洗涤参数对衣物混洗褪沾色的影响研究

赵旭　肖雨嫣　蒋黎　杨青波　孙昌　刘建立

摘要： 为探明洗涤参数影响深浅色衣物混洗串色的规律，本文采用活性红3BS和纯棉织物制备深色褪色试样和浅色沾色试样，并分析洗涤参数对深色试样褪色和浅色试样沾色的整体影响。将洗涤前后的深色试样色差值（ΔE）和浅色试样得色量变化（ΔK/S值）通过加权平均法構建为褪沾色指数。结果表明，褪沾色指数影响因素的显著性依次为洗涤时间、褪沾色试样投放比例、主洗阶段用水量和洗涤温度。通过中心组合试验构建了洗涤参数与褪沾色指数的数学模型，该模型可预测不同洗涤条件下的褪沾色指数，为混洗程序的进一步研究提供参考。

关键词： 混合洗涤;棉织物;褪色;沾色;洗涤参数;褪沾色指数

中图分类号： TS192.1;TS190.9文献标志码： A文章编号： 10017003（2022）04003108

引用页码： 041105DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2022.04.005（篇序）

家庭洗涤中，为节省洗涤时间和洗涤用水量，常将深色衣物和浅色衣物混合洗涤。但在洗涤过程中，深色衣物脱落的染料及衣物之间摩擦产生的有色毛头，在洗涤体系的电解质环境下均会与纤维素纤维产生电荷吸附，使得浅色衣物串色[1]。已有研究表明，深浅衣物混洗时的褪沾色与深色衣物上的染料种类、纤维类型、洗涤温度、洗涤液质量分数、机械力强度等相关[2-4]。活性红3BS属于M型活性染料，具有双活性基团，溶解度较高，反应性较强，但耐水洗色牢度较低。范雪荣等[5]研究指出，活性染料在染色过程中产生的水解染料吸附于织物表面，是染料耐湿摩擦色牢度较低的主要原因。粟斯伟等[6]以洗除率为考察指标，研究表明活性染料染色后，未固着的染料物理吸附在纤维上是影响织物色牢度的根本原因，这部分染料水洗时容易脱落。

在试验中，以活性红3BS和纯棉织物为原料，制备了模拟家庭洗涤用的深色褪色试样和浅色沾色试样。为综合评价褪沾色性能，以洗涤前的褪色试样和沾色试样为基准，分别计算褪色试样洗涤前后的色差值（ΔE）和沾色试样洗涤前后得色量的变化（ΔK/S值），提出褪沾色性能的评价指标——褪沾色指数。为了研究褪沾色试样比例、洗涤时间、洗涤温度和主洗水量对褪沾色指数的影响，通过单因素试验、中心组合试验和响应面分析，优选有效抑制褪沾色的洗涤参数，为洗衣机混洗程序设计提供参考。

1试验

1.1材料与仪器

织物：符合GB/T 411—2017《棉印染布》要求的漂白纯棉中平布，经纬纱均为（27.8±2.5） tex，经纬纱密度均为（235±5） 根/10 cm。将试验用白布熨烫平整包装，置于0～5 ℃的环境中避光保存备用。

试剂：活性红3BS（商用染料，浙江闰土股份有限公司），无水硫酸钠（AR）、无水碳酸钠（AR）（国药集团化学试剂有限公司），A-502F型皂洗剂（苏州联胜化学有限公司）。

仪器：TD100-163WMUIATD型小天鹅滚筒洗衣机（无锡小天鹅电器有限公司），TD06AC-20型蒸汽电熨斗（浙江苏泊尔家居用品有限公司），LHS-80HC恒温恒湿箱（上海一恒科学仪器有限公司），MR-B3型真空保鲜机（时光电子有限公司），RF-D03-20型水箱（无锡瑞弗隆制冷科技有限公司），Ahiba型红外线染色小样机、Datacolor650型测配色仪（美国Datacolor公司），TU-1900型双光束紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）。

