紫甘薯紅色素上染牛奶蛋白織物的染色性分析

吳 堅, 佀 俊 茹, 殷 雪

(大連工業(yè)大學 紡織輕工學院, 遼寧 大連 116034)

0 引 言

紫甘薯紅色素(Purple sweet potato color,PSPC)是從紫甘薯的塊根中提取出來的一種天然紅色素。它色澤鮮艷,無毒,無特殊氣味,與其他同類色素相比性質較穩(wěn)定,具有多重營養(yǎng)、藥理和保健功能,常用于食品、藥品、化妝品等領域。紫甘薯紅色素屬于花青素苷類色類素,以C6—C3—C6為基本骨架,具有類黃酮的典型結構,主要成分為矢車菊素和芍藥素等花色苷[1]。

牛奶蛋白纖維以牛奶為原料,經(jīng)分離、提純后得到蛋白質,再與丙烯腈接枝共聚而成,屬人造蛋白質纖維[2]。牛奶纖維中包含17種氨基酸,pH為6.8,對人體健康有利,具有護膚功能[3]。牛奶蛋白質分子多肽鏈之間以氫鍵相結合,分子中含有大量的羥基、氨基、羧基等極性基團[4]。牛奶纖維具有良好的吸濕性、透氣性及保健性,并且易于染色。牛奶蛋白織物具有保健功能,紫甘薯色素上染不僅提高了產品的附加值,同時實現(xiàn)了服裝的生態(tài)化,是開發(fā)綠色生態(tài)紡織品的一個很好的研究途徑[5]。

本研究以紫甘薯紅色素水溶液為染液,采用直接染色、預媒染色和后媒染色3種染色工藝,用黃土、鐵鹽和鋁鹽為媒染劑,對牛奶纖維織物進行了染色工藝探討,通過正交試驗綜合分析確定了紫甘薯紅色素上染牛奶纖維織物的最佳工藝,并對比分析了不同染色方法的色澤差異和染色牢度。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

樣品:100%牛奶纖維織物(250 g/m2)。

試劑:紫甘薯紅色素(粉末),硫酸亞鐵,明礬,黃土,乙酸,氯化鈉,無水碳酸鈉,燒堿,中性洗衣液;化學試劑均為分析純。

儀器:電子天秤；pHS-3C酸度計；紅外線小樣機,HT-B12,廣東鶴山市宏發(fā)染整機械制造有限公司；色差計,X-Rite 530,美國愛色麗公司；SW8A耐洗色牢試驗機,無錫紡織儀器廠；Y571W紡織品摩擦色牢度測試儀,無錫紡織儀器廠。

1.2 試驗方法

直接染色:配制染液,調節(jié)染液到規(guī)定的pH,加熱恒溫水浴鍋至50 ℃,織物入染,加熱升到指定溫度,恒溫加熱,取出水洗,皂洗,自然晾干。

預媒染色:媒染→染色→水洗、干燥→皂洗、水洗、干燥。

后媒染色:制備染液→染色→水洗、干燥→皂洗、水洗、干燥→媒染→水洗、干燥→皂洗、水洗、干燥。

1.3 測試指標

1.3.1 上染率

K=(1-nA1/mA0)×100%

式中,K為上染率,m、n為染色前后染液稀釋倍數(shù),A0、A1為染色前后染液m/n倍后的光密度。

1.3.2 色 差

本研究染色織物的色度指標采用X-Rite530色差計進行測定,其中,ΔE代表色差,L*代表明度值,a*代表偏紅或偏綠值(+a*:偏紅；-a*:偏綠),b*代表偏黃或偏藍值(+b*:偏黃；-b*:偏藍)。計算出c*,c*代表彩度值,值越大說明顏色越純。

1.3.3 染色牢度

染色織物的耐洗、摩擦牢度分別按GB/T 3921.1—1997、GB/T 3920—1997進行測定。

2 結果與討論

2.1 直接染色

根據(jù)影響染色效果的主要因素,采用L9(34)正交試驗表進行正交試驗,浴比定為1∶40,試驗結果見表1。由表1可以看出染色工藝參數(shù)對ΔE及上染百分率的影響依次為:染液質量濃度>pH>溫度>染色時間。從表1還可以看出,3號工藝條件得色最深,紫甘薯紅色素溶解性好,染液濃度大織物得色深,而色素的顏色會隨pH的變化而變化,則樣品的色差及上染率受pH的影響很大,需要進一步進行單因素分析。

