紫花地丁植物染料對純棉針織物的染色性能研究

王霖安 張軍 傅紅平 余志成

摘 要：為了探討紫花地丁提取物作為植物染料對改性純棉針織物的染色性能，對染色方法和染色工藝參數(shù)（硫酸亞鐵用量、染色pH值、溫度和時間）進(jìn)行優(yōu)化，對染色牢度、抗紫外線性能和抗菌性能進(jìn)行測試。結(jié)果表明，紫花地丁植物染料純棉針織物染色以同浴媒染法為好，適宜的染色工藝為：天然染料紫花地丁20 g/L，硫酸亞鐵用量2%（o.w.f），檸檬酸0.5 g/L，pH值為6，90℃染色50 min。染色織物耐皂洗和耐摩擦色牢度達(dá)到3級及以上，在棉織物上的日曬牢度優(yōu)于大多數(shù)天然染料，可達(dá)到3級。經(jīng)20次水洗后UPF值仍大于50。染色織物對大腸桿菌抗菌率77.03%，對金黃色葡萄球菌抗菌率73.88%。

關(guān)鍵詞：紫花地丁;天然染料;染色;防紫外線;抗菌

中圖分類號：TS193.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2022）01-0157-05

Abstract： In this study， the Chinese herb viola philippica extract was selected as a natural dye to treat the knitted cotton fabric. The dyeing properties of the modified knitted cotton fabric， the dyeing methods and dyeing process parameters （dosage of ferrous sulfate， pH value， dyeing temperature and dyeing time） were optimized. The color fastness， UV resistance and antibacterial property of the dyed fabric were evaluated. The results showed that the one-bath mordant dyeing method was the best for the dyeing of knitted cotton fabric by the natural dye viola philippica. The optimal dyeing process was determined as follows： viola philippica 20 g/L， ferrous sulfate 2%（o.w.f）， citric acid 0.5 g/L， a pH value of 6， 90℃ for 50 min. Under this condition， the color fastness to soap washing and friction of the dyed fabric reached level 3 or above. The color fastness to sunlight on cotton fabrics was better than most natural dyes and reached 3 level. The UPF value was still higher than 50 after 20 laundries. The antibacterial rates of the dyed fabric against Escherichia coli and Staphylococcus aureus were 77.03% and 73.88% respectively.

Key words： Viola Philippica; natural dye; dyeing; UV resistance; antibacterial

隨著生活水平提高，健康紡織品越來越受到消費(fèi)者的青睞。植物染料與環(huán)境相容性良好，具有較好的可降解性，色澤柔和，獨(dú)具特色[1-2]。然而植物染料存在色譜不足、日曬牢度差等行業(yè)共性問題，因此亟待開發(fā)新的植物染料[3-5]。

紫花地丁（Viola philippic）為堇菜科（Violaceae）堇菜屬植物，具有清熱解毒、涼血消腫、清熱利濕的作用，文獻(xiàn)報道紫花地丁提取物具有抗炎、抗菌、抗HIV和免疫調(diào)節(jié)等作用，其主要成分包括香豆素類、黃酮類以及有機(jī)酸等[6-7]。紫花地丁提取物同時用于棉織物染色及抗菌、抗紫外線功能還未見研究報道。

大多數(shù)天然染料與棉織物直接性較低，因此先對棉織物進(jìn)行陽離子改性，使之更容易與天然染料結(jié)合，其原理是賦予棉纖維正電性，帶負(fù)電的天然染料更易與之結(jié)合，從而提高上染率。本文將紫花地丁提取物作為植物染料對改性后純棉針織物染色，對染色方法和染色工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對織物的色牢度和抗菌、抗紫外線性能進(jìn)行了測試。

1 實(shí) 驗

1.1 實(shí)驗材料及儀器

織物：漂白棉針織物。

試劑：紫花地丁莖葉部分（亳州市澤信堂藥業(yè)有限公司），硫酸亞鐵、檸檬酸、氫氧化鈉、醋酸、無水乙醇、氯化鈉、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀（AR，杭州高晶精細(xì)化工有限公司），酵母浸粉、蛋白胨、營養(yǎng)瓊脂、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌（AR，杭州百思生物科技有限公司），皂片（上海制皂廠）。

儀器：R201D旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器（杭州大衛(wèi)科教儀器有限公司），F(xiàn)D-1A-50冷凍干燥機(jī)（上海比朗儀器制造有限公司），DYE-24可調(diào)向式打色機(jī)（上海千立自動化設(shè)備有限公司），Lambda 35紫外可見分光光度計（美國Elmer Perkin公司），Datacolor600測色配色儀（美國Datacolor公司），UV-2000F紡織品防紫外因子測試儀（美國Labsphere公司），JB-CJ-2A型凈化工作臺（蘇州蘇潔凈化設(shè)備有限公司），HZQ-150JB型全溫培養(yǎng)振蕩器（上海百典儀器設(shè)備有限公司）。

