中藥染料小檗堿染真絲織物及其性能研究

陳 偉，岳 靜，陳長(zhǎng)潔，李 健，王國(guó)和，2

(1.蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇蘇州215006;2.現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州215123)

小檗堿是從中草藥黃連、黃柏等植物中提取的季銨鹽類生物堿——天然中藥型陽(yáng)離子染料，具有生態(tài)環(huán)保、藥理保健、水溶性良好、抗菌譜較廣等優(yōu)點(diǎn)[1]。小檗堿對(duì)多種纖維有較好的上染效果，可染得鮮艷的黃色[2]，已有研究者將其應(yīng)用于蠶絲、羊毛、棉、腈綸、大豆蛋白等纖維制品的染色[3-7]，但對(duì)于小檗堿染色織物的抑菌與抗紫外線性能等方面的研究較少。蠶絲素有“人體第二肌膚”“纖維皇后”的美譽(yù)，其織物吸濕透氣、質(zhì)地柔軟、光澤優(yōu)雅，是夏季服裝與高檔禮服的優(yōu)選面料。采用中藥染料小檗堿對(duì)真絲織物進(jìn)行染色，可迎合生態(tài)紡織品綠色環(huán)保、健康保健的時(shí)代潮流，并提升產(chǎn)品的附加值。為此，本文研究中藥染料小檗堿對(duì)真絲織物的染色工藝與染色性能，并對(duì)其抑菌效果及抗紫外線性能進(jìn)行測(cè)試與分析，以期開(kāi)發(fā)高附加值的生態(tài)真絲織物。

1 試驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料:14101素縐緞(蘇州市鼎盛絲綢有限公司)，小檗堿(純度98%，南通飛宇生物科技有限公司)，金黃色葡萄球菌ATCC 6538、大腸桿菌 ATCC 8099(蘇州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院)，營(yíng)養(yǎng)瓊脂、營(yíng)養(yǎng)肉湯(上海盛思生化科技有限公司)，磷酸二氫鉀、檸檬酸、磷酸氫二鈉、甘氨酸、氫氧化鈉、標(biāo)準(zhǔn)皂片、四氯乙烯(分析純)。

儀器:XW-ZDR-25X12低噪振蕩染樣機(jī)(江蘇靖江市新旺染整設(shè)備廠)，Ultra Scan分光測(cè)色儀(美國(guó)Hunter Lab公司)，SW-12型耐洗色牢度測(cè)試儀(無(wú)錫紡織儀器廠)，Y571B摩擦色牢度儀(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)，TU-1810紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限公司)，UV-1000F型紫外防護(hù)性能測(cè)定儀(美國(guó)藍(lán)菲光學(xué)公司)，LRH-250A生化培養(yǎng)箱(廣東省醫(yī)療器械廠)。

1.2 染色方法

采用振蕩升溫法直接染色，用檸檬酸、磷酸氫二鈉或甘氨酸、氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值。將真絲織物用蒸餾水浸泡10 min后，投入1︰50浴比的小檗堿染液中，40℃入染，5min后以1℃/min的速率升至染色溫度，續(xù)染一定時(shí)間后取出水洗并烘干。

1.3 測(cè)試方法

織物K/S值測(cè)試:將染色真絲織物試樣折疊成4層，采用D65光源，10°視場(chǎng)，在Ultra Scan分光測(cè)色儀測(cè)試試樣不同4個(gè)點(diǎn)處的K/S值，求其平均值。

染色織物色牢度測(cè)試:摩擦色牢度按 GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐摩擦色牢度》測(cè)定;皂洗色牢度按GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐皂洗色牢度》測(cè)定;干洗色牢度按 GB/T 5711—1997《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐干洗色牢度》測(cè)定。

染色織物抗菌性與防紫外測(cè)試:抗菌性能按GB/T 20944.3—2008《紡織品抗菌性能的評(píng)價(jià) 第3部分:振蕩法》測(cè)定。防紫外線性能按GB/T 18830—2009《紡織品防紫外線性能的評(píng)定》測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 染色工藝條件對(duì)織物K/S值的影響

2.1.1 染色溫度的影響

小檗堿質(zhì)量濃度為1g/L、pH6、染色時(shí)間50min，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。圖1可見(jiàn)，隨著染色溫度升高，織物K/S值呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，當(dāng)溫度為55～65℃時(shí)，織物K/S值有所增加，這是由于溫度增加，有利于纖維膨脹及染料向纖維內(nèi)部的滲透。當(dāng)溫度高于65℃時(shí)，織物K/S值顯著降低，這是由于小檗堿染真絲織物為放熱過(guò)程，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致染料對(duì)纖維的親和力下降[6-7]，從而降低染料的上染效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，染色溫度在65℃左右為最佳。

圖1 染色溫度對(duì)K/S值的影響Fig.1 Effect of dyeing temperature on K/S value

2.1.2 染色時(shí)間的影響

小檗堿質(zhì)量濃度為1g/L、染色溫度65℃(真絲織物40℃入染至65℃續(xù)染，以利于其染色的均勻性)、pH6，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 染色時(shí)間對(duì)K/S值的影響Fig.2 Effect of dyeing time on K/S value

