天然彩棉后整理加工中顏色穩定性的影響因素

曾玉暉， 張亭亭， 王克作， 何 力， 陳益人,3

(1. 武漢紡織大學 紡織科學與工程學院， 湖北 武漢 430200； 2. 湖北省纖維檢驗局， 湖北 武漢 430061；3. 武漢紡織大學 湖北省紡織新材料與先進加工技術省部共建國家重點實驗室培育基地， 湖北 武漢 430200)

天然彩棉的顏色是在棉花吐絮時利用現代生物工程技術培育得到的[1]，雖然已有很多顏色被成功培育出來，但目前能夠大規模種植的天然彩棉只有棕棉和綠棉[2]。盡管天然彩棉的研究和開發仍處于初級階段，并不能完全替代染色棉紡織品，但天然彩棉在加工過程中不需要經過印染工序，加工流程縮短，環境污染減少，與當今世界低碳環保的發展主題契合，具有巨大的發展潛力[3-4]。

通過對天然彩棉的培育研究，彩棉纖維性能得到很大改善，纖維的品質和可紡性都有很大提高。但天然彩棉的顏色存在不穩定性，這成為擴大其應用領域亟待解決的問題。天然彩棉培植生長過程中受到光照、氣候、土壤等因素的影響，不同地區、不同季節種植的天然彩棉其顏色深淺會產生一定差異[5]。天然彩棉的后期加工中顏色也會受到退漿、絲光及后整理工藝的影響，尤其是后整理過程的高溫、助劑中的金屬離子、酸堿處理等因素都會使其顏色發生一定程度變化，使染整加工工藝難以控制[6]，因此，研究天然彩棉的顏色變化規律對其開發利用具有十分重要的意義。

為此，科研人員進行了較多的研究：趙酒泉[7]用生物酶代替堿煮對天然彩棉進行前處理加工以改善其顏色在前處理中的變化；Demir等[8]用氬氣和空氣等離子體處理天然彩棉織物，研究了處理前后織物的親水性、導熱性、耐熱性和色牢度等發現，等離子體處理對天然彩棉織物的色牢度和熱性能無明顯影響；Tsaliki等[9]探討了濕加工整理對天然棕棉色牢度的影響發現，酶整理對天然棕棉顏色的影響較小；程田田等[10]探討了堿縮工藝對天然綠棉織物顏色穩定性的影響；顧艷[11]研究了酸、堿、日曬、溫度、整理劑等對天然彩棉色素變化的影響，并用金屬鹽對天然彩棉進行固色或變色整理；Zhou等[12]研究了洗滌溫度對天然棕棉顏色的影響發現，洗滌溫度越高，天然棕棉顏色變化越大；Park等[13]分別用化學助劑(Na2CO3或NaOH)和生物助劑(生物酶或沸水)對天然彩棉進行煮練，研究了幾種不同煮練方法對天然彩棉顏色的影響。為進一步分析各因素對天然彩棉色素變化的影響機制，本文研究了不同溫度、不同pH值、石油醚預處理以及不同金屬離子對天然彩棉顏色的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

材料：天然彩棉(棕棉平均長度為28 mm，綠棉平均長度為26 mm，新疆維吾爾自治區纖維質量監測中心)；石油醚、脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)滲透劑、NaOH、醋酸、氯化鈣、硫酸銅、氯化鐵、氯化亞鐵、氯化鈉(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)。

儀器：TSG001Color i5型電腦測色配色儀(D65光源，泰仕特儀器(中國)有限公司)；DHG-9123A型臺式鼓風干燥箱(上海康路儀器設備有限公司)；CT-6022 型pH(筆式)酸度計(深圳市寶萊發檢測儀器有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 不同pH值溶液處理天然彩棉

室溫條件下，分別配制pH值為2、3、5、9、11、13的水溶液。將梳理好的天然綠棉和棕棉纖維分別放入一定pH值的溶液中，每個燒杯中均滴入2滴JFC滲透劑，室溫避光處理2 h，然后取出纖維，置于避光處自然陰干，待用。

1.2.2 不同溫度及石油醚預處理天然彩棉

為研究石油醚回流浸提在天然彩棉色素提取時對其顏色穩定性的影響，分別取經沸點為60～90 ℃的石油醚處理和未處理的天然棕棉、綠棉纖維，放入溫度為60、80、100、120、150、180 ℃的烘箱內處理 2 h，取出待用。

1.2.3 不同金屬離子溶液處理天然彩棉

室溫條件下，在6個250 mL的燒杯中分別加入100 mL的去離子水；再分別向6個燒杯中加入1 g的硫酸銅、硫酸亞鐵、氯化鐵、氯化鈉、氯化鈣、氯化鋁，配置含有Fe2+、Fe3+、Cu2+、Ca2+、Al3+、Na+的溶液；最后將梳理好的天然棕棉和綠棉纖維分別放入配置好的溶液中，滴入2滴JFC滲透劑后避光靜置處理2 h，取出避光陰干，待用。

