天然黑枸杞色素在桑蚕丝染色工艺中的应用

宋金香,李美真,赵士毅,宿宇峰

(内蒙古工业大学 轻工与纺织学院,内蒙古 呼和浩特 010080)

黑枸杞主要分布在中国西北地区,其生长条件极其恶劣,是典型的荒漠植物,产量较少,被称为“软黄金”[1-2]。 黑枸杞具有降低人体胆固醇,增强人体免疫力、抗衰老等功效[3],其浆果为紫黑色的球形,其中花青素含量很高,相关研究较少[2]。 花青素是广泛存在于植物中的水溶性天然色素,属黄酮类化合物,可溶于水,颜色可以随着酸碱改变[4],其具有清除自由基的作用,对皮肤具有保健功能;开发黑枸杞色素可用于天然桑蚕丝的染色[5]。 赵航等[6]采用后酶染色的方法将黑枸杞色素应用于真丝织物的染色当中并取得较好的效果。 但是,天然黑枸杞色素染色还具有色牢度不足的缺点,本文试验通过探讨不同试验因素对染色结果的影响,并使用媒染剂固色、稀土媒染及纤维改性的方法来进一步提高黑枸杞色素的上染百分率和固色率。

1 试验部分

1.1 原料与仪器

桑蚕丝(苏州湖光山色丝绒发展有限公司)、黑枸杞(中宁县杞福源商贸有限公司)。 纤维素酶(南宁庞博生物工程有限公司),元明粉(湖南新澧化工有限公司)、明矾(无锡市亚太联合化工有限公司)、阳离子改性剂(东莞市太洋纺织用品有限公司)、重铬酸钾(深圳市博林达科技有限公司)、稀土氧化钕(山东豪顺化工有限公司)、80%醋酸(辽阳瑞鸿化工有限公司)。

HH·S11-4 型恒温电热水浴锅(上海博泰电子设备制造有限公司),测色配色仪CM-3600 A(柯尼卡美能达),电子天平DJ-200J(上海精密仪器仪表有限公司),Y(B)802 N 小型高温烘箱(温州际高检测仪器有限公司),pH 测试计JD、分光光度计7230G(上海精密科学仪器有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 色素提取

黑枸杞中含有大量紫色物质,紫色物质可溶于水,具有很强的浸染能力。 本文试验采用常规水提取法,将50 g 黑枸杞置于常温(15 ℃左右)水中静置1 h, 用滤布过滤杂质,滤液用于染色,设定此滤液的染料质量浓度为50 g/L。

1.2.2 染色工艺

染色配方:桑蚕丝5 g,染料用量5%(owf),元明粉40 g/L,明矾0.5 g,染色温度X ℃,染色时间t min,pH 值Z,浴比1 ∶10。

工艺流程:提取色素→制备染液→桑蚕丝染色→固色→皂洗(皂洗液质量浓度1 g/L)→烘干→性能测试。

1.3 上染百分率测试

用752 N 型分光光度仪测试染色前后剩余染液的吸光度值,通过下式计算上染百分率:

式中:A0为染色前染液吸光度;A1为染液后残留染液的吸光度。

1.4 K/S 值测试

在CM-3600A 测色配色仪上进行K/S 值测试,每个试样测量5 次,取平均值。 K/S 值的大小表示染色深度的大小,K/S 值越大,表示染色深度越深,反之则浅。

2 结果与讨论

2.1 染液pH 值对染色效果的影响

量取75 mL 染液,染液质量浓度50 g/L,再加入5 g 桑蚕丝,元明粉40 g/L,明矾0.5 g,搅拌均匀,使明矾和元明粉全部溶解。 之后将烧杯放置于60 ℃恒温水浴锅进行染色30 min,浴比1 ∶10。 通过醋酸调节pH 值,观察pH 值对K/S 值的影响,试验结果如图1 所示。

