洗滌參數(shù)對衣物混洗褪沾色的影響研究

趙旭　肖雨嫣　蔣黎　楊青波　孫昌　劉建立

摘要： 為探明洗滌參數(shù)影響深淺色衣物混洗串色的規(guī)律，本文采用活性紅3BS和純棉織物制備深色褪色試樣和淺色沾色試樣，并分析洗滌參數(shù)對深色試樣褪色和淺色試樣沾色的整體影響。將洗滌前后的深色試樣色差值（ΔE）和淺色試樣得色量變化（ΔK/S值）通過加權(quán)平均法構(gòu)建為褪沾色指數(shù)。結(jié)果表明，褪沾色指數(shù)影響因素的顯著性依次為洗滌時(shí)間、褪沾色試樣投放比例、主洗階段用水量和洗滌溫度。通過中心組合試驗(yàn)構(gòu)建了洗滌參數(shù)與褪沾色指數(shù)的數(shù)學(xué)模型，該模型可預(yù)測不同洗滌條件下的褪沾色指數(shù)，為混洗程序的進(jìn)一步研究提供參考。

關(guān)鍵詞： 混合洗滌;棉織物;褪色;沾色;洗滌參數(shù);褪沾色指數(shù)

中圖分類號： TS192.1;TS190.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號： 10017003（2022）04003108

引用頁碼： 041105DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2022.04.005（篇序）

家庭洗滌中，為節(jié)省洗滌時(shí)間和洗滌用水量，常將深色衣物和淺色衣物混合洗滌。但在洗滌過程中，深色衣物脫落的染料及衣物之間摩擦產(chǎn)生的有色毛頭，在洗滌體系的電解質(zhì)環(huán)境下均會與纖維素纖維產(chǎn)生電荷吸附，使得淺色衣物串色[1]。已有研究表明，深淺衣物混洗時(shí)的褪沾色與深色衣物上的染料種類、纖維類型、洗滌溫度、洗滌液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、機(jī)械力強(qiáng)度等相關(guān)[2-4]?；钚约t3BS屬于M型活性染料，具有雙活性基團(tuán)，溶解度較高，反應(yīng)性較強(qiáng)，但耐水洗色牢度較低。范雪榮等[5]研究指出，活性染料在染色過程中產(chǎn)生的水解染料吸附于織物表面，是染料耐濕摩擦色牢度較低的主要原因。粟斯偉等[6]以洗除率為考察指標(biāo)，研究表明活性染料染色后，未固著的染料物理吸附在纖維上是影響織物色牢度的根本原因，這部分染料水洗時(shí)容易脫落。

在試驗(yàn)中，以活性紅3BS和純棉織物為原料，制備了模擬家庭洗滌用的深色褪色試樣和淺色沾色試樣。為綜合評價(jià)褪沾色性能，以洗滌前的褪色試樣和沾色試樣為基準(zhǔn)，分別計(jì)算褪色試樣洗滌前后的色差值（ΔE）和沾色試樣洗滌前后得色量的變化（ΔK/S值），提出褪沾色性能的評價(jià)指標(biāo)——褪沾色指數(shù)。為了研究褪沾色試樣比例、洗滌時(shí)間、洗滌溫度和主洗水量對褪沾色指數(shù)的影響，通過單因素試驗(yàn)、中心組合試驗(yàn)和響應(yīng)面分析，優(yōu)選有效抑制褪沾色的洗滌參數(shù)，為洗衣機(jī)混洗程序設(shè)計(jì)提供參考。

1試驗(yàn)

1.1材料與儀器

織物：符合GB/T 411—2017《棉印染布》要求的漂白純棉中平布，經(jīng)緯紗均為（27.8±2.5） tex，經(jīng)緯紗密度均為（235±5） 根/10 cm。將試驗(yàn)用白布熨燙平整包裝，置于0～5 ℃的環(huán)境中避光保存?zhèn)溆谩?/p>

試劑：活性紅3BS（商用染料，浙江閏土股份有限公司），無水硫酸鈉（AR）、無水碳酸鈉（AR）（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），A-502F型皂洗劑（蘇州聯(lián)勝化學(xué)有限公司）。

