石榴皮染料對桑蠶絲織物的環保染色研究

2022-08-22 08:03:14晏秀祥趙燕強楊立新

絲綢 2022年8期

楊蓉, 晏秀祥, 趙燕強, 楊立新

(1.中國科學院昆明植物研究所資源植物與生物技術重點試驗室,昆明 650201; 2.云南省林業職業技術學院園林園藝學院,昆明 650224)

近年來,由于合成染料及其副產品的毒性和致癌性[1-5],對環境和人體健康造成了巨大威脅[6-7]。天然染料不僅具有無毒、環保、保健性等優勢,還具有抗菌、抗蟲、抗紫外線的功能性[8-10],引起了廣泛關注。天然染料的染色歷史悠久,人類對天然染料的應用可追溯至舊石器時代。據研究發現,在北京山頂洞人遺址的石制項鏈上有天然染料的殘留[11]。天然染料源于動物、植物及礦物[12],其中以植物染料為主[13-14]。植物染料在紡織品上的染色應用研究主要集中在天然纖維上,如棉、麻、桑蠶絲等[15-16]。

植物染料染色天然纖維的色牢度較低[17],目前大多使用化學固色劑和金屬媒染劑來提高染色色牢度[18-19]。然而,化學固色劑會引起皮膚過敏等疾病的產生[19],金屬媒染劑則會導致重金屬污染。因此,尋求綠色環保的固色劑和環保型媒染劑來代替化學固色劑和金屬媒染劑頗為重要。松香作為一種天然可再生樹脂酸混合物,溶解于乙醇后具有快干、易成膜、耐磨等特性[20],并可反應產生松香酯[21-22]。所以,松香可作為天然固色劑。此外,可從一些植物和礦物中獲取環保型媒染劑,如酸木瓜[23]、氯化稀土[24]和茶卡鹽[25]。相比較金屬媒染劑來說,環保型媒染劑含有金屬離子的量較少且濃度較低,不足以對生態環境和人體健康產生威脅。

高成本及資源量短缺也是植物染料所面臨的主要問題。通過回收農作物廢棄品,從中提取植物染料,有效解決了植物染料的上述問題。石榴是落葉喬木或小喬木石榴科石榴屬植物[26],其果皮質量占整個石榴的20%～30%[27]。石榴皮是石榴的廢棄物,成本低廉且有豐富的資源量[28],不僅可治療疾病還可用于染色[29-30],而其色素的主要成分是安石榴甙[31]。

當前,對石榴皮染色桑蠶絲織物的環保染色研究較少。本文以水提法提取染料,利用正交試驗優化直接染色工藝,對比3種金屬媒染劑與3種環保型媒染劑的媒染效果,評估松香固色劑的固色效果,旨在研究環保型媒染劑和松香固色劑提高石榴皮染色性能的可行性。

1 試驗

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

室外晾干的石榴皮(蒙自甜綠籽石榴)、平方米質量16 g/m2的100%桑蠶絲平紋織物(大理巍山興巍民族工藝廠),酸木瓜片、松香粉(大理白族自治州中藥制藥有限公司),氯化稀土(湖北云鎂科技有限公司),茶卡鹽(青海省鹽業股份有限公司),明礬、氯化亞錫、硫酸亞鐵均為分析純(天津市大茂化學試劑廠),標準紡織品耐汗漬褪色測試人工汗液(pH 5.5、pH 8.0)(深圳市江承儀器有限公司),蒸餾水(實驗室自制),無水乙醇(云南利妍科技有限公司),皂片(中紡標檢驗認證股份有限公司)。

1.1.2 儀器

3nh分光測色儀(深圳市三恩時科技有限公司),HH-4數顯恒溫水浴鍋(常州澳華儀器有限公司),MP51001電子天平(上海舜宇恒平科學儀器有限公司),DZ-QX電熱恒溫鼓風干燥箱、DZ-307耐水洗色牢度試驗機(東莞市大中儀器有限公司),UV-5500PC型紫外可見分光光度計(上海元析儀器有限公司),DZ-302電動摩擦脫色試驗機(東莞市中皓試驗設備有限公司),KFJ-25粉碎機(浙江瑞昊機械制造有限公司),EVO LS10掃描電子顯微鏡(德國卡爾蔡司公司)。

1.2 方法

1.2.1 石榴皮色素的提取

清洗新鮮的石榴皮,將其放入干燥箱中烘干,取出并放入粉碎機中粉碎至粉末狀。按浴比1︰30在質量分數為6%的石榴皮粉中加蒸餾水,在100 ℃的條件下沸煮30 min,期間按照水分蒸發情況補充蒸餾水,待染液冷卻,將其用濾網過濾,所得濾液為石榴皮染液。

