咖啡渣提取液對(duì)蠶絲織物的超聲染色研究

彭文芳 黃美瑜

摘要： 為了提高咖啡渣的附加值，以咖啡渣為原料，采用超聲波提取法，以未染色蠶絲織物與染色蠶絲織物的色差值ΔE為指標(biāo)，研究染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、染色時(shí)間、染液pH值、染色溫度、媒染劑對(duì)咖啡渣提取液超聲染色蠶絲織物顏色特征值的影響。結(jié)果表明，超聲染色單因素最優(yōu)工藝為：染色溫度60 ℃、染色時(shí)間40 min、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%、染色pH4.0。超聲波對(duì)咖啡渣色素上染蠶絲織物具有明顯的增艷和增深作用，且能獲得偏紅調(diào)的咖啡暖色系，具有更寬廣的色譜范圍，耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度均達(dá)到服用標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞： 咖啡渣;超聲染色;蠶絲織物;天然染料;顏色特征值

Abstract： In order to increase the added value of coffee grounds， coffee grounds were used as the raw material to study effects of mass fraction of dye solution， dyeing time， pH value of dye solution， dyeing temperature and mordant on the color characteristic value of ultrasonically dyed silk fabric of coffee grounds extract with the ultrasonic extraction method based on the indicator of color difference value ΔE of undyed silk fabric and dyed silk fabric. The results showed the single-factor optimal process for ultrasonic dyeing： dyeing temperature 60 ℃， dyeing time 40 min， mass fraction of dye solution 3.0%， pH 4.0. Ultrasound had obvious brightening and deepening effect on silk fabrics dyed by coffee grounds pigments， and a reddish coffee warm color system could be obtained. It had a wider chromatographic range， and the color fastness to soaping and rubbing could meet the standard of wearing.

Key words： coffee grounds; ultrasonic dyeing; silk fabrics; natural dye; color characteristic value

咖啡是咖啡豆經(jīng)過不同程度的烘焙、研磨后形成的一種棕褐色飲料，具有優(yōu)良的提神效果和醇香口感，隨著人們生活、工作方式的改變，咖啡市場呈現(xiàn)井噴式增長，但工業(yè)生產(chǎn)一噸速溶咖啡粉就會(huì)產(chǎn)生兩噸咖啡渣。目前國內(nèi)外的咖啡渣主要用于肥料、飼料、燃料或高溫碳化制作成咖啡炭纖維[1-3]，作為與茶葉、洋蔥皮并稱的三大天然染色農(nóng)業(yè)廢棄物，其作為天然染料的生態(tài)染色方面卻鮮有研究。

超聲波作為一種高效的物理加工方法，能通過染液產(chǎn)生空化作用，提高染色效率，如李萍等[4]、王亞麗等[5]、柯貴珍等[6]探討了超聲波染色法在紫膠、黃連、石榴皮等幾種天然染料染色中的應(yīng)用。研究結(jié)果表明，超聲染色在增加染色深度及色牢度等方面有促進(jìn)作用。

因此，本文選用咖啡渣為原料，探討咖啡渣提取液在超聲波輔助染色下對(duì)蠶絲織物的上染效果，為咖啡渣在蠶絲織物天然染色應(yīng)用提供理論參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 材 料

蠶絲織物平方米質(zhì)量35 g/m2（市售），碳酸氫鈉、檸檬酸（分析純）、明礬（市售），咖啡豆（馬來西亞）。

1.2 工 藝

1.2.1 染液提取

稱取干燥粉碎的咖啡渣，以蒸餾水為提取劑，在超聲波功率250 W、溫度80 ℃、時(shí)間80 min，質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的條件下進(jìn)行提取，然后用200目的篩網(wǎng)過濾、靜置20 min后，待用。

1.2.2 直接超聲染色工藝

將潤濕后的蠶絲織物投入制備好的染液中，在250 W的超聲功率下，設(shè)置染色時(shí)間20～100 min、稀釋提取液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%～4.0%、溫度40～80 ℃、pH值2.0～6.0，采用單因素控制變量法，探討各因素變化對(duì)超聲上染效果的影響，染色完畢后取出織物，用蒸餾水洗凈、陰干。

1.2.3 前媒染色工藝

以5 g/L的明礬為媒染劑，將潤濕的蠶絲織物放入60 ℃的媒染液中，30 min后取出擠干，分別在常規(guī)和250 W超聲波條件下染色，染畢用藍(lán)月亮手洗液水洗、陰干。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 顏色特征值

