板栗葉染料在天然纖維上的染色研究

賈艷梅,靳 衛(wèi)

(1. 遼東學(xué)院 化工與機(jī)械學(xué)院,遼寧 丹東 118003;2.營口職業(yè)技術(shù)學(xué)院,遼寧 營口115000)

為了建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會,不斷提高資源環(huán)境的保障能力,實現(xiàn)紡織領(lǐng)域健康快速發(fā)展,將現(xiàn)有的染色方式向低污染、低排放轉(zhuǎn)變是協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的必然要求。近年來,因合成染料的使用而帶來的環(huán)境問題已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注,為減少合成染料的使用及染色殘液的排放,天然染料染色重新回到人們的視野[1-2]。天然染料是指從植物、動物、微生物或礦產(chǎn)資源中獲得的、很少或沒有經(jīng)過化學(xué)加工的染料[3]。與合成染料相比,天然染料具有無毒性、不造成環(huán)境污染、易生物降解、可再生等優(yōu)點,并且在染色的同時還可以賦予紡織品一定的抗紫外線、抗菌、抗氧化等功能[4-7]。板栗葉染料是從廢棄物板栗落葉中提取的多酚類天然色素,在具有天然染料優(yōu)點的同時,還具有來源豐富,成本低廉,色素性質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)勢。板栗葉色素的提取及應(yīng)用,是有效利用板栗落葉資源的重要途徑,具有較大的應(yīng)用價值及經(jīng)濟(jì)效益。紡織品所用的天然纖維主要包括天然蛋白質(zhì)纖維(如蠶絲、羊毛)及纖維素纖維(如棉、麻)兩大類,由于其天然纖維的特性,采用天然染料對其進(jìn)行染色,可以保持其綠色天然的品質(zhì),同時,可能會使其具備一定的功能性如抗紫外線、抗菌等。本研究從廢棄物板栗落葉中提取天然染料,研究該染料的提取工藝條件,探討該染料在三種天然纖維柞蠶絲、羊毛及改性棉上的染色性能,并測試了染色牢度。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

材料:板栗葉(丹東,秋季落葉)、柞蠶絲平紋織物(70g/m2)、羊毛織物(180g/m2)、純棉平布(106g/m2)及陽離子改性純棉平布(106g/m2,5g/L殼聚糖季銨鹽改性,自制)。

試劑:氫氧化鈉、冰醋酸、明礬、硫酸亞鐵(均為分析純,科密歐化學(xué)試劑有限公司)。

儀器:UV-2450 紫外-可見分光光度計(日本島津)、Datacolor SF 600 計算機(jī)測色配色儀(美國Datacolor 公司)、Y571L 型染色摩擦牢度儀(萊州市電子儀器有限公司)、 耐洗色牢度試驗機(jī)(溫州大榮紡織儀器有限公司)、酸度計、染色小樣機(jī)等。

1.2 試驗方法

1.2.1 染料提取

收集秋季板栗落葉,將該落葉用自來水清洗干凈,用剪刀剪碎,固定提取時間為2 h,分別在不同的提取溫度(50℃、75℃、100℃)下,按照物料與溶劑質(zhì)量比(料液比)分別1∶20和1∶30 進(jìn)行染料提取實驗,研究提取溫度及料液比對提取的染料溶液吸光度的影響,確定最佳提取工藝參數(shù)。提取液經(jīng)過濾除去殘渣,并稀釋一定倍數(shù)后,進(jìn)行光譜及吸光度測試。

1.2.2 染色工藝

直接染色:按染色浴比 1∶50,將試樣投入40℃的染液中浸染,緩慢升溫至90℃,恒溫染色50 min,之后降溫至室溫,取出織物,水洗,晾干。

媒染染色:采用后媒染色工藝,采用最佳直接染色條件進(jìn)行染色,之后不經(jīng)水洗將試樣按浴比1∶50, 投入50℃媒染劑溶液(質(zhì)量濃度3g/L)中處理25 min,降溫后取出試樣,水洗,晾干。

