滌綸織物的黃芩染色

郜世博， 吳贊敏， 張著桂

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

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滌綸織物的黃芩染色

郜世博1，2， 吳贊敏1，2， 張著桂1，2

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

為開(kāi)發(fā)具有保健作用的新型天然染料，選用黃芩提取色素對(duì)滌綸織物進(jìn)行高溫高壓染色。通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)研究了提取液用量、染色溫度、染色保溫時(shí)間、pH值對(duì)滌綸織物染色性能的影響。結(jié)果表明，黃芩通過(guò)高溫高壓染色法在滌綸織物上得到棕色，優(yōu)化工藝為：溫度130 ℃，pH值5，提取液用量50%，時(shí)間60 min。染色滌綸的耐水洗牢度和耐摩擦牢度很好，能達(dá)到4～5級(jí)；耐日曬牢度較差，僅為1～2級(jí)，有很強(qiáng)的抗紫外線(xiàn)性和一定的抗菌性。

黃芩； 滌綸； 抗紫外線(xiàn)； 抗菌

天然染料由于其天然無(wú)污染性和特殊的功能性保健作用，適合應(yīng)用于開(kāi)發(fā)高附加值的綠色產(chǎn)品，并日益成為新型染料開(kāi)發(fā)的研究重點(diǎn)。黃芩屬于黃色系、黃酮類(lèi)天然染料，是唇形科植物黃芩的干燥根，味苦，性寒，具有清熱燥濕、涼血止血等功效[1]；其主要活性成分黃酮類(lèi)化合物黃芩苷、黃芩素等具有抗菌、抗氧化等保健功能[2-3]。近年來(lái)，方濤等[4]報(bào)道了黃芩甙在蠶絲纖維上的染色熱力學(xué)研究；黃芩染色蠶絲織物對(duì)大腸埃希菌和金黃葡萄球菌具有優(yōu)異的抗菌性[5]；劉正明等[6]制備了黃芩苷-Al(Ⅲ)絡(luò)合染料并將其用于蠶絲染色；曹機(jī)良等[7-8]研究了黃芩苷對(duì)錦綸6和聚酯PET纖維的染色性能，而對(duì)黃芩染色滌綸織物功能性的研究報(bào)道較少，故本文研究了黃芩對(duì)滌綸織物的高溫高壓染色工藝，探討了滌綸的染色性能、抗紫外線(xiàn)性能以及抗菌性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料：黃芩(黃芩干燥根,山西家種,保定安國(guó)藥材市場(chǎng))，滌綸織物(市售)，冰乙酸(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)，氫氧化鈉(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)，瓊脂粉(中國(guó)醫(yī)藥(集團(tuán))上海化學(xué)試劑公司)，牛肉浸膏、乙醇、保險(xiǎn)粉、碳酸鈉、氯化鈉、滲透劑JFC(天津市化學(xué)試劑三廠(chǎng))，磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀(天津市化學(xué)試劑六廠(chǎng))，鹽酸(分析純)等。

試驗(yàn)儀器：SHB-III循環(huán)水式真空泵(河南省予華儀器有限公司)；恒溫水浴鍋(天津中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐有限公司)；UV-2401PC紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(杭州庫(kù)倫科技有限公司)；DZF-6030A電熱真空干燥箱(上海毅輝儀器儀表有限公司)；Camspec M350 UV/Visible 防紫外測(cè)試系統(tǒng)(英國(guó) SDL 公司)；DataColor SF 600 Plus電腦測(cè)色儀Datamatch3.5(美國(guó)DataColor 公司)；立式壓力蒸汽滅菌器(上海申安醫(yī)療器械廠(chǎng))；生化培養(yǎng)箱(上海一恒科技有限公司)等。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 黃芩色素提取

黃芩色素主要有效成分中含量最高的是黃芩苷，其本身還含有降解黃芩苷的內(nèi)源酶，較高溫度可以把內(nèi)源酶滅活，減少黃芩苷的降解，從而保存有效成分，進(jìn)而提高收率[9-11]。采用熱水浸提的方法，稱(chēng)取50 g黃芩粉末(用粉碎機(jī)粉碎)溶解于500 mL沸騰的蒸餾水中(萃取料液比為1∶10)，在100 ℃恒溫水浴鍋中萃取60 min，趁熱抽取濾液，濾渣重復(fù)提取1次，合并2次濾液，取濾液作為染液，此時(shí)的染液質(zhì)量濃度以50 g/L計(jì)。

