基于Box-Behnken實驗設(shè)計優(yōu)化棉桿皮染料提取及對真絲織物的染色研究

佟澤毅，徐紅

（新疆大學紡織與服裝學院，新疆烏魯木齊830000）

棉桿焚燒處理，一方面極容易引發(fā)火災(zāi)，另一方面改變了土壤結(jié)構(gòu)，破壞了生態(tài)平衡[1]。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，棉桿皮干涸后呈現(xiàn)棕紅色[2]。本研究對棉桿皮染料的提取以及染色做了大量實驗，分別以吸光度和K/S值作為衡量指標，優(yōu)化了提取工藝及染色工藝。

1 實驗

1.1 材料和儀器

材料：新疆昌吉棉桿皮，100%真絲織物（市售），醋酸、碳酸氫鈉（分析純），蒸餾水。

儀器：JA2003N電子天平（上海佑科儀器儀表有限公司），電熱恒溫水浴鍋（北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司），UV759S紫外可見分光光度計（上海精科實業(yè)有限公司），循環(huán)水式真空泵，PHS-3C型酸度計（上海霄盛儀器制造有限公司），HunterLab Ultra Scan PRO色差儀[亨韻鼎（香港）集團有限公司]。

1.2 提取工藝

棉桿皮剪碎→水浴浸提→離心（5 min左右）→抽濾→棉桿皮染料提取液。

1.2.1 單因素實驗

料液比：準確稱量5份2.000 g棉桿皮，剪碎，加入蒸餾水，以不同料液比在水浴環(huán)境下浸提1 h，溫度為80℃，浸提后進行抽濾，吸取上層清液1 mL，定容至50 mL，于紫外可見分光光度計上測最大吸光度。

浸提時間：準確稱量5份2.000 g棉桿皮，剪碎，加入蒸餾水，料液比為1∶10，在水浴環(huán)境下分別浸提不同時間，溫度為80℃，浸提后進行抽濾，吸取上層清液1 mL，定容至50 mL，于紫外可見分光光度計上測最大吸光度。

浸提溫度：準確稱量5份2.000 g棉桿皮，剪碎，加入蒸餾水，料液比為1∶10，在不同溫度的水浴環(huán)境下浸提80 min，浸提后進行抽濾，吸取上層清液1 mL，定容至50 mL，于紫外可見分光光度計上測最大吸光度。

1.2.2 Box-Behnken實驗設(shè)計

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，選擇影響色素提取的3個主要因素，即料液比（A）、浸提時間（B）、浸提溫度（C），以吸光度為響應(yīng)值，采用Design Expert的Box-Behnken實驗優(yōu)化方法[3-11]，優(yōu)化棉桿皮染料的提取工藝。

1.3 直接染色單因素實驗

pH：剪取一定質(zhì)量的真絲織物，分別放入不同pH的棉桿皮提取液中染色，染色時間50 min，染色溫度80℃，浴比1∶30。

染色時間：剪取一定質(zhì)量的真絲織物，放入pH為4的棉桿皮提取液中，80℃染色不同時間，浴比為1∶30。

染色溫度：剪取一定質(zhì)量的真絲織物，放入pH為4的棉桿皮提取液中，于不同溫度下染色50 min，浴比為1∶30。

浴比：剪取一定質(zhì)量的真絲織物，放入pH為4的棉桿皮提取液中，調(diào)節(jié)浴比后80℃染色50 min。

1.4 K/S值測試

用測色配色儀檢測，測試3次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 提取單因素實驗

2.1.1 浸提時間

由圖1可知，浸提時間小于80 min時，隨著浸提時間的延長，吸光度逐漸上升，棉桿皮天然染料的提取效果越來越好，但是當浸提時間超過80 min后，吸光度呈現(xiàn)下降趨勢。棉桿皮的主要成分有纖維素、半纖維素、果膠質(zhì)、木質(zhì)素、蠟質(zhì)[單寧（結(jié)構(gòu)式如下）、水溶物、有機溶劑、色素、灰分等][12]，浸提液體屬于蠟質(zhì)類物質(zhì)[13]，吸光度下降可能是由于加熱時間過長，棉桿皮浸提液中的單寧、色素受到破壞，而浸提液本身顯酸性也可能是由于單寧物質(zhì)的存在。至于天然色素的結(jié)構(gòu)組成，目前還沒有明確的文獻解釋說明。綜上所述，浸提時間選擇80 min為宜。

圖1 浸提時間對提取液吸光度的影響

2.1.2 浸提溫度

由圖2可知，隨著溫度的升高，吸光度整體呈現(xiàn)上升趨勢，但是在80℃達到最低，為0.621 6，這可能是由于在此溫度下，浸提液體中的蠟質(zhì)伴生物呈現(xiàn)不溶狀態(tài)，將單寧、天然色素分子進行包裹，從而導(dǎo)致吸光度最低。90℃時吸光度達到最大，可能是由于伴生物逐步溶解，均勻分布在溶液中。所以浸提溫度選擇90℃。

圖2 浸提溫度對提取液吸光度的影響

2.1.3 料液比

由圖3可知，隨著料液比的增大，吸光度逐漸減小，色素提取效果逐漸變差，吸光度在料液比為1∶10時最大，達到0.833 0，色素提取效果最好。這可能是由于料液比增大會稀釋色素濃度，從而導(dǎo)致吸光度下降。雖然1∶10不是單因素實驗的拐點，但是出于實際考慮，小于1∶10的情況不利于棉桿皮的浸沒，屬于不充分反應(yīng)狀態(tài)，所以料液比選擇1∶10。

