醋酯织物的天然姜黄素染色性能及染色动力学.pdf

印染（2024 No.3）醋酯织物的天然姜黄素染色性能及染色动力学张云1，叶琼2，董岳龙2，董爱学1，刘越3 1.绍兴文理学院 纺织服装学院，浙江 绍兴 312000；2.绍兴市质量技术监督检测院，浙江 绍兴 312000；3.绍兴文理学院 浙江省清洁染整技术研究重点实验室，浙江 绍兴 312000摘要：为研究天然姜黄素染料对醋酯织物的染色性能，探讨了染色温度、染色时间、染液pH对染色织物K/S值的影响，测试了染色织物的耐摩擦和耐皂洗色牢度，并将姜黄素对醋酯纤维的上染速率曲线与染色动力学模型进行拟合。结果表明：天然姜黄素染料能较好地上染醋酯织物，在染料用量较少且无媒染剂的条件下获得较高的得色量。姜黄素上染醋酯织物的适宜染色工艺条件为：染色温度85，染色时间50 min，染液pH=6。染色醋酯织物的耐摩擦和耐皂洗色牢度均达到4级及以上；姜黄素对醋酯纤维的吸附符合准二级动力学模型。关键词：姜黄素；醋酯织物；染色性能；染色动力学中图分类号：TS193.62文献标志码：BDOI：10.3969/j.yinran.202403016Dyeing behaviors and dyeing kinetics of acetate fabric with curcumin dyeZHANG Yun1,YE Qiong2,DONG Yuelong2,DONG Aixue1,LIU Yue31.Shaoxing University,College of Textile and Garment,Shaoxing 312000,China;2.Shaoxing Testing Institute of Quality and Technical Supervision,Shaoxing 312000,China;3.Shaoxing University,Key Laboratory of Clean Dying and Finishing Technology of Zhejiang Province,Shaoxing 312000,ChinaAbstract:To study the dyeing performance of natural curcumin dyes on acetate fabrics,the effects of dyeingtemperature,dyeing time and pH of dyeing solution on theK/Svalue of dyed fabrics are investigated.The colorfastness to rubbing and soaping are evaluated.The dyeing rate curve of curcumin dye on acetate fibers is fittedwith a dyeing kinetics model.The results show that natural curcumin dye can effectively dye acetate fabricswith high color yield under low dye dosage and no mordant.The suitable dyeing conditions of acetate fabricswith curcumin dye are:pH=6 of dyeing solution,dyeing at 85 for 50 min.The color fastnesses to rubbing andsoaping of dyed acetate fabric can reach Grade 4 or above.The adsorption of curcumin dye on acetate fibersconforms to quasi-second-order kinetic model.Key words:curcumin;acetate fabric;dyeing property;dyeing kinetics姜黄素是从姜科植物的根茎中提取的一种天然酚类物质，因其安全性和实用价值较高，被广泛应用于食品、药品、化妆品和纺织品等领域1。在食品领域，姜黄素可作为天然食用色素和防腐剂，经其着色后的食品色泽鲜艳，储存时间延长2-4；在药品领域，姜黄素具有行气破血、通经止痛、抗炎、抗肿瘤、抗氧化、保护消化系统和心血管系统等诸多功效5-8；在化妆品领域，加入姜黄素的护肤品具有提高皮肤抗皱性和提亮肤色的效果9-10；在纺织品领域，姜黄素常作为天然染料用于纺织品染色，同时利用其良好的生物活性和药理功效，可赋予纺织品一定的功能性11。