以未染色的蠶絲織物為標(biāo)樣，用NH 310色差儀（深圳市三恩馳科技有限公司）在染色織物的不同位置隨機(jī)測(cè)試5次，取平均值。記錄未染色織物與染色織物的色差值ΔE。

1.3.2 色牢度

參考GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗(yàn)?zāi)驮硐瓷味取稟（1）的測(cè)試方法，在40 ℃清洗30 min后測(cè)定耐皂洗色牢度。參考 GB/T 3920—2008《紡織品色牢度試驗(yàn)?zāi)湍Σ辽味取返姆椒ǎ瑴y(cè)定耐摩擦色牢度。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)蠶絲織物超聲染色效果的影響

參考1.2.2直接超聲染色工藝，設(shè)置染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，染色pH5.3，染色時(shí)間30 min，探究不同恒溫條件下咖啡渣染液對(duì)蠶絲織物染色效果的影響，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在染色溫度40～80 ℃，隨著溫度升高，咖啡渣染料對(duì)蠶絲織物的ΔE值在40～60 ℃時(shí)快速增大。這是因?yàn)槿驹囟壬?，不僅使蠶絲織物溶脹程度提高，也使染料分子的動(dòng)能增加，有利于咖啡渣染料分子擴(kuò)散進(jìn)入蠶絲織物內(nèi)部。60 ℃后速率變慢，在80 ℃時(shí)ΔE值達(dá)到最大。這是由于超聲波的作用溫度一般在45～65 ℃，當(dāng)溫度升高，空化核增多對(duì)產(chǎn)生空化有利，加速有效成分的溶解，但超聲溫度過高，氣泡中的蒸汽壓增大，使氣泡在閉合期間增強(qiáng)了緩沖作用而使空化減弱。同時(shí)，超聲波的熱效應(yīng)使咖啡渣中的多酚類物質(zhì)容易被氧化，導(dǎo)致得色量上升緩慢。同時(shí)，染色溫度過高，染色蠶絲織物的L*不斷下降，顏色加深，但蠶絲織物表面光澤變差。所以，染色溫度宜選擇60 ℃左右較合適。

2.2 時(shí)間對(duì)蠶絲織物超聲染色效果的影響

參考1.2.2直接超聲染色工藝，設(shè)置染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，染色pH5.3，染色溫度60 ℃，探究不同染色時(shí)間下咖啡渣染液對(duì)蠶絲織物染色效果的影響，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，隨著染色時(shí)間的延長，蠶絲織物的ΔE值先快速上升，到達(dá)40 min后速率逐漸減慢。這是因?yàn)槿玖祥_始上染纖維時(shí)，吸附遠(yuǎn)大于解吸的數(shù)量，但隨時(shí)間的延長，染色接近動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，染料吸附與解吸的數(shù)量差不斷縮小，所以，ΔE值上升速率逐漸變慢。繼續(xù)延長時(shí)間，在60～100 min，顏色特征值a*、ΔE值、艷度值C*的增加都不大，但明度L*下降較多，同時(shí)染色時(shí)間過長，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)不利。所以，染色時(shí)間宜選擇40 min左右較合適。

2.3 染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)蠶絲織物超聲染色效果的影響

參考1.2.2直接超聲染色工藝，設(shè)置染色pH5.3，染色時(shí)間40 min，染色溫度60 ℃，探究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下咖啡渣染液對(duì)蠶絲織物染色效果的影響，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，隨著染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，染料在纖維內(nèi)外的濃度梯度增大，染色蠶絲織物的顏色迅速變深，ΔE值快速增加。當(dāng)染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到3.0%后，ΔE值的變化速率趨于緩慢，蠶絲織物的ΔE值、艷度值C*也增加不大。這是因?yàn)樯貪舛仍黾拥揭欢ǔ潭葧r(shí)，染色逐漸接近飽和，再繼續(xù)提高染料的質(zhì)量濃度，蠶絲織物的ΔE值增加也不明顯。同時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%和4.0%時(shí)明度值L*下降較大，而色相角H基本不變。因此，從節(jié)約成本的角度考慮，染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%左右較佳。

