天然彩棉后整理加工中顏色穩(wěn)定性的影響因素

曾玉暉， 張亭亭， 王克作， 何 力， 陳益人,3

(1. 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200； 2. 湖北省纖維檢驗(yàn)局， 湖北 武漢 430061；3. 武漢紡織大學(xué) 湖北省紡織新材料與先進(jìn)加工技術(shù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地， 湖北 武漢 430200)

天然彩棉的顏色是在棉花吐絮時(shí)利用現(xiàn)代生物工程技術(shù)培育得到的[1]，雖然已有很多顏色被成功培育出來(lái)，但目前能夠大規(guī)模種植的天然彩棉只有棕棉和綠棉[2]。盡管天然彩棉的研究和開(kāi)發(fā)仍處于初級(jí)階段，并不能完全替代染色棉紡織品，但天然彩棉在加工過(guò)程中不需要經(jīng)過(guò)印染工序，加工流程縮短，環(huán)境污染減少，與當(dāng)今世界低碳環(huán)保的發(fā)展主題契合，具有巨大的發(fā)展?jié)摿3-4]。

通過(guò)對(duì)天然彩棉的培育研究，彩棉纖維性能得到很大改善，纖維的品質(zhì)和可紡性都有很大提高。但天然彩棉的顏色存在不穩(wěn)定性，這成為擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。天然彩棉培植生長(zhǎng)過(guò)程中受到光照、氣候、土壤等因素的影響，不同地區(qū)、不同季節(jié)種植的天然彩棉其顏色深淺會(huì)產(chǎn)生一定差異[5]。天然彩棉的后期加工中顏色也會(huì)受到退漿、絲光及后整理工藝的影響，尤其是后整理過(guò)程的高溫、助劑中的金屬離子、酸堿處理等因素都會(huì)使其顏色發(fā)生一定程度變化，使染整加工工藝難以控制[6]，因此，研究天然彩棉的顏色變化規(guī)律對(duì)其開(kāi)發(fā)利用具有十分重要的意義。

為此，科研人員進(jìn)行了較多的研究：趙酒泉[7]用生物酶代替堿煮對(duì)天然彩棉進(jìn)行前處理加工以改善其顏色在前處理中的變化；Demir等[8]用氬氣和空氣等離子體處理天然彩棉織物，研究了處理前后織物的親水性、導(dǎo)熱性、耐熱性和色牢度等發(fā)現(xiàn)，等離子體處理對(duì)天然彩棉織物的色牢度和熱性能無(wú)明顯影響；Tsaliki等[9]探討了濕加工整理對(duì)天然棕棉色牢度的影響發(fā)現(xiàn)，酶整理對(duì)天然棕棉顏色的影響較?。怀烫锾锏萚10]探討了堿縮工藝對(duì)天然綠棉織物顏色穩(wěn)定性的影響；顧艷[11]研究了酸、堿、日曬、溫度、整理劑等對(duì)天然彩棉色素變化的影響，并用金屬鹽對(duì)天然彩棉進(jìn)行固色或變色整理；Zhou等[12]研究了洗滌溫度對(duì)天然棕棉顏色的影響發(fā)現(xiàn)，洗滌溫度越高，天然棕棉顏色變化越大；Park等[13]分別用化學(xué)助劑(Na2CO3或NaOH)和生物助劑(生物酶或沸水)對(duì)天然彩棉進(jìn)行煮練，研究了幾種不同煮練方法對(duì)天然彩棉顏色的影響。為進(jìn)一步分析各因素對(duì)天然彩棉色素變化的影響機(jī)制，本文研究了不同溫度、不同pH值、石油醚預(yù)處理以及不同金屬離子對(duì)天然彩棉顏色的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

材料：天然彩棉(棕棉平均長(zhǎng)度為28 mm，綠棉平均長(zhǎng)度為26 mm，新疆維吾爾自治區(qū)纖維質(zhì)量監(jiān)測(cè)中心)；石油醚、脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)滲透劑、NaOH、醋酸、氯化鈣、硫酸銅、氯化鐵、氯化亞鐵、氯化鈉(分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。

儀器：TSG001Color i5型電腦測(cè)色配色儀(D65光源，泰仕特儀器(中國(guó))有限公司)；DHG-9123A型臺(tái)式鼓風(fēng)干燥箱(上?？德穬x器設(shè)備有限公司)；CT-6022 型pH(筆式)酸度計(jì)(深圳市寶萊發(fā)檢測(cè)儀器有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 不同pH值溶液處理天然彩棉

