板栗壳色素的提取及对蚕丝织物的染色性能.pdf

章双双1，陈宜灿2，王祥荣1，31.苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州 215123；2.英迪达（上海）纺织科技有限公司，上海 201101；3.苏州大学纺织行业天然染料重点实验室，江苏苏州 215123摘要：采用碱提法从板栗壳中提取板栗壳色素，探讨色素提取温度、碱质量浓度、时间对提取效率的影响；将提取色素应用于蚕丝织物染色，探讨染浴pH、温度、时间及媒染工艺对染色性能的影响。结果表明：板栗壳色素碱提取优化工艺为：温度95、碱质量浓度10 g/L、时间6090 min；提取色素上染蚕丝织物的优化工艺为：染浴pH 3、温度98、时间40 min，媒染有利于提高得色量和色牢度，但是颜色鲜艳度下降，铁媒染后耐光色牢度由直接染色的2级提高到34级。关键词：板栗壳色素；提取；蚕丝织物；染色中图分类号:TS193.6文献标志码:A文章编号:1004-0439（2023）08-0015-06Extraction of chestnut shell pigment and itsdyeing properties on silk fabricZHANG Shuangshuang1,CHEN Yican2,WANG Xiangrong1,3(1.College of Textile and Clothing Engineering of Soochow University,Suzhou 215123,China;2.IndiDyeChina Co.Ltd.,Shanghai 201101,China;3.National Textile and Apparel Council KeyLaboratory of Natural Dyes,Soochow University,Suzhou 215123,China)Abstract:Using alkali extraction method to extract chestnut shell pigments from chestnut shells,the effects of pigment extraction temperature,alkali concentration,and time on extraction efficiency were investigated.Applying extracted pigments to silk fabric dyeing,the effects of dyeing bath pH,temperature,time,andmordant dyeing process on dyeing performance were explored.The results showed that the optimal processfor alkaline extraction of chestnut shell pigment was temperature 95,alkali concentration 10 g/L,and time60-90 min.The optimal process conditions for extracting pigments and dyeing silk fabrics were pH 3 in thedyeing bath,temperature 98,and time 40 min.Mordant dyeing was beneficial for improving color yield andcolor fastness,but the brightness of the color decreased.After iron mordant dyeing,the light fastness increased from level 2 of direct dyeing to level 3-4.Key words:chestnut shell pigment;extract;silk fabric;dyeing收稿日期：2023-08-08基金项目：苏州大学校企合作项目（H230354）作者简介：章双双（1999），浙江台州人，在读研究生，主要从事天然提取物在纺织品加工中的应用研究。