改性棉针织物的石榴色素染色性能研究

高玉梅,殷钰航,张天星,王海鹏,杨秀梅

(河南工程学院 化工与印染工程学院,河南 郑州 450007)

日用纺织品通常使用合成染料染色,但合成染料的生产过程及染色织物废弃后会导致环境污染,故使用健康环保的染料是纺织品染色发展的方向[1]。天然植物染料具有良好的生物降解性和环境相容性,其应用备受人们青睐[2-3]。但是,目前天然植物染料染色存在上染率低、色牢度差等问题,所以需要探索开发更佳的植物染料染色工艺[4-6]。壳聚糖是由自然界广泛存在的几丁质经过脱乙酰作用得到的一种天然多糖高分子化合物,它具有优良的生物降解性和环境相容性,无毒无害,常被用于织物整理[7]。郑铮[8]发现用栀子黄色素对经过壳聚糖改性的棉织物进行染色,色牢度优良。彭文芳等[9]认为用壳聚糖季铵盐改性纯棉织物,提高了纯棉织物的拓染效果及色牢度。顾相军等[10]发现对壳聚糖改性后的棉织物进行涂料染色,具有较好的染色性能。严晓慧[11]认为用壳聚糖对棉麻纤维进行改性,能有效提高棉麻织物对染料的吸附性能。徐铭[12]发现对壳聚糖改性后的棉织物进行直接染色,其色牢度达到或超过4级,满足服用要求。

本研究重点探讨了天然植物染料石榴色素对壳聚糖改性棉针织物染色的工艺条件,先用壳聚糖改性液对棉针织物改性,后采用石榴色素对改性棉针织物进行后媒染色,可提高染色织物的得色量和色牢度,丰富天然色素染棉针织物的色谱。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

材料:棉针织物(自备),石榴色素(粉末状,河南中大恒源生物科技有限公司),硫酸钠、硫酸亚铁、明矾均为分析纯(市售),中性洗涤剂、冰醋酸溶液(市售),壳聚糖(山东奥康生物科技有限公司)。

仪器:振荡水浴锅(上海一派印染技术有限公司),CE-7000A型高精度测色仪(沈阳彩普科技有限公司),PHS-3C型精密pH计(上海精学科学仪器有限公司),SW-12A型耐洗色牢度试验机(尚彩科技有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1棉针织物改性工艺

室温下将一定量的壳聚糖分散在蒸馏水中,边搅拌边滴加冰醋酸至壳聚糖完全溶解,配制成质量分数为2%的壳聚糖改性液。将该壳聚糖改性液稀释至一定浓度,对棉针织物进行改性处理,浴比1∶50,改性后取出,水洗染色。

1.2.2改性棉针织物染色工艺

1)染色工艺处方

染色液处方:石榴色素2% (owf),浴比1∶50。

媒染液处方:媒染剂2% (owf),浴比1∶50。

2)染色工艺流程

染色(50 ℃入染→2 ℃/min升温至80 ℃→保温染色30 min)→降温→媒染处理(50 ℃入染→2 ℃/min升温至80 ℃→保温处理30 min)→降温水洗→晾干。

1.3 测试方法

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》[13]测试。

耐水色牢度:参照GB/T 5713—2013《纺织品 色牢度试验 耐水色牢度》[14]测试。

2 结果与讨论

2.1 改性工艺对改性棉针织物染色的影响

在保持染色工艺条件不变的情况下,石榴色素用量2%(owf),50 ℃入染,以2 ℃/min升温至80 ℃,保温染色30 min,考察改性工艺对改性棉针织物染色的影响。

2.1.1壳聚糖改性液质量分数

改性温度80 ℃,改性时间30 min,浴比1∶50,壳聚糖改性液质量分数对改性棉针织物染色效果的影响见图1。

图1 壳聚糖改性液质量分数对改性棉针织物染色效果的影响Fig.1 The effect of mass fraction of chitosan modified solution on dyeing effect of modified cotton knitted fabric

由图1看出,随壳聚糖改性液质量分数的增加,染色棉针织物的K/S值增大,织物颜色变深,当壳聚糖改性液质量分数为30%时,K/S值最大,织物颜色最深。这是因为棉针织物经壳聚糖改性液处理后,在纤维表面引入阳离子基团,降低了棉纤维与染料间的斥力,有利于染料与棉纤维结合,使其K/S值增加。当壳聚糖改性液质量分数为30%时,棉针织物纤维表面引入的阳离子基团数量达到平衡,继续增大壳聚糖改性液质量分数,K/S值不再增大[7]。因此,对棉针织物改性时,壳聚糖改性液质量分数选择30%为宜。

2.1.2改性温度

壳聚糖改性液质量分数为30%,浴比1∶50,改性时间为30 min,改性温度对改性棉针织物染色效果的影响见图2。

图2 改性温度对改性棉针织物染色效果的影响Fig.2 The effect of modification temperature on dyeing effect of modified cotton knitted fabric

由图2可知,随着改性温度的升高,K/S值增大,改性温度升至70 ℃时K/S值最大,继续升高温度,K/S值变化很小。这是因为随着温度的升高,壳聚糖分子扩散速度加快,同时棉纤维吸湿膨化程度提升,纤维内孔隙增大,有利于壳聚糖阳离子基团附着于棉针织物表面并扩散进入纤维内部。用石榴色素染色时,石榴色素上染量提高,染色织物的K/S值增大,温度继续升高,壳聚糖可能水解断键,棉针织物纤维上的壳聚糖阳离子基团减少,使K/S值略有下降[15]。因此,对棉针织物改性时温度选择70 ℃为宜。