1.2试样制备

1.2.1褪色试样制备

将待染色的漂白中平布裁剪为55 cm×55 cm，洗涤晾干后进行一浴一步法染色。染料质量分数为2%，硫酸钠质量浓度为50 g/L，碳酸钠溶液质量浓度为18 g/L，浴比为10︰1。染色工艺曲线如图1所示，脱水处理后平铺晾干，裁剪为25 cm×25 cm，真空保存备用。

1.2.2沾色试样制备

沾色试样采用和褪色试样一致的漂白纯棉中平布，为达到平行对照试验要求将白布放入染色机内，进行一套完整的染色、皂洗工艺，晾干后，将白布裁剪成为25 cm×25 cm，并放置于洗衣机内选择标准棉麻程序洗涤，保证洗涤环境和正式试验洗涤环境一致。洗涤结束后将织物晾干，剔除有可见疵点的织物，熨烫平整，真空保存备用。

2洗涤参数对褪沾色指数的影响

2.1洗涤参数选择

在家庭洗涤中，可以选择不同的洗涤模式，例如棉麻洗、丝绸洗、羽绒洗和混合洗等模式。这些洗涤模式的主要差异在于洗涤、漂洗和脱水阶段的参数设置。在洗涤程序中，通常将洗涤阶段称为主洗，其对应的水温、用水量、时间是影响洗涤品质的重要因素。因此，本文将讨论洗涤温度、主洗水量、洗涤时间和褪沾色试样比例对试样褪沾色的影响，各参数设置如表1所示。

2.2褪沾色指数计算

采用Datacolor 650型测配色仪，选择30 mm的大孔径及100% UV滤镜校正，在D65光源10°视场和CIELab标准下，将待测试样折叠4层平整放置并测量，每块试样统一测试4个点。为实现褪沾色性能的整体评价，将ΔE和ΔK/S值进行加权平均构建新的评价指标——褪沾色指数（TZ），如下式所示。为保证ΔE和ΔK/S值量纲一致，分别对其进行归一化处理，以映射到区间[0，1]。

TZ=Ly+Ly （1）

式中：权重L和L均取0.5，y、y分别代表归一化后的ΔE和ΔK/S值。

通过式（1）计算不同洗涤参数组合混洗后形成的褪沾色指数。TZ值越接近于1，表明试样褪沾色越严重，造成混洗串色的风险越大。

2.3洗涤参数对褪沾色指数的影响

试样均采用TD100-163WMUIATD型小天鹅滚筒洗衣机上搭载的棉麻程序进行洗涤。试验中控制水温波动在±2 ℃，水的硬度在2.4～2.6 mmol/L[7]。洗涤结束后自然晾干，并进行颜色测试，记录ΔE和ΔK/S值，每组试验重复3次取平均值，即为TZ值。

2.3.1褪沾色试样比例对褪沾色指数的影响

褪沾色试样比例是指混洗时褪色试样与沾色试样的数量比。将沾色试样恒定设置为4块，通过改变褪色试样投放量形成不同的褪沾色试样比例。试样投放比例设置为2︰4、4︰4、6︰4、8︰4和10︰4，其中洗涤时间为25 min、洗涤温度为40 ℃，主洗水量为20 L，结果如图2所示。

由图2可见，随着褪沾色试样比例的增大，褪沾色指数持续增加，在4︰4至6︰4指数增幅最大，褪沾色指数已接近100，影响显著。随着褪色试样继续增加，染料脱落量仍在增加，褪沾色指数增幅减缓。因为褪色试样数量增加，水解和脱落的染料量增加，但主洗水量固定，相当于浴比固定，染料水解逐渐达到饱和，导致染料脱落减缓[8]。

2.3.2洗涤时间对褪沾色指数的影响

洗涤时间设置为15、20、25、30 min和35 min，其中洗涤温度为40 ℃、褪沾色试样比例为6︰4，主洗水量为20 L，结果如图3所示。

由图3可见，随着洗涤时间的增加，褪沾色指数先增加后减少，在洗涤时间为25 min时达到了峰值。在洗涤中活性红3BS（图4）的乙烯砜基与水中的氢氧根离子发生亲核加成反应而水解[9]，染料-纤维结合键断裂，染料丧失反应活性，洗涤时在滚筒机械力作用下易脱离织物，并与白布发生物理吸附，沾色增加。随着洗涤时间增加，吸附于沾色试样的部分染料脱离试样表面，褪沾色指数减少

