杨梅栲胶对红花黄色素羊毛染色性能的影响

丁 洪,吴 艳,王祥荣,3

(1.苏州大学 纺织与服装工程学院,江苏 苏州 215123; 2.上海凯喜雅国际贸易有限公司,上海 201206;3.苏州大学 纺织行业天然染料重点实验室,江苏 苏州 215123)

红花黄色素是从菊科植物红花的花瓣中提取出的天然色素,为黄色粉末,易溶于水,在pH值2～7范围内的水溶液中呈黄色,不易变色[1]。红花黄色素的主要成分为查耳酮类化合物[2]。红花黄色素具有色价高、色泽鲜艳、着色均匀等特点[3],同时还具有抗氧化、降血压、提高血脂代谢、改善心肌缺血等多种医用功能[4]。近年来,已有研究者采用红花黄用于纺织品的染色,但所染织物的耐光色牢度偏低[3,5],还需进一步研究以提高其染色性能。

杨梅栲胶是由富含单宁的植物原料杨梅树皮经过水浸提和浓缩等步骤加工制得的多酚类化合物[6],通常为棕黄色或棕褐色粉末。杨梅栲胶中的单宁成分含有大量的酚羟基,能够与金属离子进行络合[7],参与到天然染料与纤维的配位键结合过程中,同时在纤维表面形成大分子膜,提高天然染料染色织物的各项色牢度,因此,杨梅栲胶也被用作天然媒染剂[8]。

本文通过探讨直接染色、预媒染和后媒染等不同染色工艺条件下杨梅栲胶的加入对红花黄色素羊毛织物染色的影响,以期为开发基于植物资源的天然媒染剂以及提高天然染料染色羊毛织物各项色牢度的途径和方法提供理论依据。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

实验材料:羊毛针织汗布(面密度80 g/m2,锦柯草木染(上海)科技有限公司);杨梅栲胶(工业品,广西灵水林化有限公司);红花黄(食品级,云南瑞宝生物科技股份有限公司);精练剂(自制),平平加O(江苏四新界面剂科技有限公司);十八水合硫酸铝(Al2(SO4)3·18H2O,分析纯,上海展云化工有限公司);冰醋酸(CH3COOH)、无水碳酸钠(Na2CO3)(分析纯,江苏强盛功能化学股份有限公司);标准皂片(上海纺织工业技术监督所)。

实验仪器:HG-TC2008型红外染色机(无锡亚博纺织设备有限公司);SW-12A型水洗色牢度实验机(宁波纺织仪器厂);Y(B)902型汗渍色牢度烘箱(温州市大荣纺织仪器有限公司) ;Alpha型日晒牢度仪(SDL Atlas公司);UltraScan PRO型分光测色仪(Hunter Lab公司);TM-3030型台式扫描电子显微镜/SwiftED3000型能谱仪(日本日立技术公司)。

1.2 实验方法

1.2.1 织物预处理

将羊毛织物放入含有精练剂1 g/L,碳酸钠1 g/L,浴比1∶40的处理液中,在80 ℃条件下,处理30 min,60 ℃水洗,冷水洗至中性。

1.2.2 直接染色实验

按照浴比为1∶40在不锈钢染杯中配制含有红花黄色素用量4%(owf)、平平加O用量1 g/L、一定量杨梅栲胶的染液,用冰醋酸调节pH值为4,预先将染液升温到40 ℃,将经过预处理或预媒染处理的羊毛织物投入到染杯中,并将染杯置于红外染色机的固定夹上,设定转速为20 r/min,以1 ℃/min的速度升温至95 ℃,恒温染色45 min,再以3 ℃/min速度降温至50 ℃,取出织物。

1.2.3 媒染染色实验

预媒染和后媒染工艺参数相同:按照浴比1∶40、媒染剂用量6%(owf)配制媒染液,将媒染液预先在水浴中升温到40 ℃,然后投入经过1.2.1节工艺预处理的织物(前媒染)或按1.2.2节工艺染色后的织物(后媒染),开始媒染,以2 ℃/min升温速度将温度升至60 ℃,再保温媒染40 min,再以3 ℃/min 速度将温度降至50 ℃,取出织物。

1.2.4 皂洗实验

按照浴比1∶40,中性皂片2 g/L配制皂洗液,将皂洗液加热到80 ℃,加入完成染色的织物,皂洗20 min,然后再用80 ℃热水洗(浴比1∶40)20 min,最后用冷水冲洗,挤干水分,晾干。

