明膠改性棉織物的茶色素染色性能

吳洋彬，鞏繼賢，婁江飛

(1. 天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實驗室，天津 300387)

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明膠改性棉織物的茶色素染色性能

吳洋彬1，2，鞏繼賢1，2，婁江飛1，2

(1. 天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實驗室，天津 300387)

茶色素易與蛋白質(zhì)、脂類、糖類等生物大分子以各種形式有序地結(jié)合在一起，形成一種穩(wěn)定體系。用明膠改性棉織物以達(dá)到提高茶色素染色效果和織物功能性的目的。實驗從染液pH、染色溫度和染色時間三個方面，根據(jù)染色后對織物上染效果，色牢度以及紫外防護(hù)能力的測試，確定最優(yōu)的工藝條件。對最佳工藝染色織物進(jìn)行抗紫外和抗菌性能測試，其抗紫外性能提高1～2倍，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為70.15%和65.35%。

茶色素 明膠 改性 染色 性能測試

在我國，使用天然染料對織物進(jìn)行染色已經(jīng)具有很長的歷史了。天然染料源自動物、植物以及微生物，具有良好的生物相容性，對環(huán)境的影響較小[1-3]。大多數(shù)天然染料無毒無害,對皮膚無過敏性、無致癌性，并且許多天然染料本身就是良好的抗菌劑[1-5]，還有許多天然染料本身的次生代謝物含有共軛體系可以有效的吸收紫外線，能賦予織物紫外防護(hù)的能力。

本文基于天然色素易與蛋白類物質(zhì)牢固結(jié)合并穩(wěn)定存在，選取商品化蛋白質(zhì)—明膠對棉織物進(jìn)行改性[6-8]。用茶天然色素對其染色，并對染色時的三種影響因素(pH、染色溫度和染色時間)進(jìn)行染色效果，耐磨擦、耐水洗和耐日曬牢度，UPF值分析，找出最佳的染色工藝。對最優(yōu)染色工藝的試樣進(jìn)行抗紫外和抗菌測試分析。

1 實驗部分

1.1 材料

織物：經(jīng)煮練、氧漂的純棉織物(天津永發(fā)織布廠)。

試劑：鐵觀音茶(市售)、高碘酸鈉(天津市光復(fù)精細(xì)化工研究院)、丙三醇(天津市光復(fù)精細(xì)化工研究院)、明膠(天津市光復(fù)精細(xì)化工研究院)、皂片(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 改性棉織物的制備

將棉織物放入3 g/L的高碘酸鈉溶液中，在50℃的恒溫水浴鍋中處理1 h，將處理后的棉織物放入到0.1 mol/L 丙三醇溶液中10 min，洗去殘留的高碘酸鈉溶液。按浴比1：50稱取2g/L的明膠溶液，將氧化處理后的棉織物放入明膠溶液中，在50℃恒溫水浴鍋中處理1 h，將織物取出,水洗，烘干。

1.2.2 茶色素溶液的制取

準(zhǔn)確稱取一定量的鐵觀音茶末，按照干重30g/L的濃度配好水溶液，在電熱套上加熱至煮沸，浸提60 min，隨后過濾并去除濾渣，提取液存入錐形瓶并密封待用。

1.2.3 整理工藝

圖1 染色工藝曲線

1.3 測試

1.3.1 K/S值及色光測定

用Datacolor600型分光測色儀在織物上均勻的取8個點(diǎn)測定各織物的L*、a*、b*和K/S值。采用D65光源，10 °視場，試樣測定4次取平均值。

1.3.2 色牢度測試

耐摩擦色牢度依照GB/T 3920-2008《紡織品色牢度試驗?zāi)湍Σ辽味取窚y定。

耐洗色牢度依照GB/T 3921-2008《紡織品 色牢度試驗?zāi)驮硐瓷味龋涸囼?》測定。

耐曬色牢度依照GB/T 8427-2008《紡織品 色牢度試驗?zāi)腿嗽旃馍味龋弘　窚y定。

1.3.3 抗紫外性能測試

參照美國AATCC 183-2004測試標(biāo)準(zhǔn)，使用CamspecM350型紫外可見分光光度計，測定染色后棉織物在波長280～400 nm范圍內(nèi)的UPF值。

1.3.4 抗菌性測試

參照美國AATCC100-2004測試標(biāo)準(zhǔn),對織物的抗菌性能進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性棉織物染色工藝優(yōu)化

2.1.1 pH值對染色效果的影響

茶色素在不同pH時穩(wěn)定性不同，溶液的顏色也會發(fā)生變化[9-11]。隨著pH的增加，顏色由草綠色(pH=3)變?yōu)樽攸S色(pH=5～6)，pH繼續(xù)變大，顏色為深棕色(pH=7)，直至黑褐色(pH=10)。染色時，當(dāng)染液的pH不同時，茶色素對織物上染的效果也不同。對不同pH條件下的染色織物測試其K/S、L*、a*和b*值，結(jié)果如表 1。