表1 紫甘薯紅色素直接染牛奶纖維織物正交試驗結果

Tab.1 Orthogonal testing result and analysis of milk protein fabric dyed with PSPC using direct dyeing

序號pHρ(染液)/(g·L-1)θ/℃t/minΔEK/%131603027.6339.2233805041.2752.83351007044.1756.9451807016.1428.3553605031.5642.66551003041.8453.37711005013.8124.2873607026.2738.5975803029.9940.6ΔEKk137.6919.1929.1333.15k229.8533.0331.9128.87k323.3638.6730.1828.86R14.4319.482.784.29k149.6330.5740.1044.37k241.4044.6340.5739.87k334.4350.2744.8041.23R15.2019.704.704.50

2.2 單因素分析

2.2.1 染液質量濃度對染色效果的影響

染液質量濃度對顏色特征值的影響見圖1。

圖1 染液質量濃度與顏色特征值關系

Fig.1 Relation between dye bath concentration and color value

從圖1中可以看出,隨著染液質量濃度的增加,色差ΔE、彩度c*也隨之增大,但明度L逐漸減小,當染液濃度到達6 g/L時,再增加染液質量濃度色差無明顯變化。從圖2可以看出織物在6 g/L的上染率最大。這是由于織物與色素之間的分子間力以及織物對色素的物理吸附能力是有限的,當濃度達到某一臨界值時,織物達到飽和,織物的色差將不隨染液濃度的增加而增大,故紫甘薯紅色素最佳上染質量濃度為6 g/L。

圖2 染液質量濃度與上染率的關系

Fig.2 Relation between dye bath concentration and dye-uptake percentage

2.2.2 染液pH對染色效果的影響

染液pH對顏色特征值的影響見圖3。從圖3中可以看出,隨著染液pH的增大,色差ΔE、彩度c*先增大后減小,但明度L*先減小后增大,在pH=3時色差值達到最大。從圖4中可以看出上染率在pH=3時達到最大。由于牛奶纖維的等電點為4,染液pH<4時,纖維帶正電荷;pH≥4時纖維帶負電荷。色素與牛奶纖維以離子鍵或范德華力和氫鍵的結合方式而上染,色素在等電點以下上染織物能使ΔE增大,但是酸性太強又容易損傷到纖維的物理性能,且上染效果也不太好,因此選擇最佳pH為3。

圖3 pH與顏色特征值關系

圖4 染液pH與上染率的關系

Fig.4 Relation between pH value and dye-uptake percentage

綜上所述,紫甘薯紅色素用于牛奶纖維織物染色的直接染色最佳工藝條件為:染液pH為3,染液質量濃度為6 g/L,染色溫度為80 ℃,染色時間為40 min,浴比為1∶40。

2.3 預媒染色

采用黃土、鋁鹽、鐵鹽3種媒染劑進行預媒染色,其結果見表2。由表2可以看出,色差及上染率普遍提高,紫甘薯紅色素中含有大量羥基,能夠與Fe2+、Al3+等金屬離子形成絡合物,牛奶纖維中的氨基、羥基等也可與金屬離子以配位鍵結合,通過金屬離子把色素與牛奶纖維結合起來,提高上染率和染色牢度。但媒染劑的類型不同,影響因素的主次存在大的差異,對于黃土,最大的影響因素是媒染溫度,而對于鋁鹽和鐵鹽是媒染劑的用量;預媒染的上染率也有較大的變化,鐵鹽的上染率最高,但色差反而增加不多;鋁鹽的上染率不高,但色差較大。綜上所述,預媒染的最佳工藝條件為

黃土預媒染:處理溫度為70 ℃,媒染劑用量為3%(o.w.f),時間為60 min;

鋁鹽預媒染:處理溫度為70 ℃,媒染劑用量為5%(o.w.f),時間為45 min;