2.3.3洗涤温度对褪沾色指数的影响

洗涤温度设置为20、30、40、50 ℃和60 ℃，其中洗涤时间25 min、褪沾色试样比例为6︰4，主洗水量为20 L，结果如图5所示。

由图5可见，随着洗涤温度的升高，褪沾色指数先增加后减少。当洗涤温度为40 ℃时，褪沾色指数达到峰值0.98，褪沾色现象明显。皂洗无法完全去除织物上未键合的染料，这部分染料与纤维之间的范德华力和氢键作用力小于滚筒机械外力，随着温度升高，吸附的染料扩散到洗涤体系中，与沾色试样形成吸附，造成试样沾色[10]。同时，洗涤温度升高，已固着的部分染料会发生水解断键[11]，生成一系列水解染料，洗涤时易脱落，导致褪、沾色量增加，褪沾色指数增高。但温度过高时，沾色织物吸附的染料扩散速率加快，洗涤时易脱落，使得沾色量降低，同时褪色试样染料脱落逐渐减缓，最终导致褪沾色指数下降。

2.3.4主洗水量对褪沾色指数的影响

主洗水量设置为10、15、20、25 L和30 L，其中洗涤时间为25 min、洗涤温度为40 ℃、褪沾色试样样比例为6︰4，结果如图6所示。

在10～30 L的主洗水量范围，褪沾色指数在较小的区间内波动，最大值为1.00，最小值为0.81。当主洗水量较少时，水面刚浸没滚筒底面，使得织物处于不完全浸没状态。因此，织物上染料的脱落量相对较少，对应的褪沾色指数较小。然而，水量增大促进平衡朝水解方向移动，导致褪色量增大。在高主洗水量时，相同脱落量对应的染料脱落浓度较低，沾色试样数量固定，使得沾色试样的沾色色差数值较小，相应的褪沾色指数也较小。

2.4单因素方差分析

以褪沾色指数作为因变量，采用SPSS软件对洗涤时间、洗涤温度、褪沾色试样比例和主洗水量的单因素试验数据进行方差齐次性检验，保证每组数据与平均值的偏离程度符合要求。四种因素均能够通过齐次性检验，可以进行ANOVA方差分析，结果如表2所示。

由表2可知，当因素为褪沾色试样比例时，经F检验后，288.844>1，且P=2.77×10<0.000 1，说明F大于顯著性F值，相对组间差异较大，不同褪沾色试样比例对因变量具有显著影响。洗涤时间因素下的F值为63.188，P=2.64×10<0.000 1，同样说明洗涤时间对因变量的影响具有显著差异。洗涤温度和主洗水量均通过了F值检验，P值分别为8.97×10和9.61×10。根据褪沾色指数分析可知，对TZ影响的显著性从大到小依次为洗涤时间、褪沾色试样比例、主洗水量和洗涤温度。

2.5褪沾色指数回归模型构建

2.5.1褪沾色指数响应面设计

运用Design-Expert 8.0进行中心组合试验设计，设置洗涤时间、洗涤温度、褪沾色试样比例和主洗水量四个因素，并结合单因素试验的结果，确定试验设计的水平范围，如表3所示。将每组试验的褪沾色指数TZ作为响应值，试验方案和试验结果如表4所示。