图1 pH 值对K/S 值的影响

由图1 可知,随着染液pH 值的升高,桑蚕丝染色的深度呈现出先增后减的趋势,当pH 值为5.0时,染色深度达到最大值,之后随着pH 值的上升,染色深度下降。 推测可能是因为染液酸性减弱,黑枸杞色素发生了部分水解。 可见,桑蚕丝染色的最适pH 值为5.0,此时桑蚕丝上染百分率最高,色泽明亮。

2.2 染色温度对染色效果的影响

应用上述试验结果:染液pH 值为5.0,固定其他染色工艺条件:染液75 mL,桑蚕丝5 g,元明粉40 g/L,明矾0.5 g,烧杯放置于恒温水浴锅进行染色30 min,浴比1 ∶10。 改变染色温度对桑蚕丝进行染色,染色温度对K/S 值的影响如图2 所示。

图2 染色温度对K/S 值的影响

由图2 可以看出,黑枸杞色素在高温条件下稳定性不好。 当温度低于70 ℃时,随着温度的上升,染色K/S 值呈上升趋势。 当温度高于70 ℃之后,染色K/S 值急剧下降,说明在高温条件下,黑枸杞色素可能产生了分解。 因此,桑蚕丝使用黑枸杞色素染色属于低温型染色,选择染色温度70 ℃为宜。

2.3 染色时间对染色效果的影响

固定其他染色工艺条件:染液75 mL,桑蚕丝5 g,元明粉40 g/L,明矾0. 5 g,染色温度70 ℃,染液pH 值为5. 0,浴比1 ∶10。 改变染色时间对桑蚕丝进行染色,染色时间对K/S 值的影响如图3 所示。

图3 染色时间对K/S 值的影响

由图3 可知,染色时间越长,染色K/S 值则越来越小,染色深度变浅。 推测是因为黑枸杞色素在染浴中随着染色时间的延长,发生水解现象,使得纤维K/S 值下降,但是染色时间过短又会影响色牢度。 故黑枸杞色素染桑蚕丝时选择染色时间60 min为宜。

综上所述,黑枸杞色素染桑蚕丝的最优工艺为:染液75 mL,桑蚕丝5 g,元明粉40 g/L,明矾0.5 g,染色温度70 ℃,时间60 min,染浴pH 值5.0,浴比1 ∶10。

2.4 正交试验分析

根据以上单因素试验结果,选取染色温度、染色时间、pH 值为3 个因素,以染色后的K/S 值为评价指标,进行3 因素3 水平的正交试验,优化黑枸杞染桑蚕丝的最优工艺条件,正交试验因素水平表如表1所示,正交试验结果如表2 所示。

表1 正交试验因素水平表

由表2 可以看出,影响K/S 值大小的主次因素为:染色时间＞染色温度＞pH 值,其最优整理工艺条件方案为A2B2C3,即染色温度为70 ℃,染色时间为60 min,染浴pH 值为4.5,浴比1 ∶10。

2.5 正交试验验证

由于正交试验结果与单因素试验结果有所差异,且正交试验结果得到的染色K/S 值较低,因此对其最优试验方案A2B2C3进行验证。 选用与正交试验相同的试剂材料,按照方案A2B2C3要求的工艺进行3 次平行试验,其结果为皂洗前的K/S 值分别为4.468、4.523、4.506。 可知,验证试验的结果与正交试验表中数据的最优结果没有很大差异,因此最优工艺条件为A2B2C3,即染色温度为70 ℃,时间为60 min,染浴pH 值为4.5,浴比1 ∶10。

表2 正交试验结果

2.6 提高上染百分率和色牢度的研究

2.6.1 媒染剂固色

本文试验采用后媒染染色法进行染色,即色素分子与媒染剂中的金属离子络合配位,从而将形成的络合物插入到纤维与色素的空隙间,产生色调变化并增强其色素分子的吸附牢度。

后媒染染色:桑蚕丝5 g,元明粉40 g/L 作为促染剂,明矾0.5 g,染色温度70 ℃,染色时间60 min,用醋酸调节染浴pH 值为4.5,浴比1 ∶10。 后媒染染色工艺曲线见图4。