室溫條件下，分別配制pH值為2、3、5、9、11、13的水溶液。將梳理好的天然綠棉和棕棉纖維分別放入一定pH值的溶液中，每個(gè)燒杯中均滴入2滴JFC滲透劑，室溫避光處理2 h，然后取出纖維，置于避光處自然陰干，待用。

1.2.2 不同溫度及石油醚預(yù)處理天然彩棉

為研究石油醚回流浸提在天然彩棉色素提取時(shí)對(duì)其顏色穩(wěn)定性的影響，分別取經(jīng)沸點(diǎn)為60～90 ℃的石油醚處理和未處理的天然棕棉、綠棉纖維，放入溫度為60、80、100、120、150、180 ℃的烘箱內(nèi)處理 2 h，取出待用。

1.2.3 不同金屬離子溶液處理天然彩棉

室溫條件下，在6個(gè)250 mL的燒杯中分別加入100 mL的去離子水；再分別向6個(gè)燒杯中加入1 g的硫酸銅、硫酸亞鐵、氯化鐵、氯化鈉、氯化鈣、氯化鋁，配置含有Fe2+、Fe3+、Cu2+、Ca2+、Al3+、Na+的溶液；最后將梳理好的天然棕棉和綠棉纖維分別放入配置好的溶液中，滴入2滴JFC滲透劑后避光靜置處理2 h，取出避光陰干，待用。

1.3 天然彩棉的顏色變化測(cè)試

取1張空白的硬紙片對(duì)折，在中間剪出直徑為5 cm的對(duì)稱孔，將待測(cè)的天然彩棉纖維梳理平整，放入對(duì)稱孔中，紙的兩端用別針固定。

參照GB/T 8424.1—2001《紡織品 色牢度試驗(yàn) 表面顏色的測(cè)定通則》，采用電腦測(cè)色配色儀測(cè)定不同pH值、不同溫度、石油醚預(yù)處理以及不同金屬離子溶液處理后天然彩棉的三刺激值X、Y、Z，根據(jù)CIE色差公式轉(zhuǎn)換成L*(明度)、a*(紅綠色光)、b*(黃藍(lán)色光)值，利用CIE色差公式對(duì)處理前后的色差(ΔE)值進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)利用電腦測(cè)色配色儀測(cè)定處理前后的K/S值[14-16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同pH值溶液處理天然彩棉顏色變化

經(jīng)不同pH值溶液在室溫下處理2 h后，天然綠棉和棕棉纖維的L*、a*、b*值以及K/S值變化如圖1所示。由圖1(a)可知：天然棕棉和綠棉纖維的L*值隨著pH值的增大呈減小趨勢(shì)；當(dāng)pH值小于7時(shí)，隨著pH值的減小，天然彩棉的顏色逐漸變淺；當(dāng)pH值大于7時(shí)，隨著pH值的增大，天然彩棉的顏色逐漸變深，說(shuō)明酸堿性越強(qiáng)，對(duì)天然彩棉纖維顏色的影響越大；pH值在5～9之間時(shí)，L*值變化并不明顯；當(dāng)pH值達(dá)到10時(shí)，L*值的變化較大，說(shuō)明當(dāng)天然彩棉產(chǎn)品接觸呈強(qiáng)堿性物質(zhì)時(shí)，其L*值會(huì)有較大的變化。

天然彩棉纖維色素屬于多酚類(lèi)或黃酮類(lèi)天然色素，—OH、—CO、—O和—OCH3等為天然色素中的常見(jiàn)極性基團(tuán)，其在H+、OH-的誘導(dǎo)作用下易發(fā)生親核和親電重排反應(yīng)，使吸收光譜的選擇性向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，產(chǎn)生顏色變化。在強(qiáng)酸處理過(guò)程中，H+引起的化學(xué)反應(yīng)將使天然彩棉色素分子結(jié)構(gòu)中的—OH 明顯減少，使其吸收光譜的選擇性向短波方向移動(dòng)，色彩變淺；在強(qiáng)堿處理中，OH-取代H+與母核以共價(jià)鍵的方式結(jié)合，增加了天然彩棉分子結(jié)構(gòu)中—OH的數(shù)量，使其色彩變深[17]。

圖1 不同pH值下天然彩棉的L*、a*、b*值以及K/S值Fig.1 L*(a), a*(b), b*(c) and K/S(d) values of natural colored cotton at different pH values