圖3 料液比對提取液吸光度的影響

2.2 Box-Behnken實驗結(jié)果分析

在單因素實驗的基礎(chǔ)上，使用Design Expert 11軟件設(shè)計3因素3水平共17個響應(yīng)面實驗[14]，實驗方案及結(jié)果見表1。

表1 Box-Behnken實驗設(shè)計方案及其結(jié)果

通過Design Expert 11軟件對表1實驗結(jié)果進行多元回歸擬合，得到二次多項回歸方程：Y=0.989 1-0.221 5A-0.024 5B+0.102 6C-0.018 1AB-0.020 7AC-0.147 6BC+0.002 1A2-0.077 6B2+0.029 3C2，對此模型進行擬合后可知，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.858 9，說明二次多項回歸方程與實際情況擬合程度較好，可以用來預(yù)測分析。

由表2可知，模型P值為0.026 3＜0.05，模型為顯著，失擬項P值為0.935 8＞0.05，失擬項不顯著，說明此二次多項回歸方程可以用于預(yù)測棉桿皮染料的提取優(yōu)化過程。從單因子顯著性檢驗可以看出A＞C＞B，說明各單因素對吸光度的影響是料液比＞浸提溫度＞浸提時間。在交互影響的顯著性檢驗中，只有BC的P值＜0.05，表明浸提溫度和浸提時間交互作用對吸光度的影響較為顯著。

表2 二次多項式的顯著性檢驗

2.2.1 二維等高線圖分析

從圖4中可以看到，浸提時間為79～81 min，浸提溫度為89～91℃時，吸光度較大，浸提效果較好。

圖4 浸提溫度、浸提時間交互作用的二維等高線圖

2.2.2 三維響應(yīng)面分析

從圖5中可以看到，隨著浸提溫度的升高及浸提時間的延長，吸光度顯現(xiàn)先上升后逐漸下降的趨勢。當浸提時間為75～80 min時，吸光度隨著浸提溫度的升高而增大；而浸提時間為81～85 min時，吸光度隨著浸提溫度的升高而降低。同理可知固定浸提溫度，吸光度隨著浸提時間的變化情況。所以，選擇合適的浸提溫度、浸提時間對于提取效果很重要。

圖5 浸提溫度、浸提時間交互作用的三維響應(yīng)面圖

2.2.3 Box-Behnken實驗驗證

根據(jù)二維等高線圖、三維響應(yīng)面圖及方程對提取工藝參數(shù)進行估計，將吸光度達到最大作為優(yōu)化目標，得到預(yù)測的優(yōu)化工藝：料液比1∶7.158，浸提時間79.857，浸提溫度94.994，但考慮到實際可操作性，料液比、浸提時間、浸提溫度分別選擇1∶7.2，80 min，95℃。在此工藝下，預(yù)測吸光度將達1.356 0，將預(yù)測優(yōu)化工藝平行實驗5次，取平均值為1.147 9，與預(yù)測值比較接近，說明該模型適用于棉桿皮染料的優(yōu)化提取。

2.3 染色單因素實驗

2.3.1 染液pH

pH對K/S值的影響見圖6。

圖6 pH對K/S值的影響

由圖6可知，在pH＜4時，K/S值隨著染液pH的增大而增大，在pH=4時，K/S值達到最大，在pH＞4時，K/S值急劇下降，這是由于真絲中的絲素等電位點為3.5～5.2，當染液pH小于絲素的等電位點時，真絲纖維顯正電，而棉桿皮提取液顯負電，利于真絲織物的上染[15]。但是當染液pH大于絲素的等電位點時，真絲纖維顯負電，棉桿皮提取液顯負電，此時染料分子想要進入到真絲纖維空隙并發(fā)生吸附變得困難，所以，染液pH選擇4較為適宜。

2.3.2 染色時間

從圖7中可以看出，染色時間小于60 min時，染色時間越長，染色織物的K/S值越大。但是當染色時間超過60 min以后，織物對于染料的吸附逐漸變差。所以，染色時間選擇60 min較適宜。

圖7 染色時間對K/S值的影響

2.3.3 染色溫度

從圖8中可以看到，前期溫度升高使得K/S值逐漸增大，但是當溫度超過90℃以后，K/S值急劇下降，這是因為雖然溫度升高可以加快染料分子的熱運動，使其更加迅速并且均勻地分布在真絲纖維表面或空隙中，但是當溫度超過臨界點時，染料分子開始變性，對真絲纖維的吸附性下降，從而導(dǎo)致色深降低。所以，染色溫度選擇90℃為宜。

圖8 染色溫度對K/S值的影響

2.3.4 浴比

從圖9可以看出，隨著浴比的增大，K/S值開始逐漸升高，當浴比達到1∶50時，K/S值達到最大，說明此時染液與真絲纖維充分接觸吸附，所以浴比選擇1∶50為宜。

圖9 浴比對K/S值的影響

3 結(jié)論

（1）通過單因素提取實驗和Box-Behnken實驗設(shè)計，得到棉桿皮天然染料提取的最佳工藝：料液比1∶7.2，浸提時間80 min，浸提溫度95℃。

（2）通過單因素染色實驗得到染色工藝：pH=4，染色時間60 min，染色溫度90℃，浴比1∶50。