鐵鹽預媒染:處理溫度為50 ℃,媒染劑用量為3%(o.w.f),時間為45 min。

2.4 后媒染色

采用黃土、鋁鹽、鐵鹽3種媒染劑進行預媒染色,其結果見表3。由表3可以看出后媒染沒有預媒染效果好,媒染的條件不同,媒染劑與色素及纖維形成絡合物的能力不同,絡合物的牢固程度也不一樣,因此采用不同的媒染劑會呈現(xiàn)出不同的顏色、染色深度及染色牢度。媒染劑的類型不同,影響因素的主次存在大的差異,對于黃土,最大的影響因素是媒染溫度,而對于鋁鹽和鐵鹽則是媒染劑的用量。上染率也有較大的變化,鐵鹽的上染率最高,但色差反而增加不多;鋁鹽的上染率不高,但色差較大。綜上所述,后媒染的最佳工藝條件為

表2 不同媒染劑預媒染試驗結果與直觀分析

Tab.2 Orthogonal testing result and analysis of soybean protein fabric dyed with PSPC using pre-mordanted dyeing with different mordant

試驗號θ/℃媒染劑用量/%(o.w.f)t/minΔEK/%黃土鋁鹽 鐵鹽黃土鋁鹽鐵鹽15013049.0752.7346.8964.162.772.325034550.2454.8649.7865.963.976.735056051.5660.2445.4766.868.471.446014552.6259.2348.8168.767.874.756036054.8750.8743.6971.660.370.966053053.6458.4743.5770.867.569.177016057.8056.9446.4374.566.175.487033055.0253.3248.7370.163.773.997054554.3054.8342.2171.464.868.7ΔE黃土鋁鹽鐵鹽k150.2953.1652.58k253.7153.3852.39k355.7153.1754.74R5.420.222.35k155.9456.3056.17k256.1954.3556.30k356.3657.8556.02R0.423.500.28k147.3847.3846.40k245.3647.4046.93k345.7943.7545.20R1.583.651.73K黃土鋁鹽鐵鹽k165.6069.1068.57k270.3769.2068.67k372.0069.6770.97R6.400.572.40k165.0065.5364.63k265.2062.6365.50k364.8766.9064.93R0.334.270.57k173.4774.1371.77k271.5773.8373.37k372.6769.7372.57R1.904.401.60

表3 不同媒染劑后媒染試驗結果與直觀分析

Tab.3 Orthogonal testing result and analysis of soybean protein fabric dyed with PSPC using after-mordanted dyeing with different mordant

試驗號θ/℃媒染劑用量/%(o.w.f)t/minΔEK/%黃土鋁鹽 鐵鹽黃土鋁鹽鐵鹽15013049.7042.0049.7467.059.467.725034546.4841.5850.2168.257.868.735056045.0744.9653.4666.858.673.146014543.0645.4950.9562.261.768.656036037.5140.7554.1757.453.374.866053042.4544.3350.9761.760.168.777016040.8343.1745.7262.363.463.887033048.0340.9849.4369.255.867.297054544.0946.3353.5363.861.274.4ΔE黃土鋁鹽鐵鹽k147.0844.5346.72k241.0144.0144.54k344.3243.8742.13R5.820.664.59k142.8443.5542.44k243.5241.1044.47k343.4945.2142.96R0.874.112.03k151.1348.8051.11k252.0350.2051.56k349.5653.7250.05R2.474.921.51K黃土鋁鹽鐵鹽k167.3363.8365.97k260.4364.9364.73k365.1064.1062.16R6.901.103.81k158.6061.5058.43k258.3755.6360.23k360.1359.9758.43R1.765.871.80k169.8366.7068.86k270.7070.0270.56k368.4772.0770.57R2.235.371.71

黃土后媒染:處理溫度為50 ℃,媒染劑用量為1%(o.w.f),時間為30 min。

鋁鹽后媒染:處理溫度為60 ℃,媒染劑用量為5%(o.w.f),時間為45 min。

鐵鹽后媒染:處理溫度為60 ℃,媒染劑用量為5%(o.w.f),時間為45 min。

3 結果分析

3.1 材料分析

3.1.1 牛奶纖維的形態(tài)結構

牛奶蛋白纖維的橫截面及表面形態(tài)的掃描電子顯微鏡照片如圖5所示。由圖5可觀察到纖維的縱向表面有不規(guī)則的溝槽和海島狀的凹凸,纖維的橫截面呈扁平狀、啞鈴形或腰圓形,屬于異形纖維,并且在截面上有細小的微孔?？梢?不光滑的表面更有利于色素的上染,牛奶纖維用于服用有更好的吸濕透氣性。

