楊梅栲膠對紅花黃色素羊毛染色性能的影響

丁 洪,吳 艷,王祥榮,3

(1.蘇州大學 紡織與服裝工程學院,江蘇 蘇州 215123; 2.上海凱喜雅國際貿(mào)易有限公司,上海 201206;3.蘇州大學 紡織行業(yè)天然染料重點實驗室,江蘇 蘇州 215123)

紅花黃色素是從菊科植物紅花的花瓣中提取出的天然色素,為黃色粉末,易溶于水,在pH值2～7范圍內(nèi)的水溶液中呈黃色,不易變色[1]。紅花黃色素的主要成分為查耳酮類化合物[2]。紅花黃色素具有色價高、色澤鮮艷、著色均勻等特點[3],同時還具有抗氧化、降血壓、提高血脂代謝、改善心肌缺血等多種醫(yī)用功能[4]。近年來,已有研究者采用紅花黃用于紡織品的染色,但所染織物的耐光色牢度偏低[3,5],還需進一步研究以提高其染色性能。

楊梅栲膠是由富含單寧的植物原料楊梅樹皮經(jīng)過水浸提和濃縮等步驟加工制得的多酚類化合物[6],通常為棕黃色或棕褐色粉末。楊梅栲膠中的單寧成分含有大量的酚羥基,能夠與金屬離子進行絡(luò)合[7],參與到天然染料與纖維的配位鍵結(jié)合過程中,同時在纖維表面形成大分子膜,提高天然染料染色織物的各項色牢度,因此,楊梅栲膠也被用作天然媒染劑[8]。

本文通過探討直接染色、預媒染和后媒染等不同染色工藝條件下楊梅栲膠的加入對紅花黃色素羊毛織物染色的影響,以期為開發(fā)基于植物資源的天然媒染劑以及提高天然染料染色羊毛織物各項色牢度的途徑和方法提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

實驗材料:羊毛針織汗布(面密度80 g/m2,錦柯草木染(上海)科技有限公司);楊梅栲膠(工業(yè)品,廣西靈水林化有限公司);紅花黃(食品級,云南瑞寶生物科技股份有限公司);精練劑(自制),平平加O(江蘇四新界面劑科技有限公司);十八水合硫酸鋁(Al2(SO4)3·18H2O,分析純,上海展云化工有限公司);冰醋酸(CH3COOH)、無水碳酸鈉(Na2CO3)(分析純,江蘇強盛功能化學股份有限公司);標準皂片(上海紡織工業(yè)技術(shù)監(jiān)督所)。

實驗儀器:HG-TC2008型紅外染色機(無錫亞博紡織設(shè)備有限公司);SW-12A型水洗色牢度實驗機(寧波紡織儀器廠);Y(B)902型汗?jié)n色牢度烘箱(溫州市大榮紡織儀器有限公司) ;Alpha型日曬牢度儀(SDL Atlas公司);UltraScan PRO型分光測色儀(Hunter Lab公司);TM-3030型臺式掃描電子顯微鏡/SwiftED3000型能譜儀(日本日立技術(shù)公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 織物預處理

將羊毛織物放入含有精練劑1 g/L,碳酸鈉1 g/L,浴比1∶40的處理液中,在80 ℃條件下,處理30 min,60 ℃水洗,冷水洗至中性。

1.2.2 直接染色實驗

按照浴比為1∶40在不銹鋼染杯中配制含有紅花黃色素用量4%(owf)、平平加O用量1 g/L、一定量楊梅栲膠的染液,用冰醋酸調(diào)節(jié)pH值為4,預先將染液升溫到40 ℃,將經(jīng)過預處理或預媒染處理的羊毛織物投入到染杯中,并將染杯置于紅外染色機的固定夾上,設(shè)定轉(zhuǎn)速為20 r/min,以1 ℃/min的速度升溫至95 ℃,恒溫染色45 min,再以3 ℃/min速度降溫至50 ℃,取出織物。

1.2.3 媒染染色實驗

預媒染和后媒染工藝參數(shù)相同:按照浴比1∶40、媒染劑用量6%(owf)配制媒染液,將媒染液預先在水浴中升溫到40 ℃,然后投入經(jīng)過1.2.1節(jié)工藝預處理的織物(前媒染)或按1.2.2節(jié)工藝染色后的織物(后媒染),開始媒染,以2 ℃/min升溫速度將溫度升至60 ℃,再保溫媒染40 min,再以3 ℃/min 速度將溫度降至50 ℃,取出織物。

1.2.4 皂洗實驗

按照浴比1∶40,中性皂片2 g/L配制皂洗液,將皂洗液加熱到80 ℃,加入完成染色的織物,皂洗20 min,然后再用80 ℃熱水洗(浴比1∶40)20 min,最后用冷水沖洗,擠干水分,晾干。

