廢棄咖啡渣提取液對(duì)絲織物防紫外線性能的研究

金佳瑞

（惠州學(xué)院 旭日廣東服裝學(xué)院，廣東 惠州 516007）

咖啡，是用經(jīng)過烘焙磨粉的咖啡豆制作出來的飲料，作為世界三大飲料之一，與可可、茶同為流行于世界的主要飲品．萃取后的咖啡渣殘留物約占咖啡豆干重的2/3左右［1］．目前，全世界的廢棄咖啡渣產(chǎn)量約為980萬t/a，咖啡渣主要由半纖維素、木質(zhì)素和纖維素物質(zhì)組成，同時(shí)含有一定量的金屬離子和酸性物質(zhì)，若不經(jīng)過處理而直接掩埋會(huì)造成土壤酸化污染．因此，有效地處理廢棄咖啡渣并實(shí)現(xiàn)資源再利用成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)．早在2011年Solange［2］研究團(tuán)隊(duì)采用稀酸溶液溶解咖啡渣中的半纖維素糖，并成功將其用于生產(chǎn)化工合成原料乙醇．也有Hunter［3］的研究團(tuán)隊(duì)采用固-液萃取法對(duì)咖啡渣中的多酚物質(zhì)進(jìn)行提取，并將其用做食品和化妝品的添加劑．將廢棄咖啡渣進(jìn)行堆肥處理再制成蘑菇種植基，可以種植與培育各類菌菇實(shí)現(xiàn)廢棄咖啡渣的回收再利用［4］．咖啡、洋蔥皮與茶葉渣作為三大可染生物質(zhì)，含有豐富的天然染料．天然染料是一類無毒、無害，且具有優(yōu)良的生物可降解性和環(huán)境相容性，使用天然染料對(duì)織物上染顏色不僅可以染出獨(dú)特優(yōu)雅的色彩，同時(shí)還賦予織物抗菌與防紫外線等多種功能，非常適宜用于嬰幼兒服飾染色．目前，有少量報(bào)道已經(jīng)成功地將廢咖啡渣中提取的染料用于棉、麻和毛等織物的染色上．

真絲織物具有清涼的觸感、光澤優(yōu)美、吸濕透氣性良好等優(yōu)點(diǎn)，適宜制作夏季服飾［5］．本研究從商業(yè)廢棄咖啡渣中進(jìn)行天然染料的提取，分別研究不同溶劑對(duì)咖啡渣天然染液提取的效果；對(duì)天然染料的提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化，選擇提取效果最優(yōu)的提取液，對(duì)真絲織物進(jìn)行染色，并考察媒染劑及其媒染方式對(duì)織物染色效果的影響，并對(duì)染色后織物的色牢度和防紫外線性能進(jìn)行了測(cè)試分析．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

材料：市售20姆米桑蠶絲雙縐織物、氫氧化鈉、乙酸、乙醇、碳酸鈉、十二水硫酸鋁鉀（明礬）、硫酸亞鐵（綠礬）、硫酸銅（藍(lán)礬）（上述化學(xué)試劑均購于國藥試劑）．

儀器：pH計(jì)（梅特勒-托利多），織物防紫外線測(cè)試儀（溫州大榮），耐洗色牢度測(cè)試儀（溫州大榮），紫外-可見分光光度計(jì)（Shimadzu UV-2600），NH 310色差儀（三恩時(shí)）．

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 咖啡渣天然染料的提取

稱取干燥廢棄咖啡渣10 g，去離子水400 mL，選擇5種不同的溶劑（去離子水、5 g/L乙酸、5 g/L NaOH、5 g/L Na2CO3、10%乙醇），采用超聲波萃取法：超聲功率300 W，溫度80℃、時(shí)間90 min，待溶液冷卻到室溫之后，用濾紙將溶液過濾得到染液，靜置30 min后使用.

1.2.2 染液直接染色工藝

在對(duì)蠶絲織物染色之前，先將絲織物冷水浸泡、皂洗去除污漬，隨后用清水沖洗干凈備用．染色時(shí)，采用1：50浴比、染色溫度50～90℃、染色時(shí)間60～120 min、溶液pH值為4.0～8.0、采用控制變量法，研究各參數(shù)變化對(duì)于上染顏色及效果的影響．

1.2.3 前媒染色工藝

分別對(duì)選取的3種媒染劑，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 g/L的媒染劑溶液，在上述染色工藝之前，先將洗凈潤濕的真絲織物放入媒染劑溶液中，控制溫度為65℃，保溫處理60 min后，隨后再進(jìn)行后續(xù)的染色工藝處理．

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

1.3.1 紫外—可見吸收光譜的測(cè)定

對(duì)提取的染液的紫外可見吸收光譜的測(cè)定是通過在紫外—可見分光光度計(jì)上進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試條件為：蒸餾水稀釋染液100倍后使用，波長范圍200～600 nm．

