桑樹皮色素對棉織物的染色工藝

謝 燕，周衡書，，徐國強，曾曉琳，劉婧婕，劉晉夫

（1.湖南工程學(xué)院紡織服裝學(xué)院，湖南湘潭 411104；2.湖南省新型纖維面料及加工工程技術(shù)研究中心，湖南益陽 413100；3.中國針織工業(yè)協(xié)會，北京 101149）

植物染料作為天然染料的一種，來源廣泛、生態(tài)友好［1］，多用于棉麻、羊毛和蠶絲類紡織品的染色，在開發(fā)功能性、安全性紡織面料中具有廣泛的應(yīng)用前景。高粱紅［2］、桑葉［3］、桑椹［4-5］等都是目前應(yīng)用較多的天然植物染料，但存在上染率低、色譜種類少和色牢度差等缺陷，因此需要尋找新型、適用的植物染料源。桑樹渾身是寶，業(yè)內(nèi)已對桑葉和桑椹上染羊毛和蠶絲作了一些探索，但利用桑樹皮色素進行染色的研究還不多。桑樹皮是桑樹幼嫩枝條或莖稈剝?nèi)《玫膬?nèi)皮，其主要活性成分為黃酮類化合物，包括桑素、桑色烯、環(huán)桑素、環(huán)桑色烯和桑酮等，是一種很好的天然植物染料源［6-9］。但大多數(shù)天然染料的染色性能不好，需借助媒染劑來提高上染率。傳統(tǒng)的媒染劑多是銅、鐵、鋁、鉻等金屬鹽，會對環(huán)境產(chǎn)生一定的污染。近年來對稀土-檸檬酸媒染劑的研究較多，但會影響棉纖維的強力，其環(huán)保性還需更多的實驗來證實［10-12］。本研究采用正交實驗法分析了染色方法、pH、染色溫度、染色時間對上染率的影響，提出了可行的染色工藝。

1 實驗

1.1 材料和儀器

材料：純棉平紋漂白布（20 cm×6 cm，平均質(zhì)量為1.55 g），桑樹皮（戶外摘取），氫氧化鈉、氯化鈉、檸檬酸、無水硫酸銅、明礬、醋酸（分析純）。儀器：JJ-1 型電熱恒溫水浴鍋，TU-1901 雙光束紫外可見分光光度計，Y571B 型摩擦色牢度試驗儀，SW-12A+型耐洗色牢度試驗機，101-3A 數(shù)顯電熱鼓風(fēng)烘箱。

1.2 桑樹皮色素的提取

植物染料色素易溶于水，因此采用水提取法進行提取。以NaOH 溶液為提取劑，料液比設(shè)定為1∶25。稱取桑樹皮粉末40 g，于蒸餾水中浸泡2 h，使樹皮表面充分膨脹，再投入1 000 mL 15 g/L的NaOH溶液中，加熱至90 ℃，保溫45 min，使色素充分溶解于水中，靜置冷卻后過濾，混合兩次濾液作為染液。

1.3 染色

將經(jīng)過前處理的棉織物在熱水中潤濕后進行染色，染色工藝曲線如下：

采用直接染色法時不添加媒染劑，直接將潤濕的織物放入染液進行染色。采用同浴媒染法時，配制50 g/L 硫酸銅溶液、明礬溶液或檸檬酸溶液作為媒染劑。用醋酸溶液調(diào)節(jié)染液pH，每組染色實驗初期均加入10 g/L 氯化鈉溶液作為促染劑，浴比為1∶50。

1.4 測試

上染率：采用殘液法測定。取1 mL 染色原液/殘液稀釋至100 mL，定容，使用紫外可見分光光度計測試最大吸收波長處的吸光度，計算上染率=(1-A1/A0)×100%。式中，A0、A1分別為染色原液、殘液的吸光度。以蒸餾水作為空白對照，多次測量取平均值。

色牢度：耐摩擦色牢度參照GB/T 3920—2008《紡織品色牢度試驗?zāi)湍Σ辽味取酚媚Σ辽味仍囼瀮x進行測試；耐皂洗色牢度參照GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗 耐皂洗色牢度》用耐洗色牢度試驗機進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 上染率

由表1 可知，4 種染色方法的上染率從大到小依次為硫酸銅媒染、檸檬酸媒染、明礬媒染、直接染色，媒染效果均比直接染色好。這是因為植物染料對纖維素纖維的直接性低，不易上染，而媒染劑中的金屬離子能與色素分子中的配位基團形成絡(luò)合物，使染料分子和纖維結(jié)合在一起，提高上染率。硫酸銅媒染效果比檸檬酸媒染好，原因是金屬離子、染料分子與織物纖維之間形成的配位鍵鍵能大于酸、染料、纖維之間形成的范德華力與氫鍵。硫酸銅和檸檬酸的媒染效果略優(yōu)于明礬媒染，可能與其他實驗條件協(xié)同影響有關(guān)。