1.3 性能测试

颜色特征值的测定:将染色羊毛织物折叠成4层,在分光测色仪上进行测试,采用D65标准光源,视场角为10°,光谱扫描范围为400～700 nm,每块样品在不同的位置测试4次,取平均值[9-10]。

耐光色牢度:按照GB/T 8427—2019《纺织品 色牢度试验 耐人造光色牢度:氙弧》进行测试。

耐汗渍色牢度:按照GB/T 3922—2013《纺织品 色牢度试验 耐汗渍色牢度》进行测试。

耐皂洗色牢度:按照GB/T 3921—2008《纺织品 色牢度试验 耐皂洗色牢度》中A(1)方法进行测试。

表面元素测试:使用台式扫描电子显微镜和能谱仪组合对染色织物进行能谱扫描测试,分析织物表面的元素含量[11]。

2 结果与讨论

2.1 杨梅栲胶用量对羊毛直接染色的影响

按照1.2.2节染色方法,固定红花黄色素用量 4%(owf)、平平加O 1 g/L,染色温度95 ℃,染色时间45 min,改变杨梅栲胶的用量,对羊毛织物进行直接染色,按照1.3节测试方法测试相关性能,杨梅栲胶用量对红花黄色素染色羊毛织物K/S值的影响结果如图1所示。

图1 杨梅栲胶与红花黄色素直接染色羊毛的K/S值曲线Fig.1 K/S value curve of directly dyed wool with Box myrtle extract and safflower yellow pigment

由图1可知,采用直接染色工艺,杨梅栲胶的加入并没有对红花黄色素染色织物的K/S曲线有明显影响,在波长400～700 nm范围内,不同杨梅栲胶用量的K/S值曲线变化趋势基本一致。在最大吸收波长400 nm处,染色羊毛织物的K/S值随着杨梅栲胶用量的增加略增大,说明杨梅栲胶的加入对红花黄色素上染羊毛织物的色深值有一定的影响。

杨梅栲胶用量对羊毛织物颜色特征值和色牢度的影响分别见表1、2。由表1可知,杨梅栲胶用量的增加会使明度值L*降低,织物颜色变深,这是由于染色过程中,除了红花黄色素上染羊毛织物以外,杨梅栲胶分子上的酚羟基也会通过与纤维形成氢键而吸附到纤维上[12],从而降低了羊毛织物的明度;同时,随着杨梅栲胶用量的增多,织物的彩度c*值也有所降低,鲜艳度下降,说明加入杨梅栲胶后,杨梅栲胶自身的颜色会影响羊毛织物的明度和彩度;另外,从杨梅栲胶用量对色相角h的影响看,杨梅栲胶用量对色相角的影响不大。

表1 杨梅栲胶用量对红花黄色素直接染色羊毛织物颜色特征值的影响Tab.1 Effect of the amount of Box myrtle extract on the color characteristic value of safflower yellow pigment directly dyed wool fabric

由表2可知,红花黄色素直接染色的羊毛织物耐汗渍色牢度和耐皂洗色牢度优良,达到4～5 级,但耐光照色牢度较差,仅有1级。同时,加入杨梅栲胶后羊毛织物的耐光照色牢度并未得到改善,说明红花黄色素在只使用杨梅栲胶的情况下无法提高其耐光照色牢度。因此,在此工艺条件的基础上,选用金属媒染剂硫酸铝以预媒染和后媒染的方法对羊毛织物进行媒染处理,进一步研究媒染工艺对红花黄色素羊毛染色性能的影响。

表2 杨梅栲胶用量对红花黄色素直接染色羊毛织物色牢度的影响Tab.2 Effect of the amount of Box myrtle extract on the color fastness of safflower yellow pigment directly dyed wool fabric

2.2 不同工艺条件下杨梅栲胶对羊毛染色的影响

按照1.2.2节染色方法,固定红花黄色素用量为4%(owf)、平平加O用量为1 g/L,染色温度为95 ℃,时间为45 min;按照1.2.3节的媒染方法,固定硫酸铝用量为6%(owf),媒染温度为60 ℃,时间为40 min,对羊毛织物进行媒染染色。考察不同工艺条件下,添加杨梅栲胶对红花黄色素染色羊毛织物性能的影响。不同染色工艺条件见表3。

表3 染色工艺条件Tab.3 Dyeing process conditions

杨梅栲胶对采用不同工艺染色织物K/S值的影响如图2所示,对羊毛织物颜色特征值和色牢度的影响见表4、5。

表4 不同染色工艺对羊毛织物颜色特征值的影响Tab.4 Effect of different dyeing processes on color characteristic value of wool fabric

