響應(yīng)面法優(yōu)化枸杞紅色素對(duì)棉織物的染色工藝

郭瀟涵，王雪雪，張富陽(yáng)，王雪梅

（1.蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050；2.蘭州三毛實(shí)業(yè)有限公司，甘肅蘭州 730300）

枸杞有多種生物活性物質(zhì)，主要為甜菜堿、枸杞色素和枸杞多糖等[1-2]。枸杞色素是枸杞漿果中各種呈色物質(zhì)的總稱，主要成分是類胡蘿卜素及類胡蘿卜素酯組成[3]。枸杞色素性質(zhì)比較穩(wěn)定，安全可靠，不會(huì)使人體產(chǎn)生不良反應(yīng)，并且顏色自然，具有藥理價(jià)值，是一種環(huán)保型天然色素。將其應(yīng)用到紡織材料的染色過(guò)程中，能明顯改善大部分紡織染料對(duì)環(huán)境污染大的問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

材料：枸杞（采摘自張掖地區(qū)的野生紅枸杞），無(wú)水乙醇（CH3CH2OH，分析純），鹽酸（HCl，分析純），氯化鈉（NaCl，化學(xué)純）；經(jīng)漂白處理的純棉織物。

儀器：WG700CTL 型格蘭仕微波爐（佛山市順德區(qū)格蘭仕微波爐電器有限公司），DZF-6050真空干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司），NS800 分光測(cè)色儀（深圳市三恩時(shí)科技有限公司），YG(B)026H 型電子織物強(qiáng)力機(jī)（溫州大榮紡織儀器有限公司），恒溫水浴鍋，高速中藥粉碎機(jī)，TP電子天平，pH計(jì)。

1.2 色素提取工藝

將野生紅枸杞洗凈晾干，放入冰箱冷凍48 h 后，放入高速中藥粉碎機(jī)中粉碎到60 目。枸杞紅色素提取的文獻(xiàn)較多，提取工藝較為成熟，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件參照相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行枸杞紅色素的提取：微波法輔助提取，采用0.1 mol/L HCl 與體積分?jǐn)?shù)95%乙醇的混合溶液（體積比為2∶3）作為提取劑，微波功率420 W、提取時(shí)間30 s、料液比1∶10 進(jìn)行浸提[4]。采用微波法輔助提取3次，合并提取液，經(jīng)減壓蒸餾得到濃縮液，再經(jīng)真空干燥得到枸杞紅色素粉末。。

1.3 染色工藝單因素實(shí)驗(yàn)

用枸杞紅色素粉末配制染液，稱取一定量的純棉漂白織物，采用浸染法，按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的染色工藝上染，染畢，降溫水洗，自然晾干。選取染色時(shí)間、染色pH、染色溫度及促染劑NaCl 用量4 個(gè)因素，以未染色純棉漂白織物為標(biāo)樣測(cè)試染色織物的色差（ΔE），色差越大，表示得色越深，以色差為測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)安排表見(jiàn)表1。

1.4 染色工藝響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

依據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取A 染色時(shí)間，B 染色pH，C 染色溫度，D 促染劑用量為實(shí)驗(yàn)因素，以未染色純棉漂白織物為標(biāo)樣，以染色織物的ΔE 為測(cè)試指標(biāo)Y，采用Design-Expert軟件，利用中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)4因素3水平響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)因素水平表

2 結(jié)果與討論

2.1 染色工藝單因素實(shí)驗(yàn)

由圖1可知，隨著染色時(shí)間的延長(zhǎng)，染色織物的色差總體呈上升趨勢(shì)，當(dāng)染色時(shí)間為120 min時(shí)，色差達(dá)到最大值，繼續(xù)延長(zhǎng)染色時(shí)間，色差反而有所降低，故選取染色時(shí)間100、120 和140 min 為響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)染色時(shí)間的3 個(gè)水平；隨著染色pH 的增加，染色織物的色差先升高后下降，在染色pH 為8.0 時(shí)，色差達(dá)到最大值，由此選取7.5、8.0 和8.5 為響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)染色pH 的3 個(gè)水平；隨著染色溫度的升高，染色織物的色差先升高后下降，在染色溫度為90 ℃時(shí)達(dá)到最大值，因此選取85、90和95 ℃為響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)染色溫度的3個(gè)水平；隨著促染劑用量的增加，染色織物的色差變化不大，在促染劑用量為10 g/L 時(shí)達(dá)到最大值，因此選取9、10和11 g/L為響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)促染劑用量的3個(gè)水平。

圖1 染色工藝單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 染色工藝響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

2.2.1 染色工藝響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果

按照Expert-Design 設(shè)計(jì)得到的28 組工藝條件進(jìn)行染色工藝實(shí)驗(yàn)，并測(cè)試每組試樣的色差，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 響應(yīng)面法Box-Behnken實(shí)驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果

利用Design-Expert 7.1.6Trial 軟件，根據(jù)表3 進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到經(jīng)枸杞紅色素上染的純棉織物的色差Y與編碼自變量A、B和C的二次多項(xiàng)回歸方程為：Y=22.11-0.16A-0.094B+0.55C+0.32D+0.12AB-0.74AC- 0.043AD- 0.37BC- 0.78BD- 0.82CD- 1.64A2-2.29B2-0.99C2-1.07D2