1.2 實(shí)驗工藝

1.2.1 紫花地丁天然染料的提取

將干燥后的紫花地丁莖葉完全浸入50%乙醇溶液，料液比為1∶18，在50℃下提取1 h，過濾，除去紫花地丁殘渣。將提取物水醇溶液進(jìn)行減壓濃縮，冷凍干燥，得到紫花地丁提取物粉末，進(jìn)行后續(xù)染色實(shí)驗。

1.2.2 改性工藝

改性劑18 6 g/L，棉織物在30℃下改性20 min，浴比為1∶50。

1.2.3 染色工藝

a）直接染色工藝

紫花地丁天然染料20 g/L，pH=6，30℃起始，以2℃/min升溫至90℃，在90℃下染色60 min，水洗。浴比為1∶50。

b）預(yù)媒染染色工藝

硫酸亞鐵2 %（o.w.f），CA0.5 g/L，將改性棉織物60℃下媒染30 min，水洗，隨后置入染浴中染色。紫花地丁天然染料20 g/L，pH=6，30℃起始，以2℃/min升溫至90℃，在90℃下染色60 min，水洗。浴比均為1∶50。

c）同浴媒染染色工藝

紫花地丁天然染料20 g/L，硫酸亞鐵2%（o.w.f）， CA0.5 g/L，pH=6，30℃起始，以2℃/min升溫至90℃，在90℃下染色60 min，水洗。浴比為1∶50。

d）后媒染染色工藝

紫花地丁天然染料20 g/L，pH=6，30℃起始，以2℃/min升溫至90℃，在90℃下染色60 min，水洗。將織物加入硫酸亞鐵2 %（o.w.f）， CA0.5 g/L的溶液中，60℃下媒染30 min。浴比均為1∶50。

1.3 測試方法

1.3.1 染色K/S值

在D65光源下，采用Datacolor600測試儀測試K/S值。選擇CIELab測色系統(tǒng)，折疊染色織物兩次，任意取3個點(diǎn)測試，取平均值。

1.3.2 染色牢度

按GB/T 3921-2008《紡織品 色牢度試驗 耐皂洗色牢度》A（1）測試方法，貼襯織物為棉和羊毛。

按GB/T 3920-2008《紡織品 色牢度試驗 耐摩擦色牢度》測試方法，分別進(jìn)行干摩擦試驗和濕摩擦試驗。

按GB/T 8427-2019《紡織品 色牢度試驗 耐人造光色牢度：氙弧》測試方法，曝曬周期為20h。

1.3.3 防紫外性能

按GB/T 18830-2009《紡織品 防紫外線性能的評定》測試方法，采用UV-2000F紡織品防紫外因子測試儀測試織物的UPF值，取任意3個點(diǎn)測試，取平均值。

1.3.4 抗菌性能

按GB/T 20944.2-2007《紡織品 抗菌性能的評價 第2部分：吸收法》測試方法，選擇菌種為大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，對未染色棉和染色棉織物的抗菌性能進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 紫花地丁天然染料的吸收光譜

由圖1可知，紫外可見光吸收光譜中，紫花地丁天然染料的主要吸收峰位于412 nm和665 nm。

2.2 紫花地丁天然染料染色

2.2.1 染色方法對K/S值的影響

選擇紫花地丁20 g/L，媒染劑FeSO4用量為2%（o.w.f），染浴pH=6，在90℃下對棉織物染色50 min，隨后水洗烘干，對K/S值進(jìn)行測試。染色方法對K/S值的影響如圖2所示。

由圖2可知，媒染染色織物的K/S值大于直接染色織物，這是因為在媒染劑未加入前，染料直接性小，織物上吸附染料的濃度不高;媒染劑加入后，染料、棉纖維和媒染劑之間發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)使K/S增大。為了達(dá)到節(jié)能減排的需要，選擇同浴媒染作為紫花地丁提取液染色棉織物的染色方法。

2.2.2 媒染劑用量對K/S值的影響

選擇紫花地丁20 g/L，染色方法為同浴媒染， 染浴pH=6，在90℃下對棉織物染色50 min，隨后水洗烘干，對K/S值進(jìn)行測試。媒染劑硫酸亞鐵用量對K/S值的影響如圖3所示。

由圖3可知，隨著媒染劑用量的增加，K/S值逐漸增大，這是因為在上染過程中，染料-媒染劑金屬離子-纖維之間形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，絡(luò)合物的存在使得纖維上染料上染量增大，得色更深。當(dāng)媒染劑用量達(dá)到2 %（o.w.f）之后，增加的幅度不大，是因為此時紫花地丁天然染料與Fe2+發(fā)生的絡(luò)合反應(yīng)趨于飽和，繼續(xù)增大媒染劑用量，絡(luò)合物的生成量趨于穩(wěn)定，織物的K/S值不發(fā)生明顯增加。因此選擇2 %（o.w.f）作為紫花地丁提取液染色改性棉織物的媒染劑硫酸亞鐵的用量。

