3.1 紫外—可见吸收光谱的测定

对提取的染液的紫外可见吸收光谱的测定是通过在紫外—可见分光光度计上进行测量，测试条件为：蒸馏水稀释染液100倍后使用，波长范围200～600 nm．

1.3.2 颜色特征值的确定

每个样品的颜色特征值：L*、a*、b*值和表面反射率R，并且针对得到的测量结果应用Kubelka-Munk方程计算K/S值，其中Kubelka-Munk方程如公式（1）所示：

其中：K为待测织物的吸收系数；S为待测织物的散射系数；R为最大波长处的反射率［6-7］．K/S的比值越大，表明颜色越深；K/S值越小，L*值表面颜色越浅．a*表示亮度，b*表示颜色偏红（+a*偏红，-a*偏绿）；b*表示偏黄或偏蓝（+b*偏黄，-b*偏蓝）．实验中对每个样品进行至少10次测量后取平均值．

1.3.3 织物防紫外线性能测试

织物防紫外线性能测试的流程参照GB/T 18830-2009《纺织品防紫外线性能的评定》．对每个样品进行三次测试获得平均UPF值、UVA及UVB的透过率．

1.3.4 染色织物色牢度性能测试

染色织物的色牢度测试流程及标准参考GB/T 3921-2008《纺织品色牢度试验耐皂洗色牢度》A（1）的测试方法．同时参考GB/T 3920-2008《纺织品色牢度试验耐摩擦色牢度》的方法，测定耐摩擦色牢度．

2 结果与讨论

2.1 不同溶剂提取染液效果的分析

采用极性不同的几种溶剂分别对废弃咖啡渣中的天然染料进行提取，采用超声波萃取后，几种染料提取液的紫外—可见吸收光谱结果如图1．从图1可以看到采用去离子水提取的咖啡染液在紫外光吸收波段内有两个较强的吸收峰分别位于282 nm和326 nm附近．这可能由于咖啡染液中的发色团主要是酚羟基（-OH）和酮羰基（C=O）［8］所致．5 g/L的乙酸作为溶剂提取的染液在紫外吸收波段发生明显的吸收强度的提高，而5 g/L的NaOH和5 g/L的Na2CO3作为溶剂提取的染液会在275～320 nm（UVB波段）以及320～400 nm（UVA波段）波段产生强吸收，说明用5 g/L Na2CO3提取的染液浓度最大，并且对紫外线具有强吸收作用，经过染色的织物可能具有防紫外线的功能．此外，5 g/L的NaOH和5 g/L的Na2CO3作为溶剂提取的染液会有效溶解咖啡渣中的黄酮类显色物质，提取液呈现明显深棕色．

图1 不同溶剂提取染料的紫外-可见分光光谱

2.2 咖啡渣提取液对蚕丝织物的染色工艺优化

为了研究不同的染色工艺对于蚕丝织物染色效果及防紫外线性能的影响，进行了温度、时间、染液pH酸碱度三个变量进行试验．

2.2.1 染色温度对织物染色效果的影响

废弃咖啡渣提取液染色直接染色的工艺如1.2.2所述，染液浴比1：50，染液pH=7.0，染色时间60 min，探究不同染色温度下，染液对于蚕丝织物染色效果及防紫外线效果的影响，结果如表1．

表1 染色温度对蚕丝织物染色效果的影响

由表1可看到，在染色温度90℃时，蚕丝的颜色最深（K/S值最大）．实验中观察到：随着染色温度的升高，咖啡染液中会有部分黑色杂质析出并与蚕丝中的蛋白质结合形成固体附着物附着在织物表面，造成染疵［9-10］．同时过高的染色温度会对蚕丝织物中的蛋白质产生破坏作用，使得织物光泽感下降，呈现灰伤疵病，最佳的染色温度应在70℃．

2.2.2 染色时间对织物染色效果的影响

在最佳染色温度70℃，染液质量分数5%，染液pH=7.0的染色条件下探究不同的染色时间对于蚕丝织物染色效果的影响，结果如表2所示．

表2 染色时间对蚕丝织物染色效果的影响

由表2可以看到，随着染色时间的延长，织物的K/S值不断增大，60 min之后上升趋于平缓．最新的研究结果表明：类黑精是咖啡中有效的染色分子，其在水溶液中带负电荷，并同带正电的蛋白质纤维通过范德华力结合在一起［11］．染色初始阶段，染料分子与纤维的作用主要是吸附，随着时间的延长，染料分子的吸附与解吸作用达到动态平衡．此外，当染色时间延长至120 min，织物呈现出较为明显的染色不匀，明度下降，同时对织物也造成了一定程度的损坏，对实际的生产不利，最佳的染色时间应控制在60 min左右．

2.2.3 不同pH对织物染色效果的影响

从2.1的分析结论可知，当5%的乙酸溶液、5%Na2CO3、5%NaOH溶液提取染液时，染液的吸光度值明显提高，染液浓度较高．我们分别用乙酸和NaOH调节溶液的pH酸碱度为4.0～8.0，并在最佳染色时间60 min，染色温度70℃，染液质量分数5%的条件下，测试溶液pH酸碱度对于染色效果的影响．实验结果如表3所示．

表3 p H对蚕丝织物染色效果的影响

从表3可知，随着染液pH的增大，织物的K/S值先增大后又减小，在溶液pH=5.5时，织物的颜色最深．由于丝织物的等电点约为3.5～5.2，当溶液pH低于等电点时，蚕丝纤维带正电荷会与染料分子以离子键结合，当溶液pH高于等电点时，蚕丝纤维带负电荷与染料分子间产生排斥作用，导致染料难于上染．此外，蚕丝纤维中的蛋白质分子也会在碱性溶液中发生肽键断裂，损伤织物［12］．因此，在蚕丝等电点附近，溶液的pH选择为5.5．