五倍子天然色素在毛條染色中的應(yīng)用

姚夢(mèng)瑤，高曉艷，朱明廣，趙麗麗，郭小云

(1.煙臺(tái)南山學(xué)院 工學(xué)院，山東 煙臺(tái) 265700； 2.山東南山智尚科技股份有限公司，山東 煙臺(tái) 265700)

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技水平的提高，近年來(lái)人們開始崇尚綠色、環(huán)保、安全的生活方式。合成染料在生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn)生了很多污染問(wèn)題，如部分合成染料被檢測(cè)出含有致癌物質(zhì)，而天然染料對(duì)皮膚無(wú)過(guò)敏性和致癌性，而且還有較好的生物降解性和環(huán)境相容性，符合人們對(duì)生態(tài)紡織品的要求，因而受到廣泛關(guān)注[1]。

五倍子是由五倍子蚜寄生在漆樹科植物上形成[2]，經(jīng)人工烘焙干燥后所得，一般做中藥用，也可制成染料使用。五倍子的主要色素成分是鞣質(zhì)，又稱單寧，含量可高達(dá)70%以上。五倍子鞣質(zhì)外形呈黃色或棕黃色粉末狀。結(jié)構(gòu)中含有較多的親水性基團(tuán)，易溶于極性強(qiáng)的水、乙醇或丙酮，不溶于親脂性有機(jī)溶劑。鞣質(zhì)的水溶液若遇Fe3+產(chǎn)生藍(lán)黑色或綠黑色[3]。用于羊毛染色，加入含F(xiàn)e3+的媒染劑可使色素分子牢固地固著在羊毛纖維上，也能獲得良好的耐水洗色牢度和耐摩擦色牢度。五倍子也具有抗菌的作用[4]，運(yùn)用其這一性能，可以生產(chǎn)一種具有抗菌性能的綠色生態(tài)紡織品。

羊毛具有吸濕性強(qiáng)、保暖性好、彈性好、光澤柔和、不易玷污等優(yōu)良特性，因而深受廣大消費(fèi)者的青睞[5]。精紡生產(chǎn)系統(tǒng)中最常用的染色方式是毛條染色，本文研究用五倍子天然色素對(duì)毛條進(jìn)行染色，為開發(fā)生態(tài)環(huán)保精紡羊毛產(chǎn)品提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用品及儀器設(shè)備

精梳毛條(山東南山智尚科技股份有限公司)，五倍子(市購(gòu))，46.7%工業(yè)級(jí)乙醇，一次蒸餾水，工業(yè)級(jí)甲酸，203洗滌劑(非離子型)，工業(yè)級(jí)FeSO4·7H2O，工業(yè)級(jí)KAl(SO4)2·12H2O。

721分光光度計(jì)(寧波紡織儀器廠)，1 000 mL燒杯，小燒杯，膠頭滴管，玻璃棒，HH-4水浴鍋(寧波紡織儀器廠)，JA203H電子天平、LFY-49型耐摩擦色牢度儀(寧波紡織儀器廠)，SW-24D耐洗色牢度儀(萊州市電子儀器有限公司)，Datacolor800測(cè)色儀(美國(guó)Datacolor公司)。

1.2 五倍子色素的提取

選擇溶劑法[6]提取五倍子色素，其操作簡(jiǎn)單、適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)方便。天然染料一般用水作為提取溶劑，此外，五倍子鞣質(zhì)也溶于極性很強(qiáng)的溶劑，如甲醇、乙醇等。與水提取比較，乙醇提取溶解出的水溶性雜質(zhì)較少，提取液保存時(shí)間更長(zhǎng)，而且水和乙醇可以充分混合，因此本文采用乙醇與水(體積比1∶7)的混合溶液進(jìn)行提取。

電子天平上稱取20 g市購(gòu)五倍子，將其粉碎后放入燒杯中，按照浴比1∶20向燒杯中加入400 mL混合溶劑，常溫下加蓋浸泡2 h，之后再放入水浴鍋中加熱100 min，80 ℃下提取2 h，用150目網(wǎng)篩(孔徑106 μm)將其中所含成分溶出過(guò)濾。重復(fù)提取2次，混合2次所得提取液，加熱濃縮后得到五倍子色素染液。

1.3 染色工藝設(shè)計(jì)

1.3.1 五倍子色素的染色方法

天然染料的染色方法有直接染色法和媒染法，媒染法又分為預(yù)媒法、同媒法和后媒法[7]。為了研究不同的染色方法對(duì)五倍子色素染色效果的影響，設(shè)置了以下實(shí)驗(yàn)：分別采用直接染色、預(yù)媒法、同媒法和后媒法對(duì)5 g精梳毛條進(jìn)行染色，媒染法中使用的媒染劑是FeSO4·7H2O。染色后，使用分光光度計(jì)測(cè)試毛條的K/S值以評(píng)價(jià)其染色效果，參照GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐皂洗色牢度》和GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐摩擦色牢度》測(cè)試其耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度[8]。