1.2.2 黃芩對(duì)滌綸染色

采用高溫高壓染色的方法，染色工藝曲線(xiàn)如圖1所示。

注：浴比為1∶40。圖1 染色工藝曲線(xiàn)Fig.1 Dyeing process curve

1.3 測(cè)試方法

1.3.1K/S值測(cè)試

在電腦測(cè)色儀中測(cè)定染色滌綸的反射率，按Kubelke-Munk公式計(jì)算K/S值。

式中：R∝為有色試樣趨于無(wú)限厚的反射率；K為有色物質(zhì)的吸收系數(shù)；S為散射系數(shù)。

1.3.2 UPF值測(cè)試

在防紫外線(xiàn)系統(tǒng)中對(duì)織物進(jìn)行UPF值測(cè)試，測(cè)試角度分別為0°、45°和90°，每個(gè)樣品測(cè)試3次，取3次測(cè)試平均值為最終UPF值。

1.3.3 牢度測(cè)試

耐摩擦色牢度根據(jù)GB/T 3920—2008《紡織品色牢度試驗(yàn) 耐摩擦色牢度》測(cè)定；耐洗色牢度根據(jù)GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗(yàn)?zāi)驮硐瓷味取窚y(cè)定；耐日曬色牢度根據(jù)GB/T 8427—1998《紡織品 耐人造光色牢度 氙弧燈》測(cè)定。3種染色牢度評(píng)級(jí)使用《評(píng)定變色灰色樣卡》(GB/T 250—2008)進(jìn)行評(píng)定；棉織物沾色牢度評(píng)級(jí)使用《評(píng)定沾色用灰色樣卡》(GB/T 251—2008)進(jìn)行評(píng)定。

1.3.4 抗菌性測(cè)試

采用GB/T 20944.1—2007《瓊脂平皿擴(kuò)散法》對(duì)樣品進(jìn)行抗菌定性測(cè)試。試驗(yàn)菌種為大腸桿菌。在瓊脂培養(yǎng)基上打1個(gè)直徑為7 mm的孔，均勻填充黃芩提取液及提取物，蓋上培養(yǎng)皿，將直徑為25 mm的黃芩染色織物與對(duì)照樣均勻貼在瓊脂培養(yǎng)基上，蓋上培養(yǎng)皿，于37 ℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)18～24 h，平行做3組，計(jì)算試樣抑菌帶寬度。

式中：H為抑菌帶寬度，mm；D為抑菌帶外徑的平均值，mm；d為試樣直徑，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 升溫上染速率曲線(xiàn)

在黃芩對(duì)滌綸的高溫高壓染色中，測(cè)定滌綸在不同溫度、不同時(shí)間下染色后的K/S值，獲得升溫上染速率曲線(xiàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 上染速率曲線(xiàn)Fig.2 Dyeing rate curve

由圖2可看出：黃芩色素在低于90 ℃ 時(shí)幾乎不上染；高于90 ℃時(shí)，隨著溫度的升高染色織物的K/S值逐漸增大；染色溫度達(dá)到130 ℃后，K/S值隨染色時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大，黃芩色素對(duì)滌綸織物的上染率增加。當(dāng)染色溫度低于滌綸的玻璃化溫度(80 ℃左右)時(shí)，滌綸大分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)相對(duì)比較弱，染料分子很難擴(kuò)散進(jìn)入纖維內(nèi)部。當(dāng)染色溫度達(dá)到纖維的玻璃化溫度時(shí)，隨著溫度的升高，滌綸大分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)加劇，纖維的自由容積增大，染料在纖維內(nèi)部的空間擴(kuò)散阻力減小，擴(kuò)散速率增大。由圖2可知，染色溫度在130 ℃時(shí)，K/S值迅速增大，50 min后增加緩慢，70 min后不再增加，繼續(xù)延長(zhǎng)染色時(shí)間，K/S值變化不大，說(shuō)明黃芩苷對(duì)滌綸的染色溫度在130 ℃，染色70min后達(dá)到上染平衡，與普通分散染料上染滌綸相比，黃芩色素在纖維內(nèi)擴(kuò)散速率較慢，需要更長(zhǎng)的染色時(shí)間才能在滌綸上達(dá)到染色平衡。