由表4 可知，模型具有極度顯著（P 小于0.000 1）和失擬項(xiàng)不顯著（P=0.752 7，大于0.05），可知回歸方程擬合度和可信度均很高，能夠很好地對(duì)染色織物色差進(jìn)行預(yù)測(cè)。模型的一次項(xiàng)C（P=0.009 5，小于0.01）對(duì)棉布色差的線性效應(yīng)極顯著，A（P=0.405 9）、B（P=0.612 6）和D（P=0.099 5）不顯著；交互項(xiàng)AC（P=0.033 5，小于0.05）、BD（P=0.027 1，小于0.05）和CD（P=0.021 2，小于0.05）顯著，其他交互項(xiàng)不顯著。二次項(xiàng)A2（P小于0.000 1）和B2（P 小于0.000 1）極度顯著，C2（P=0.009 5，小于0.01）和D2（P=0.009 5，小于0.01）極顯著。以上表明各影響因素對(duì)染色織物色差的影響不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，各因素對(duì)染色織物色差的影響程度從大到小依次為：染色溫度、促染劑用量、染色時(shí)間、染色pH。

表4 染色工藝回歸模型各項(xiàng)方差分析表

2.2.2 染色工藝響應(yīng)面法分析

為了考察交互項(xiàng)對(duì)染色織物色差的影響，在其他因素條件固定不變的情況下，對(duì)模型進(jìn)行降維分析。經(jīng)Design-Expert 7.1.6Trial 軟件分析所得響應(yīng)面法見(jiàn)圖2。

圖2 兩因素交互作用的響應(yīng)面

等高線的形狀可反映出交互效應(yīng)的強(qiáng)弱，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則與之相反[5]。比較圖2 各交互作用曲面可知，各因素間的相互作用都比較小。染色pH 和促染劑用量之間、染色溫度和促染劑用量之間、染色時(shí)間和染色溫度之間的交互作用相對(duì)顯著。染色溫度的一次相系數(shù)較大，有著較大的F 值和很小的P 值，染色溫度是染色織物色差的限制因素，較小的波動(dòng)會(huì)引起染色織物色差較大的變化。

2.3 染色工藝響應(yīng)面法優(yōu)化結(jié)果

為進(jìn)一步確定最佳點(diǎn)，在模型范圍內(nèi)選擇出發(fā)點(diǎn)，按照模型使用快速上升法進(jìn)行優(yōu)化，由表5可得優(yōu)化的染色工藝為：染色時(shí)間117.58 min，染色pH=7.97，染色溫度91.56 ℃，促染劑用量10.05 g/L，預(yù)測(cè)此條件下染色織物的色差為22.215 8。

表5 染色工藝響應(yīng)面法Design-Expert軟件優(yōu)化結(jié)果

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件及操作方便，對(duì)4 個(gè)優(yōu)化的工藝參數(shù)進(jìn)行修正，得到優(yōu)化的染色工藝參數(shù)為：染色時(shí)間120 min、染色pH=8.0、染色溫度90 ℃、促染劑用量10 g/L。進(jìn)行3 次平行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得染色試樣色差為21.97，與理論預(yù)測(cè)值22.215 8 接近，說(shuō)明該模型較真實(shí)地?cái)M合了實(shí)際情況，具有實(shí)用價(jià)值。

2.4 最優(yōu)染色工藝驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

2.4.1 染色性能

用NS800 分光測(cè)色儀測(cè)得最優(yōu)工藝染色織物的色差為21.97，達(dá)到了20 以上，說(shuō)明枸杞紅色素在纖維素纖維制品上得色量較淺，適合染中淺色系；按GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗(yàn)?zāi)驮硐瓷味取窚y(cè)得最優(yōu)工藝染色織物的沾色牢度為3.41，變色牢度4.31，耐洗色牢度指標(biāo)均達(dá)到3級(jí)以上，滿足正常穿著需要。

2.4.2 強(qiáng)力性能

織物強(qiáng)力性能按照GB/T 3923.1—1997《紡織品織物拉伸性能第1 部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定條樣法》測(cè)定，在YG(B)026H 型電子織物強(qiáng)力機(jī)上測(cè)試。測(cè)得未染色織物原樣和最優(yōu)工藝染色織物試樣的強(qiáng)力性能指標(biāo)為：未染色織物的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率分別為377.9 N、7.29%；染色織物的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)率分別為346.03 N、8.91%。與未染色織物原樣相比，經(jīng)最優(yōu)工藝染色織物的斷裂強(qiáng)力略有降低，但幅度甚微；而斷裂伸長(zhǎng)率反而有所增加。由此可知，用優(yōu)化的染色工藝參數(shù)對(duì)此純棉漂白織物進(jìn)行染色并未對(duì)織物的強(qiáng)力性能造成負(fù)面影響。

3 結(jié)論

（1）天然枸杞紅色素染液色澤均勻、溶解性好，具有較好的分散性，在染色過(guò)程中不會(huì)在純棉漂白織物表面產(chǎn)生沉淀。

（2）天然枸杞紅色素染出的純棉漂白織物色澤為肉紅色，顏色較淡，為中淺色系，具有自然、樸素的呈色效果；染色織物的耐洗色牢度達(dá)到了3～4級(jí)，織物強(qiáng)力性能也未受到影響，能夠滿足正常穿著需求。

（3）由單因素實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)得到的天然枸杞紅色素上染純棉漂白織物的最優(yōu)工藝為：染色時(shí)間120 min、染色pH=8.0、染色溫度90 ℃、促染劑用量10 g/L，在此條件下測(cè)得染色試樣的色差為21.97。