由圖1(b)、(c)可知：天然棕棉和綠棉纖維的a*、b*值均隨著pH值的增大而逐漸減?。辉趐H值小于7時(shí)，隨著pH值的減小，天然彩棉纖維顏色的紅黃色調(diào)逐漸增強(qiáng)；當(dāng)pH值大于7時(shí)，隨著pH值的增大，天然彩棉纖維顏色的綠藍(lán)色調(diào)逐漸增強(qiáng)，表明當(dāng)天然彩棉接觸到強(qiáng)酸和強(qiáng)堿物質(zhì)時(shí)，其顏色的色光會(huì)發(fā)生明顯變化；當(dāng)溶液的pH值達(dá)到9時(shí)，a*、b*值減弱的趨勢(shì)較大，與L*值的變化趨勢(shì)相似。

由圖1(d)可知：天然棕棉和綠棉纖維的K/S值隨著pH值的增大逐漸變大，說(shuō)明隨著pH值的增大，2種天然彩棉纖維顏色的深度都在增大；隨著溶液堿性的增強(qiáng)，天然彩棉纖維顏色變化的程度也在變大。

由不同pH值溶液處理后天然彩棉纖維的L*、a*、b*值以及K/S值的變化結(jié)果可知，當(dāng)天然彩棉接觸到呈強(qiáng)堿性的物質(zhì)時(shí)，其顏色會(huì)發(fā)生較明顯的變化，因?yàn)閺?qiáng)堿可能會(huì)破壞色素細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，但在一定條件下這種變化是可逆的[13]。日常生活中洗滌或者加工彩棉產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)該選擇中性或者弱酸堿性的物質(zhì)，避免彩棉產(chǎn)品的顏色發(fā)生明顯變化，影響其美觀性。

2.2 不同溫度及石油醚預(yù)處理彩棉顏色變化

石油醚預(yù)處理前后天然彩棉纖維在不同溫度下ΔE值的變化如圖2所示?？芍弘S著溫度的逐漸升高，未經(jīng)石油醚預(yù)處理的天然綠棉和棕棉纖維的顏色變化均逐漸增大；當(dāng)溫度小于80 ℃時(shí)，天然綠棉和棕棉纖維顏色發(fā)生了變化，但并不十分明顯；當(dāng)溫度高于80 ℃時(shí)，纖維顏色變化逐漸明顯；當(dāng)溫度達(dá)到150、180 ℃時(shí)，天然綠棉和棕棉纖維的顏色基本上都為黃褐色，與最初的顏色相差很大。在100 ℃ 以下，天然彩棉的顏色變化主要是色素結(jié)構(gòu)發(fā)生變化造成的；在150和180 ℃條件下處理時(shí)，天然彩棉中的附生物可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致天然彩棉顏色發(fā)生更大的變化[18]。在天然彩棉類(lèi)紡織品的生產(chǎn)加工以及日常使用過(guò)程中應(yīng)該盡量避免溫度高于80 ℃，防止過(guò)高溫度導(dǎo)致產(chǎn)品色差。

圖2 不同溫度下石油醚預(yù)處理前后天然彩棉纖維的ΔE值變化Fig.2 Change of ΔE value of natural colored cotton fiber before and after petroleum ether pretreatment at different temperature

由圖2還可以看出，隨著溫度的逐漸升高，經(jīng)石油醚預(yù)處理的天然彩棉纖維顏色色差變化是逐漸增大的，但其色差變化的程度明顯小于未經(jīng)石油醚預(yù)處理的。其原因可能是石油醚預(yù)處理可去除部分不利于顏色穩(wěn)定的化學(xué)成分，去除或改性天然彩棉中影響色澤穩(wěn)定的物質(zhì)[19]。用石油醚對(duì)天然彩棉進(jìn)行預(yù)處理，一定程度上緩解了溫度對(duì)于天然彩棉顏色的影響，提高了彩棉產(chǎn)品的顏色穩(wěn)定性。