儀器：TD100-163WMUIATD型小天鵝滾筒洗衣機(jī)（無錫小天鵝電器有限公司），TD06AC-20型蒸汽電熨斗（浙江蘇泊爾家居用品有限公司），LHS-80HC恒溫恒濕箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司），MR-B3型真空保鮮機(jī)（時(shí)光電子有限公司），RF-D03-20型水箱（無錫瑞弗隆制冷科技有限公司），Ahiba型紅外線染色小樣機(jī)、Datacolor650型測配色儀（美國Datacolor公司），TU-1900型雙光束紫外可見分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）。

1.2試樣制備

1.2.1褪色試樣制備

將待染色的漂白中平布裁剪為55 cm×55 cm，洗滌晾干后進(jìn)行一浴一步法染色。染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，硫酸鈉質(zhì)量濃度為50 g/L，碳酸鈉溶液質(zhì)量濃度為18 g/L，浴比為10︰1。染色工藝曲線如圖1所示，脫水處理后平鋪晾干，裁剪為25 cm×25 cm，真空保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2沾色試樣制備

沾色試樣采用和褪色試樣一致的漂白純棉中平布，為達(dá)到平行對照試驗(yàn)要求將白布放入染色機(jī)內(nèi)，進(jìn)行一套完整的染色、皂洗工藝，晾干后，將白布裁剪成為25 cm×25 cm，并放置于洗衣機(jī)內(nèi)選擇標(biāo)準(zhǔn)棉麻程序洗滌，保證洗滌環(huán)境和正式試驗(yàn)洗滌環(huán)境一致。洗滌結(jié)束后將織物晾干，剔除有可見疵點(diǎn)的織物，熨燙平整，真空保存?zhèn)溆谩?/p>

2洗滌參數(shù)對褪沾色指數(shù)的影響

2.1洗滌參數(shù)選擇

在家庭洗滌中，可以選擇不同的洗滌模式，例如棉麻洗、絲綢洗、羽絨洗和混合洗等模式。這些洗滌模式的主要差異在于洗滌、漂洗和脫水階段的參數(shù)設(shè)置。在洗滌程序中，通常將洗滌階段稱為主洗，其對應(yīng)的水溫、用水量、時(shí)間是影響洗滌品質(zhì)的重要因素。因此，本文將討論洗滌溫度、主洗水量、洗滌時(shí)間和褪沾色試樣比例對試樣褪沾色的影響，各參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2.2褪沾色指數(shù)計(jì)算

采用Datacolor 650型測配色儀，選擇30 mm的大孔徑及100% UV濾鏡校正，在D65光源10°視場和CIELab標(biāo)準(zhǔn)下，將待測試樣折疊4層平整放置并測量，每塊試樣統(tǒng)一測試4個(gè)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)褪沾色性能的整體評價(jià)，將ΔE和ΔK/S值進(jìn)行加權(quán)平均構(gòu)建新的評價(jià)指標(biāo)——褪沾色指數(shù)（TZ），如下式所示。為保證ΔE和ΔK/S值量綱一致，分別對其進(jìn)行歸一化處理，以映射到區(qū)間[0，1]。

TZ=Ly+Ly （1）

式中：權(quán)重L和L均取0.5，y、y分別代表歸一化后的ΔE和ΔK/S值。

通過式（1）計(jì)算不同洗滌參數(shù)組合混洗后形成的褪沾色指數(shù)。TZ值越接近于1，表明試樣褪沾色越嚴(yán)重，造成混洗串色的風(fēng)險(xiǎn)越大。

2.3洗滌參數(shù)對褪沾色指數(shù)的影響

試樣均采用TD100-163WMUIATD型小天鵝滾筒洗衣機(jī)上搭載的棉麻程序進(jìn)行洗滌。試驗(yàn)中控制水溫波動在±2 ℃，水的硬度在2.4～2.6 mmol/L[7]。洗滌結(jié)束后自然晾干，并進(jìn)行顏色測試，記錄ΔE和ΔK/S值，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，即為TZ值。