表1 pH對染色效果的影響

由上表可知，鐵觀音茶色素染色，在pH小于6時，隨著pH值增大，織物的顏色越來越深，當(dāng)pH大于6時，隨著pH的增大，顏色逐漸變淺。而pH值的變化對L*、a*和b*值影響不大，織物的整體顏色也相近。pH=6是茶色素上染明膠改性織物的一個染色轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也是著色最深的點(diǎn),這可能是因為pH會影響茶色素分子中酚羥基的活性，使其與蛋白質(zhì)分子中的羧基結(jié)合發(fā)生變化，影響染色的效果和染色的牢度。

為考察不同pH的茶色素溶液染色織物的色牢度，分別對不同pH下染色織物的耐摩擦、耐水洗和耐日曬牢度進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表2。

由表2可知，pH過小或過大時，織物的色牢度有一定程度的減小，這是因為pH過小或過大都會改變茶色素的性質(zhì)，使其與織物的結(jié)合力減弱。當(dāng)pH處于5～7之間時，影響較小，摩擦牢度有0.5～1級提升，耐水洗牢度有1～2級提升，耐日曬牢度有0.5級提升?？傮w上，明膠改性后，染色織物的牢度都比較高，在4或者4～5級。結(jié)合表1，pH=6為最優(yōu)pH。

表2 pH對染色織物的各項牢度的影響

天然染料大都具有抗紫外的功能，為了表征不同pH下的染色織物的抗紫外性能，對茶提取液染色織物進(jìn)行UPF測試，測試結(jié)果如下頁圖2。

由下頁圖2可知，當(dāng)pH較小或較大時，織物的紫外防護(hù)能力都較低，當(dāng)pH在5～7之間的時候，其紫外防護(hù)能力差距較小，且效果較好。這也能反應(yīng)出茶色素與蛋白質(zhì)的結(jié)合比較容易，染色織物的UPF值相差都不太大。綜合考慮之后，我們選擇pH=6作為最優(yōu)pH。

圖2 pH對UPF值的影響

2.1.2 染色溫度對染色效果的影響

染色溫度不同，會影響茶色素與織物上的蛋白質(zhì)分子的結(jié)合速率。溫度升高，茶提取液中茶色素分子的活性增加，分子的動能也會增加，在與蛋白質(zhì)分子結(jié)合時，結(jié)合的速率和量都會增加。對不同溫度下染色織物測試其K/S、L*、a*和b*值，結(jié)果如表3。

由表3可知，隨著溫度的升高，K/S值先增大后減小，染色織物的顏色也是先加深后變淺，L*、a*和b*值也會有相似的變化。這說明在染浴溫度小于100 ℃時，隨著溫度的上升棉纖維的膨脹程度上升，纖維被打開，同時茶色素分子在染液中的動能增加增加，使色素大量與蛋白質(zhì)結(jié)合附著在纖維表面，也有一部分茶色素分子會進(jìn)入到膨脹的纖維內(nèi)部，使織物顏色加深。當(dāng)溫度大于100 ℃時，這種影響逐漸減弱，織物顏色變淺。

表3 染色溫度對染色效果的影響

為考察不同染色溫度下染色織物的色牢度，對染色織物進(jìn)行耐摩擦、耐水洗和耐日曬牢度測試，測試結(jié)果如表4。

表4 染色溫度對染色各項牢度的影響

由表4可知，當(dāng)溫度過低時，染色織物的干、濕摩擦牢度、耐水洗牢度和耐日曬牢度均較低，這是由于染色溫度不夠，茶色素與織物表面結(jié)合不牢固易脫落引起的。溫度在100℃～110℃時，染色織物的各項牢度就比較大，有0.5～1級的提升。所以，結(jié)合表3選擇100℃為最優(yōu)的染色溫度。

由于鐵觀音和羅布麻茶葉中含有的多酚類物質(zhì)對紫外線有一定的吸收作用，為檢測經(jīng)過不同染色溫度的茶葉染色后的織物的抗紫外線性能，對織物進(jìn)行抗紫外線的測試，結(jié)果如圖3所示：

圖3 染色溫度對UPF值的影響

圖3可知，隨著溫度的升高，織物的紫外線防護(hù)能力越好，這說明溫度的升高使多酚類物質(zhì)與織物的結(jié)合量更大，效果更好。在100℃達(dá)到最佳，此后隨著溫度的增加紫外線防護(hù)能力會有一個輕微下降。并且羅布麻茶染色后的織物的紫外線防護(hù)效果較鐵觀音茶染色的織物較好。

2.1.3 染色時間對染色效果的影響

染色過程中，達(dá)到設(shè)定溫度后，染色時間的長短也會影響茶色素與纖維的結(jié)合作用，染色時間增長，茶色素與蛋白質(zhì)分子的結(jié)合更充分，色素的上染量也會增加。從而使茶色素的上染率有所不同。對不同染色時間下染色織物的K/S、L*、a*和b*值進(jìn)行了測試，結(jié)果如表5。