1.3 天然彩棉的顏色變化測試

取1張空白的硬紙片對折，在中間剪出直徑為5 cm的對稱孔，將待測的天然彩棉纖維梳理平整，放入對稱孔中，紙的兩端用別針固定。

參照GB/T 8424.1—2001《紡織品 色牢度試驗 表面顏色的測定通則》，采用電腦測色配色儀測定不同pH值、不同溫度、石油醚預處理以及不同金屬離子溶液處理后天然彩棉的三刺激值X、Y、Z，根據CIE色差公式轉換成L*(明度)、a*(紅綠色光)、b*(黃藍色光)值，利用CIE色差公式對處理前后的色差(ΔE)值進行計算。同時利用電腦測色配色儀測定處理前后的K/S值[14-16]。

2 結果與分析

2.1 不同pH值溶液處理天然彩棉顏色變化

經不同pH值溶液在室溫下處理2 h后，天然綠棉和棕棉纖維的L*、a*、b*值以及K/S值變化如圖1所示。由圖1(a)可知：天然棕棉和綠棉纖維的L*值隨著pH值的增大呈減小趨勢；當pH值小于7時，隨著pH值的減小，天然彩棉的顏色逐漸變淺；當pH值大于7時，隨著pH值的增大，天然彩棉的顏色逐漸變深，說明酸堿性越強，對天然彩棉纖維顏色的影響越大；pH值在5～9之間時，L*值變化并不明顯；當pH值達到10時，L*值的變化較大，說明當天然彩棉產品接觸呈強堿性物質時，其L*值會有較大的變化。

天然彩棉纖維色素屬于多酚類或黃酮類天然色素，—OH、—CO、—O和—OCH3等為天然色素中的常見極性基團，其在H+、OH-的誘導作用下易發生親核和親電重排反應，使吸收光譜的選擇性向長波方向移動，產生顏色變化。在強酸處理過程中，H+引起的化學反應將使天然彩棉色素分子結構中的—OH 明顯減少，使其吸收光譜的選擇性向短波方向移動，色彩變淺；在強堿處理中，OH-取代H+與母核以共價鍵的方式結合，增加了天然彩棉分子結構中—OH的數量，使其色彩變深[17]。

圖1 不同pH值下天然彩棉的L*、a*、b*值以及K/S值Fig.1 L*(a), a*(b), b*(c) and K/S(d) values of natural colored cotton at different pH values

由圖1(b)、(c)可知：天然棕棉和綠棉纖維的a*、b*值均隨著pH值的增大而逐漸減小；在pH值小于7時，隨著pH值的減小，天然彩棉纖維顏色的紅黃色調逐漸增強；當pH值大于7時，隨著pH值的增大，天然彩棉纖維顏色的綠藍色調逐漸增強，表明當天然彩棉接觸到強酸和強堿物質時，其顏色的色光會發生明顯變化；當溶液的pH值達到9時，a*、b*值減弱的趨勢較大，與L*值的變化趨勢相似。

由圖1(d)可知：天然棕棉和綠棉纖維的K/S值隨著pH值的增大逐漸變大，說明隨著pH值的增大，2種天然彩棉纖維顏色的深度都在增大；隨著溶液堿性的增強，天然彩棉纖維顏色變化的程度也在變大。

由不同pH值溶液處理后天然彩棉纖維的L*、a*、b*值以及K/S值的變化結果可知，當天然彩棉接觸到呈強堿性的物質時，其顏色會發生較明顯的變化，因為強堿可能會破壞色素細胞的結構，但在一定條件下這種變化是可逆的[13]。日常生活中洗滌或者加工彩棉產品時，應該選擇中性或者弱酸堿性的物質，避免彩棉產品的顏色發生明顯變化，影響其美觀性。

2.2 不同溫度及石油醚預處理彩棉顏色變化

石油醚預處理前后天然彩棉纖維在不同溫度下ΔE值的變化如圖2所示。可知：隨著溫度的逐漸升高，未經石油醚預處理的天然綠棉和棕棉纖維的顏色變化均逐漸增大；當溫度小于80 ℃時，天然綠棉和棕棉纖維顏色發生了變化，但并不十分明顯；當溫度高于80 ℃時，纖維顏色變化逐漸明顯；當溫度達到150、180 ℃時，天然綠棉和棕棉纖維的顏色基本上都為黃褐色，與最初的顏色相差很大。在100 ℃ 以下，天然彩棉的顏色變化主要是色素結構發生變化造成的；在150和180 ℃條件下處理時，天然彩棉中的附生物可能產生結構變化，導致天然彩棉顏色發生更大的變化[18]。在天然彩棉類紡織品的生產加工以及日常使用過程中應該盡量避免溫度高于80 ℃，防止過高溫度導致產品色差。