醋酯纤维是由纤维素纤维经过乙酰化处理后制备的半合成纤维材料，可在水、热、光、微生物等作用下直接分解，对环境无负担12-13。醋酯面料具有良好的悬垂性、真丝般的光泽和光滑软糯的手感，穿着舒适透气，在外观和性能上可与桑蚕丝相仿，广泛应用于高档西装、礼服、睡衣、丝巾、领带等14-15。由于醋酯纤维具有与涤纶纤维类似的特性，且其结构比涤纶疏松，因此可用分散染料染色，上染条件比涤纶缓和16。姜黄素有类似分散染料的特性，在水中呈溶解度极低的非离子状态，若将姜黄素用于醋酯纤维的染色，不仅可使其呈现艳丽的色彩，同时可赋予醋酯织物多种附加功能。目前，姜黄素多用于桑蚕丝、羊毛、改性纤维素纤维等织物的染色17-19，而对于醋酯织物的染色鲜有报道。本文拟使用姜黄素对醋酯织物进行染色，探讨染色温度、染色时间、染色pH等条件对姜黄素染料上染率的影响，通过分析染色动力学过程，对姜黄素的染色性能进行评价。1试验部分1.1织物、试剂与仪器织物醋酯织物（175 g/m2，浙江万达布业有限公收稿日期：2023-12-26；修回日期：2024-02-27基金项目：绍兴文理学院2022年科研项目（2022LG011）；2023年绍兴市产业关键技术攻关计划项目（2023B41022）。作者简介：张云（1989），女，实验师，硕士，主要从事染料及助剂的检测及纺织品清洁染整方面的研究。E-mail：。通信作者：刘越（1965），男，教授。E-mail：。34醋酯织物的天然姜黄素染色性能及染色动力学印染（2024 No.3）司），DW型多纤维贴衬（宽度为1.5 cm，英国英思坦公司），棉摩擦布（上海纺织技术监督所，符合 GB/T7568.22008 纺织品 色牢度试验 标准贴衬织物 第2部分：棉和粘胶纤维）试剂姜黄素（纯度98%，西安欣禄生物科技有限公司），醋酸（分析纯，国药集团化学试剂有限公司），乙醇（分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司），超纯水（自制）仪器AHIBA IR型小浴比染色机、Datacolor 600型测色配色仪（美国Datacolor公司），UV2450型紫外可见光光度计（日本岛津株式会社），M238BB型电子摩擦色牢度测试仪（美国锡莱-亚太拉斯有限公司），SW-12D耐水洗色牢度仪（宁波纺织仪器厂），BZCY908光源箱（莱州市电子仪器有限公司），S210-K型台式酸度计、ME204E型分析天平梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司，HWCL-3集热式磁力搅拌浴（郑州长城科工贸有限公司）1.2染色方法称取一定质量的姜黄素，在 40 水浴中用少量乙醇溶解，再缓慢加入纯水（乙醇与纯水的体积比为1 20），搅拌5 min，配制成一定质量分数的姜黄素染液，用醋酸调节染液pH。染色处方姜黄素/%（omf）0.24.0染色温度/7090染色时间/min3080染液pH48浴比1 20取醋酯织物1 g，采用控制变量法对醋酯织物进行染色，染色工艺曲线如图1所示。40 入染醋酯织物姜黄素染液1/minT，tmin2/min水洗，皂煮，水洗，烘干图1醋酯织物的染色工艺曲线Fig.1Dyeing process of acetate fabric1.3测试方法1.3.1染色织物K/S值的测定利用Datacolor 600型测色配色仪测定染色试样的K/S值，采用D65光源、10视角，试样折叠4 层，不同部位测定3次，取平均值20。1.3.2姜黄素标准工作曲线的绘制将乙醇作为溶剂精确配制不同质量浓度的姜黄素标准溶液，绘制姜黄素在最大吸收波长（426 nm）处的标准工作曲线。1.3.3上染速率曲线的绘制根据 1.2 节染色工艺，设定姜黄素质量分数为1.0%（omf），染液pH为6，染色温度为85，染色时间分别为5、10、15、20、25、30、40、50、70、90、110 min时，取出织物，将染色残液和水洗残液收集至容量瓶，并用乙醇稀释定容，采用染色残液比色法，测定对应染色时间下织物上的染料量（Ct），绘制姜黄素对醋酯织物的恒温上染速率曲线20-21。1.3.4色牢度的测试分别参照GB/T 39202008纺织品 色牢度试验耐摩擦色牢度 和GB/T 39212008 纺织品 色牢度试验 耐皂洗色牢度，对1.0%姜黄素染色样品进行耐摩擦色牢度和耐皂洗色牢度测试。