1.2.2 媒染劑和松香固色劑的制備

媒染劑的制備:制備質量濃度為20 g/L的酸木瓜媒染劑,向蒸餾水中放入干燥的酸木瓜片,加熱至沸騰,沸煮15 min,過濾即可;常溫下,分別制備質量濃度為10 g/L和5 g/L的茶卡鹽媒染劑和氯化稀土媒染劑,再制備質量濃度為3.3 g/L的3種金屬媒染劑(明礬、氯化亞錫、硫酸亞鐵)。

松香固色劑的制備:先將無水乙醇加入松香粉粉末,溶解后逐步緩慢加入蒸餾水,按松香粉︰乙醇︰水=2︰4︰1的比例制備質量濃度為15 g/L的松香固色劑。

1.2.3 石榴皮染液的染色方式

直接染色工藝:石榴皮染液按照浴比1︰30入染,研究染色溫度(40、60、80 ℃)、染液pH值(5、7、9)及染色時間(30、60、90 min)對桑蠶絲織物染色效果的影響。

采用三種媒染方式的媒染工藝:

1) 前媒染:把桑蠶絲織物分別放入20 g/L的酸木瓜溶液、10 g/L的茶卡鹽溶液和5 g/L氯化稀土溶液及3.3 g/L的3種金屬鹽溶液(明礬、氯化亞錫、硫酸亞鐵)中,浴比1︰30,溫度80 ℃,媒染30 min。之后按照直接染色工藝條件進行染色。

2) 同浴媒染:分別將桑蠶絲織物放入石榴皮染液與20 g/L的酸木瓜溶液、10 g/L的茶卡鹽溶液和5 g/L的氯化稀土溶液及3.3 g/L的3種金屬鹽溶液(明礬、氯化亞錫、硫酸亞鐵)的混合液中,浴比1︰30,溫度80 ℃,媒染30 min。

3) 后媒染:將桑蠶絲織物直接染色后,再分別放置20 g/L的酸木瓜溶液、10 g/L的茶卡鹽溶液和5 g/L的氯化稀土溶液及3.3 g/L的3種金屬鹽溶液(明礬、氯化亞錫、硫酸亞鐵)中,浴比1︰30,溫度80 ℃,媒染30 min。

固色工藝:把染色桑蠶絲織物放入松香固色液中,按浴比1︰30在溫度70 ℃下固色處理30 min,固色過程中不斷翻攪染色桑蠶絲織物。

1.3 測試方法

1.3.1 顏色測試

使用3nh分光測色儀在D65光源、10°視角下,將染色樣品折疊成4層,測定染色樣品上的顏色特征值(L*、a*、b*),每個樣品測試4次取平均值,并測定最大吸收波長的K/S值。

1.3.2 色牢度測試

根據GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗耐皂洗色牢度》的標準測試染色織物的耐皂洗色牢度;根據GB/T 3922—2013《紡織品色牢度試驗耐汗漬色牢度》的標準測試染色織物的耐汗漬色牢度;根據GB/T 3920—2008《紡織品色牢度試驗耐摩擦色牢度》的標準測試染色織物的耐摩擦色牢度。

1.3.3 SEM測試

用EVO LS10掃描電子顯微鏡對固色前后的桑蠶絲織物的表面形態結構進行觀察,電壓7 kV,放大3 000倍數。

2 結果與分析

2.1 石榴皮染液紫外光譜分析

如圖1所示,石榴皮水提物的紫外-可見吸收光譜中,吸光度在紫外波長為300～400 nm內較大[20],在356 nm處有最大吸收峰,故356 nm為該石榴皮水提物的最大吸收波長。此外,吸光度曲線在紫外波長為360～780 nm內的形狀似L,這與黃棕色系染料對光的吸收規律相似[31]。

圖1 石榴皮水溶液萃取的紫外-可見吸收光譜Fig.1 UV-Vis spectra extracted with pomegranate peel solution

2.2 石榴皮染液染色絲織物的顏色特征值

2.2.1 石榴皮染液直染絲織物的工藝優化

染色溫度、染色時間、染色pH值等染色工藝直接影響石榴皮染液對桑蠶絲織物的染色性能[32]。因此,利用L9(33)正交表,進行三因素三水平的正交試驗(表1),優化石榴皮染液直染桑蠶絲織物的工藝,試驗結果如表2所示。