2.2.3 pH值對K/S值的影響

選擇紫花地丁20 g/L，染色方法為同浴媒染，媒染劑FeSO4用量為2%（o.w.f），在90℃下對棉織物染色50 min。pH值對K/S值的影響如圖4所示。

由圖4可知，pH值增大，有利于染料、纖維與金屬離子間發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，染色織物的K/S值增大，當(dāng)pH=6時，染色織物K/S值達(dá)到最大。隨著pH值繼續(xù)增大，堿性環(huán)境中Fe2+會發(fā)生沉淀，使得發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)的Fe2+有效濃度下降，K/S值降低。因此選擇pH=6作為紫花地丁提取液染色改性棉織物的pH值。

2.2.4 染色溫度對K/S值的影響

選擇紫花地丁20 g/L，染色方法為同浴媒染，媒染劑FeSO4用量為2%（o.w.f），染浴pH=6，染色時間50 min。染色溫度對K/S值的影響如圖5所示。

由圖5可知，隨著染色溫度增加，染色織物的K/S值增大，這是因為隨著染色溫度的升高，棉纖維膨化程度提高，染料溶解度增大，有利于染料分子、媒染劑擴(kuò)散進(jìn)入纖維內(nèi)部，并發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)。當(dāng)達(dá)到80℃后，染料與纖維的結(jié)合量趨于飽和，增加程度便趨于緩慢。因此選擇80～100℃作為紫花地丁提取液染色改性棉織物的染色溫度。

2.2.5 染色時間對K/S值的影響

選擇紫花地丁20 g/L，染色方法為同浴媒染，媒染劑FeSO4用量為2%（o.w.f），染浴pH=6，染色溫度90℃。染色時間對K/S值的影響如圖6所示。

由圖6可知，隨著染色時間的增加，織物K/S值緩慢增大，染色時間達(dá)到50 min后，增大幅度減小。此時染料、纖維與媒染劑絡(luò)合充分，因此選擇50 min作為紫花地丁提取液染色改性棉織物的染色時間。

2.2.6 染色牢度

由表1可知，染色棉織物的耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度均可達(dá)到3級以上，尤其是日曬牢度同樣達(dá)到3級以上。

2.3 紫花地丁染色棉織物的防紫外性能

對紫花地丁染色棉織物測試UPF，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，未染色棉織物的UPF值為13.11，防紫外效果很差，經(jīng)過直接染色的織物的UPF值為141.81，防紫外性能有了明顯提升。這是因為紫花地丁提取物的化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有共軛系統(tǒng)，可以有效吸收紫外線[8]。同浴媒染的織物的UPF值可以達(dá)到184.51，媒染劑的使用進(jìn)一步提高了防紫外效果，且經(jīng)過水洗后，同浴媒染織物UPF值的下降幅度小于直接染色織物。這是因為由過量Fe2+產(chǎn)生的Fe2O3也是優(yōu)良的抗紫外試劑，同時纖維-媒染劑-染料之間生成的絡(luò)合物穩(wěn)定，提高了耐洗性。在水洗20次后，染色織物UPF值仍然大于50，說明紫花地丁提取液可賦予改性棉織物優(yōu)異的防紫外性能，在紡織行業(yè)有較好的應(yīng)用前景。

2.4 紫花地丁染色棉織物的抗菌性能

對未染色棉織物和紫花地丁染色棉織物測試抗菌率，測試結(jié)果如表3所示。

由表3可知，未染色棉織物不具有抗菌效果，紫花地丁染色棉織物對大腸桿菌的抗菌率未77.03%，對金黃色葡萄球菌的抗菌率為73.88%。細(xì)胞膜通透性改變，從而使內(nèi)容物溶出是黃酮類化合物抗菌機(jī)理之一[9]。

3 結(jié) 論

本文通過紫花地丁提取物對改性純棉針織物的染色方法和染色工藝參數(shù)的優(yōu)化，并對染色牢度、抗紫外線性能和抗菌性能進(jìn)行測試分析，得到如下主要研究結(jié)果：

a）紫花地丁作為植物染料對棉織物進(jìn)行染色，耐皂洗、耐摩擦和日曬牢度均達(dá)到3級。適宜的染色工藝條件： 紫花地丁提取液20 g/L，F(xiàn)eSO42%（o.w.f），檸檬酸0.5 g/L，同浴媒染，pH值為6，90℃下染色50 min。

b）紫花地丁植物染料染色后的棉織物具有優(yōu)異的防紫外性能，20次洗滌后UPF值仍然大于50。

c）紫花地丁植物染料染色后的棉織物對大腸桿菌抗菌率77.03%，對金黃色葡萄球菌抗菌率73.88%。

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