稀土對姜黃天然色素上染絲綢的影響

黎 謙

（武漢紡織大學，湖北 武漢430073）

天然色素是從植物、動物或礦物資源中獲得的，很少或沒有經過化學加工的染料［1］。天然色素應用較為廣泛，通常用于食品、醫藥、化妝品及其它精細化工產品上，近年來在紡織印染上的研究逐漸增多，與之相關的文獻屢見不鮮。天然色素染色性能差，多數對紡織纖維沒有親和力或直接性，需和媒染劑一起使用才能固著在纖維上，并且存在不耐光，不耐洗及牢度差等不足。天然色素中的大部分是天然有機染料或顏料，其化學結構分別屬靛類、蒽醌、萘醌、二氫吡喃、類胡蘿卜素、黃酮、花色素及多元酚類等［2－3］。按此類結構有所針對的應用天然著色劑對各類纖維進行染色的研究已有較多報道，就改善染色效果而言，如何選用媒染劑及媒染工藝的調整、開發新型染色助劑或染色工藝改進等成為研究熱點。天然色素采用的媒染劑多為含Fe2＋、Cr3＋、Cu2＋等含重金屬離子的鹽類，盡管這些方法能一定程度的提高染樣的 K／S值、染色的耐光性及其它染色牢度［4－7］，但采用重金屬媒染劑用于媒染，同樣會產生污水，并會使染色后紡織品上含有重金屬物質。本文選用無污染、用量低的富鑭氯化稀土作為媒染劑，研究姜黃天然色素對絲綢的染色工藝，分析稀土的媒染原理及染色效果。

1 實驗

1.1 材料及藥品

織物：脫膠和漂白真絲織物。

藥劑：姜黃素、氫氧化鈉、硫酸鈉、亞硫酸鐵、碳酸鈰、乙醇（均為分析純）、富鑭氯化稀土、硫酸鋁（化學純）等。

儀器：DCISF－600 電腦測配色儀，PHSJ－4A實驗室pH計，TU－1901紫外可見分光光度計，AY120電子天平，AS－24常溫小樣染色機，LFY－304摩擦牢度儀。

1.2 姜黃色素最大吸收波長的測定

用紫外可見分光光度計掃描姜黃色素水溶液在380～780nm波長范圍內的吸光度，測得最大吸收波長λmax＝430nm。

1.3 姜黃色素直接染色條件的確定

實驗用絲綢1.5g／塊，姜黃天然色素1%（o.w.f.），浴比50∶1，通過測定上染百分率和K／S值，確定最佳染色條件。包括：pH值、染色溫度、染色時間、電解質用量。

1.4 媒染劑及媒染染色工藝的確定

實驗用絲綢1.5g／塊，姜黃天然色素1%（o.w.f.），浴比50∶1，染色條件為以上實驗步驟所確定的最佳pH值、溫度、染色時間、電解質用量。分別以硫酸鋁、硫酸亞鐵、富鑭氯化稀土、碳酸鈰為媒染劑，采用預媒染色、同浴媒染、后媒染色三種工藝進行染色，測定上染百分率和K／S值，確定最佳媒染劑和媒染工藝。使用媒染劑硫酸亞鐵時溫度低于60℃。

1.4.1 預媒法染色

將潤濕的織物放入含媒染劑的溶液中于60℃處理20min后取出，再投入含天然植物染液的染浴中按最佳直接染色工藝條件進行染色處理，并測試上染百分率和K／S值。

1.4.2 同浴法染色

將潤濕的織物放入含媒染劑和天然植物染液的染浴中按最佳直接染色工藝條件進行染色處理，并測試上染百分率和K／S值。

1.4.3 后媒法染色

將潤濕的織物放入含天然植物染液的染浴中按最佳直接染色工藝條件進行染色處理，然后加入媒染劑再染色20min，并測試上染百分率和K／S值。

1.5 測試

上染百分率的測試：采用 GB／T 2391－2003規定的方法進行。

表觀深度K／S值：將待測織物折疊6～8層，用D65光源，10°視場在DCISF－600型電腦測配色儀上測定織物不同位置的色度值，取平均值。

耐摩擦色牢度：根據 GB／T3920－2008《紡織品色牢度試驗耐摩擦色牢度》測定。

耐洗色牢度：根據 GB／T3921－2008《紡織品色牢度試驗耐皂洗色牢度》中A（1）法測定。

2 結果與討論

2.1 姜黃色素染色條件的確定

2.1.1 pH值對染色效果的影響

在不同pH下進行姜黃色素直接染色，實驗結果如表1所示。絲綢通常在酸性或中性條件下染色，而姜黃素不易在中性和堿性條件下染色，適宜在酸性條件下染色。由表1可以看出，隨著姜黃染液pH值的增大，上染百分率和絲綢染樣的K／S值先增加后下降，在pH為4左右其上染百分率和絲綢染樣的K／S值均較高。因此，姜黃素染液染色應控制在pH為4為宜。

2.1.2 溫度對染色效果的影響

不同溫度下用姜黃色素直接染色，實驗結果如表2所示。由表2可以看出，隨著姜黃素染液溫度提高，上染百分率和絲綢染樣的K／S值先增加后減少，說明溫度提高可以促進姜黃素的上染，但有一個最大值，超過這個值不增反降，因此可認為染液上染溫度控制在70℃較好。

表1 pH值對染色效果的影響

表2 溫度對染色效果的影響

2.1.3 染色時間對染色效果的影響

不同的染色時間對染色效果的影響如表3所示。由表3可以看出，隨染色時間增長上染百分率及絲綢染樣的K／S值均有提高，但時間超過60 min時提高幅度不大。因此上染時間控制在60 min為宜。