2.3.1褪沾色試樣比例對褪沾色指數(shù)的影響

褪沾色試樣比例是指混洗時(shí)褪色試樣與沾色試樣的數(shù)量比。將沾色試樣恒定設(shè)置為4塊，通過改變褪色試樣投放量形成不同的褪沾色試樣比例。試樣投放比例設(shè)置為2︰4、4︰4、6︰4、8︰4和10︰4，其中洗滌時(shí)間為25 min、洗滌溫度為40 ℃，主洗水量為20 L，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見，隨著褪沾色試樣比例的增大，褪沾色指數(shù)持續(xù)增加，在4︰4至6︰4指數(shù)增幅最大，褪沾色指數(shù)已接近100，影響顯著。隨著褪色試樣繼續(xù)增加，染料脫落量仍在增加，褪沾色指數(shù)增幅減緩。因?yàn)橥噬嚇訑?shù)量增加，水解和脫落的染料量增加，但主洗水量固定，相當(dāng)于浴比固定，染料水解逐漸達(dá)到飽和，導(dǎo)致染料脫落減緩[8]。

2.3.2洗滌時(shí)間對褪沾色指數(shù)的影響

洗滌時(shí)間設(shè)置為15、20、25、30 min和35 min，其中洗滌溫度為40 ℃、褪沾色試樣比例為6︰4，主洗水量為20 L，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，隨著洗滌時(shí)間的增加，褪沾色指數(shù)先增加后減少，在洗滌時(shí)間為25 min時(shí)達(dá)到了峰值。在洗滌中活性紅3BS（圖4）的乙烯砜基與水中的氫氧根離子發(fā)生親核加成反應(yīng)而水解[9]，染料-纖維結(jié)合鍵斷裂，染料喪失反應(yīng)活性，洗滌時(shí)在滾筒機(jī)械力作用下易脫離織物，并與白布發(fā)生物理吸附，沾色增加。隨著洗滌時(shí)間增加，吸附于沾色試樣的部分染料脫離試樣表面，褪沾色指數(shù)減少

2.3.3洗滌溫度對褪沾色指數(shù)的影響

洗滌溫度設(shè)置為20、30、40、50 ℃和60 ℃，其中洗滌時(shí)間25 min、褪沾色試樣比例為6︰4，主洗水量為20 L，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見，隨著洗滌溫度的升高，褪沾色指數(shù)先增加后減少。當(dāng)洗滌溫度為40 ℃時(shí)，褪沾色指數(shù)達(dá)到峰值0.98，褪沾色現(xiàn)象明顯。皂洗無法完全去除織物上未鍵合的染料，這部分染料與纖維之間的范德華力和氫鍵作用力小于滾筒機(jī)械外力，隨著溫度升高，吸附的染料擴(kuò)散到洗滌體系中，與沾色試樣形成吸附，造成試樣沾色[10]。同時(shí)，洗滌溫度升高，已固著的部分染料會發(fā)生水解斷鍵[11]，生成一系列水解染料，洗滌時(shí)易脫落，導(dǎo)致褪、沾色量增加，褪沾色指數(shù)增高。但溫度過高時(shí)，沾色織物吸附的染料擴(kuò)散速率加快，洗滌時(shí)易脫落，使得沾色量降低，同時(shí)褪色試樣染料脫落逐漸減緩，最終導(dǎo)致褪沾色指數(shù)下降。

2.3.4主洗水量對褪沾色指數(shù)的影響

主洗水量設(shè)置為10、15、20、25 L和30 L，其中洗滌時(shí)間為25 min、洗滌溫度為40 ℃、褪沾色試樣樣比例為6︰4，結(jié)果如圖6所示。

在10～30 L的主洗水量范圍，褪沾色指數(shù)在較小的區(qū)間內(nèi)波動，最大值為1.00，最小值為0.81。當(dāng)主洗水量較少時(shí)，水面剛浸沒滾筒底面，使得織物處于不完全浸沒狀態(tài)。因此，織物上染料的脫落量相對較少，對應(yīng)的褪沾色指數(shù)較小。然而，水量增大促進(jìn)平衡朝水解方向移動，導(dǎo)致褪色量增大。在高主洗水量時(shí)，相同脫落量對應(yīng)的染料脫落濃度較低，沾色試樣數(shù)量固定，使得沾色試樣的沾色色差數(shù)值較小，相應(yīng)的褪沾色指數(shù)也較小。