2.1.3改性时间

壳聚糖改性液质量分数为30%,浴比1∶50,改性温度70 ℃,改性时间对改性棉针织物染色效果的影响见图3。

图3 改性时间对改性棉针织物染色效果的影响Fig.3 The effect of modification time on dyeing effect of modified cotton knitted fabric

由图3可知,随着改性时间的增加,改性棉针织物的K/S值增大,改性时间延长至40 min时,K/S值达最大,继续延长改性时间,K/S值不再随改性时间的延长而增大。这是因为随着时间的延长,壳聚糖能充分吸附于纤维表面并向纤维内部扩散,改性后用石榴色素染色时,石榴色素上染量提高,染色织物的K/S值增大,继续延长改性时间,壳聚糖会发生部分水解,使棉纤维上的壳聚糖量下降,导致石榴色素染色织物的K/S值缓慢下降。因此,改性时间以40 min为宜。由此得到最佳改性工艺:壳聚糖改性液质量分数为30%,改性温度70 ℃,改性时间40 min。

2.2 染色工艺对改性棉针织物染色效果的影响

2.2.1染料用量

采用最佳改性工艺,以明矾为媒染剂,采用后媒染色法,染色温度80 ℃,浴比1∶50,染色时间30 min,石榴色素用量对改性棉针织物染色效果的影响见图4。

图4 石榴色素用量对改性棉针织物染色效果的影响Fig.4 The effect of dye dosage on dyeing effect of modified cotton knitted fabric

由图4可知,随着石榴色素用量的增大,改性棉针织物的K/S值增大,棉针织物颜色随石榴色素用量的增加而变深,说明石榴色素染棉针织物的效果较好,可以通过改变染料用量染出深浅不同的颜色。

2.2.2染色时间

采用最佳改性工艺,染料用量2%(owf),染色温度80 ℃,浴比1∶50,染色时间对改性棉针织物染色效果的影响见图 5。

由图5可知,在前50 min,改性棉针织物的K/S值随染色时间的延长而增大,之后继续延长染色时间,K/S值变化很小。这可能是因为随着染色时间的延长,石榴色素的上染率增大,染色时间达到50 min时石榴色素的上染率基本达到了平衡,因此染色时间以50 min为宜。

图5 染色时间对改性棉针织物染色效果的影响Fig.5 The effect of dyeing time on dyeing effect of modified cotton knitted fabric

图6 染色温度对改性棉针织物染色效果的影响Fig.6 The effect of dyeing temperature on dyeing effect of modified cotton knitted fabric

2.2.3染色温度

染料用量2%(owf),染色时间30 min,浴比1∶50,染色温度对改性棉针织物染色效果的影响见图 6。

由图 6可知,染改性棉针织物时,升高温度使K/S值变大,70 ℃时达最大,继续升高温度,K/S值有所降低。这是因为,随着温度的升高,棉纤维吸湿膨化程度提升,纤维内孔隙增大,同时石榴色素分子热运动加剧,有利于石榴色素上染棉纤维,因此随温度的升高,K/S值增大。但染色是放热反应,染色50 min基本达到平衡,升高温度使平衡上染百分率降低,从而导致K/S值下降,织物颜色变浅,因此改性棉针织物石榴色素染色温度选择70 ℃为宜。

2.2.4中性电解质

染料用量2%(owf),染色温度70 ℃,染色时间30 min,浴比1∶50,加入中性电解质硫酸钠,硫酸钠用量对改性棉针织物染色效果的影响见图7。

图7 硫酸钠用量对改性棉针织物染色效果的影响Fig.7 The effect of sodium sulfate dosage on dyeing effect of modified cotton knitted fabric

由图 7可以看出,染液中加入硫酸钠能使改性棉针织物的K/S值变大,当硫酸钠用量为30 g/L时,棉针织物的K/S值最大,再增加硫酸钠的用量,K/S值有所降低。这是因为硫酸钠在石榴色素染改性棉针织物过程中起促染作用,随硫酸钠用量的增加,上染到棉纤维上的石榴色素量增大,K/S值增大,但硫酸钠用量过多会降低石榴色素的溶解度,不利于石榴色素上染。

2.3 染色效果测定

用最佳改性工艺对棉针织物改性后再用最佳染色工艺染色,测试改性染色棉针织物的色牢度,结果见表1。

表1 石榴色素染色壳聚糖改性棉针织物的色牢度Tab.1 Color fastness of chitosan-modified cotton knitted fabric dyed with pomegranate pigment

由表1可知,以明矾为媒染剂,采用后媒染色法,用石榴色素对改性棉针织物进行染色,织物的耐皂洗色牢度和耐水色牢度均达到4级或4级以上,满足染色产品要求。

3 结论

1)壳聚糖改性液对棉针织物改性的最佳工艺为壳聚糖改性液质量分数为30%、改性温度70 ℃、改性时间40 min。

2)石榴色素染改性棉针织物的最佳染色工艺条件为染色温度70 ℃、染色时间50 min。

3)用壳聚糖溶液对棉针织物改性后再进行后媒染色,可提高石榴色素对棉针织物的染色效果。