表3 染色時間對染色效果的影響

2.1.4 電解質濃度對染色效果的影響

改變電解質用量染色，實驗結果如表4所示。電解質可促進姜黃素的上染，且染色效果比較穩定。從實驗得到的上染百分率、K／S值和樣布情況可以看出，增加染液電解質用量對提高上染率效果不明顯，當用量超過2g／L時變化不大，電解質用量控制在2g／L較為合適。

表4 電解質濃度對染色效果的影響

通過對姜黃素在直接染色工藝中不同條件下對絲綢的染色效果的實驗，可確定姜黃素上染絲綢的基本工藝條件：染浴pH為4，溫度70℃，染色時間60min，電解質2g／L。

在直接染色工藝中雖然將各個工藝條件調到最佳，但上染效果并不理想，上染率偏低。

2.2 媒染工藝的確定

采用上述實驗所得工藝條件，選擇四種金屬媒染劑分別采用預媒、同媒及后媒染色工藝進行實驗，測定實驗結果。

2.2.1 預媒染色

在不同媒染劑用量下，用預媒染色工藝進行實驗，測定上染百分率和K／S值，實驗結果如圖1所示。

圖1 預媒染色工藝媒染劑濃度對上染率及K／S值的影響pH＝4，T＝70℃，t＝60min，C（Na2SO4）＝2g／L

四種金屬媒染劑均可提高姜黃色素的上染率和K／S值，其中硫酸鋁和碳酸鈰用量為2.0g／L時，染色效果最佳，其濃度超過2.0g／L后，這兩個指標反倒出現一定程度的下降。而硫酸亞鐵和富鑭氯化稀土隨著用量的增加，上染率逐漸提高，但當用量大于3g／L時，上染率提高效果不明顯。

2.2.2 同媒染色

在不同媒染劑用量下，用同媒染色工藝進行實驗，測定上染百分率和K／S值，結果如圖2所示。

四種金屬媒染劑均可提高姜黃色素的上染率和K／S值，其中硫酸鋁、硫酸亞鐵、富鑭氯化稀土都有最大的峰值，分別為1g／L，2g／L和3g／L。使用碳酸鈰作媒染劑時，隨著碳酸鈰用量的提高，上染率明顯提高。但當碳酸鈰用量大于3g／L后，染色效果并無顯著提高。

2.2.3 后媒染色

染浴pH為4，溫度70℃，染色時間60min，電解質2g／L。在不同媒染劑用量下，用后媒染色工藝進行實驗，測定上染百分率和K／S值，結果如圖3所示。

圖2 同媒染色工藝媒染劑濃度對上染率及K／S值的影響pH＝4，T＝70℃，t＝60min，C（Na2SO4）＝2g／L

圖3 后媒染色工藝媒染劑濃度對上染率及K／S值的影響pH＝4，T＝70℃，t＝60min，c（Na2SO4）＝2g／L

四種金屬媒染劑均可提高姜黃素色素的上染率和K／S值，其中硫酸鋁、硫酸亞鐵、碳酸鈰在濃度大于1g／L后染色效果并無顯著提高。富鑭氯化稀土在2g／L時出現最大峰值。

從上面的實驗結果可以發現在預媒染色、同媒染色、后媒染色中，以后媒染色工藝的上染百分率和染后試樣表觀深度最高，后媒染色中又以富鑭氯化稀土媒染劑的上染百分率和染后試樣表觀深度最高。這可能是因為在后媒染色中吸附到纖維上的染料分子能與金屬離子形成絡合物固著在纖維上而導致［5－7］。

由此確定最佳媒染工藝為用富鑭氯化稀土作媒染劑進行后媒染色，在此條件下可獲得最佳染色效果。

2.3 染色牢度

測試姜黃色素直接染色及富鑭氯化稀土后媒染色試樣的染色牢度，結果如表5，可以發現，通過以上工藝進行絲綢染色已基本能達到生產應用要求，富鑭氯化稀土作為媒染劑對絲綢染色的起到了相當好的效果。這可能是由于稀土離子的電子結構為（n－1）d1nS2，可以失去3個以上的電子，原子半徑比其他過渡元素大。在其周圍可容納較多的配位體，配位數多為6，具有形成絡合物的強烈傾向。這樣稀土金屬離子在色素與絲綢蛋白化學結合時能起到中間連接物的作用。染色過程即為染料—稀土—織物三者形成穩定絡合物的過程，稀土離子作為中心離子與作為配位體的帶負電的染料陰離子絡合，從而保證了上染的效果和牢度。此外，稀土除具有較強的絡合配位作用外，還具有類電解質作用，與硫酸鈉的促染存在加和性。再者稀土離子與植物染料所形成的多元絡合體系之間的相互合作，使絡合物共軛體系兩端含孤對電子基團離解而產生絡合體系之間的電子能級重排，導致染料與稀土離子的絡合物產生超靈敏躍遷作用，從而改變了染料的特征吸收光譜，使植物染料在染色體系中能夠抗擊溶液pH波動而產生的色光變化，保持其染色織物色光的相對穩定［5－8］。

表5 稀土媒染對姜黃色素染色牢度的影響

3 結論

3.1 姜黃色素染色的最佳條件為pH＝4，染色溫度70℃，染色時間60min，電解質Na2SO4的用量為2g／L。

3.2 姜黃色素媒染實驗中，后媒染色有較好的染色效果，其中又以富鑭氯化稀土作為媒染劑時的媒染效果最優，富鑭氯化稀土最佳用量為2g／L，此時上染率比直接染色提升27.53%，達到73.79%，K／S值也提高超過一倍。

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