其中，耐皂洗色牢度测定选用DW型多纤维贴衬，5 g/L皂液，浴比1 50，在40 下洗涤30 min，试样烘干后在D65光源下用灰色样卡评定变色和沾色等级。2结果与讨论2.1染色工艺优化2.1.1染色温度设定姜黄素染液的质量分数为2%，用醋酸调节染液pH至5，浴比为1 20，染色时间为60 min，测定不同染色温度下织物的K/S值，结果见图2。.6$图2染色温度对姜黄素染色醋酯织物K/S值的影响Fig.2Effect of dyeing temperature on K/S value of acetate fabric with curcumin dye从图2可以看出，织物的K/S值随着染色温度的升高逐渐增大，温度在 7085 时，K/S 值增幅较为显著。这是由于随染色温度的升高，姜黄素溶解度和扩散速度也随之增加，同时醋酯纤维的无定形区增大，孔隙增多22，姜黄素沿孔隙进入到纤维内部的量增多，提高了其染色性能23-24。进一步升高温度，纤维的染色性能提升减缓，染色趋于平衡，因此在8590 时，织物的K/S值增速放缓。考虑到醋酯织物在高温下会收缩，手感会变差并失去光泽25，故染色温度设定为85 较适宜。35印染（2024 No.3）2.1.2染色时间设定姜黄素染液的质量分数为2%，用醋酸调节染液pH至5，浴比为1 20，染色温度85，不同染色时间下织物的K/S值如图3所示。.68LPLQ图3染色时间对姜黄素染色醋酯织物K/S值的影响Fig.3Effect of dyeing time on K/S value of acetate fabric withcurcumin dye由图3可知：染色时间在3040 min，织物的K/S值增加较快；当染色时间为50 min时，醋酯纤维上姜黄素的吸附量已接近饱和26，此时织物的K/S值达最高；继续延长染色时间，K/S值无明显提升。因此，设定染色时间为50 min。2.1.3染液pH设定姜黄素染液的质量分数为 2%，染色温度85，染色时间50 min，浴比为1 20，不同pH下染色织物的K/S值见图4。.6S+图4pH对姜黄素染色醋酯织物K/S值的影响Fig.4Effect of pH on K/S value of acetate fabric with curcumin dye由图4可见：当染液pH在46时，织物的K/S值随染液pH的增加而提高；当pH大于6时，K/S值反而下降。这是由于在弱酸性条件下，醋酯纤维和姜黄素均较为稳定；在碱性条件下，醋酯纤维的醋酸根会发生皂化反应，纤维失去光泽，造成K/S值下降25，27。此外，姜黄素在碱性条件下也较易发生分解1。综上所述，姜黄素适宜在弱酸性（pH=6左右）环境中上染醋酯纤维。2.1.4染液浓度设定染色温度85，染色时间50 min，染液pH=6，浴比为1 20，当姜黄素染液的质量分数为0.2%、0.5%、1.0%、2.0%和4.0%时，醋酯织物的K/S值如图5所示。.6CH图5染液浓度对姜黄素染色醋酯织物K/S值的影响Fig.5Effect of dye concentration on K/S value of acetate fabricwith curcumin dye由图5可知，姜黄素染液质量分数从0.2%增加至1.0%时，织物的K/S值显著提高，说明姜黄素质量分数在 0.2%1.0%时具有良好的提升力，染料利用率较高。当姜黄素质量分数在1.0%4.0%时，织物K/S值增加趋势驱缓，得色量趋于饱和。若继续提高姜黄素的质量分数，会降低染料的利用率，同时增加织物表面的浮色而影响色牢度。2.2色牢度对上述最优工艺染制的醋酯织物进行耐皂洗色牢度测试，结果见表1。表1姜黄素染色醋酯织物的耐皂洗色牢度Table 1Color fastness to soaping of acetate fabric with curcumin dye贴衬成分羊毛腈纶涤纶锦纶棉醋酯沾色牢度/级4545454445变色牢度/级454545454545表1表明，姜黄素染色醋酯织物的耐皂洗色牢度均达到4级及以上。另外，测得姜黄素染色醋酯织物的耐干摩擦色牢度为4级，耐湿摩擦色牢度为45级。2.3姜黄素染液的标准工作曲线图6为姜黄素染液的标准工作曲线。36醋酯织物的天然姜黄素染色性能及染色动力学印染（2024 No.3）CH#PJg/5图6姜黄素染液的标准工作曲线Fig.6Standard working curve of curcumin dye solution从图 6 可以看出，姜黄素染液在质量浓度为 110 mg/L范围内具有良好的线性拟合关系，拟合系数R20.999，符合朗伯-比尔定律。