2.4單因素方差分析

以褪沾色指數(shù)作為因變量，采用SPSS軟件對洗滌時(shí)間、洗滌溫度、褪沾色試樣比例和主洗水量的單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊次性檢驗(yàn)，保證每組數(shù)據(jù)與平均值的偏離程度符合要求。四種因素均能夠通過齊次性檢驗(yàn)，可以進(jìn)行ANOVA方差分析，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，當(dāng)因素為褪沾色試樣比例時(shí)，經(jīng)F檢驗(yàn)后，288.844>1，且P=2.77×10<0.000 1，說明F大于顯著性F值，相對組間差異較大，不同褪沾色試樣比例對因變量具有顯著影響。洗滌時(shí)間因素下的F值為63.188，P=2.64×10<0.000 1，同樣說明洗滌時(shí)間對因變量的影響具有顯著差異。洗滌溫度和主洗水量均通過了F值檢驗(yàn)，P值分別為8.97×10和9.61×10。根據(jù)褪沾色指數(shù)分析可知，對TZ影響的顯著性從大到小依次為洗滌時(shí)間、褪沾色試樣比例、主洗水量和洗滌溫度。

2.5褪沾色指數(shù)回歸模型構(gòu)建

2.5.1褪沾色指數(shù)響應(yīng)面設(shè)計(jì)

運(yùn)用Design-Expert 8.0進(jìn)行中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)置洗滌時(shí)間、洗滌溫度、褪沾色試樣比例和主洗水量四個(gè)因素，并結(jié)合單因素試驗(yàn)的結(jié)果，確定試驗(yàn)設(shè)計(jì)的水平范圍，如表3所示。將每組試驗(yàn)的褪沾色指數(shù)TZ作為響應(yīng)值，試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

2.5.2褪沾色指數(shù)模型分析

對模型進(jìn)行多元回歸擬合，擬合數(shù)據(jù)如表5所示。當(dāng)采用二次方模型時(shí)，P值<0.000 1且R2較高，均表明該模型極度顯著，建議使用模型。

以TZ 為試驗(yàn)的響應(yīng)值，對中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行二次擬合，得到響應(yīng)值關(guān)于自變量的二次回歸方程，如下式，所示。

TZ =0.70+0.28A+0.015B+0.085C+0.022D-0.037AB+0.071AC-0.019AD-0.048BC+0.037BD-0.12A²0.14B-0.12C-0.11D（2）

2.5.3方差分析與顯著性檢驗(yàn)

通過F值檢驗(yàn)回歸模型中不同參數(shù)對響應(yīng)值影響的顯著性，P值為F小于顯著性F值的概率，P越小代表因素越顯著或者交互作用越明顯，如表6所示。

從表6可知，以TZ為響應(yīng)值建立的回歸模型的P值<0000 1，即最多只有0.01%的可能性在該模型下會失擬，說明此模型高度顯著。失擬項(xiàng)表示實(shí)際值與預(yù)測值不擬合的概率，失擬項(xiàng)P值為0.453 7>0.05，即在95%置信水平上該模型的失效項(xiàng)均不顯著，表明建立的二次回歸方程有效，具有較好的擬合程度和預(yù)測最優(yōu)值。由方差分析可知，對響應(yīng)值影響極度顯著的因素是洗滌時(shí)間（A）、洗滌時(shí)間二次項(xiàng)A2、洗滌溫度二次項(xiàng)B2、褪沾色試樣比例二次項(xiàng)C2和主洗水量二次項(xiàng)D2。顯著的因素是褪沾色試樣比例（C）、洗滌時(shí)間與褪沾色試樣比例的交互項(xiàng)（AC）、洗滌溫度與褪沾色試樣比例的交互項(xiàng)（BC）。