通信作者：王祥荣，教授，E-mail：。近年来，在国家环保政策大力实施以及人们越来越重视绿色、健康的生活方式背景下，现代纺织工业正在向着绿色低碳转型，天然染料因为具有低碳、健康、绿色等优点又重新回到大众的视野1。天然染料不仅能够提升染色加工生态性，又能够赋予纺织品功能性。因此，天然染料用于纺织品染色的相关研究成为热点2-3。板栗是人类最早食用的食物之一，是重要的农林作物。中国是主要的板栗生产国之一，产量占全球产量的60%4。栗子仁味道鲜美，营养丰富。板栗不仅能直接食用，还能用于生产加工成去壳的半成品，从而产生大量的板栗壳等废弃物。据相关文献记载，板板栗壳色素的提取及对蚕丝织物的染色性能印 染 助 剂TEXTILE AUXILIARIESVol.40 No.8Aug.2023第40卷第8期2023年8月印染助剂40卷栗壳中含有酚类、有机酸、黄酮或者黄酮苷等化学成分5。从板栗壳中可以提取天然棕色的板栗壳色素，具有较好的稳定性和较强的染色能力。由此，板栗壳色素的提取引起了人们的重视，并已经被广泛地用于食品及化妆品领域。李颖6从板栗壳中提取出天然的棕色色素并对其性能进行研究，板栗壳色素中所含的酮类、多酚等化学成分都是天然染料，对纺织品染色性能以及特殊功能均有影响7-8。在纺织领域，板栗壳也被用作媒染剂来提高织物得色量，此外还可以用作颜料，赋予纺织品褐色的色调9-10。蚕丝具有质地细腻、强度高、光泽好等独特的品质11。此外，蚕丝顺应环保、健康的发展趋势，从而成为最受欢迎的纺织纤维材料。蚕丝被广泛应用于高档纺织材料中，被誉为“人体第二肌肤”。采用天然染料上染蚕丝织物具有良好的前景12。本实验探讨了板栗壳色素碱提取工艺的碱质量浓度、温度、时间对提取效率的影响，并将提取色素用于蚕丝织物染色，探讨了染浴pH、温度、时间、色素用量对染色性能的影响，以期为板栗壳色素在环保纺织品染色中的应用提供理论基础。1实验1.1材料与仪器材料：蚕丝针织物（单位面积质量为105 g/m2，鑫缘茧丝绸集团股份有限公司），板栗壳（贵州青山生物科技有限公司），氢氧化钠、冰醋酸、无水碳酸钠（分析纯，江苏强盛功能化学股份有限公司），七水合硫酸亚铁（分析纯，上海源叶生物科技有限公司），硫酸铁（分析纯，上海泰坦科技股份有限公司），明矾（工业品，温州矾矿）。仪器：400Y型多功能粉碎机（永康市铂欧五金制品有限公司），XW-ZDR-2512 型低噪振荡染样机（靖江市新旺染整设备厂），SHZ-D型循环水真空泵（巩义市予华仪器有限责任公司），M-7-24P红外染色小样机（无锡博景印染机械有限公司），TU-190型紫外-可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司），Ultra Scan XE 型分光测色仪（美国 HunterLab公司），SW-12A型水洗色牢度试验机（无锡市明达纺织印染设备厂），Y（B）902 型汗渍色牢度烘箱（温州市大荣纺织仪器有限公司），Nicolet5700 型傅里叶变换红外分光光度计（赛默飞世尔科技有限公司），Alpha型日晒牢度仪（SDL-Atalas公司）。1.2实验方法1.2.1板栗壳色素的提取将板栗壳用多功能粉碎机研磨至粉末状，用锥形瓶准确称取 5.00 g板栗壳细粉，量取 100 mL 不同质量浓度的氢氧化钠溶液置于其中，控制提取温度，在低噪振荡染样机中提取一定时间，冷却后采用循环水真空泵进行抽滤。滤渣中再加入100 mL对应质量浓度的碱溶液，采用相同的条件进行提取、抽滤，合并两次滤液，定容到 250 mL 作为提取液母液，待用。采用单因素实验法分析提取温度、碱质量浓度、提取时间对提取效果的影响。1.2.2板栗壳色素对蚕丝织物的染色准确称取5.00 g桑蚕丝织物若干份，量取色素母液40 mL，按照染色浴比1 40在染杯中配制染液，采用乙酸或碳酸钠调节染液pH至规定值，使用红外染色机进行染色。当温度升至40 后加入蚕丝织物，升温至规定值（升温速率2/min），恒温染色规定的时间，降温，取出织物，水洗、晾干。采用单因素实验法分析染液pH、染色温度、染色时间和染料用量对染色性能的影响。1.2.3媒染按照浴比 1 40、金属媒染剂 5%（omf）配制媒染液，加入需要媒染的织物，以2/min升温至60 min，保持30 min，取出，待用。