圖5 牛奶纖維的結構掃描圖

3.1.2 紫甘薯紅色素的紅外吸收光譜

圖6 紫甘薯紅色素的紅外吸收光譜圖

3.1.3 牛奶纖維紅外光吸收譜圖

牛奶纖維的紅外光譜如圖7所示。牛奶纖維為蛋白質與丙烯腈接枝共聚,從圖7中可以看出牛奶纖維的主要成分為C≡N、—OH、酰胺鍵等基團。在紅外光譜圖中顯示出吸收光譜為2 244.01 cm-1吸收峰可以看出牛奶纖維的特殊基團—C≡N基團,牛奶蛋白質中含有少量的—OH,在紅外光譜中顯示出吸收光譜為3 431.42 cm-1吸收峰,圖中有兩處顯示酰胺鍵的峰位,酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ在紅外光譜圖中顯示的其吸收光譜為1 650.89、1 542.22 cm-1的吸收峰。

圖7 牛奶纖維的紅外吸收光譜圖

通過譜圖及掃描圖,則知色素與纖維結合速度會很快,主是色素中的—O—、—OH等與牛奶纖維中—OH、酰胺鍵等基團以氫鍵的關系結合來上染。

3.2 色 澤

表4為紫甘薯紅色素用于牛奶纖維織物染色試樣對比測試結果,綜合分析不同染色方法和媒染劑對牛奶纖維織物染色的色澤差異。直接染色、鋁鹽后媒染布樣明度和色彩純度較高；鐵鹽預媒染和后媒染布樣明度及色彩純度較低,色澤偏藍。

表4 牛奶纖維織物染色試樣色澤對比分析結果

Tab.4 Comparison of milk protein fabric dyed with PSPC

布樣ΔEL?c?a?b?原樣85.926.22-0.45+5.52直接染色51.5353.4031.9535.65-4.29黃土預媒染57.1147.2426.2537.12-6.24鋁鹽預媒染60.6741.4925.4836.45-4.87鐵鹽預媒染50.5337.838.126.65-8.24黃土后媒染51.1146.8228.4528.18-9.63鋁鹽后媒染49.2553.9332.8133.30-3.87鐵鹽后媒染54.5337.7312.2410.26-16.86

3.3 色牢度

由紫甘薯紅色素用于牛奶纖維染色后色牢度的測試結果(表5)可知,直接染色摩擦色牢度較好,但是皂洗牢度較差;預媒染與后媒染都可以提高染色織物的皂洗牢度,黃土和鋁鹽媒染的效果最好。

表5 紫甘薯紅色素用于牛奶纖維織物的色牢度測試結果

Tab.5 Comparison of milk protein fabrics’ fastness dyed with PSPC

染色類型皂洗牢度摩擦牢度棉沾色毛沾色褪色干摩擦濕摩擦直接染色33354～5黃土預媒染色3～4444～54鋁鹽預媒染色3～43～444～54鐵鹽預媒染色3～43～444～54黃土后媒染色3～44454鋁鹽后媒染色3～4444～54鐵鹽后媒染色3～43～444～54

4 結 論

(1)通過對紫甘薯紅色素直接上染的正交試驗結果分析,染液的濃度和pH是影響織物染色效果的主要因素。直接染色最佳工藝條件為:染液pH=3,染液質量濃度為6 g/L,染色溫度為80 ℃,染色時間為40 min,浴比為1∶40。

(2)紫甘薯色素用于牛奶蛋白織物直接染色,可得到鮮艷的紫紅色,且染色牢度達到3級以上;紫甘薯紅色素直接上染牛奶蛋白織物有較好的摩擦色牢度,但皂洗牢度較差,媒染可明顯提高其皂洗牢度;預媒染與后媒染相比,預媒染效果較佳,色彩紅艷;鐵鹽在后媒染中,體現(xiàn)出了其增色效果,上染率大,但上染效果不穩(wěn)定且顏色發(fā)暗。

(3)織物經(jīng)過媒染后,色牢度、色差和上染率都有明顯的提高。黃土預媒染工藝:處理溫度為70 ℃,媒染劑用量為3%(o.w.f),時間為60 min;鋁鹽預媒染工藝:處理溫度為70 ℃,媒染劑用量為5%(o.w.f),時間為45 min;鐵鹽后媒染工藝:處理溫度為60 ℃,媒染劑用量為5%(o.w.f),時間為45 min。

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