表1 桑樹皮色素染色殘液吸光度和上染率

2.2 織物的顏色特征

染色織物整體色光呈淺黃色調(diào)，明度與飽和度較低，染色較均勻，無染斑。加入媒染劑后，織物由淺黃色向淺粉色轉(zhuǎn)變，硫酸銅媒染織物呈現(xiàn)輕微的綠色。因為媒染劑可提高織物的色牢度，還可使染色織物呈現(xiàn)不同的色相，硫酸銅溶于水后顯藍色，桑樹皮色素提取液顯黃色，黃光和藍光疊加后的光波頻率與綠光接近，從而使織物顯綠色。

2.3 正交實驗

由表2 可知，對上染率的影響從大到小依次為染色方法、pH、染色時間、染色溫度。A因素中，硫酸銅媒染是最優(yōu)的染色方法，其次為檸檬酸媒染。B因素中，上染率在pH 為7～8 時普遍較高，說明植物染液在中性條件下更有利于色素分子上染纖維。C因素中，上染率隨溫度升高呈先上升后下降再小幅度上升的趨勢。這是由于天然色素普遍在低溫時性質(zhì)較穩(wěn)定，能得到較高的上染率，但在高溫下色素分子結(jié)構(gòu)被破壞，上染率下降，同時溫度升高會加速體系中分子的布朗運動，色素分子動能增大，與纖維的反應(yīng)加快，從而上染率又小幅度提升。為保證色素分子的完整性與染色質(zhì)量，染色溫度取70 ℃較適宜。D因素中，隨著染色時間的延長，上染率先下降而后快速升高，但影響較小，不再進行額外驗證，取60 min 既能節(jié)約能源，又能達到較高的上染率。桑樹皮色素對棉織物染色的優(yōu)化方案為A3B2C2D4，即50 g/L 硫酸銅媒染，pH 7～8，時間60 min，溫度70 ℃，浴比1∶50。

表2 桑樹皮色素對棉織物染色正交實驗表

為研究各因素影響的重要程度，對實驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果見表3。由表3 可以看出，因素C的均方比誤差均方小，對實驗指標無顯著影響，因而歸入誤差。進行因素顯著性檢驗時發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)A=33.53 大于F0.01(3,6)=9.78，F(xiàn)B=31.14 大于F0.01(3,6)=9.78，所以因素A、B水平改變對實驗指標有高度顯著影響，F(xiàn)0.05(3,6)=4.76 小于FD=5.55 小于F0.01(3,6)=9.78，所以因素D水平改變對實驗指標有顯著影響，但影響程度不大。由平均偏差平方和可知，各因素的主次順序為A、B、D、C，這一結(jié)果與直觀分析一致。

表3 方差分析表

2.4 染色牢度

染色織物的色牢度見表4。

表4 染色織物的色牢度

由表4 可知，桑樹皮色素對棉織物染色的耐摩擦色牢度較好，可達4 級及以上。由于桑樹皮染液中色素分子較大，難以直接進入棉織物內(nèi)部而得色較淺，經(jīng)過洗滌后布面顏色為淡黃色，摩擦后也不會有嚴重的掉色情況。從耐皂洗色牢度看，沾色級別較高，均達到4 級，布面沾色不明顯，這是因為織物染色后經(jīng)過皂洗過程，浮色已基本去除，不易沾色。而變色級別僅為2～3 級，這是因為水洗過程中棉纖維在水分子的作用下發(fā)生溶脹，且織物上與水中具有染料濃度差，由于動態(tài)平衡，原本吸附在織物上但固著不牢固的染料會解析出來回到水中，并重新吸附到織物上，導(dǎo)致水洗變色，可嘗試在染色過程中加入固色劑來提高變色牢度。

3 結(jié)論

（1）染色織物整體色光呈淺黃色調(diào)，明度與飽和度較低，染色較均勻，無染斑。媒染織物更偏向淺粉色，硫酸銅媒染織物因顏色疊加呈現(xiàn)輕微的綠色。

（2）染色方法對棉織物桑樹皮色素上染率的影響最大，染色溫度的影響最小。

（3）桑樹皮色素對棉織物的優(yōu)化染色工藝：50 g/L硫酸銅媒染，pH 7～8，時間60 min，溫度70 ℃，浴比1∶50。

（4）桑樹皮色素染色棉織物的耐摩擦色牢度均可達4級以上，效果較好，但耐皂洗變色牢度不高。