分别采用七水合硫酸亚铁、硫酸铁、明矾为媒染剂对蚕丝织物进行预媒染或者后媒染。1.3测试1.3.1红外光谱将提取的板栗壳色素中和、浓缩、烘干，制作KBr/板栗壳色素（比例 100 1）压片置于傅里叶变换红外分光光度计上，在4 000400 cm-1波数范围内进行光谱扫描分析。1.3.2分光光度值取一定量提取液母液，稀释50倍，使用紫外-可见分光光度计在400800 nm波长范围内进行扫描，测定板栗壳色素溶液的吸光度，并绘制光谱曲线。1.3.3K/S值及颜色特征值将染色织物折叠成4层，在分光测色仪上进行测试，D65光源，10视场，光谱扫描范围为400800 nm，测试4次，取平均值13。1.3.4色牢度13耐皂洗色牢度：参照 GB/T 39212008 纺织品色牢度试验 耐皂洗色牢度 A（1）方法，采用水洗色牢度试验机进行测试；耐汗渍色牢度：参照 GB/T39222013 纺织品 色牢度试验 耐汗渍色牢度，采168期用汗渍色牢度烘箱进行测试；耐光色牢度：参照GB/T84272019 纺织品 色牢度试验 耐人造光色牢度：氙弧，采用日晒牢度仪进行测试。2结果与讨论2.1板栗壳色素提取的影响因素2.1.1提取温度由图 1 可以看出，板栗壳色素在 400500 nm 吸光度比较大，超过500 nm后吸光度开始下降，600 nm后吸光度比较小，色素溶液呈现棕色，不同温度下得到的色素光谱曲线基本一致，在可见光范围内的最大吸收波长为400 nm。以400 nm处的吸光度进行比较，吸光度随着提取温度的升高总体呈现上升趋势。因此，选择95 为提取温度。2.1.2碱质量浓度由图2可以看出，提取所得染液的吸光度随着碱质量浓度的增加而增大。表明随着碱质量浓度的增加，提取所得溶液中板栗壳色素含量越高。但是10、20 g/L时碱溶液在400 nm处吸光度相近。考虑到最终色素的收集以及染色还需要酸中和，因此选择碱质量浓度为10 g/L。2.1.3提取时间由图3可以看出，提取所得染液的吸光度随着提取时间的延长逐渐增大。在400 nm波长处，提取时间从60 min延长到90 min时，吸光度增加不多，因此提取时间选择6090 min。2.2板栗壳色素成分分析由图4可以看出，板栗壳色素的红外光谱在3 3003 500 cm-1内出现较强的吸收峰，此处为 OH 的伸缩振动峰；在 1 710 cm-1处为醛羰基 CO 伸缩振动峰；在 1 631 cm-1处为 CO 伸缩振动峰和芳香环的伸缩振动峰；在1 400 cm-1处为CHO面内弯曲振动峰；在1 246 cm-1处应属于CH2面外摇摆振动吸收峰；在 1 0001 100 cm-1处为 CO 伸缩振动峰；在 670cm-1处为苯环上 CH 面外弯曲振动峰14。由此说明，板栗壳色素中含有多酚、黄酮类物质。2.3染色性能的影响因素2.3.1染色温度由表1可以看出，当固定染浴pH为3、染色时间为 40 min时，织物的得色量随着染色温度的升高而增大，织物K/S值增大，L*减小，a*、b*、c*、h值的变化幅度不明显。这是由于分子热运动随着染色温度的升高而加剧，纤维膨胀进而体积增大，染料分子更容易进入纤维内部15，染色织物K/S值增大。因此，染色温度选择98。吸光度40000.15006007008000.20.30.40.50.60.70.8波长/nm60；70；80；90；95 碱质量浓度5 g/L，提取时间60 min图1提取温度对色素提取效率的影响吸光度40005006007008000.20.40.61.01.20.8波长/nm2 g/L；5 g/L；10 g/L；20 g/L提取温度95，提取时间60 min图2碱质量浓度对色素提取效率的影响吸光度0300.20.40.61.00.86090提取时间/min提取温度95，碱质量浓度10 g/L图3提取时间对色素提取效率的影响4000350030002500200015001000500透过率（%）波数（cm-1）3438163110801400670171012464 0003 0002 0001 000500波数/cm-1图4板栗壳色素红外光谱图章双双，等：板栗壳色素的提取及对蚕丝织物的染色性能17印染助剂40卷2.3.2染色时间由表 2可知，固定染浴 pH为 3、温度为 98 时，K/S值随着时间的延长呈现先增大后减小的趋势，在染色时间为 40 min时，K/S值最大。