1.3.2 顏色特征值的確定

每個(gè)樣品的顏色特征值：L*、a*、b*值和表面反射率R，并且針對(duì)得到的測(cè)量結(jié)果應(yīng)用Kubelka-Munk方程計(jì)算K/S值，其中Kubelka-Munk方程如公式（1）所示：

其中：K為待測(cè)織物的吸收系數(shù)；S為待測(cè)織物的散射系數(shù)；R為最大波長處的反射率［6-7］．K/S的比值越大，表明顏色越深；K/S值越小，L*值表面顏色越淺．a(chǎn)*表示亮度，b*表示顏色偏紅（+a*偏紅，-a*偏綠）；b*表示偏黃或偏藍(lán)（+b*偏黃，-b*偏藍(lán)）．實(shí)驗(yàn)中對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行至少10次測(cè)量后取平均值．

1.3.3 織物防紫外線性能測(cè)試

織物防紫外線性能測(cè)試的流程參照GB/T 18830-2009《紡織品防紫外線性能的評(píng)定》．對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行三次測(cè)試獲得平均UPF值、UVA及UVB的透過率．

1.3.4 染色織物色牢度性能測(cè)試

染色織物的色牢度測(cè)試流程及標(biāo)準(zhǔn)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．同時(shí)參考GB/T 3920-2008《紡織品色牢度試驗(yàn)?zāi)湍Σ辽味取返姆椒?，測(cè)定耐摩擦色牢度．

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溶劑提取染液效果的分析

采用極性不同的幾種溶劑分別對(duì)廢棄咖啡渣中的天然染料進(jìn)行提取，采用超聲波萃取后，幾種染料提取液的紫外—可見吸收光譜結(jié)果如圖1．從圖1可以看到采用去離子水提取的咖啡染液在紫外光吸收波段內(nèi)有兩個(gè)較強(qiáng)的吸收峰分別位于282 nm和326 nm附近．這可能由于咖啡染液中的發(fā)色團(tuán)主要是酚羥基（-OH）和酮羰基（C=O）［8］所致．5 g/L的乙酸作為溶劑提取的染液在紫外吸收波段發(fā)生明顯的吸收強(qiáng)度的提高，而5 g/L的NaOH和5 g/L的Na2CO3作為溶劑提取的染液會(huì)在275～320 nm（UVB波段）以及320～400 nm（UVA波段）波段產(chǎn)生強(qiáng)吸收，說明用5 g/L Na2CO3提取的染液濃度最大，并且對(duì)紫外線具有強(qiáng)吸收作用，經(jīng)過染色的織物可能具有防紫外線的功能．此外，5 g/L的NaOH和5 g/L的Na2CO3作為溶劑提取的染液會(huì)有效溶解咖啡渣中的黃酮類顯色物質(zhì)，提取液呈現(xiàn)明顯深棕色．

圖1 不同溶劑提取染料的紫外-可見分光光譜

2.2 咖啡渣提取液對(duì)蠶絲織物的染色工藝優(yōu)化

為了研究不同的染色工藝對(duì)于蠶絲織物染色效果及防紫外線性能的影響，進(jìn)行了溫度、時(shí)間、染液pH酸堿度三個(gè)變量進(jìn)行試驗(yàn)．

2.2.1 染色溫度對(duì)織物染色效果的影響

廢棄咖啡渣提取液染色直接染色的工藝如1.2.2所述，染液浴比1：50，染液pH=7.0，染色時(shí)間60 min，探究不同染色溫度下，染液對(duì)于蠶絲織物染色效果及防紫外線效果的影響，結(jié)果如表1．

表1 染色溫度對(duì)蠶絲織物染色效果的影響

由表1可看到，在染色溫度90℃時(shí)，蠶絲的顏色最深（K/S值最大）．實(shí)驗(yàn)中觀察到：隨著染色溫度的升高，咖啡染液中會(huì)有部分黑色雜質(zhì)析出并與蠶絲中的蛋白質(zhì)結(jié)合形成固體附著物附著在織物表面，造成染疵［9-10］．同時(shí)過高的染色溫度會(huì)對(duì)蠶絲織物中的蛋白質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，使得織物光澤感下降，呈現(xiàn)灰傷疵病，最佳的染色溫度應(yīng)在70℃．

2.2.2 染色時(shí)間對(duì)織物染色效果的影響

在最佳染色溫度70℃，染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%，染液pH=7.0的染色條件下探究不同的染色時(shí)間對(duì)于蠶絲織物染色效果的影響，結(jié)果如表2所示．

表2 染色時(shí)間對(duì)蠶絲織物染色效果的影響

由表2可以看到，隨著染色時(shí)間的延長，織物的K/S值不斷增大，60 min之后上升趨于平緩．最新的研究結(jié)果表明：類黑精是咖啡中有效的染色分子，其在水溶液中帶負(fù)電荷，并同帶正電的蛋白質(zhì)纖維通過范德華力結(jié)合在一起［11］．染色初始階段，染料分子與纖維的作用主要是吸附，隨著時(shí)間的延長，染料分子的吸附與解吸作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡．此外，當(dāng)染色時(shí)間延長至120 min，織物呈現(xiàn)出較為明顯的染色不勻，明度下降，同時(shí)對(duì)織物也造成了一定程度的損壞，對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)不利，最佳的染色時(shí)間應(yīng)控制在60 min左右．