從圖2可以看出，織物K/S值隨著染色時(shí)間的增加呈逐漸升高的趨勢(shì)，且在續(xù)染初始階段染料上染纖維的速率十分迅速，20 min時(shí)織物即可達(dá)到較高的K/S值。染色時(shí)間在40～60 min時(shí)，織物K/S值增加緩慢，但適當(dāng)增加染色時(shí)間，有利于染料向纖維內(nèi)部的滲透。當(dāng)染色時(shí)間達(dá)到60 min以上時(shí)，織物K/S值趨于平緩(甚至略有降低)。因此，小檗堿染真絲織物的最佳染色時(shí)間為60min。

2.1.3 染液pH值的影響

小檗堿質(zhì)量濃度為1g/L、染色溫度65℃、染色時(shí)間60min，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖3可見(jiàn)，當(dāng)染液pH 3～4時(shí)，織物K/S值較小。這是因?yàn)樾Q絲上的氨基離解成氨基正離子，而小檗堿屬于帶正電荷的陽(yáng)離子染料，所以染料與纖維間存在較強(qiáng)的電荷排斥力，不利于染料的上染。當(dāng)染液pH5～8時(shí)，織物K/S值較高，并成逐漸遞增的趨勢(shì)，這是由于隨著pH值的增加，蠶絲上氨基正離子逐漸減少，羧基離解成的羧基負(fù)離子逐漸增加，使得蠶絲的負(fù)電荷性加強(qiáng)，從而有利于陽(yáng)離子染料小檗堿與蠶絲纖維上帶負(fù)離子的羧基以鹽式鍵結(jié)合而上染。但染液pH值大于8時(shí)，織物K/S值有所降低，這是由于真絲織物耐酸不耐堿，在堿性條件下易發(fā)生水解，進(jìn)而降低染料的上染率?？紤]染液pH 7～8時(shí)，織物K/S值達(dá)到最大值，且pH 7時(shí)，染液為中性，對(duì)真絲織物損傷較小，所以選擇染液pH值為7。

圖3 染液pH值對(duì)K/S值的影響Fig.3 Effect of dyeing liquor pH on K/S value

2.1.4 染料濃度的影響

小檗堿質(zhì)量濃度為0.2～2g/L、染色溫度65℃、染色時(shí)間60 min、pH7，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖4可見(jiàn)，織物K/S值隨著小檗堿濃度的增加呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，當(dāng)濃度在0.2～0.8g/L時(shí)，織物K/S值遞增十分明顯，質(zhì)量濃度達(dá)0.8g/L以上時(shí)，織物K/S值增加趨勢(shì)相對(duì)變緩，但仍緩慢遞增。說(shuō)明小檗堿對(duì)真絲織物的染色性能具有較好的提升作用。

圖4 染料質(zhì)量濃度對(duì)K/S值的影響Fig.4 Effect of dyesmass concentration on K/S value

2.2 小檗堿染色真絲織物的色牢度分析

在染色溫度65℃、染色時(shí)間60 min、pH7的條件下，采用不同質(zhì)量濃度小檗堿對(duì)真絲織物進(jìn)行染色，測(cè)試其耐摩擦色牢度、耐皂洗色牢度及耐干洗色牢度，結(jié)果如表1所示。

表1 不同質(zhì)量濃度小檗堿染色真絲織物的色牢度Tab.1 The color fastness ofsilk fabrics dyed with different mass concentration of berbrine

由表1可知，小檗堿染色真絲織物可獲得較好的耐摩擦色牢度與耐干洗色牢度，評(píng)級(jí)均可達(dá)4級(jí)以上，但耐皂洗色牢度的絲沾與變色級(jí)別較差。因此，小檗堿染色真絲織物適用于制作干洗類的高檔生態(tài)絲綢制品。小檗堿質(zhì)量濃度對(duì)染色真絲織物干摩、皂洗變色牢度的評(píng)級(jí)幾乎無(wú)影響，但對(duì)濕摩擦、皂洗棉沾、絲沾與干洗色牢度的評(píng)級(jí)有不同程度的影響，說(shuō)明小檗堿質(zhì)量濃度會(huì)影響染色真絲織物色牢度級(jí)別的評(píng)定。

2.3 小檗堿染色真絲織物的抗菌性能分析

革蘭氏陽(yáng)性菌金黃葡萄球菌與革蘭氏陰性菌大腸桿菌是紡織品抗菌試驗(yàn)中普遍使用的代表菌種[8]，本研究測(cè)試了不同質(zhì)量濃度小檗堿染色真絲織物對(duì)這兩種代表菌種的抑菌效果，結(jié)果如圖5所示。

圖5 小檗堿質(zhì)量濃度對(duì)染色織物抑菌效果的影響Fig.5 Effect of berberinemass concentration on antimicrobial activity of dyed fabric