在黃芩對(duì)滌綸的高溫高壓染色中測(cè)定滌綸在不同pH值下染色后的K/S值，結(jié)果如圖3所示。

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

由圖3可知，不同pH值條件下織物對(duì)染料的吸附量差別很大，隨著染色pH值的增大，染色滌綸的K/S值逐漸下降。染液pH值在堿性條件下，染料發(fā)生水解，染料分子結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，生色團(tuán)發(fā)生改變導(dǎo)致染液顏色發(fā)生變化，黃酮類(lèi)化合物分子中的羥基和羧基逐漸發(fā)生離子化，生成在水中溶解度較大的鈉鹽，增大了染料與水的作用力，降低了染料對(duì)纖維的親和力，導(dǎo)致染料在滌綸上的吸附量降低。通過(guò)圖3分析可知，當(dāng)染液pH值為3時(shí)，K/S值最大即色素上染最多，織物著色最深，但酸性條件下會(huì)有齊聚物沉積在纖維上[12]，而堿性條件下滌綸會(huì)產(chǎn)生“剝皮效應(yīng)”。綜合考慮，黃芩染滌綸pH值應(yīng)在酸性范圍內(nèi)。

2.3 提取液用量對(duì)染色效果的影響

在黃芩對(duì)滌綸的高溫高壓染色中測(cè)定滌綸在不同提取液用量條件下染色后的K/S值，結(jié)果如圖4所示。

圖4 提取液用量對(duì)K/S值的影響Fig.4 Effect of extraction liquid dosage on K/S value

從圖4可看出，隨著黃芩提取液用量的增加，染色織物的K/S值逐漸增加。提取液用量越大，向纖維內(nèi)部擴(kuò)散的色素含量越多，吸附在纖維上的染料越多，K/S值越大。總體看來(lái)，黃芩色素在滌綸纖維上的提升性能很好。

2.4 正交試驗(yàn)分析

設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)如表1所示，并以K/S值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

1) MMC培養(yǎng)基組分：NaCl，24 g；NH4NO3，1.0 g；KCl，0.7 g；KH2PO4，2.0 g；Na2HPO4，7.563 4 g； MgSO4·7H2O，7.0 g；微量元素；去離子水，1 000 mL；pH值為7.4，在121 ℃下高壓滅菌20 min。

表1 高溫高壓染色正交試驗(yàn)

由表2可知，在黃芩對(duì)滌綸的高溫高壓染色工藝中，各因素對(duì)K/S值影響程度大小依次為：提取液用量>pH值>保溫時(shí)間。染色滌綸的最優(yōu)指標(biāo)以K/S值最高為標(biāo)準(zhǔn)，由表2結(jié)果可得到各因素的最優(yōu)水平：提取液用量為50%，pH值為5，時(shí)間為60 min。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.5 滌綸高溫高壓染色性能及功能性評(píng)價(jià)

2.5.1 色牢度

表3示出最佳染色工藝條件下染色滌綸織物的色牢度測(cè)試結(jié)果。可以看出，黃芩染色滌綸織物的耐洗色牢度和耐摩擦牢度較好，但耐日曬牢度較差。染色滌綸在一定時(shí)間的氙燈照射下，吸附在滌綸纖維上的色素分子被氧化，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，導(dǎo)致滌綸色牢度下降。

表3 滌綸織物色牢度

2.5.2 抗紫外線(xiàn)性能

取適量黃芩提取液，稀釋500倍后測(cè)吸光度。采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)UV-2401PC掃描制得曲線(xiàn)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 黃芩提取液紫外-可見(jiàn) 吸收光譜(體積分?jǐn)?shù)為0.01%)Fig.5 UV-Visible absorption spectrum of Scutellaria baicalensis Georgi extraction liquid

由圖5可見(jiàn)，黃芩提取液在紫外光區(qū)有很好的吸收，且在273 nm處有最大吸收峰，說(shuō)明黃芩提取物能有效吸收紫外線(xiàn)。測(cè)定最佳染色工藝條件下染色滌綸織物的抗紫外線(xiàn)性能，以UPF值(紫外線(xiàn)防護(hù)系數(shù))表示，結(jié)果如表4所示。

