紫甘薯紅色素上染柞蠶絲織物的染色性分析

殷 雪, 吳 堅(jiān), 肖 小 月, 王 堃

( 大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

隨著合成染料的問世,最早用于紡織品的植物染料漸漸淡出歷史舞臺,在崇尚生態(tài)健康,回歸自然的21世紀(jì),人們環(huán)保意識不斷增強(qiáng),對身體健康亦更加關(guān)注,對紡織品安全和環(huán)保性能的要求不斷提高,天然染料憑借其無毒害、色澤柔和、與環(huán)境友好和生物可降解性等良好性能,再次受到人們的重視。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水溶性色素[1],顏色鮮艷,穩(wěn)定性好,著色力強(qiáng),資源豐富[2],天然無毒害,長期食用能除去活性氧,具有預(yù)防高血壓、改善肝臟功能、減少基因突變、抑制誘癌物質(zhì)的產(chǎn)生、改善視力等保健作用[3-4],現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于食品、藥品、化妝品等領(lǐng)域,但是在紡織行業(yè)的應(yīng)用還處于初級階段,還未見到有關(guān)紫甘薯上染柞蠶絲織物的報道。作者以明度、飽和度、色差和上染率為檢測指標(biāo),對紫甘薯紅色素上染柞蠶絲織物的染色效果進(jìn)行了研究。

1 紫甘薯紅色素的化學(xué)成分和上染機(jī)理

1.1 紫甘薯紅色素的化學(xué)成分

紫甘薯所含的色素屬于花青苷類色素,是具有以C6—C3—C6為基本骨架的類黃酮結(jié)構(gòu),紫甘薯紅色素的成分比較復(fù)雜,其主要成分為?；氖杠嚲账睾蜕炙幩氐然ㄉ豙5]。

1.2 上染機(jī)理

紫甘薯紅色素是一種酸性染料,在酸性條件下,主要是以紅色的吡喃型陽離子結(jié)構(gòu)存在,溶液色強(qiáng)較高[6],分子上含有大量的羥基,與柞蠶絲上的羧基形成氫鍵,同時帶有與柞蠶絲相反的電荷,發(fā)生離子鍵的結(jié)合,因而易于上染柞蠶絲,且具有較高的色牢度。

2 試 驗(yàn)

2.1 材料與儀器

樣品:柞蠶絲坯布。

材料與試劑:紫甘薯紅色素(粉末)；亞硫酸鐵；乙酸、氫氧化鈉,沈陽市聯(lián)邦試劑廠；中性皂粉。

儀器:CM-3600d分光測色儀,恒溫水浴鍋,V-5000型可見分光光度計,電子天平,耐水洗色牢度檢測儀,紡織品摩擦色牢度儀,烘箱,BZGY908標(biāo)準(zhǔn)光源箱等。

2.2 染色方法

直接染色:配制紫甘薯染液并調(diào)至規(guī)定的pH,恒溫水浴鍋加熱至60 ℃,織物入染,加熱升到指定溫度恒溫染色,取出水洗,皂洗,自然晾干。

預(yù)媒染色:媒染→染色→水洗→皂洗、水洗、干燥。

2.3 檢測指標(biāo)

2.3.1 色 差

采用分光測色儀對染色織物的色差進(jìn)行測試: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(lán)值(+b*:偏黃；-b*:偏藍(lán));c*代表彩度值,值越大說明顏色越純。

2.3.2 上染率

上染率=(A0-A1)/A0

式中,A0為染色前染液吸光度,A1為染色后染液吸光度。

2.3.3 色牢度

染色織物的耐洗、耐摩擦色牢度分別按GB/T 3921.1—1997、GB/T 3920—1997進(jìn)行測定。

3 結(jié)果與討論

3.1 直接染色

根據(jù)染色的主要影響因素,對紫甘薯直接上染羊毛織物進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn),浴比為1∶40。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 紫甘薯紅色素直接染柞蠶絲正交試驗(yàn)結(jié)果

Tab.1 Orthogonal testing result of tussah silk fabric dyed with PSPC using direct dyeing

序號pHρ(染液)/(g5L-1)θ/℃L*c*ΔE1237061.37-5.4612.652248061.52-3.8220.563259062.63-4.6520.944438061.89-6.0217.935449062.62-4.2920.846457062.35-3.0423.847639060.28-4.5115.078647060.53-4.0121.569658062.46-3.7720.74L*k161.84061.18061.417k262.28761.55761.957 k361.09062.48061.843R1.1971.3000.540c*k1-4.643-5.330-4.170 k2-4.450-4.040-4.537 k3-4.097-3.820-4.483R0.5461.5100.367ΔEk118.05015.21719.350k220.87020.98719.743k319.12321.84018.950 R2.8206.6230.793