2.5.4基于響應(yīng)面分析的洗滌參數(shù)優(yōu)化

為了分析四個(gè)因素間的交互作用對TZ的影響，繪制了響應(yīng)面曲面圖，如圖7所示。

圖7（a）中交互因素為洗滌時(shí)間與褪沾色試樣配比，其中保持不變的因素為洗滌溫度40 ℃，主洗水量為20 L。洗滌時(shí)間在25 min，褪沾色試樣比例為6︰4即比值是1.5時(shí)，等高線密度變大，響應(yīng)面曲面較陡，曲面顏色較深，說明洗滌時(shí)間和洗滌溫度間的交互作用較為明顯。圖7（b）中交互因素為洗滌溫度與褪沾色試樣比例，保持不變的因素為洗滌時(shí)間25 min，主洗水量為20 L，洗滌溫度在40 ℃，褪沾色試樣比例在6︰4左右時(shí)，TZ較大，等高線呈閉合橢圓形，兩者交互作用明顯。圖7（c）中交互因素為洗滌溫度與主洗水量，保持不變的因素為洗滌時(shí)間25 min，褪沾色試樣比例6︰4，響應(yīng)面曲面在洗滌溫度為40 ℃，主洗水量是20 L附近時(shí)等高線較為稠密，且等高線為閉合橢圓形，響應(yīng)面呈弧形，說明在此范圍內(nèi)兩者表現(xiàn)較強(qiáng)的交互性，對TZ的影響顯著。因此，交互作用影響的顯著性依次為：AC>BC>BD，和方差分析結(jié)果一致。

對TZ進(jìn)行響應(yīng)面最大值洗滌方案篩選，其取得最大值時(shí)對應(yīng)的洗滌方案最容易造成串色。洗滌參數(shù)預(yù)測為：洗滌時(shí)間25 min、洗滌溫度39.5 ℃、褪沾色試樣配比比值1.46、主洗水量20.03 L，在此洗滌工藝下褪沾色指數(shù)預(yù)測值為0.91。為了方便試驗(yàn)操作，將洗滌參數(shù)調(diào)整為洗滌時(shí)間25 min、洗滌溫度40 ℃、褪沾色式樣配比為6︰4、主洗水量為20 L，進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，褪沾色指數(shù)均值為0.88。預(yù)測值與測試值之間的相對誤差為3.4%，說明真實(shí)值和模型預(yù)測值較為吻合，此模型較為可靠，洗滌參數(shù)預(yù)測較為準(zhǔn)確。同時(shí)對應(yīng)的洗滌參數(shù)下較容易造成串色行為，實(shí)際洗滌過程中應(yīng)該避免此類參數(shù)搭配。

對TZ進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化，其取得最小值時(shí)對應(yīng)的洗滌方案不易造成混洗串色。洗滌參數(shù)為：洗滌時(shí)間15.51 min、洗滌溫度30.16 ℃、褪沾色試樣比值1.01、主洗水量15.01 L，此時(shí)TZ為3.71×10。為方便試驗(yàn)，將最優(yōu)化洗滌參數(shù)調(diào)整為：洗滌時(shí)間16 min、洗滌溫度30 ℃、褪沾色試樣比值4︰4、主洗水量15 L，進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，TZ的均值為3.98×10，相對誤差為6.7%，表明實(shí)際值和預(yù)測值擬合程度較好，此模型較為可靠。

3結(jié)論

本文以褪沾色指數(shù)作為衡量洗滌體系中褪沾色情況的指標(biāo)，通過單因素試驗(yàn)和中心組合試驗(yàn)及響應(yīng)面分析對洗滌參數(shù)進(jìn)行顯著性篩選，同時(shí)得出最優(yōu)化洗滌方案，該洗滌方案可以有效抑制洗滌體系的褪沾色問題。

1） 通過單因素試驗(yàn)及方差分析可知，以褪沾色指數(shù)為綜合評價(jià)指標(biāo)，在試驗(yàn)參數(shù)梯度下，對褪沾色指數(shù)影響顯著性及褪沾色防控重要性排序依次為：洗滌時(shí)間、褪沾色試樣比例、主洗水量、洗滌溫度。