2.4 pH值對(duì)蠶絲織物超聲染色效果的影響

參考1.2.2直接超聲染色工藝，設(shè)置染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，染色時(shí)間40 min，染色溫度40 ℃，探究不同pH值的咖啡渣染液對(duì)蠶絲織物染色效果的影響，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，染液pH值為3.0～6.0時(shí)，染色蠶絲織物的ΔE隨pH值的增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，特別是pH3.0～6.0下降較大，艷度值C*和ΔE在pH3.0時(shí)最高，H色相角在pH值為2.0～4.0時(shí)變化不大。這是因?yàn)樾Q絲的等電點(diǎn)為3.5～5.2，在pH值低于等電點(diǎn)的酸性溶液中，絲素帶正電荷。根據(jù)研究可知[7]，咖啡渣中含有綠原酸和多酚類等抗氧化物質(zhì)，而多酚類染料負(fù)離子上染蠶絲織物主要依靠庫侖引力，并以離子鍵結(jié)合。隨著染液pH值的增大，蠶絲織物所帶的正電荷逐漸減小，庫侖引力減小，在pH值高于等電點(diǎn)的酸性溶液中，絲素帶負(fù)電荷，與多酚類染料負(fù)離子轉(zhuǎn)為庫侖斥力，咖啡渣染料難以上染蠶絲纖維，ΔE逐漸下降[8-10]。但是，pH值過低易對(duì)蠶絲織物造成損傷，而在蠶絲織物的等電點(diǎn)附近對(duì)纖維的損傷最小，因此染液pH值選擇4.0左右比較合適。

2.4 媒染對(duì)蠶絲織物染色效果的影響

采用明礬對(duì)蠶絲織物進(jìn)行前媒染色處理，染色條件為溫度60 ℃、時(shí)間40 min、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%、染液pH4.0，分別在常規(guī)、250 W超聲、常規(guī)明礬和250 W超聲明礬條件下進(jìn)行染色、皂洗。探討不同染色方式對(duì)蠶絲織物染色效果的影響，所得蠶絲織物的染色效果如表5所示。

由表5可知，超聲染色C對(duì)比常規(guī)染色B，明度L*、色相H均呈下降趨勢(shì)，但a*、b*、艷度值C*和ΔE均明顯增大，其中艷度值C*增大25.44%，色深值ΔE增大31.84%，說明超聲波染色具有明顯的增艷和增深作用。

同時(shí)，明礬常規(guī)前媒染D的明度比超聲染色C的明度L*稍亮，色深值ΔE略深，a* 、b*、H與超聲染色C的顏色特征值相差不大，說明超聲染色C與明礬常規(guī)前媒染D具有相似的染色效果。

而超聲前媒染色E對(duì)比超聲染色C，明度L*、色相H均有下降，a* 、b*、C*相差不大，但ΔE色深值比常規(guī)染色B高出44.67%，說明加明礬后，超聲染色對(duì)蠶絲織物的增深作用更明顯。

2.5 染色色牢度

以5 g/L的明礬恒溫30 ℃、前媒染色30 min后，放置于染色溫度60 ℃、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%、pH4.0的染液中，分別在常規(guī)和250 W超聲條件下染色40 min，其染色色牢度結(jié)果見表6。

由表6可知，在超聲前媒染工藝下，染色的蠶絲織物各項(xiàng)色牢度指標(biāo)都達(dá)到服用紡織品的要求。

3 結(jié) 論

植物染料成本較高是制約其參與市場競爭的因素之一，咖啡渣作為尚未開發(fā)的天然農(nóng)業(yè)廢棄色素，在超聲波輔助染色下對(duì)蠶絲織物進(jìn)行上染，能獲得更寬廣、深沉的色域——現(xiàn)代主流色彩之一的棕色系，有利于與合成染料形成產(chǎn)業(yè)互補(bǔ)。

1）咖啡渣提取液對(duì)蠶絲織物超聲染色優(yōu)化工藝為：溫度60 ℃、時(shí)間40 min、染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.0%、pH4.0。

2）超聲染色C比常規(guī)染色B的鮮艷度C*和色深值ΔE分別高出25.44%和31.84%，超聲染色對(duì)蠶絲織物有明顯的增艷和增深作用，且超聲明礬前媒染蠶絲織物能獲得深咖啡色，比常規(guī)染色B的色深值ΔE高出44.67%，具有更寬廣的色譜范圍。

3）蠶絲織物超聲染色后各項(xiàng)色牢度等級(jí)在3～5，基本達(dá)到服用要求，作為尚未開發(fā)的天然廢棄色素農(nóng)業(yè)新資源，咖啡渣具有潛在的商業(yè)價(jià)值。

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