由極差分析可知,各因素對染色織物亮度和色差值的影響先后順序?yàn)?染液質(zhì)量濃度>染液pH>反應(yīng)溫度。染液質(zhì)量濃度增加,ΔE增大,L*也隨著逐漸增大；而隨著pH的增加,ΔE有所增大,L逐漸減小。對飽和度的影響先后順序?yàn)?染液質(zhì)量濃度>反應(yīng)溫度>染液pH。

3.2 直染單因素分析

3.2.1 染液pH

從表1正交試驗(yàn)結(jié)果中可以看出,pH=4時上染率和色差均較好,故染液的pH取3、4、5、6、7,其他條件為:染液質(zhì)量濃度5 g/L,反應(yīng)時間60 min,反應(yīng)溫度80 ℃,浴比1∶40。染液pH單因素分析結(jié)果見圖1。隨著pH的增大,染色織物的色差和上染率先上升后下降,在pH=4時色差最大,上染率最好。紫甘薯紅色素在pH<5時,呈穩(wěn)定的紅色,且與柞蠶絲帶有相反的電荷,利于離子鍵的結(jié)合,易于上染柞蠶絲,因而具有較高的上染率。

3.2.2 染液質(zhì)量濃度

染液質(zhì)量濃度分別取3、4、5、6、7、8 g/L,其他條件分別為:染液pH=4,反應(yīng)時間60 min,染色溫度80 ℃,浴比1∶40。染液濃度單因素分析結(jié)果如圖2所示。隨染液質(zhì)量濃度的增加,染色織物色差逐漸增大,但是當(dāng)質(zhì)量濃度達(dá)到

圖1 pH與色差和上染率的關(guān)系

Fig.1 Relationship between pH and ΔEand dye-uptake percentage

5 g/L后,色差變化幅度不大,上染率先上升后下降,在5 g/L時達(dá)到最大。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(dāng)濃度達(dá)到某一臨界值時,織物達(dá)到飽和,織物的色差將不隨染液濃度的增加而增大,所以最佳的染色質(zhì)量濃度為5 g/L。

圖2 染液質(zhì)量濃度與色差和上染率的關(guān)系

Fig.2 Relationship between dye concentration and ΔEand dye-uptake percentage

染色溫度升高,紫甘薯紅色素的聚集程度下降,柞蠶絲的膨化程度增大,有利于染料在纖維表面的吸附和擴(kuò)散,提高了織物的得色量；當(dāng)溫度達(dá)到一定,織物的得色量趨于平衡,是因?yàn)榭椢镒陨淼馁|(zhì)量一定,其染色最大吸附量也應(yīng)是一定的；當(dāng)織物吸附染料達(dá)到飽和時,染料不能再繼續(xù)上染纖維,隨著溫度升高,此后會稍有下降。在正交試驗(yàn)中,70和80 ℃的得色量相差很小,而一般適宜的染色溫度在80～90 ℃,過高的染色溫度會使染料分解變質(zhì),引起纖維的損傷,所以本試驗(yàn)選取的染色溫度是80 ℃。

綜合正交試驗(yàn)和單因素分析,紫甘薯用于柞蠶絲織物的直接染色最佳工藝條件是:染液pH=4,染液質(zhì)量濃度為5 g/L,染色溫度為80 ℃,染色時間為60 min,浴比為1∶40。

3.3 稀土預(yù)媒染色

紫甘薯用于柞蠶絲織物的直接染色皂洗色牢度略差,探索合理的媒染方法提高其染色牢度?？紤]利用稀土作為一種媒染劑,是因?yàn)樵谔岣咛烊蝗玖仙味鹊耐瑫r,減少紡織品重金屬含量和環(huán)境污染問題。

媒染工藝有預(yù)媒染色、后媒染色和同浴媒染3種工藝。由于紫甘薯紅色素受pH影響顏色變化非常明顯,而所用稀土媒染劑有一定的弱堿性,染色布樣同浴媒染以及后媒染明顯變色,影響染色效果,故本試驗(yàn)采用預(yù)媒染色工藝。

3.3.1 稀土預(yù)媒染色正交試驗(yàn)

根據(jù)影響稀土預(yù)媒染色工藝的主要因素,對紫甘薯預(yù)媒染羊毛織物進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn),結(jié)果見表2。稀土預(yù)媒染工藝:稀土預(yù)媒染→染色→水洗、干燥→皂洗、水洗、干燥。染色工藝條件:染液pH=4,質(zhì)量濃度5 g/L,染色溫度80 ℃,反應(yīng)時間60 min,浴比1∶40。

表2 稀土預(yù)媒染正交試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Orthogonal test result of tussah silk fabric dyed with PSPC using rare pre-mordant dying