2） 通過中心組合試驗(yàn)和響應(yīng)面分析可知，在模擬家庭洗滌試驗(yàn)中洗滌時(shí)間（A）、洗滌溫度（B）、褪沾色試樣配比（C）、主洗水量（D）對褪沾色指數(shù)存在交互作用，4因素及6交互影響顯著性依次為：A>C>D>B>AC>BC>AB>BD>AD>CD。因此，在洗滌中應(yīng)對洗滌時(shí)間和深淺色織物投放比例進(jìn)行嚴(yán)格把控，避免在洗滌時(shí)間為25 min、深淺色織物投放比例為6︰4時(shí)洗滌。

3） 通過褪沾色指數(shù)模型最小值優(yōu)化預(yù)測以及驗(yàn)證，最佳混洗工藝為：洗滌時(shí)間16 min、洗滌溫度30 ℃、褪沾色試樣比例4︰4及主洗水量15 L，此時(shí)模型的褪沾色指數(shù)預(yù)測值為371×10，實(shí)測值為3.98×10。通過比較可知，采用該組洗滌參數(shù)對試樣混洗，可以有效避免串色問題。

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Influence of washing parameters on color fading and staining of

deep and light color clothing in mixed washingZHAO Xu XIAO Yuyan JIANG Li YANG Qingbo SUN Chang LIU Jianli（1.College of Textile Science and Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， China;

2.Wuxi Little Swan Electric Co.， Ltd.， Wuxi 214035， China）

Abstract： In daily household washing， the mixed washing of clothes has become a normal state. However， the dark cotton clothes dyed with reactive dyes will fade during mixed washing， and the falling off dyes will lead to the staining of light-colored clothes， forming a cross-color phenomenon， which has become a pain point in the household washing. At the same time， due to the improper choice of washing modes and washing parameters in domestic washing， it is easy to cause the shedding of reactive dyes on dark clothes， resulting in water pollution. The shedding dyes belong to organic salt macromolecules with complex structures and poor biodegradability， which seriously affects the ecological environment. At present， the research on fading and staining of washed clothes mainly focuses on the field of detergents， while the research on slowing down fading and staining through the optimization of washing procedures is still in the blank.

To clarify the influence of washing parameters on the cross-color of dark and light color clothes， reactive red 3BS and pure cotton fabrics were used to prepare dark color fading samples， and the overall influence of washing parameters on the fading of dark color samples and staining of light color samples was analyzed by single factor experiment. The central composite experimental table was designed according to the washing parameters and parameter levels selected by a single factor experiment， the mathematical model of washing parameters and fading and staining indexes was constructed， and the washing parameters were optimized according to the response surface method. To comprehensively evaluate the fading degree of dark clothes and the staining degree of light clothes， the weighted average of the color difference （ΔE） of dark samples before and after washing and the color gain change （ΔK/S） of light samples was proposed as the fading and staining indexes （TZ） which were used to evaluate the severity of cross-color. At the same time， to predict the fading and staining degree of clothes under different washing parameters， a quadratic model with fading and staining indexes as the response value was constructed， which could successfully predict the fading and staining of dark and light-colored fabrics under set washing procedures. The results show that the significant factors affecting the fading and staining indexes are washing time， the proportion of fading samples， the water consumption in the main washing stage， and the washing temperature. After three groups of prediction verification tests， when the washing time is 16 min， the washing temperature is 30 ℃， the ratio of faded and stained samples is 4︰4， and the main washing water quantity is 15 L， the average value of TZ is 3.98×10-2， and the relative error is 6.7%， which indicates that the actual value and the predicted value fit well. The quadratic model established by the central composite experiment can successfully predict the fading and staining indexes under different washing conditions.

The optimization of washing parameters can effectively control the cross-color problem caused by the mixed washing of dark and light color clothes， effectively reduce the fading of dark color clothes， and then realize the emission reduction of dyes in washing wastewater， provide data reference for the innovative design of mixed washing procedures， and promote the research and development of greenwashing equipment.

Key words： mixed washing; cotton fabrics; fading; staining; washing parameters; fading and staining indexes