2.4姜黄素的染色动力学研究2.4.1上染速率曲线图7为姜黄素在醋酯纤维上的上染速率曲线。8LPLQ&W PJgJ图7姜黄素上染醋酯纤维的上染速率曲线Fig.7Dyeing rate curve of acetate fiber with curcumin dye从图7可知：在染色初始阶段，姜黄素对醋酯纤维的上染速率较快；当染色一段时间后，姜黄素的上染速率逐渐趋缓；染色时间在50 min左右时，上染趋于平衡。这是因为染色初期，纤维内外的染料浓度差较大，故上染速率较快；随着时间的延长，纤维内外染料浓度差减小，因此染料向纤维的扩散速度降低，上染量趋于平衡28。2.4.2动力学方程拟合（1）准一级动力学模型拟合准一级动力学模型依托于Lagergren方程21,29：dCtdt=k1（Ce-Ct）（1）式中：Ct为 t 时刻吸附在纤维上的染料量，mg/g；Ce为染色平衡时吸附在纤维上的染料量，mg/g；k1为一级动力学反应速率常数，min-1。对式（1）进行积分后，临界条件：当t=0时，Ct=0；代入t时刻的上染量Ct，得式（2）：ln（Ce-Ct）=lnCe-k1t（2）假设吸附只发生在一种界面上，则其吸附过程大部分符合准一级动力学模型，以t为横坐标，ln（Ce-Ct）为纵坐标作图，拟合所得的准一级动力学方程和拟合系数如图8所示。8LPLQ 5OQHW&PJgJ图8姜黄素吸附醋酯纤维的准一级动力学方程拟合曲线Fig.8 Fitting curves of quasi-first-order kinetic equation of curcumin dye adsorption on acetate fiber从图8可知，在整个染色阶段各数据点均严重偏离线性拟合曲线，且拟合系数R2值偏低，这表明不能用准一级动力学模型来描述姜黄素在醋酯纤维上的染色动力学。（2）准二级动力学模型拟合准二级动力学方程如式（3）30所示：dCtdt=k2（Ce-Ct）2（3）式（3）积分后得到式（4）：tCt=1Cet+1k2C2e（4）式中：k2为二级动力学反应速率常数，min-1。由式（4）可获得姜黄素在醋酯纤维上吸附的准二级动力学拟合曲线及相关系数，如图9所示。8LPLQ 5W&W PLQgPJgJ图9姜黄素在醋酯纤维上吸附的准二级动力学方程拟合曲线Fig.9Fitting curves of quasi-second-order kinetic equation ofcurcumin dye adsorption on acetate fiber37印染（2024 No.3）由图9可知，姜黄素对醋酯纤维吸附的t/Ct-t拟合曲线呈现良好的线性关系，拟合系数R2值达到0.99以上。由拟合曲线计算所得的Ce，cal=9.220 mg/g，与实际测得的Ce，exp=9.430 mg/g非常接近。由此可认为姜黄素在醋酯纤维上的染色动力学可用准二级动力学方程来描述，即吸附过程以化学吸附为主。3结论（1）姜黄素能较好地上染醋酯织物，并在染料用量较少且无媒染剂的条件下获得较高的得色量。姜黄素上染醋酯织物的适宜染色条件为：染色温度85，染色时间50 min，染液pH=6。（2）姜黄素染色醋酯织物的耐摩擦和耐皂洗色牢度均达到4级及以上，色牢度优良。（3）姜黄素对醋酯纤维的吸附符合准二级动力学模型，吸附过程以化学吸附为主。参考文献：1赵蝴蝶，易帆，马越，等.天然姜黄色素的应用及性能改善研究进展J.印染助剂，2023，40（11）：1-9.2吴长玲.碱处理对不同NaCl浓度下姜黄素-肌原纤维蛋白复合物的构建及其应用研究D.南京：南京农业大学，2019.3袁鹏，陈莹，肖发，等.姜黄素的生物活性及在食品中的应用J.食品工业科技，2012，33（14）：371-375.4任二芳，牛德宝，谢朝敏，等.姜黄开发与应用进展J.轻工科技，2014，30（10）：10-11.5LEONID N G，ODED S，HANNE H T.Studies on curcumin and curcuminoids：XXVI.Antioxidant effects of curcumin on the red bloodcell membraneJ.International Journal of 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