序號t/minρ(媒染劑)/(g5L-1)θ/℃L*c*ΔE1301.56056.13-1.6623.402302.57058.53-1.0325.123303.58057.57-1.7423.074451.57057.36-0.4824.075452.58058.92-0.5525.296453.56058.19-1.0823.127601.58056.59-1.6123.618602.56058.45-0.7724.349603.57057.64-1.6724.56L*k157.41056.69357.590k258.15758.63357.843k357.56057.80057.693R0.7471.9400.253c*k1-1.477-1.250-1.170k2-0.703-0.783-1.060k3-1.350-1.497-1.300R0.7740.7140.240ΔEk123.86323.69323.620k224.16024.91724.583k324.17023.58323.990R0.3071.3340.963

由表2極差分析可知,各因素對染色織物亮度和色差值的影響順序?yàn)?媒染劑用量>溫度>時間,各因素對染色織物飽和度的影響相差不大,稀土用量對染色效果的影響較大,所以對稀土濃度進(jìn)行單因素分析。

3.3.2 稀土預(yù)媒染單因素分析

稀土質(zhì)量濃度分別取1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 g/L,其他條件:染液pH為4,媒處理溫度為70 ℃,時間為60 min,浴比1∶40。通過圖3和表2可以看出,隨著稀土用量的增大染色織物的色差值先增大后減??；而織物的上染率也是先增大后減小,上染率和色差值在稀土質(zhì)量濃度為2.5 g/L的時候都達(dá)到最佳值。綜合最佳效果考慮,稀土質(zhì)量濃度為2.5 g/L。

根據(jù)極差和單因素分析可知,稀土預(yù)媒染最佳工藝條件可選為:稀土濃度2.5 g/L,媒處理溫度70 ℃,時間為45 min。

圖3 稀土用量與色差和上染率的關(guān)系

Fig.3 Relationship between the dosage of rare earth and ΔE, dye-uptake percentage

3.4 織物染色特征值的對比

將最佳工藝的直接染色織物和最佳預(yù)媒染色的織物的染色特征值進(jìn)行對比,結(jié)果見表3。由表3可知,稀土媒染后,織物的色差值和明度均有所下降,這是因?yàn)槔w維表面的部分染料只能和稀土形成二維配位鍵,而無法同時與纖維形成三維配位鍵,所以造成部分染料有一定程度的剝落,色差值有所降低。

表3 最佳工藝上染的織物染色特征值

Tab.3 Characteristic value of dyeing by the optimal dyeing tussah silk fabric

布樣L*a*b*c*ΔE直接染色61.3511.95-0.7511.9731.26稀土媒染58.4912.62-0.1012.6226.43

3.5 染色牢度分析

測試直接染色和稀土媒染的柞蠶絲織物的摩擦色牢度和皂洗色牢度,分析紫甘薯紅色素上染柞蠶絲織物的染色效果,結(jié)果見表4。由表4可知,用紫甘薯紅色素直接染色摩擦色牢度要好于皂洗色牢度。稀土預(yù)媒染色可以提高染色織物的摩擦和皂洗牢度。

表4 紫甘薯紅色素上染柞蠶絲織物的色牢度測試結(jié)果

Tab.4 The test results of the fastness of tussah silk fabric dyed with PSPC

染色類型皂洗牢度摩擦牢度棉沾色絲沾色絲褪色干摩擦 濕摩擦柞蠶絲直接染色3～43～43～444柞蠶絲稀土預(yù)媒4～54～544～54～5

經(jīng)媒染后織物皂洗牢度有所提高,因?yàn)橄⊥磷鳛槊饺緞椢镞M(jìn)行媒染染色是紫甘薯紅色素-稀土-織物形成穩(wěn)定絡(luò)合物的過程。稀土離子起絡(luò)合作用,它作為中心離子與作為配位體的帶負(fù)電的染料陰離子絡(luò)合。稀土離子的電子結(jié)構(gòu)可以失去3個電子,原子半徑比其他過渡元素大。在其周圍可容納較多的配位體,配位數(shù)多為6,具有形成絡(luò)合物的強(qiáng)烈傾向。因此紫甘薯紅色素染料、稀土、纖維之間相互作用形成了穩(wěn)定的絡(luò)合物,從而提高染色牢度。

4 結(jié) 論

紫甘薯紅色素可以用于柞蠶絲織物染色,直接上染柞蠶絲的最佳工藝條件為:染液質(zhì)量濃度5.0 g/L,染液pH=4,染色溫度80 ℃,染色時間60 min,浴比1∶40。稀土預(yù)媒染色的最佳工藝:稀土質(zhì)量濃度2.5 g/L,媒處理溫度70 ℃,時間45 min,浴比是1∶40。

紫甘薯紅色素上染柞蠶絲織物,色澤鮮艷,染色牢度較好。稀土預(yù)媒染色的織物色差小于直接染色,但是其皂洗牢度和摩擦牢度優(yōu)于直接染色。

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