表1 石榴皮染液直染絲織物的正交試驗設計Tab.1 Orthogonal experimental design of silk fabrics dyed with pomegranate peel dye solution

表2 石榴皮染液直染絲織物正交試驗結果Tab.2 Orthogonal experimental results of silk fabrics dyed with pomegranate peel dye solution

由表2可知,pH值對石榴皮染液直染桑蠶絲織物的K/S值的影響最大,其次是染色的時間和溫度。石榴皮染色桑蠶絲織物的K/S值隨著染液pH值的增加而增加。通過極差分析可得,當染色條件在溫度60 ℃、pH 9、染色60 min時,石榴皮染液直染桑蠶絲織物的染色效果最佳。

2.2.2 不同媒染劑和媒染工藝對染色絲織物的影響

石榴皮在不同媒染劑和媒染工藝下染色絲織物的顏色特征值如表3所示。從表3可看出,媒染劑提高了染色桑蠶絲織物的K/S值,尤其是環保型媒染劑。在相同的媒染方式下,環保型媒染劑比金屬媒染劑更能提高染色桑蠶絲織物的K/S值。在后媒染條件下,酸木瓜媒染桑蠶絲織物的K/S值為7.06,而KAl(SO4)2媒染桑蠶絲織物的K/S值則為5.49。氯化稀土同浴媒染桑蠶絲織物可達到最大K/S值(8.70)。染料與桑蠶絲織物之間的相互作用與桑蠶絲織物的蛋白質纖維結構有關。蛋白質纖維中帶正電荷的側鏈與染料分子之間的靜電力在染料吸附中起主導作用[33]。通過比較不同媒染劑在同一媒染方式下的媒染效果,在前媒染下:酸木瓜>氯化稀土>茶卡鹽>KAl(SO4)2>SnCl2>FeSO4;在同浴媒染下:氯化稀土>茶卡鹽>酸木瓜>KAl(SO4)2>SnCl2>FeSO4;在后媒染下:茶卡鹽>酸木瓜>氯化稀土>KAl(SO4)2>SnCl2>FeSO4。比較結果發現,使用酸木瓜、氯化稀土和茶卡鹽作為媒染劑染色的桑蠶絲織物的K/S值分別在前媒法(7.05)、同浴媒染法(8.70)和后媒染法(7.65)時均可達到較高的值。氯化稀土、茶卡鹽和酸木瓜中含有的金屬離子[24,34-35]與石榴皮染液中的羥基、羧基和羰基等官能團發生絡合,從而提高了染色桑蠶絲織物的K/S值[36]。同一媒染劑在不同媒染方法下的勻染性不同,由表3的染色樣品圖例可看出,對于氯化稀土媒染劑來說,除了前媒染下織物的勻染性較差,其余2種媒染法下織物的勻染性較好。染色的均勻性與助染劑、上染速率和溫度有關[37],3種媒染方式的溫度控制不同,這些因素導致絲織物的理化性質與染料上染速率有差異。

由表3可知,L*、a*、b*值隨著媒染劑種類、媒染方式的變化而變化,從而呈現出不一樣的色相。與直染織物的顏色特征值相比較,從媒染劑的角度分析,經氯化稀土媒染織物的L*、a*、b*值較大,織物色澤較亮且偏橙色,而經FeSO4媒染織物的L*值較小,織物色澤偏暗;從媒染方式來看,前媒染下KAl(SO4)2、氯化稀土、茶卡鹽及酸木瓜媒染織物的L*、a*、b*值較大,色澤偏亮橙色,而后媒染下KAl(SO4)2、SnCl2的L*、a*值較小,色澤偏暗綠。

表3 石榴皮在不同媒染劑和媒染工藝下染色絲織物的顏色特征值Tab.3 Color characteristic values of silk fabrics dyed by pomegranate peel with different mordants and mordanting methods

續表3

2.3 石榴皮染液染色絲織物的色牢度

石榴皮染液染色桑蠶絲織物的色牢度如表4所示。相較于直染方式下的染色桑蠶絲織物的色牢度而言,媒染劑改善了桑蠶絲織物的染色色牢度。從表4可看出,媒染后的染色桑蠶絲織物的摩擦色牢度可達4級、4～5級和5級。同樣地,媒染劑將染色桑蠶絲織物的耐皂洗沾色牢度和耐汗漬沾色牢度提高至4級、4～5級、5級。金屬媒染劑可提高染色桑蠶絲織物的色牢度,但與直染方式下的染色桑蠶絲織物的耐皂洗變色牢度相比,SnCl2在前媒染和同浴媒染中,并沒有改善桑蠶絲織物的耐皂洗變色牢度(2級)。