1.3 測試方法

1.3.1 紫外光譜

采用紫外-可見分光光度計測定,以蒸餾水作基線掃描,將提取液稀釋至一定濃度,對其進(jìn)行紫外-可見光譜掃描。

1.3.2 顏色特征值的測試

試樣的顏色表征以表觀色深值(K/S值)和色度值L?、a?、b?、C?表示,采用電腦測色配色儀測定。K/S值越高,試樣得色越深。L?為明度值;a?為紅綠值,a?>0,表示試樣色光偏紅,a?<0,試樣色光偏綠;b?為黃藍(lán)值,b?>0,色光偏黃,b?<0,色光偏藍(lán);C?為艷度值,其值越高,表示顏色純度越高。

1.3.3 染色牢度

染色試樣的耐皂洗、耐摩擦色牢度分別按GB/T 3921.1-2008《紡織品 色牢度試驗 耐皂洗色牢度》和GB/T 3920-2008《紡織品 色牢度試驗 耐摩擦色牢度》進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 染料提取工藝

為考察板栗葉染料提取時物料與溶劑比例(料液比)及提取溫度對提取效果的影響,按照前述的提取工藝提取染料,首先對料液比為1∶20條件下提取的染料溶液進(jìn)行光譜掃描,以表征染料的紫外吸收特性及最大吸收波長(λmax)。之后,對不同料液比及溫度下提取液最大吸收波長處的吸光度A進(jìn)行測定,結(jié)果分別見圖1及表1:

表1 物料溶劑比和溫度對染料溶液吸光度的影響

圖1 板栗葉提取液的紫外-可見吸收光譜

從圖1可以看出,板栗葉提取液的紫外吸收峰出現(xiàn)在234nm,此吸收峰是發(fā)色團(tuán)苯環(huán)分子中的共軛系統(tǒng)π-π?躍遷引起的吸收帶(E2帶或稱K帶),當(dāng)苯環(huán)有助色團(tuán)存在時,吸收峰發(fā)生紅移;在可見光波段染料溶液沒有明顯吸收峰。由紫外光譜可初步推斷,板栗葉染料的化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán),并有-OH助色團(tuán)存在,與文獻(xiàn)介紹的其植物多酚的化學(xué)組成符合[8-9]。

由表1可知,當(dāng)物料溶劑比(料液比)為1∶20和1∶30時,吸光度值以1∶20為佳,說明料液比為1∶20時染料提取液中色素的濃度高。所以實驗選擇料液比1∶20進(jìn)行染料提取,即50g板栗葉提取染料溶液1000mL。當(dāng)溫度從50℃升高到100℃時,吸光度值呈提高趨勢,表明提高溫度對板栗葉染料的提取是有利的,因為板栗葉中所含有的天然染料為植物多酚類物質(zhì)(如槲皮素、鞣花單寧、五倍子單寧),其耐熱穩(wěn)定性良好,不易在高溫下產(chǎn)生分解現(xiàn)象,而提高溫度更有利于溶劑浸入板栗葉內(nèi)部,將水溶性的色素成分溶出。因此,本實驗在料液比1∶20,提取溫度100℃,提取時間2h的條件下進(jìn)行板栗葉染料的提取。

2.2 媒染劑對板栗葉染料紫外光譜的影響

分別對板栗葉提取液以及添加了明礬及硫酸亞鐵的提取液進(jìn)行紫外-可見光譜掃描,以蒸餾水進(jìn)行基線清零,兩種媒染劑對板栗葉染料紫外-可見光譜的影響如圖2所示:

圖2 媒染劑對板栗葉染料紫外-可見光譜的影響

由圖2可以看出,板栗葉提取液在添加了明礬及硫酸亞鐵后,其紫外-可見光譜形態(tài)發(fā)生一定變化,特別是添加了FeSO4后,溶液在可見光波段的光譜形態(tài)發(fā)生了變化,預(yù)示著溶液顏色的變化,目測染料溶液由棕黃色變?yōu)殍F灰色,添加明礬的溶液色澤并無明顯變化。添加兩種媒染劑后,染料溶液Abs增大,表明兩種媒染劑對板栗葉染料均具有濃色效應(yīng),可提高染料的顯色性能。

2.3 染色工藝

2.3.1 pH值對染色的影響

以提取的板栗葉染料分別對柞蠶絲、羊毛及改性棉織物進(jìn)行染色實驗,固定染色溫度為90℃,保溫時間為50min,染浴 pH值對染色試樣顏色特征值的影響分別見表2-表4。