1.3 性能測試

顏色特征值的測定:將染色羊毛織物折疊成4層,在分光測色儀上進行測試,采用D65標準光源,視場角為10°,光譜掃描范圍為400～700 nm,每塊樣品在不同的位置測試4次,取平均值[9-10]。

耐光色牢度:按照GB/T 8427—2019《紡織品 色牢度試驗 耐人造光色牢度:氙弧》進行測試。

耐汗?jié)n色牢度:按照GB/T 3922—2013《紡織品 色牢度試驗 耐汗?jié)n色牢度》進行測試。

耐皂洗色牢度:按照GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗 耐皂洗色牢度》中A(1)方法進行測試。

表面元素測試:使用臺式掃描電子顯微鏡和能譜儀組合對染色織物進行能譜掃描測試,分析織物表面的元素含量[11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 楊梅栲膠用量對羊毛直接染色的影響

按照1.2.2節(jié)染色方法,固定紅花黃色素用量 4%(owf)、平平加O 1 g/L,染色溫度95 ℃,染色時間45 min,改變楊梅栲膠的用量,對羊毛織物進行直接染色,按照1.3節(jié)測試方法測試相關(guān)性能,楊梅栲膠用量對紅花黃色素染色羊毛織物K/S值的影響結(jié)果如圖1所示。

圖1 楊梅栲膠與紅花黃色素直接染色羊毛的K/S值曲線Fig.1 K/S value curve of directly dyed wool with Box myrtle extract and safflower yellow pigment

由圖1可知,采用直接染色工藝,楊梅栲膠的加入并沒有對紅花黃色素染色織物的K/S曲線有明顯影響,在波長400～700 nm范圍內(nèi),不同楊梅栲膠用量的K/S值曲線變化趨勢基本一致。在最大吸收波長400 nm處,染色羊毛織物的K/S值隨著楊梅栲膠用量的增加略增大,說明楊梅栲膠的加入對紅花黃色素上染羊毛織物的色深值有一定的影響。

楊梅栲膠用量對羊毛織物顏色特征值和色牢度的影響分別見表1、2。由表1可知,楊梅栲膠用量的增加會使明度值L*降低,織物顏色變深,這是由于染色過程中,除了紅花黃色素上染羊毛織物以外,楊梅栲膠分子上的酚羥基也會通過與纖維形成氫鍵而吸附到纖維上[12],從而降低了羊毛織物的明度;同時,隨著楊梅栲膠用量的增多,織物的彩度c*值也有所降低,鮮艷度下降,說明加入楊梅栲膠后,楊梅栲膠自身的顏色會影響羊毛織物的明度和彩度;另外,從楊梅栲膠用量對色相角h的影響看,楊梅栲膠用量對色相角的影響不大。

表1 楊梅栲膠用量對紅花黃色素直接染色羊毛織物顏色特征值的影響Tab.1 Effect of the amount of Box myrtle extract on the color characteristic value of safflower yellow pigment directly dyed wool fabric

由表2可知,紅花黃色素直接染色的羊毛織物耐汗?jié)n色牢度和耐皂洗色牢度優(yōu)良,達到4～5 級,但耐光照色牢度較差,僅有1級。同時,加入楊梅栲膠后羊毛織物的耐光照色牢度并未得到改善,說明紅花黃色素在只使用楊梅栲膠的情況下無法提高其耐光照色牢度。因此,在此工藝條件的基礎(chǔ)上,選用金屬媒染劑硫酸鋁以預媒染和后媒染的方法對羊毛織物進行媒染處理,進一步研究媒染工藝對紅花黃色素羊毛染色性能的影響。

表2 楊梅栲膠用量對紅花黃色素直接染色羊毛織物色牢度的影響Tab.2 Effect of the amount of Box myrtle extract on the color fastness of safflower yellow pigment directly dyed wool fabric

2.2 不同工藝條件下楊梅栲膠對羊毛染色的影響

按照1.2.2節(jié)染色方法,固定紅花黃色素用量為4%(owf)、平平加O用量為1 g/L,染色溫度為95 ℃,時間為45 min;按照1.2.3節(jié)的媒染方法,固定硫酸鋁用量為6%(owf),媒染溫度為60 ℃,時間為40 min,對羊毛織物進行媒染染色。考察不同工藝條件下,添加楊梅栲膠對紅花黃色素染色羊毛織物性能的影響。不同染色工藝條件見表3。

表3 染色工藝條件Tab.3 Dyeing process conditions

楊梅栲膠對采用不同工藝染色織物K/S值的影響如圖2所示,對羊毛織物顏色特征值和色牢度的影響見表4、5。

表4 不同染色工藝對羊毛織物顏色特征值的影響Tab.4 Effect of different dyeing processes on color characteristic value of wool fabric