2.5.2褪沾色指数模型分析

对模型进行多元回归拟合，拟合数据如表5所示。当采用二次方模型时，P值<0.000 1且R2较高，均表明该模型极度显著，建议使用模型。

以TZ 为试验的响应值，对中心组合试验设计结果进行二次拟合，得到响应值关于自变量的二次回归方程，如下式，所示。

TZ =0.70+0.28A+0.015B+0.085C+0.022D-0.037AB+0.071AC-0.019AD-0.048BC+0.037BD-0.12A²0.14B-0.12C-0.11D（2）

2.5.3方差分析与显著性检验

通过F值检验回归模型中不同参数对响应值影响的显著性，P值为F小于显著性F值的概率，P越小代表因素越显著或者交互作用越明显，如表6所示。

从表6可知，以TZ为响应值建立的回归模型的P值<0000 1，即最多只有0.01%的可能性在该模型下会失拟，说明此模型高度显著。失拟项表示实际值与预测值不拟合的概率，失拟项P值为0.453 7>0.05，即在95%置信水平上该模型的失效项均不显著，表明建立的二次回归方程有效，具有较好的拟合程度和预测最优值。由方差分析可知，对响应值影响极度显著的因素是洗涤时间（A）、洗涤时间二次项A2、洗涤温度二次项B2、褪沾色试样比例二次项C2和主洗水量二次项D2。显著的因素是褪沾色试样比例（C）、洗涤时间与褪沾色试样比例的交互项（AC）、洗涤温度与褪沾色试样比例的交互项（BC）。

2.5.4基于响应面分析的洗涤参数优化

为了分析四个因素间的交互作用对TZ的影响，绘制了响应面曲面图，如图7所示。

图7（a）中交互因素为洗涤时间与褪沾色试样配比，其中保持不变的因素为洗涤温度40 ℃，主洗水量为20 L。洗涤时间在25 min，褪沾色试样比例为6︰4即比值是1.5时，等高线密度变大，响应面曲面较陡，曲面颜色较深，说明洗涤时间和洗涤温度间的交互作用较为明显。图7（b）中交互因素为洗涤温度与褪沾色试样比例，保持不变的因素为洗涤时间25 min，主洗水量为20 L，洗涤温度在40 ℃，褪沾色试样比例在6︰4左右时，TZ较大，等高线呈闭合椭圆形，两者交互作用明显。图7（c）中交互因素为洗涤温度与主洗水量，保持不变的因素为洗涤时间25 min，褪沾色试样比例6︰4，响应面曲面在洗涤温度为40 ℃，主洗水量是20 L附近时等高线较为稠密，且等高线为闭合椭圆形，响应面呈弧形，说明在此范围内两者表现较强的交互性，对TZ的影响显著。因此，交互作用影响的显著性依次为：AC>BC>BD，和方差分析结果一致。

对TZ进行响应面最大值洗涤方案筛选，其取得最大值时对应的洗涤方案最容易造成串色。洗涤参数预测为：洗涤时间25 min、洗涤温度39.5 ℃、褪沾色试样配比比值1.46、主洗水量20.03 L，在此洗涤工艺下褪沾色指数预测值为0.91。为了方便试验操作，将洗涤参数调整为洗涤时间25 min、洗涤温度40 ℃、褪沾色式样配比为6︰4、主洗水量为20 L，进行3组平行试验，褪沾色指数均值为0.88。预测值与测试值之间的相对误差为3.4%，说明真实值和模型预测值较为吻合，此模型较为可靠，洗涤参数预测较为准确。同时对应的洗涤参数下较容易造成串色行为，实际洗涤过程中应该避免此类参数搭配。

对TZ进行响应面优化，其取得最小值时对应的洗涤方案不易造成混洗串色。洗涤参数为：洗涤时间15.51 min、洗涤温度30.16 ℃、褪沾色试样比值1.01、主洗水量15.01 L，此时TZ为3.71×10。为方便试验，将最优化洗涤参数调整为：洗涤时间16 min、洗涤温度30 ℃、褪沾色试样比值4︰4、主洗水量15 L，进行3组平行试验，TZ的均值为3.98×10，相对误差为6.7%，表明实际值和预测值拟合程度较好，此模型较为可靠。

3结论

本文以褪沾色指数作为衡量洗涤体系中褪沾色情况的指标，通过单因素试验和中心组合试验及响应面分析对洗涤参数进行显著性筛选，同时得出最优化洗涤方案，该洗涤方案可以有效抑制洗涤体系的褪沾色问题。