表4結果表明,環保型媒染劑在提高桑蠶絲織物的染色色牢度方面可與金屬媒染劑相媲美,甚至優于金屬媒染劑,這取決于環保型媒染劑的類型和媒染方法。在同浴媒染工藝下,酸木瓜媒染桑蠶絲織物的耐皂洗變色牢度可提升至3級,而FeSO4媒染桑蠶絲織物的耐皂洗變色牢度為2～3級。在后媒染工藝下,氯化稀土媒染桑蠶絲織物的耐皂洗沾色牢度和耐汗漬沾色牢度可達到4～5級和5級,而KAl(SO4)2媒染桑蠶絲織物的耐皂洗沾色牢度和耐汗漬沾色牢度也達到了4～5級。在3種媒染方式下,酸木瓜和茶卡鹽媒染桑蠶絲織物的耐干摩擦色牢度可達5級,而SnCl2的干摩擦色牢度也可達到4級和4～5級。同時,茶卡鹽和明礬媒染桑蠶絲織物的耐濕摩擦色牢度都達到4～5級。由此可見,桑蠶絲織物在環保型媒染劑和金屬媒染劑作用下,其色牢度被顯著提高,而且在一定條件下,環保型媒染劑提高色牢度的程度大于金屬媒染劑。

表4 石榴皮染液染色桑蠶絲織物的色牢度Tab.4 The color fastness of mulberry silk fabrics dyed with pomegranate peel dye solution

續表4

2.4 松香固色劑的固色效果

2.4.1 石榴皮染色絲織物固色前后的染色性能

在前期試驗基礎上,本文分別用松香固色劑對酸木瓜前媒染桑蠶絲織物、氯化稀土同浴媒染桑蠶絲織物和茶卡鹽后媒染桑蠶絲織物進行固色處理,如表5所示。從表5可看到,經松香固色劑處理后桑蠶絲織物的K/S值均提高,其中固色后的茶卡鹽后媒染桑蠶絲織物達到最大K/S值至11.74。經固色后,氯化稀土同浴媒染桑蠶絲織物的L*值減小,織物色澤變暗,其余的染色桑蠶絲織物的L*值均增大,織物色澤變亮;酸木瓜前媒染桑蠶絲織物的a*值增大,織物顏色偏紅,其余的染色桑蠶絲織物的a*值減小,織物顏色偏綠;氯化稀土同浴媒染桑蠶絲織物的b*值減小,織物顏色偏藍,其余的染色桑蠶絲織物的b*值增大,織物顏色偏黃。

表5 石榴皮染色桑蠶絲織物固色前后的顏色特征值Tab.5 Color characteristic values of mulberry silk fabrics dyed with pomegranate peel before and after the treatment with gum rosin

與固色處理前相比,染色桑蠶絲織物經固色處理后的色牢度有了明顯提高,如表6所示。染色桑蠶絲織物經固色處理后的耐皂洗、耐汗漬、耐濕擦色牢度均顯著提高,但其耐干摩擦色牢度固色前后均為5級。茶卡鹽后媒染桑蠶絲織物經固色處理后,耐汗漬變色牢度由3級提高到5級。經固色處理后,酸木瓜前媒染桑蠶絲織物和茶卡鹽后媒染桑蠶絲織物的色牢度可被提高到4級和5級。同時,經固色后的茶卡鹽后媒染桑蠶絲織物的色牢度較高均達到5級。

表6 固色前和固色后的石榴皮染液染色桑蠶絲織物的色牢度Tab.6 The color fastness of mulberry silk fabrics dyed with pomegranate peel dye solution before and after the treatment with gum rosin

2.4.2 固色處理對染色絲織物纖維表面形態的影響

對經過固色處理和未經固色處理的染色桑蠶絲織物進行電鏡掃描測試,照片如圖2所示。由圖2(a)～(c)可見,未經固色處理的染色桑蠶絲織物表面形態光滑。而從圖2(d)～(f)可以看出,經固色處理后染色桑蠶絲織物的纖維表面呈現出粒狀物質并包覆著一層薄膜。這表明松香固色劑在絲織物纖維表面形成一層物理膜,減少了染料損耗,從而起到固色的作用[20]。此外,絲織物纖維表面的顆粒物質是由松香、石榴皮染料、纖維和環保型媒染劑中的金屬離子之間發生絡合反應而形成[23-25],同時,配位鍵的形成也促進纖維和染料的結合[20]。