表明在染色时间为 40 min时已经达到了染色饱和值，随着时间的延长，高温条件下天然染料的稳定性下降，K/S值减小。时间对染色织物 L*、a*、b*、c*、h 值的影响不大。因此，染色时间选择40 min。2.3.3染液pH由图5和表3可以看出，当固定染色温度为98、染色时间为40 min，当染浴pH为3时，染色织物的得色量最大，随着染浴pH的增加，K/S值不断减小，染浴pH为5时得色量下降明显。这是因为板栗壳色素分子中含有的酚羟基在水溶液中为弱电负性。蚕丝纤维是具有等电点的两性蛋白质纤维，具有氨基（NH2）、羧基（COOH）、羟基（OH）等基团。在等电点以下，纤维表面带正电，可以通过静电吸引作用吸附板栗壳色素，提高染料的上染率。pH越低，越有利于染料在蚕丝织物上的吸附，得色量越大16。由表3可以看出，当染浴pH为3时，染色织物得色量大，亮度（L*值）下降；随着染浴pH的增大，亮度增大。随着染浴 pH的增加，a*值总体呈现下降趋势，表明织物的红光减弱。b*值的数值规律总体也呈现下降趋势，表明织物的黄光减弱。染浴pH对染色织物的色相角影响不大，表明色调总体保持不变。因此，染浴pH可以选择3。2.4媒染的影响由图6可以看出，媒染能提高染色织物K/S值。其中，硫酸铁预媒染对织物的K/S值影响最大。由表4可知，经过媒染后，织物的明度值都下降，其中铁媒染的 L*、a*、b*值均下降明显。从色相角来看，明矾媒染后织物的色相角无较大变化，而铁媒染后色相角变化较大，说明经铁离子媒染后织物的色相角发生了明显改变，为棕黑色17。上述变化与媒染剂的金属离子和板栗壳色素以配位键结合有关。以硫酸亚铁（Fe2+）和硫酸铁（Fe3+）作为媒染剂所得染色织物的L*、a*、b*、c*、h值相差不大。K/S值400050060070080021091438765波长/nmpH 3；pH 4；pH 5；pH 6；pH 7图5不同染液pH时染色织物的K/S值曲线pH34567L*42.81545.18552.77558.79368.123a*11.80512.10810.53810.1407.928b*21.17821.68318.82816.57813.360c*24.25024.83521.57519.43015.538h/（）60.86560.82360.76558.56059.315K/S值8.8237.5353.8452.4051.188表3染液pH对颜色特征值及K/S值的影响温度/809098L*47.82846.32841.873a*12.20312.46812.405b*22.97322.90021.818c*26.01026.07025.098h/（）62.02561.43360.388K/S值6.4607.1589.605表1染色温度对颜色特征值及K/S值的影响时间/min204060L*43.59342.33043.948a*12.16012.23511.958b*21.60321.05821.365c*24.79024.35524.483h/（）60.63359.84360.770K/S值8.2638.9938.038表2染色时间对颜色特征值及K/S值的影响K/S值4000500600700800216468141210波长/nm未媒染；硫酸亚铁预媒染；硫酸亚铁后媒染；硫酸铁预媒染；硫酸铁后媒染；明矾预媒染；明矾后媒染图6不同媒染工艺条件下染色织物的K/S值曲线188期2.5板栗壳色素用量对染色性能的影响由图7可以看出，染色织物的K/S值随着色素用量的增加而增加。色素用量由 10 mL 增加到 40 mL时，K/S值增幅明显，且硫酸亚铁媒染比明矾媒染的增加幅度更大。色素用量由40 mL增加到120 mL时，K/S值增幅减弱，说明板栗壳色素对预媒染蚕丝织物的提升性一般。2.6染色织物色牢度由表5可以看出，板栗壳色素直接染色真丝织物具有较好的耐皂洗色牢度和耐汗渍色牢度，但是耐光色牢度较差，仅为2级。真丝织物的耐皂洗色牢度和耐汗渍色牢度并未因为媒染而提高。但是媒染能够提高耐光色牢度，硫酸亚铁媒染能够将耐光色牢度提高到34级。这也是由于板栗壳色素与亚铁离子形成了配位键结合，提高了色素的耐光稳定性。