1） 通过单因素试验及方差分析可知，以褪沾色指数为综合评价指标，在试验参数梯度下，对褪沾色指数影响显著性及褪沾色防控重要性排序依次为：洗涤时间、褪沾色试样比例、主洗水量、洗涤温度。

2） 通过中心组合试验和响应面分析可知，在模拟家庭洗涤试验中洗涤时间（A）、洗涤温度（B）、褪沾色试样配比（C）、主洗水量（D）对褪沾色指数存在交互作用，4因素及6交互影响显著性依次为：A>C>D>B>AC>BC>AB>BD>AD>CD。因此，在洗滌中应对洗涤时间和深浅色织物投放比例进行严格把控，避免在洗涤时间为25 min、深浅色织物投放比例为6︰4时洗涤。

3） 通过褪沾色指数模型最小值优化预测以及验证，最佳混洗工艺为：洗涤时间16 min、洗涤温度30 ℃、褪沾色试样比例4︰4及主洗水量15 L，此时模型的褪沾色指数预测值为371×10，实测值为3.98×10。通过比较可知，采用该组洗涤参数对试样混洗，可以有效避免串色问题。

参考文献：

[1]刘勇， 任参， 林琳. 提高棉织物深色活性染料色牢度的方法探讨[J]. 染整技术， 2013（12）： 26-28.LIU Yong， REN Shen， LIN Lin. Investigation on color fastness improvement of cotton dyed by dark color reactive dyes[J]. Textile Dyeing and Finishing Journal， 2013（12）： 26-28.

[2]丁长波， 王雪燕， 赵振河， 等. 活性染料染色织物湿摩擦色牢度的影响因素及提升措施[J]. 纺织导报， 2014（2）： 60-62.DING Changbo， WANG Xueyan， ZHAO Zhenhe， et al. Influencing factors and improvement methods on wet rubbing fastness of cotton fabrics dyed with reactive dye[J]. China Textile Leader， 2014（2）： 60-62.

[3]郭立云， 蔡國强， 何美林， 等. 活性黑5染色布样在洗涤过程中的褪色行为研究[J]. 浙江理工大学学报（自然科学版）， 2017， 37（3）： 329-335.GUO Liyun， CAI Guoqiang， HE Meilin， et al. Study on fading behavior of reactive black 5 dyed fabrics in washing process[J]. Journal of Zhejiang Institute of Science and Technology （Natural Science Edition）， 2017， 37（3）： 329-335.

[4]MA Minbo， YOU Lixia， CHEN Lican， et al. Effects of ultrasonic laundering on the properties of silk fabrics[J]. Textile Research Journal， 2014， 84（20）： 2166-2174.

[5]范雪荣， 袁久刚， 王强. 影响棉织物染色湿摩擦牢度的因素[J]. 印染， 2006， 32（1）： 8-10.FAN Xuerong， YUAN Jiugang， WANG Qiang. Factors affecting wet rubbing fastness of cotton dyeings[J]. Dyeing and Finishing， 2006， 32（1）： 8-10.

[6]粟斯伟， 娄看看， 殷国益， 等. 活性染料染色苎麻纤维未固着染料的洗除[J]. 毛纺科技， 2018， 46（12）： 50-54.SU Siwei， LOU Kankan， YIN Guoyi， et al. Washing-off unfixed dyestuffs on ramie fiber after dye with reactive dyes[J]. Wool Textile Journal， 2018， 46（12）： 50-54.

[7]郭明奇， 蒋黎， 袁帅， 等. 防串色洗涤程序测试用标准样品研制[J]. 标准科学， 2020（10）： 132-136.GUO Mingqi， JIANG Li， YUAN Shuai， et al. Study on the standard samples for the test of dye transfer inhibition washing programs[J]. Standard Science， 2020（10）： 132-136.

[8]KIM， HYEWON， YUN. Fabric movement and washing performance in a front-loading washer with a built-in pulsator[J]. Textile Research Journal， 2019， 89（21）： 4732-4745.