1.3.1.1 直接染色工藝

按1∶40的浴比配置染液，用甲酸調(diào)節(jié)pH值至6，設(shè)置染色溫度為98 ℃，染色時(shí)間為60 min，40 ℃起染。染色工藝曲線如圖1所示。

圖1 直接染色工藝曲線

1.3.1.2 預(yù)媒法染色工藝

按1∶40的浴比配置染液，用甲酸調(diào)節(jié)pH值至6，設(shè)置媒染溫度為70 ℃，媒色時(shí)間為30 min，初始溫度40 ℃；設(shè)置染色溫度為98 ℃，染色時(shí)間為60 min，媒染降溫至40 ℃起染。染色工藝曲線如圖2所示。

圖2 預(yù)媒法染色工藝曲線

1.3.1.3 同媒法染色工藝

按1∶40的浴比配置染液，用甲酸調(diào)節(jié)pH值至6，設(shè)置染色溫度為98 ℃，染色時(shí)間為60 min，40 ℃起染。染色工藝曲線如圖3所示。

圖3 同媒法染色工藝曲線

1.3.1.4 后媒法染色工藝

按1∶40的浴比配置染液，用甲酸調(diào)節(jié)pH值至6，設(shè)置染色溫度為98 ℃，染色時(shí)間為60 min，初始溫度40 ℃；設(shè)置媒染溫度為70 ℃，媒染時(shí)間為30 min，媒染降溫至40 ℃起染。染色工藝曲線如圖4所示。

圖4 后媒法染色工藝曲線

1.3.2 五倍子天然色素染毛條的染色工藝

優(yōu)選得到最佳的染色方法后，為了得到五倍子天然色素上染毛條的最佳染色工藝，針對(duì)媒染劑種類及用量、染色pH值、染料用量、染色溫度、媒染時(shí)間等設(shè)置了單因素實(shí)驗(yàn)。采用不同的染色條件后，測(cè)試毛條的K/S值、耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同染色方法的影響

不同染色方法的染色結(jié)果如表1所示。

由表1示出，直接染色的毛條獲得了顏色不明顯的黃色，其K/S值最小，后媒法染色法染色K/S值最大，所得到的毛條顏色最深，同媒法染色所染毛條顏色次之，預(yù)媒法染色法獲得的毛條顏色與同媒法染色和后媒法染色染出的毛條有較明顯的色差；直接染色獲得的毛條的色牢度較差，無(wú)法達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；而媒染染色所得到的毛條，耐摩擦色牢度和耐皂洗色牢度均能達(dá)到4級(jí)及以上。

同媒法染色法和后媒法染色法獲得的毛條顏色相近，但是同媒法染色法獲得的毛條色牢度稍差于后媒法所染的毛條。綜合分析，后媒法染色時(shí)，五倍子色素能更好地固著在羊毛纖維上，染色牢度好，染色效果最佳。因此確定五倍子染料的染色方法為后媒法染色。

2.2 媒染劑種類及用量對(duì)染色效果的影響

常用的媒染劑包括鋁媒染劑，如明礬；銅媒染劑，如醋酸銅、硫酸銅；鐵媒染劑，如醋酸亞鐵、硫酸亞鐵等[9]。五倍子染料中鞣質(zhì)的水溶液若遇Fe2+會(huì)產(chǎn)生藍(lán)黑色或綠黑色。秉持綠色環(huán)保、維持生態(tài)可平衡發(fā)展的理念，本文實(shí)驗(yàn)選用明礬和硫酸亞鐵(綠礬)作為媒染劑，2種媒染劑在不同用量下進(jìn)行后媒染法染色，浴比1∶40，用甲酸調(diào)節(jié)pH值至6，初始溫度40 ℃，染色溫度為98 ℃，染色時(shí)間為60 min，媒染溫度為70 ℃，媒染時(shí)間為30 min。染色后，測(cè)試樣品的K/S值、耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度，結(jié)果如表2所示。

由表2示出，2種媒染劑染色所得的結(jié)果有較大差異，KAl(SO4)2媒染毛條顏色為淡黃色系，顏色較淺；而FeSO4染毛條顏色為灰紫色系，顏色較深。此外，染液中硫酸亞鐵還原后的Fe2+電場(chǎng)最高，形成絡(luò)合物的穩(wěn)定性越好，相對(duì)應(yīng)的染色牢度和K/S值也最高，因此硫酸亞鐵作為媒染劑的染色效果較好，且當(dāng)其用量為5%(owf)時(shí)，所染毛條的色牢度達(dá)到4級(jí)，符合要求，從而確定采用5%(owf)的硫酸亞鐵作為五倍子天然色素染毛條的媒染劑。

2.3 pH值對(duì)染色效果的影響

根據(jù)羊毛耐酸不耐堿的特性，采用5%(owf)的硫酸亞鐵作為媒染劑進(jìn)行后媒染法染色，浴比為1∶40，初始溫度40 ℃，染色溫度為98 ℃，染色時(shí)間為60 min，媒染溫度為70 ℃，媒染時(shí)間為30 min。對(duì)在不同pH值(2～6)條件下染色后的毛條進(jìn)行K/S值和色牢度測(cè)試，以確定最佳的pH值。pH值對(duì)染色效果的影響見表3。