图2 不同染色工艺条件下织物的K/S值曲线Fig.2 K/S value curve of dyed fabric under different dyeing process

由图2、表4可知,当媒染剂为十八水合硫酸铝时,媒染方法对染色羊毛针织物的K/S值曲线有一定的影响,但整体变化不大。经硫酸铝媒染可提高羊毛织物的K/S值,其中,采用硫酸铝后媒染的工艺中红花黄色素在染色阶段对羊毛充分上染[13],媒染过程染料和铝离子通过形成配位键增加了染料和羊毛之间的相互作用,使染料在羊毛上的吸附量增多[14]。在没有添加杨梅栲胶的条件下,媒染并不影响到染色织物的明度和彩度,而杨梅栲胶与红花黄色素同浴染色再进行媒染时,染色织物的明度和彩度均有下降,说明杨梅栲胶也参与了与铝离子的配位并吸附在纤维上。同时,不同工艺的染色织物的色相角相差不大。

由表5可知,红花黄色素对羊毛织物进行染色时,采用硫酸铝进行预媒染或后媒染均可使红花黄色素染色织物的耐光色牢度提高到2级;但如果染色时添加杨梅栲胶,再加上预媒染或后媒染(3#和5#),可进一步提升染色织物的耐光色牢度。其中,红花黄色素与杨梅栲胶同浴染色再经硫酸铝后媒染的织物耐光色牢度可提高至4级,并且,耐皂洗色牢度和耐汗渍色牢度不受影响,均达到4～5级。这可能是由于在杨梅栲胶的存在下,杨梅栲胶中含有的酚羟基能够参与到染料和纤维与铝离子之间的配位键结合[15],从而使染料更好地固着在纤维上,达到提高色牢度的目的。

表5 不同染色工艺对羊毛织物色牢度的影响Tab.5 Effect of different dyeing processes on color fastness of wool fabric 级

为了进一步证明预媒染和后媒染2种工艺条件下,铝离子与染料和纤维之间的作用情况,对按照3#和5#工艺染色的织物进行能谱(EDS)扫描测试,能谱图如图3所示,测得的织物表面元素含量见表6。

表6 不同染色工艺下织物表面元素含量Tab.6 Content of elements on the surface of the fabric under different dyeing processes %

图3 不同工艺染色羊毛织物的能谱图Fig.3 Energy spectrum of dyed wool fabric under different dyeing processes

由图3、表6可知,采用栲胶与红花黄同浴染色,硫酸铝后媒染的织物表面铝元素含量高于预媒染的织物,说明在后媒染工艺条件下有更多的铝离子参与到与纤维、红花黄色素和栲胶形成配位键结合,使天然色素的稳定性和耐光色牢度得到提高。

综上可知,采用红花黄色素与杨梅栲胶同浴染色,然后再采用硫酸铝后媒染的工艺可以得到各项色牢度较好的染色织物(5#)。进一步探讨采用该工艺,固定其他条件,改变杨梅栲胶用量对红花黄色素染色羊毛织物耐光色牢度的影响,实验结果见表7。

表7 杨梅栲胶用量对5#染色织物耐光色牢度的影响Tab.7 Effect of the dosage of Box myrtle extract on the light fastness of dyed fabric under process 5#

由表7可知,采用红花黄色素与杨梅栲胶同浴染色,再用硫酸铝进行后媒染时,随着杨梅栲胶加入量的增加,染色织物的耐光色牢度显著提高,当杨梅栲胶用量为3%(owf),耐光色牢度提升至4级,再增加用量,耐光色牢度不再提高,为了减少杨梅栲胶加入对染色织物明度和彩度的影响,建议杨梅栲胶的用量为3%～4%(owf)。

3 结 论

通过探讨直接染色、预媒染和后媒染等不同染色工艺条件下杨梅栲胶的加入对红花黄色素羊毛织物染色的影响,得到最佳工艺为:红花黄色素与杨梅栲胶同浴染色,然后再采用硫酸铝后媒染,在此基础上得到以下结论:

①红花黄色素对羊毛织物染色时,加入杨梅栲胶在pH值为4、温度95 ℃的条件下同浴染色45 min,然后在60 ℃条件下,用6%(owf)硫酸铝媒染,能显著提升羊毛织物的耐光色牢度,使染色织物的各项色牢度均达到4级及以上。能谱测试表明,该工艺条件下,有更多的铝离子参与了配位键的形成。

②杨梅栲胶的加入会降低染色羊毛织物的明度和彩度,杨梅栲胶最佳用量为3%～4%(owf)。