表4 滌綸織物UPF值

由表4可知，未染色滌綸的UVA波段紫外線(xiàn)透過(guò)率較高，染色后滌綸UVA、UVB波段的紫外線(xiàn)透過(guò)率大大降低，UPF值顯著增大，說(shuō)明滌綸經(jīng)黃芩染色后，抗紫外線(xiàn)性能明顯增強(qiáng)，黃芩染色賦予滌綸織物優(yōu)異的抗紫外線(xiàn)性能。

2.5.3 抗菌性能

將黃芩提取液濃縮至一半體積，調(diào)節(jié)pH=1～2，靜置12 h沉淀析出，離心取沉淀物，用蒸餾水多次洗滌沉淀物，干燥得黃芩提取物[13]。進(jìn)行抗菌定性測(cè)試測(cè)得未經(jīng)黃芩染色的滌綸對(duì)照樣無(wú)抑菌圈，黃芩提取液、提取物及提取液染色滌綸織物均有明顯的抑菌圈，抑菌帶大小結(jié)果如表5所示，說(shuō)明黃芩及其染色處理的滌綸織物均對(duì)大腸桿菌有抗菌性，未染色滌綸無(wú)抗菌性。

表5 黃芩及其染色滌綸織物對(duì)大腸桿菌的抗菌效果

黃酮類(lèi)物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)中含有多個(gè)可以供配位絡(luò)合的氧原子，因此可與微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)作用使之變性，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)遭到破壞后細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)各種代謝酶失活，從而達(dá)到抑制細(xì)菌生長(zhǎng)和繁殖的效果[14-15]。由于提取物中黃酮類(lèi)物質(zhì)的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于提取液中黃酮類(lèi)物質(zhì)的密度，故相同體積的黃芩提取物與提取液測(cè)試所得抑菌帶寬度大小為：提取物>>提取液。

3 結(jié) 論

1)天然染料黃芩適合滌綸織物的高溫高壓染色，染得滌綸呈棕色，得到優(yōu)化染色工藝：溫度為130 ℃，pH值為5，提取液用量為50%，時(shí)間為60 min。黃芩在滌綸纖維上提升性能很好，固色后織物具有較好的耐皂洗牢度和耐摩擦牢度，但耐日曬牢度有待提高。

2)黃芩提取液在紫外光區(qū)有很好的吸收，在273 nm處有最大吸收峰，經(jīng)黃芩染色后的滌綸具有優(yōu)異的抗紫外線(xiàn)性能。

3)黃芩提取液及提取物對(duì)大腸桿菌具有抗菌性，無(wú)抗菌性的滌綸織物經(jīng)黃芩高溫高壓染色處理后也具有抗菌性。

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Dyeing of Scutellaria Baicalensis Georgi on polyester fabric

GAO Shibo1，2， WU Zanmin1，2， ZHANG Zhugui1，2

(1.SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.KeyLaboratoryofAdvancedTextileComposites,MinistryofEducation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to develop new natural dyes with health care function, Scutellaria Baicalensis Georgi extract pigment was selected for high temperature and high pressure dyeing on polyester fabric to study the application and functional embodiment of Scutellaria Baicalensis Georgi on polyester fabric. And influences of dyeing properties on polyester fabric were discussed via single factor test and orthogonal experiment, including extraction liquid dosage, pH value, dyeing temperature and holding time. The results indicated that brown color could be obtained by high temperature and high pressure dyeing of polyester fabric with Scutellaria baicalensis Georgi dye, and the optimum dyeing process was as follows: dyeing at 130 ℃ for 60 min at pH=5 with the dosage of 50% extraction liquid. The washing fastness and rubbing fastness of dyed polyester can be grade 4-5, but the light fastness is poor, only grade of 1-2. Moreover, strong UV resistance and certain antibacterial properties are provided on the Scutellaria dyed polyester.

Scutellaria Baicalensis Georgi; polyester; anti-ultraviolet; antibacterial

10.13475/j.fzxb.20140102205

2014-01-15

2014-06-26

郜世博(1990—)，女，碩士生。研究方向?yàn)榧徔椘诽烊蝗玖先旧c功能整理技術(shù)。吳贊敏，通信作者，E-mail：wuzanmin54@163.com。

TS 193.2

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