[9]卢声， 林杰， 程德红， 等. 活性染料水解对棉织物染色性能的影响[J]. 纺织学报， 2014， 35（9）： 95-99.LU Sheng， LIN Jie， CHENG Dehong， et al. Influence of hydrolysis of reactive dye on dyeing property of cotton fabrics[J]. Journal of Textile Research， 2014， 35（9）： 95-99.

[10]胡蝶， 张婷婷， 胡涵昌， 等. 活性染料在棉纤维上的扩散性能及其影响因素研究[J]. 纤维素科学与技术， 2020， 28（4）： 38-45.HU Die， ZHANG Tingting， HU Hanchang， et al. Diffusion performance of reactive dyes on cotton fiber and the influencing factors[J]. Journal of Cellulose Science and Technology， 2020， 28（4）： 38-45.

[11]龚佳佳， 曹永恒， 李世琪， 等. DMF萃取法研究皂洗温度对活性染料水解影响[J]. 针织工业， 2014（9）： 50-52.GONG Jiajia， CAO Yongheng， LI Shiqi， et al. A research on effect of soaping temperature on hydrolysis of reactive dyes by DMF extraction method[J]. Knitting Industries， 2014（9）： 50-52.

Influence of washing parameters on color fading and staining of

deep and light color clothing in mixed washingZHAO Xu XIAO Yuyan JIANG Li YANG Qingbo SUN Chang LIU Jianli（1.College of Textile Science and Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， China;

2.Wuxi Little Swan Electric Co.， Ltd.， Wuxi 214035， China）

Abstract： In daily household washing， the mixed washing of clothes has become a normal state. However， the dark cotton clothes dyed with reactive dyes will fade during mixed washing， and the falling off dyes will lead to the staining of light-colored clothes， forming a cross-color phenomenon， which has become a pain point in the household washing. At the same time， due to the improper choice of washing modes and washing parameters in domestic washing， it is easy to cause the shedding of reactive dyes on dark clothes， resulting in water pollution. The shedding dyes belong to organic salt macromolecules with complex structures and poor biodegradability， which seriously affects the ecological environment. At present， the research on fading and staining of washed clothes mainly focuses on the field of detergents， while the research on slowing down fading and staining through the optimization of washing procedures is still in the blank.

To clarify the influence of washing parameters on the cross-color of dark and light color clothes， reactive red 3BS and pure cotton fabrics were used to prepare dark color fading samples， and the overall influence of washing parameters on the fading of dark color samples and staining of light color samples was analyzed by single factor experiment. The central composite experimental table was designed according to the washing parameters and parameter levels selected by a single factor experiment， the mathematical model of washing parameters and fading and staining indexes was constructed， and the washing parameters were optimized according to the response surface method. To comprehensively evaluate the fading degree of dark clothes and the staining degree of light clothes， the weighted average of the color difference （ΔE） of dark samples before and after washing and the color gain change （ΔK/S） of light samples was proposed as the fading and staining indexes （TZ） which were used to evaluate the severity of cross-color. At the same time， to predict the fading and staining degree of clothes under different washing parameters， a quadratic model with fading and staining indexes as the response value was constructed， which could successfully predict the fading and staining of dark and light-colored fabrics under set washing procedures. The results show that the significant factors affecting the fading and staining indexes are washing time， the proportion of fading samples， the water consumption in the main washing stage， and the washing temperature. After three groups of prediction verification tests， when the washing time is 16 min， the washing temperature is 30 ℃， the ratio of faded and stained samples is 4︰4， and the main washing water quantity is 15 L， the average value of TZ is 3.98×10-2， and the relative error is 6.7%， which indicates that the actual value and the predicted value fit well. The quadratic model established by the central composite experiment can successfully predict the fading and staining indexes under different washing conditions.

The optimization of washing parameters can effectively control the cross-color problem caused by the mixed washing of dark and light color clothes， effectively reduce the fading of dark color clothes， and then realize the emission reduction of dyes in washing wastewater， provide data reference for the innovative design of mixed washing procedures， and promote the research and development of greenwashing equipment.

Key words： mixed washing; cotton fabrics; fading; staining; washing parameters; fading and staining indexes