表3 pH值對(duì)染色效果的影響

由表3示出，pH值為2時(shí)，毛條的K/S值最低，說(shuō)明上染百分率最低，表明在強(qiáng)酸環(huán)境中五倍子色素的染色效果很差，在弱酸(pH值3～5)環(huán)境中染色效果好，在pH值為6時(shí)，上染百分率有所下降，說(shuō)明在pH值為5時(shí)毛條得色最深。在色牢度測(cè)試中，pH值在4和5時(shí)染得的毛條色牢度都達(dá)到了4級(jí)以上。結(jié)合色牢度和K/S值實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定五倍子染色的最佳染色pH值為5。

2.4 五倍子色素用量對(duì)染色效果的影響

適當(dāng)?shù)娜玖嫌昧靠梢杂行Ч?jié)約染料的成本和提高染料利用率。采用5%(owf)的硫酸亞鐵作為媒染劑進(jìn)行后媒染法染色，浴比1∶40，用甲酸將pH值調(diào)節(jié)為5，初始溫度40 ℃，染色溫度為98 ℃，染色時(shí)間為60 min，媒染溫度為70 ℃，媒染時(shí)間為30 min。五倍子色素用量對(duì)染色效果的影響如表4所示。

表4 五倍子色素用量對(duì)染色效果的影響

由表4示出，隨著五倍子色素用量的增加，染色后毛條的K/S值先增大后減小，這是由于在五倍子染液中，一定質(zhì)量的毛條所吸收的染料分子已達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)過(guò)高的染料用量反而會(huì)使色素更多地殘留在染液中，不能節(jié)約染色成本，上染百分率也會(huì)降低。因此確定最佳染料用量為10%(owf)。

2.5 染色溫度對(duì)染色效果的影響

采用5%(owf)的硫酸亞鐵作為媒染劑進(jìn)行后媒染法染色，浴比1∶40，用甲酸將pH值調(diào)整為5，初始溫度40 ℃，染色溫度為70、80、90、98 ℃，染色時(shí)間為60 min，媒染溫度為70 ℃，媒染時(shí)間為30 min。染色溫度對(duì)染色效果的影響結(jié)果如表5所示。

表5 染色溫度對(duì)染色效果的影響

由表5可知，染色溫度對(duì)染料的上染百分率和色牢度有很大的影響。在70 ℃低溫染色時(shí)，K/S值最低，98 ℃時(shí)K/S值最大。雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示毛條的K/S值隨著染色溫度的提高不斷增加，但染色時(shí)過(guò)高的溫度會(huì)引起羊毛泛黃、強(qiáng)力下降、染色后毛條的手感和光澤也會(huì)大打折扣。因此染色溫度選擇在98 ℃，既保證不損傷羊毛纖維，也能獲得較好的上染百分率。而且98 ℃時(shí)染得的毛條的耐皂洗色牢度及濕耐摩擦色牢度達(dá)到了4級(jí)，符合要求。

2.6 媒染時(shí)間對(duì)染色效果的影響

采用5%(owf)的硫酸亞鐵作為媒染劑進(jìn)行后媒染法染色，浴比1∶40，用甲酸將pH值調(diào)整為5，初始溫度40 ℃，染色溫度為98 ℃，染色時(shí)間為60 min，媒染溫度為70 ℃，設(shè)置媒染時(shí)間10、20、30、45 min，分別進(jìn)行染色實(shí)驗(yàn)并測(cè)試K/S值以及色牢度，結(jié)果如表6所示。

表6 媒染時(shí)間對(duì)染色效果的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在后媒染色過(guò)程中，隨著媒染時(shí)間的增加，K/S值逐漸增加后趨于穩(wěn)定。由表6可知，媒染時(shí)間為30 min時(shí)，染色毛條的K/S值最高，且耐摩擦色牢度和耐皂洗色牢度評(píng)級(jí)可以達(dá)到4級(jí)，因此確定最佳媒染時(shí)間為30 min。

3 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到的五倍子染料上染毛條的最佳工藝如下：

①確定后媒法染色作為五倍子染料上染毛條的最佳染色方法。加入媒染劑可提高染色毛條色牢度，選用媒染劑為硫酸亞鐵。

②通過(guò)各項(xiàng)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，確定五倍子染料的最佳染色工藝為后媒法染染色工藝：浴比1∶40，染液pH值5，始染溫度40 ℃，緩慢升溫至98 ℃，五倍子色素用量10%(owf)，保溫60 min，后取出毛條，進(jìn)行水洗，后媒染過(guò)程中升溫至 70 ℃，加入5%(owf)的硫酸亞鐵媒染處理30 min，最后進(jìn)行皂洗、水洗、烘干。

生產(chǎn)灰紫色系的毛精紡面料時(shí)，可以嘗試使用五倍子天然色素采用上述工藝進(jìn)行染色，以更加凸顯其生態(tài)環(huán)保性能。