圖2 不同溫度下石油醚預處理前后天然彩棉纖維的ΔE值變化Fig.2 Change of ΔE value of natural colored cotton fiber before and after petroleum ether pretreatment at different temperature

由圖2還可以看出，隨著溫度的逐漸升高，經石油醚預處理的天然彩棉纖維顏色色差變化是逐漸增大的，但其色差變化的程度明顯小于未經石油醚預處理的。其原因可能是石油醚預處理可去除部分不利于顏色穩定的化學成分，去除或改性天然彩棉中影響色澤穩定的物質[19]。用石油醚對天然彩棉進行預處理，一定程度上緩解了溫度對于天然彩棉顏色的影響，提高了彩棉產品的顏色穩定性。

2.3 金屬離子處理后天然彩棉的顏色變化

不同金屬離子溶液處理對天然綠棉和棕棉纖維顏色的影響如表1所示。可知，室溫下天然綠棉纖維經含有Fe2+、Fe3+、Cu2+、Ca2+、Al3+、Na+等金屬離子溶液處理2 h后，L*、a*、b*值都有所減小。其中Ca2+對紅綠指數a*的影響較大，Al3+對紅綠色光基本上沒有影響，但天然綠棉纖維整體上經金屬離子處理后的色光更趨向于綠色光。Cu2+、Ca2+、Na+對于天然綠棉纖維顏色的黃藍指數b*的影響比較大，Fe3+對其產生影響較小，說明天然綠棉纖維經金屬離子處理后黃色光減小。幾種金屬離子對天然綠棉纖維顏色深度指數L*值的影響都比較大，其中以Ca2+對綠棉纖維顏色深度的影響最大，說明經過金屬離子處理，天然綠棉纖維的顏色普遍加深。對于色差變化值ΔE而言，經金屬離子處理后ΔE增加，天然綠棉纖維色差變大，其中Fe2+、Fe3+對綠棉纖維顏色的影響最大，Na+、Cu2+的影響相對較小。

天然棕棉纖維在常溫下經金屬離子溶液處理2 h 后，L*、a*、b*值整體的變化趨勢和天然綠棉纖維相似，顏色普遍加深，綠色光增加，黃色光減少，色差變大。Ca2+對天然棕棉纖維紅綠指數a*的影響較大，Na+對紅綠色光影響較小。Fe3+、Cu2+、Ca2+對天然棕棉纖維黃藍指數b*的影響比較大，Na+對其影響較小。幾種金屬離子對天然棕棉纖維的顏色L*、ΔE值的影響趨勢與天然綠棉纖維基本相似，天然棕棉纖維色差的變化稍大于天然綠棉纖維，因此，在天然彩棉加工過程中應該避免接觸含有Fe2+、Fe3+、Cu2+、Ca2+、Al3+的物質。金屬離子引起天然彩棉纖維顏色變化的原因可能是由于金屬離子可與色素中某些基團發生反應，使色素結構產生相應的變化，但其作用機制比較復雜，還有待于進一步研究。綜上分析可知，Fe3+對天然彩棉纖維顏色的影響最大，Na+的影響最小。

表1 不同的金屬離子對天然彩棉纖維顏色的影響Tab.1 Effect of different metal ions on color difference of natural colored cotton

3 結 論

本文研究了溫度、pH值、石油醚預處理以及金屬離子對天然彩棉顏色的影響，得出以下主要結論。

1)天然綠棉和棕棉纖維的顏色隨處理液pH值的變化而發生變化。當處理液pH值小于7時，天然綠棉和棕棉纖維的顏色變淺；當處理液pH值大于7時，天然棕棉和綠棉纖維顏色變深，且處理液酸堿性越強，對天然彩棉纖維顏色的影響越大。

2)經石油醚預處理的比未處理的天然彩棉纖維顏色更為穩定。當處理溫度小于80 ℃時，天然彩棉纖維顏色比較穩定；溫度高于80 ℃時，天然彩棉纖維發生的色變逐漸明顯，且溫度越高天然彩棉纖維顏色變化越大。

3)Fe2+、Fe3+、Cu2+、Ca2+、Al3+、Na+等金屬離子對天然彩棉纖維顏色有明顯的影響，處理后天然彩棉纖維顏色的紅光和黃光減少，綠光和藍光增加。Fe3+對天然彩棉纖維顏色的影響最大，Na+的影響最小。

4)在天然彩棉纖維加工過程以及彩棉產品的使用過程中，應盡量使用中性的助劑和洗滌劑，盡量避免在高溫環境下加工天然彩棉纖維，加工過程中避免接觸含金屬離子的物質，如果在加工前能夠用石油醚預處理會增加其顏色的穩定性。

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