2.3 金屬離子處理后天然彩棉的顏色變化

不同金屬離子溶液處理對(duì)天然綠棉和棕棉纖維顏色的影響如表1所示?？芍覝叵绿烊痪G棉纖維經(jīng)含有Fe2+、Fe3+、Cu2+、Ca2+、Al3+、Na+等金屬離子溶液處理2 h后，L*、a*、b*值都有所減小。其中Ca2+對(duì)紅綠指數(shù)a*的影響較大，Al3+對(duì)紅綠色光基本上沒(méi)有影響，但天然綠棉纖維整體上經(jīng)金屬離子處理后的色光更趨向于綠色光。Cu2+、Ca2+、Na+對(duì)于天然綠棉纖維顏色的黃藍(lán)指數(shù)b*的影響比較大，F(xiàn)e3+對(duì)其產(chǎn)生影響較小，說(shuō)明天然綠棉纖維經(jīng)金屬離子處理后黃色光減小。幾種金屬離子對(duì)天然綠棉纖維顏色深度指數(shù)L*值的影響都比較大，其中以Ca2+對(duì)綠棉纖維顏色深度的影響最大，說(shuō)明經(jīng)過(guò)金屬離子處理，天然綠棉纖維的顏色普遍加深。對(duì)于色差變化值ΔE而言，經(jīng)金屬離子處理后ΔE增加，天然綠棉纖維色差變大，其中Fe2+、Fe3+對(duì)綠棉纖維顏色的影響最大，Na+、Cu2+的影響相對(duì)較小。

天然棕棉纖維在常溫下經(jīng)金屬離子溶液處理2 h 后，L*、a*、b*值整體的變化趨勢(shì)和天然綠棉纖維相似，顏色普遍加深，綠色光增加，黃色光減少，色差變大。Ca2+對(duì)天然棕棉纖維紅綠指數(shù)a*的影響較大，Na+對(duì)紅綠色光影響較小。Fe3+、Cu2+、Ca2+對(duì)天然棕棉纖維黃藍(lán)指數(shù)b*的影響比較大，Na+對(duì)其影響較小。幾種金屬離子對(duì)天然棕棉纖維的顏色L*、ΔE值的影響趨勢(shì)與天然綠棉纖維基本相似，天然棕棉纖維色差的變化稍大于天然綠棉纖維，因此，在天然彩棉加工過(guò)程中應(yīng)該避免接觸含有Fe2+、Fe3+、Cu2+、Ca2+、Al3+的物質(zhì)。金屬離子引起天然彩棉纖維顏色變化的原因可能是由于金屬離子可與色素中某些基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，使色素結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，但其作用機(jī)制比較復(fù)雜，還有待于進(jìn)一步研究。綜上分析可知，F(xiàn)e3+對(duì)天然彩棉纖維顏色的影響最大，Na+的影響最小。

表1 不同的金屬離子對(duì)天然彩棉纖維顏色的影響Tab.1 Effect of different metal ions on color difference of natural colored cotton

3 結(jié) 論

本文研究了溫度、pH值、石油醚預(yù)處理以及金屬離子對(duì)天然彩棉顏色的影響，得出以下主要結(jié)論。

1)天然綠棉和棕棉纖維的顏色隨處理液pH值的變化而發(fā)生變化。當(dāng)處理液pH值小于7時(shí)，天然綠棉和棕棉纖維的顏色變淺；當(dāng)處理液pH值大于7時(shí)，天然棕棉和綠棉纖維顏色變深，且處理液酸堿性越強(qiáng)，對(duì)天然彩棉纖維顏色的影響越大。

2)經(jīng)石油醚預(yù)處理的比未處理的天然彩棉纖維顏色更為穩(wěn)定。當(dāng)處理溫度小于80 ℃時(shí)，天然彩棉纖維顏色比較穩(wěn)定；溫度高于80 ℃時(shí)，天然彩棉纖維發(fā)生的色變逐漸明顯，且溫度越高天然彩棉纖維顏色變化越大。

3)Fe2+、Fe3+、Cu2+、Ca2+、Al3+、Na+等金屬離子對(duì)天然彩棉纖維顏色有明顯的影響，處理后天然彩棉纖維顏色的紅光和黃光減少，綠光和藍(lán)光增加。Fe3+對(duì)天然彩棉纖維顏色的影響最大，Na+的影響最小。

4)在天然彩棉纖維加工過(guò)程以及彩棉產(chǎn)品的使用過(guò)程中，應(yīng)盡量使用中性的助劑和洗滌劑，盡量避免在高溫環(huán)境下加工天然彩棉纖維，加工過(guò)程中避免接觸含金屬離子的物質(zhì)，如果在加工前能夠用石油醚預(yù)處理會(huì)增加其顏色的穩(wěn)定性。

FZXB