媒染工艺未媒染硫酸亚铁硫酸铁明矾预媒染后媒染预媒染后媒染预媒染后媒染L*42.33032.71331.22529.40030.41840.19038.490a*12.2354.4255.0184.0985.25311.42011.633b*21.0589.2309.8859.50810.63318.44818.055c*24.35510.23811.08810.35011.86021.70021.480h/（）59.84364.37363.07566.68563.70858.24557.210K/S值8.99310.79012.10314.69513.5359.46510.425表4媒染对颜色特征值及K/S值的影响3结论（1）板栗壳色素碱浸渍提取的优化工艺条件：碱质量浓度为 10 g/L，提取温度为 95，提取时间为6090 min。（2）板栗壳色素用于桑蚕丝织物染色的优化工艺：染色温度为98，pH为3，染色时间为40 min。（3）媒染可以提高染色织物的得色量，铁离子媒染能使织物的色相角发生较大改变；板栗壳色素直接染色蚕丝织物可以获得较好的耐皂洗色牢度和耐汗渍色牢度。与直接染色织物相比，媒染织物的色牢度性能有所提高，尤其是硫酸亚铁媒染，可以将耐光色牢度由2级提高到34级。参考文献：1贾艳梅,刘治梅.板栗叶和柞叶染料对桑蚕丝绸的染色研究J.纺织科学与工程学报,2019,36(3):46-50.2王荣,王惠阳,余志成.丝棉交织物的苏木天然染料染色J.印染,2019,45(6):13-17.3刘傲雪,朱莉娜,李智茹.大青叶色素超声波提取及其对蚕丝绸的染色J.印染,2019,45(15):28-32.4JIA Y M,JIANG H W,LIU Z M,et al.An innovative approach to thepreparation of coloured and multifunctional silk material with the natural extracts from chestnut shell and black rice branJ.ColorationTechnology,2017,133(3):262-270.5张雪丹,张倩,辛力,等.板栗壳的化学成分及其应用研究进展J.媒染工艺直接染色明矾预媒染硫酸亚铁预媒染耐皂洗色牢度/级变色444丝沾444棉沾444耐汗渍色牢度/级碱汗变色444丝沾444棉沾444酸汗变色33434丝沾444棉沾444耐光色牢度/级22334表5板栗壳色素染色桑蚕丝织物的色牢度注：色素用量80 mL。K/S值O20525201510406080100120色素用量/mL硫酸亚铁；明矾图7硫酸亚铁和明矾预媒染色素用量对K/S值的影响章双双，等：板栗壳色素的提取及对蚕丝织物的染色性能19印染助剂40卷落叶果树,2012,44(1):20-22.6李颖.板栗壳棕色素的提取及其相关性质研究J.食品与机械,2009,25(4):86-88,106.7刘开华,邢淑婕.植物多酚抑菌作用的对比研究J.信阳农业高等专科学校学报,2011,21(3):105-107.8冯丽,宋曙辉,赵霖,等.植物多酚种类及其生理功能的研究进展J.江西农业学报,2007,19(10):105-107.9SEO H Y,KIM H R,SONG W S.Effects of chestnut hulls mordant onoenothera odorata jacguin-dyed fabricsJ.Fashion&Textile ResearchJournal,2011,13(6):983-989.10WANG L,LI J,FENG H.Dyeing of flax fabric with natural dye fromchestnut shellsJ.Pigment&Resin Technology,2009,38(6):347-352.11CHOUDHURY A K R.5-Advances in the finishing of silk fabricsM/BASU A.Advances in Silk Science and Technology,2015.12LIU X S,XING T L,XU 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