由圖5可知，小檗堿染色真絲織物對(duì)金黃葡萄球菌與大腸桿菌具有良好的抑制效果，并且隨著小檗堿質(zhì)量濃度的增加，抗菌效果更顯著。這是因?yàn)樾￠迚A屬于含氮有機(jī)生物堿，具有顯著的生物活性，作用于細(xì)菌細(xì)胞后可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣離子外流，造成細(xì)菌內(nèi)環(huán)境破壞，從而使細(xì)菌生長(zhǎng)被抑制;同時(shí)小檗堿屬于陽(yáng)離子季銨鹽類化合物，對(duì)細(xì)菌DNA、RNA和蛋白質(zhì)有較強(qiáng)的吸附能力，從而阻止了DNA的復(fù)制、RNA的轉(zhuǎn)入及蛋白質(zhì)的合成[9]，使染色真絲織物具備抑菌效果。當(dāng)小檗堿質(zhì)量濃度為0.8g/L時(shí)，染色真絲織物對(duì)金黃葡萄球菌與大腸桿菌的抑菌率可分別達(dá)到85.57%、80.61%，已達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)抗菌紡織品要求;小檗堿質(zhì)量濃度為1.6g/L時(shí)，染色真絲織物對(duì)金黃葡萄球菌與大腸桿菌的抑菌率均達(dá)到90%以上，表現(xiàn)出優(yōu)異的抑菌效果。

2.4 檗堿染色真絲織物的抗紫外線性能分析

為探討小檗堿染色真絲織物的防紫外線機(jī)理與效果，本研究測(cè)試了小檗堿的紫外線吸收光譜及其染色真絲織物紫外線防護(hù)系數(shù)(UPF值)與紫外線透過(guò)率，結(jié)果如圖6、圖7、圖8和表2所示。

圖6 小檗堿紫外吸收光譜Fig.6 The ultraviolet absorptionspectra of berberine

圖7 小檗堿質(zhì)量濃度對(duì)染色織物UPF值的影響Fig.7 Effect of berberinemass concentration on UPF value of dyed fabric

圖8 小檗堿染色真絲織物紫外線透過(guò)率光譜Fig.8 The ultraviolet transmittance curve ofsilk fabric dyed with berberine

表2 不同質(zhì)量濃度小檗堿染色真絲織物紫外線透過(guò)率Tab.2 The ultraviolet transmittance curve ofsilk fabrics dyed with differentmass concentration of berberine

由圖6可知，小檗堿在262 nm和344 nm處有最大吸光度，對(duì)250～350 nm的紫外光有廣泛的吸收能力，可將紫外線轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)較短的電磁波或者低能量熱能，同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚援悩?gòu)體，隨之以光和熱的形式釋放能量[10]。表明小檗堿在紫外波段存在發(fā)色基團(tuán)，可廣泛吸收250～350 nm的紫外光，理論上可減少紫外光透過(guò)染色織物，從而賦予織物一定的抗紫外線性能。

從圖7可以看出，隨著小檗堿質(zhì)量濃度的增加，染色真絲織物 UPF值呈逐漸升高的趨勢(shì)，原樣(14101素縐緞練白真絲織物)的UPF值為7.77，經(jīng)質(zhì)量濃度0.2g/L與2g/L小檗堿染色真絲織物的UPF 值可高達(dá)74.99、186.88，分別是原樣的 9.6 倍與24倍。從圖8可以看出，與原樣相比，染色真絲織物在280～400 nm波段紫外線透過(guò)率顯著降低。

從表2可以看出，隨染料質(zhì)量濃度的增加，染色真絲織物在UVA(320～400 nm)、UVB(280～320 nm)波段紫外線透過(guò)率呈下降趨勢(shì)，當(dāng)小檗堿質(zhì)量濃度為0.4g/L時(shí)，染色真絲織物在UVA、UVB波段紫外線透過(guò)率分別為1.11%，0.86%，紫外線屏蔽效果顯著。說(shuō)明真絲織物經(jīng)小檗堿染色后可被賦予優(yōu)異的抗紫外線性能。

3 結(jié)論

中藥染料小檗堿生態(tài)環(huán)保、綠色健康，將其應(yīng)用于真絲織物染色，可賦予真絲織物抑菌、抗紫外線等優(yōu)異功能。

1)小檗堿染真絲織物的最佳工藝為:染色溫度65℃，時(shí)間60min，染液pH 7，小檗堿對(duì)真絲織物具有較好的提升性能。染色真絲織物皂洗色牢度較差，但摩擦色牢度與干洗色牢度均可達(dá)4級(jí)以上，因而小檗堿染色真絲織物適用于制作干洗類的高檔生態(tài)絲綢制品。

2)小檗堿染色真絲織物具有良好的抑菌性能，并隨著染料質(zhì)量濃度的增加抑菌效果越顯著，小檗堿質(zhì)量濃度為0.8g/L時(shí)，染色真絲織物對(duì)金黃葡萄球菌與大腸桿菌的抑菌率可分別達(dá)到85.57%、80.61%。

3)小檗堿對(duì)250～350 nm紫外光有廣泛的吸收能力，經(jīng)其染色真絲織物的UPF值有大幅度提高，且在UVB、UVA波段紫外線透過(guò)率顯著降低，織物獲得優(yōu)異的抗紫外線功能，有利于高附加值生態(tài)真絲織物的開(kāi)發(fā)。

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