圖2 不同染色工藝條件下織物的K/S值曲線Fig.2 K/S value curve of dyed fabric under different dyeing process

由圖2、表4可知,當媒染劑為十八水合硫酸鋁時,媒染方法對染色羊毛針織物的K/S值曲線有一定的影響,但整體變化不大。經(jīng)硫酸鋁媒染可提高羊毛織物的K/S值,其中,采用硫酸鋁后媒染的工藝中紅花黃色素在染色階段對羊毛充分上染[13],媒染過程染料和鋁離子通過形成配位鍵增加了染料和羊毛之間的相互作用,使染料在羊毛上的吸附量增多[14]。在沒有添加楊梅栲膠的條件下,媒染并不影響到染色織物的明度和彩度,而楊梅栲膠與紅花黃色素同浴染色再進行媒染時,染色織物的明度和彩度均有下降,說明楊梅栲膠也參與了與鋁離子的配位并吸附在纖維上。同時,不同工藝的染色織物的色相角相差不大。

由表5可知,紅花黃色素對羊毛織物進行染色時,采用硫酸鋁進行預媒染或后媒染均可使紅花黃色素染色織物的耐光色牢度提高到2級;但如果染色時添加楊梅栲膠,再加上預媒染或后媒染(3#和5#),可進一步提升染色織物的耐光色牢度。其中,紅花黃色素與楊梅栲膠同浴染色再經(jīng)硫酸鋁后媒染的織物耐光色牢度可提高至4級,并且,耐皂洗色牢度和耐汗?jié)n色牢度不受影響,均達到4～5級。這可能是由于在楊梅栲膠的存在下,楊梅栲膠中含有的酚羥基能夠參與到染料和纖維與鋁離子之間的配位鍵結(jié)合[15],從而使染料更好地固著在纖維上,達到提高色牢度的目的。

表5 不同染色工藝對羊毛織物色牢度的影響Tab.5 Effect of different dyeing processes on color fastness of wool fabric 級

為了進一步證明預媒染和后媒染2種工藝條件下,鋁離子與染料和纖維之間的作用情況,對按照3#和5#工藝染色的織物進行能譜(EDS)掃描測試,能譜圖如圖3所示,測得的織物表面元素含量見表6。

表6 不同染色工藝下織物表面元素含量Tab.6 Content of elements on the surface of the fabric under different dyeing processes %

圖3 不同工藝染色羊毛織物的能譜圖Fig.3 Energy spectrum of dyed wool fabric under different dyeing processes

由圖3、表6可知,采用栲膠與紅花黃同浴染色,硫酸鋁后媒染的織物表面鋁元素含量高于預媒染的織物,說明在后媒染工藝條件下有更多的鋁離子參與到與纖維、紅花黃色素和栲膠形成配位鍵結(jié)合,使天然色素的穩(wěn)定性和耐光色牢度得到提高。

綜上可知,采用紅花黃色素與楊梅栲膠同浴染色,然后再采用硫酸鋁后媒染的工藝可以得到各項色牢度較好的染色織物(5#)。進一步探討采用該工藝,固定其他條件,改變楊梅栲膠用量對紅花黃色素染色羊毛織物耐光色牢度的影響,實驗結(jié)果見表7。

表7 楊梅栲膠用量對5#染色織物耐光色牢度的影響Tab.7 Effect of the dosage of Box myrtle extract on the light fastness of dyed fabric under process 5#

由表7可知,采用紅花黃色素與楊梅栲膠同浴染色,再用硫酸鋁進行后媒染時,隨著楊梅栲膠加入量的增加,染色織物的耐光色牢度顯著提高,當楊梅栲膠用量為3%(owf),耐光色牢度提升至4級,再增加用量,耐光色牢度不再提高,為了減少楊梅栲膠加入對染色織物明度和彩度的影響,建議楊梅栲膠的用量為3%～4%(owf)。

3 結(jié) 論

通過探討直接染色、預媒染和后媒染等不同染色工藝條件下楊梅栲膠的加入對紅花黃色素羊毛織物染色的影響,得到最佳工藝為:紅花黃色素與楊梅栲膠同浴染色,然后再采用硫酸鋁后媒染,在此基礎(chǔ)上得到以下結(jié)論:

①紅花黃色素對羊毛織物染色時,加入楊梅栲膠在pH值為4、溫度95 ℃的條件下同浴染色45 min,然后在60 ℃條件下,用6%(owf)硫酸鋁媒染,能顯著提升羊毛織物的耐光色牢度,使染色織物的各項色牢度均達到4級及以上。能譜測試表明,該工藝條件下,有更多的鋁離子參與了配位鍵的形成。

②楊梅栲膠的加入會降低染色羊毛織物的明度和彩度,楊梅栲膠最佳用量為3%～4%(owf)。