表5 染色時間對染色效果的影響

由表5可知，K/S值的變化是先增加，之后趨于平緩。這說明隨著染色時間的延長，纖維上的蛋白質(zhì)分子與色素分子結(jié)合的量增多，附著在纖維上的色素的量增加，使染色織物的顏色越來越深。在染色時間為60 min時，染色基本已達(dá)到飽和，繼續(xù)增加時間并不能使織物的顏色有很大的提高。

為考察不同染色時間下的茶色素溶液染色織物的色牢度，對不同染色溫度下染色織物的耐摩擦、耐水洗和耐日曬牢度進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表6。

表6 染色時間對織物各項牢度的影響

由表6可知，染色時間對色牢度的影響較小，色牢度等級均能達(dá)到4或者4～5級，日曬牢度也能達(dá)到3～4級，說明茶色素分子與明膠蛋白分子的結(jié)合受染色時間的影響較小。結(jié)合表5選擇60min為最優(yōu)的染色時間。

為檢測經(jīng)過不同染色時間的茶提取液染色后的織物的抗紫外線性能，對不同染色時間的染色織物進(jìn)行抗紫外線的測試，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著保溫時間的增加，UPF會有一個小范圍的增長，但隨后隨著時間的增加，UPF指數(shù)基本保持一個相同的水平，變化較小。說明在此條件下，染色時間的延長并不能使上染的茶色素的量有顯著的變化，染色織物的抗紫外能力達(dá)到了最大的防護(hù)能力。因此綜合實驗結(jié)果來看，選擇保溫時間為60min較為合適。

圖4 染色時間對織物UPF值的影響

2.2 抗紫外和抗菌性能測試

天然產(chǎn)物，尤其是植物中的天然化合物，許多都具有藥效成分，是天然的抗菌劑。還有許多次生代謝物含有共軛體系，可以用作紫外線吸收劑。茶提取液中的茶色素含有共軛結(jié)構(gòu)、芳環(huán)結(jié)構(gòu)和氫鍵，芳香環(huán)上連接有發(fā)色基團(tuán)(C=O，-CH=CH-，-C=N，CH3-O-，C-S，-NO3等)，具有良好的抗紫外性能和抗菌性能。對未改性染色織物和染色織物的抗紫外線性能和抗菌性能進(jìn)行測試，結(jié)果如表7和表8。

從圖5中可以得出，未處理的織物染色后，抗紫外的能力很低，而處理過后的織物染色后抗紫外能力有了很大的提升。從表7中可以得出，明膠改性織物具有一定的抗菌性相比于棉織物，而染色后的織物在大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制率上都有明顯的提高，都大于70 %，符合抗菌性服用紡織品的要求，因此，茶多酚類物質(zhì)具有良好的抗菌性，可以用于抗菌類織物的整理。

表7 未改性染色織物和改性染色織物的UPF，T(UVA)% 和T(UVB)%值

表8 未改性染色織物和改性染色織物的的抗菌性能

3 結(jié)論

(1)通過研究明膠改性棉織物染色時的三個影響因素，染液pH、染色溫度和染色時間，得到改性織物最優(yōu)的染色工藝，染液pH=6，染色溫度為100 ℃，染色時間為60 min，

(2)棉織物通過明膠蛋白改性處理，染色時，蛋白質(zhì)分子能與茶色素分子牢固結(jié)合，提高織物的染色效果和染色牢度。

(3)染色織物不僅耐摩擦、耐水洗和耐日曬牢度得到了提升，同時織物的抗紫外性能也有2～3倍的提升，抗菌性也得到了極大的提高。

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Dyeing Property of Tea Pigment of Gelatin Modified Cotton Fabric

WUYang-bing1,2,GONGJi-xian1,2,LOUJiang-fei1,2

(1. College of Textile,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387; 2.Key Laboratory of Advanced Textile Composites of Ministry of Education, Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387)

Tea pigment is apt to combine orderly with large bio-macromolecule such as proteins,lipids and carbohydrate to form a kind of stable system. Gelatin was used to modify cotton fabric in order to improve the dyeing effect of tea pigment and fabric functions. Based on the test results of dyeing effect,color fastness and UV protection ability of dyed fabric,the optimal processing conditions were determined from three aspects including pH value of dyeing solution,dyeing temperature and time. Anti-UV and antibacterial properties test of dyed fabric was conducted. The results showed that Anti-UV property was improved 1～2 times and antibacterial rate of Escherichia coli and Staphylococcus aureus were 79.15% and 75.35% respectively.

tea pigment gelatin modification dyeing property test

2017-02-25

國家自然科學(xué)基金項目(31200719,51403152,51473122)；國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2016YFC0400503-02)；天津工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目201410058085；石獅市科技計劃項目2013SF25。

鞏繼賢(1975-)，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：天然染料的染色應(yīng)用。

TS193

A

1008-5580(2017)02-0086-05