表2 pH值對柞蠶絲試樣顏色值的影響

表3 pH值對羊毛試樣顏色值的影響

表4 pH值對棉試樣顏色值的影響

由表2-表4可以看出,板栗葉染料上染柞蠶絲及羊毛纖維時,染色pH值對試樣K/S值影響非常顯著,染色pH值越低,試樣K/S值越高,二者均以pH為3時得色最深。尤其對于羊毛試樣,pH影響極大。pH值對明度值L?的影響與K/S值相反,隨pH升高L?值增大,試樣的黃藍(lán)值b?、艷度值C?均隨pH升高而呈現(xiàn)降低趨勢。而對于陽離子改性棉織物,pH對試樣色深值及L?、a?、b?值的影響相對較小。未經(jīng)改性的棉織物染色試樣K/S值幾乎與未染色棉布相同,只有極少量的染料上染,表明板栗葉染料對纖維素織物不具備上染性能。這與蠶絲和羊毛均為兩性性質(zhì)的蛋白質(zhì)纖維,表面帶電情況受介質(zhì)pH值影響;棉纖維屬于纖維素纖維,未改性棉織物表面帶有負(fù)電荷,而陽離子改性棉織物在不同pH值條件下,其表面均呈現(xiàn)正電性有一定關(guān)系。實驗結(jié)果表明,板栗葉染料上染蠶絲、羊毛及陽離子改性棉纖維可以得到較高的染色深度,染料對試樣的染深性良好。

2.3.2 媒染劑對染色的影響

以板栗葉染料對三種織物進(jìn)行染色,采用染色pH=3條件染色,分別以明礬及硫酸亞鐵對直接試樣進(jìn)行浸漬媒染劑的后處理,媒染織物的顏色特征值測試結(jié)果見表5-表7。

表5 媒染劑對柞蠶絲試樣顏色值的影響

表6 媒染劑對羊毛試樣顏色值的影響

表7 媒染劑對改性棉試樣顏色值的影響

從表5-表7可知,板栗葉染料上染三種纖維織物,經(jīng)明礬及硫酸亞鐵媒染后,試樣的色深值都得到一定程度的提高,其中硫酸亞鐵媒染試樣具有最高的K/S值,試樣的明度值L?及a?、b?、C?值較無媒染色試樣顯著降低,顏色發(fā)生變化,由棕黃色變?yōu)殍F灰色。硫酸亞鐵媒染對試樣色深值提高顯著,卻導(dǎo)致試樣顏色變化。明礬媒染試樣的K/S值及各項色度值均與直接染色相近,無明顯變化,試樣顏色為棕黃色。

2.3.3 染色牢度

分別對板栗葉染料染色柞蠶絲、羊毛及改性棉織物進(jìn)行皂洗牢度及摩擦牢度測試,結(jié)果見表8。

表8 染色牢度測試結(jié)果

由表8可以看出,板栗葉染料上染三種天然纖維織物,所有染色試樣的皂洗褪色牢度及濕摩擦牢度均達(dá)到3級(或以上),皂洗沾色牢度及干摩擦牢度均在4級及以上,所以即使不經(jīng)過媒染,板栗葉染料對三種織物的染色牢度也可達(dá)到使用要求。所以該染料的提取及在紡織品中的應(yīng)用具有較大的實用價值,也為板栗落葉廢棄資源的有效利用提供了一種途徑。

3 結(jié)論

(1)板栗葉染料的提取適宜條件為:以水為溶劑,物料與溶劑質(zhì)量之比為1∶20,提取溫度100℃,回流提取2h。

(2)板栗葉染料對三種天然纖維柞蠶絲、羊毛及棉均具有良好的上染性能,當(dāng)染色pH=3時,染色試樣具有較高的表觀色深值,染深性能良好,直接染色試樣均為棕黃色。

(3)板栗葉染料采用硫酸亞鐵及明礬作為媒染劑上染三種纖維,硫酸亞鐵的增深性能非常顯著,試樣得色均為深鐵灰色,明礬媒染試樣的K/S值及顏色與直接染色試樣接近,得色為棕黃色。

(4)直接及媒染試樣具有良好的色牢度特性,可以滿足一般的紡織品牢度需求。