2.2.3 不同pH對(duì)織物染色效果的影響

從2.1的分析結(jié)論可知，當(dāng)5%的乙酸溶液、5%Na2CO3、5%NaOH溶液提取染液時(shí)，染液的吸光度值明顯提高，染液濃度較高．我們分別用乙酸和NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH酸堿度為4.0～8.0，并在最佳染色時(shí)間60 min，染色溫度70℃，染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的條件下，測(cè)試溶液pH酸堿度對(duì)于染色效果的影響．實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示．

表3 p H對(duì)蠶絲織物染色效果的影響

從表3可知，隨著染液pH的增大，織物的K/S值先增大后又減小，在溶液pH=5.5時(shí)，織物的顏色最深．由于絲織物的等電點(diǎn)約為3.5～5.2，當(dāng)溶液pH低于等電點(diǎn)時(shí)，蠶絲纖維帶正電荷會(huì)與染料分子以離子鍵結(jié)合，當(dāng)溶液pH高于等電點(diǎn)時(shí)，蠶絲纖維帶負(fù)電荷與染料分子間產(chǎn)生排斥作用，導(dǎo)致染料難于上染．此外，蠶絲纖維中的蛋白質(zhì)分子也會(huì)在堿性溶液中發(fā)生肽鍵斷裂，損傷織物［12］．因此，在蠶絲等電點(diǎn)附近，溶液的pH選擇為5.5．

2.3 媒染劑對(duì)染色效果以及防紫外線性能的影響

在最優(yōu)染色工藝的條件下，3種媒染劑染色后的織物的顏色以及防紫外線性能如圖2所示．

圖2 不同媒染劑染色后的蠶絲織物樣品

從圖2中可以看到加入3種不同的媒染劑后，染色后蠶絲織物的顏色均有加深，尤其是加入綠礬加入后，顏色呈現(xiàn)明顯的深色，這可能是由于Fe2+與咖啡渣中的發(fā)色團(tuán)配合產(chǎn)生的深色效應(yīng)導(dǎo)致，經(jīng)染色后的織物顯示出較高的顏色深度（K/S值）．

2.4 防紫外線性能測(cè)試

將在最優(yōu)工藝下染色得到的織物樣品進(jìn)行了防紫外線性能測(cè)試，其結(jié)果見表4．

表4 不同織物樣品的防紫外線性能測(cè)試結(jié)果

從表4中可以看出，未經(jīng)染色的絲織物，紫外線的透射率很高，基本對(duì)紫外線不具有防護(hù)能力，而經(jīng)過染色后，UVA和UVB的透射率大幅下降，同時(shí)UPF值提高了2倍，雖然仍未達(dá)到商用防紫外線性能的要求，但經(jīng)過媒染劑染色后的織物，顏色更深，對(duì)織物的紫外線具有吸收作用，對(duì)紫外線的防護(hù)能力明顯提高．

2.5 染色色牢度

將表4中經(jīng)過染色的織物進(jìn)行色牢度測(cè)試，結(jié)果如表5所示，經(jīng)過染色后的織物，各項(xiàng)色牢度指標(biāo)都達(dá)到了服用紡織品的要求．

3 結(jié)論

本文采用商業(yè)廢棄咖啡渣為原料，探索了不同溶劑提取天然染料的工藝，并采用了不同的染色工藝對(duì)天然絲織物進(jìn)行染色，最后對(duì)得到的染色織物測(cè)試其防紫外線性能和色牢度，得到的結(jié)論如下：

（1）在超聲波萃取法下進(jìn)行不同溶劑的染料提取，乙酸、乙醇、NaOH、Na2CO3的加入均會(huì)提高染液提取的效率，且5 g/L NaOH和5 g/L Na2CO3溶液會(huì)產(chǎn)生明顯的染液深色效應(yīng)．

（2）咖啡渣染液對(duì)于蠶絲織物直接染色的最優(yōu)工藝為：溫度70℃、時(shí)間60 min、pH=5.5．

（3）采用不同的媒染劑，使用前媒染色法，經(jīng)過染色得到的蠶絲織物呈現(xiàn)咖啡色、棕色系.經(jīng)過綠礬染色的織物呈現(xiàn)的顏色最深，K/S值最大．

（4）經(jīng)過咖啡渣染液染色后的蠶絲織物，對(duì)于紫外線的防護(hù)作用有大幅提高，UPF值增大，且UVA與UVB的透過率明顯降低，具有潛在的環(huán)保與防護(hù)作用．

（5）使用咖啡渣染色后的絲織物各項(xiàng)色牢度等級(jí)在2～5，基本滿足服用要求，說明使用廢棄咖啡渣染色具有潛在的商業(yè)價(jià)值．