图4 后媒染染色工艺曲线

使用媒染剂重铬酸钾将上染到桑蚕丝上的黑枸杞色素进行固色,桑蚕丝媒染剂处理皂洗前后K/S值如表4 所示。

表3 桑蚕丝媒染剂处理皂洗前后K/S 值

桑蚕丝媒染剂处理皂洗前后对比如图5、6所示。

图5 后媒染皂洗前试样颜色

图6 后媒染皂洗后试样颜色

通过表3 可以得出,桑蚕丝用媒染剂处理呈现先上升后下降的趋势,在媒染剂用量达到0.6 g 时出现峰值;而从图5 中也可以看出,染色试样的深度是先加深后变浅,皂洗后的固色情况也是0.6 g 时效果最好;故媒染剂重铭酸钾的最佳用量为0.6 g,相当于质量浓度8 g/L。

2.6.2 稀土媒染

使用稀土氧化钕[7-9]将上染到桑蚕丝上的黑枸杞色素进行固色,稀土媒染工艺及各项参数同2.6.1 节。

桑蚕丝稀土处理皂洗前后K/S 值见表4。 桑蚕丝稀土处理皂洗前后对比如图7、8 所示。

表4 桑蚕丝纤维稀土处理皂洗前后K/S 值

图7 稀土媒染皂洗前试样颜色

由表4 可以得出桑蚕丝经稀土媒染时,随着稀土用量的增加,K/S 值呈现下降趋势,皂洗后K/S值也呈现下降趋势;同样从图7、8 中可以看到,稀土用量越多,染色和固色的效果都在下降,当稀土用量为0.3 g 时,相当于质量浓度4 g/L,染色效果最佳。

2.6.3 阳离子改性处理

天然染料和纤维之间缺乏亲和力,可以使用阳离子助剂对纤维进行改性,增加纤维表面的正电荷,使纤维吸附更多的天然染料,以获得更好的染色效果。 将未处理的桑蚕丝用阳离子改性剂GM-01在50 ℃下处理20 min 后取出,浴比1 ∶10,此基础上进行后续染色,染色工艺同1.2.2 节。

将纤维用阳离子改性剂改性后再进行染色[10],桑蚕丝阳离子改性处理皂洗前后K/S 值如表5所示。

图8 稀土媒染皂洗后试样颜色

表5 桑蚕丝阳离子改性处理皂洗前后K/S 值

桑蚕丝阳离子改性处理皂洗前后对比如图9、10 所示。

图9 阳离子改性桑蚕丝染色皂洗前试样颜色

从表5 的数据和图9、10 改性前后试样对比可知,阳离子改性剂的质量浓度为2 ～3 g/L 时,固色效果不明显,阳离子改性剂的质量浓度为5 g/L 时,固色效果比4 g/L 时要差,所以对桑蚕丝进行阳离子改性时,改性剂最佳质量浓度为4 g/L。

图10 阳离子改性桑蚕丝染色皂洗后试样颜色

对比上述3 种提高上染百分率和色牢度的方法可以看出稀土媒染的效果最好。

3 结 论

将从天然黑枸杞中提取出的色素应用于桑蚕丝的染色工艺中,通过对试验结果的分析,得到以下结论:

①黑枸杞色素在酸性条件下上染百分率明显大于在碱性条件下的上染百分率。 酸性条件下上染效果好,碱性条件下上染百分率极差。

②在保证桑蚕丝染色均匀,有良好的上染百分率的情况下,通过对pH 值、染色温度以及染色时间这3 方面进行单因素试验和正交试验,得到黑枸杞色素上染桑蚕丝的最佳工艺为:染液pH值4. 5,染色温度70 ℃,染色时间60 min,浴比1 ∶10。

③桑蚕丝用量为5 g 时,用媒染剂处理时媒染剂的最佳用量为0.6 g。 用稀土处理时稀土的最佳用量为0.3 g。 桑蚕丝用阳离子改性剂GM-01,改性时改性剂的最佳质量浓度为4 g/L。