新疆紫草色素在羊毛织物染色中的应用_杨世玉.pdf

印染（2023 No.2）新疆紫草色素在羊毛织物染色中的应用杨世玉1，阎克路1，2，杨闯1，胡春艳2()1.东华大学 化学化工与生物工程学院,上海 201620;2.国家染整工程技术研究中心,上海 201620摘要：为系统研究新疆紫草色素在羊毛织物染色中的应用效果，以正交试验优化了紫草色素在羊毛织物上的染色工艺条件。结果表明，采用直接染色工艺，在色素质量分数4%（omf）、温度80、pH 4.0及时间60 min的条件下，织物可获得较高的染色深度（K/S值9.2）。将铝盐、铁盐作为媒染剂，用新疆紫草色素对羊毛织物分别进行预媒染、同浴媒染以及后媒染染色，染后织物的各项色牢度比直接染色法均有所提高。关键词：染色；媒染；植物染料；紫草色素；羊毛中图分类号：TS193.62文献标志码：B文章编号：1000-4017（2023）02-0032-05Application of the Arnebia euchroma pigment to wool fabric dyeingYANG Shiyu1,YAN Kelu1,2,YANG Chuang1,HU Chunyan2()1.College of Chemistry,Chemical Engineering and Biotechnology,Donghua University,Shanghai 201620,China;2.National Engineering Research Center for Dyeing and Finishing of Textiles,Shanghai 201620,ChinaAbstract:In order to study the dyeing effect ofArnebia euchromapigment on wool fabrics,the dyeing conditions are optimized by orthogonal test.The results show that the fabric can obtain a higher dyeing depth(K/Svalue 9.2)under the conditions of pigment concentration 4%(omf),temperature 80,pH 4.0 and time 60 min.Using aluminum salt and ferric salt asmordant,the wool fabric is dyed withArnebia euchromapigment using pre-mordant,one-bath mordant and post-mordantmethod respectively.The color fastness of the dyed fabric is improved compared with that of direct dyeing.Key words:dyeing;mordant dyeing;natural dyes;Arnebia euchromapigment;wool fabric收稿日期：2022-09-28；修回日期：2023-02-02基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFC0400504）。作者简介：杨世玉（1983），男，博士生，主要研究方向为纺织品染色及功能整理研究。E-mail：。通信作者：阎克路，女，教授，博士，主要研究方向为功能性纺织品。E-mail：。0前言植物染料用于纺织品染色，具有色调自然、对环境和人体安全、有一定保健功效等特点1-4。作为植物染料原料来源之一的紫草，尤其是新疆产软紫草Amebiaeuchroma（Royle）Johnst，具有多种药理活性，含有高组分的紫草红色素，是五种重要的食用天然染料之一5。近年来，在紫草色素的提取分离、染色应用方面有诸多报道6。刘研7对国内紫草色素的提取工艺概况进行了综述；周秋宝、余志成等以无水乙醇提取紫草色素，并对其在真丝8、羊毛9织物上的染色工艺分别进行了研究；贾丽霞10研究了磺化紫草色素在羊毛织物上的染色性能。然而，有关新疆紫草色素在羊毛织物上的染色工艺条件仍未有系统报道。目前，新疆已经开始致力于人工紫草培育方面的研究，为紫草的工业化应用创造了条件。本文以95%乙醇为提取剂，对新疆紫草进行色素提取，从提取温度、时间、质量比（紫草粉末与提取溶剂的质量之比，下同）及提取次数来优化提取工艺条件。将提取的紫草色素应用于羊毛织物的染色，通过对染色温度、时间、pH、染料用量及媒染剂用量等因素进行正交试验分析，并测试染后织物的 K/S值及各项色牢度。1试验部分1.1试验材料羊毛坯布（144g/m2，山东如意毛纺织股份有限公司），新疆紫草（商业品，新疆本草堂中药饮品有限公司），硫酸铝钾、硫酸亚铁（分析纯，国药集团化学试剂有限公司），冰醋酸（分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司），95%乙醇（分析纯，上海云丽经贸有限公司）1.2仪器设备BSA423S电子天平（德国Sartorius公司），L-12/24C型常温振荡染色机（厦门瑞比精密机械有限公司），Roaches Pyrotec 2000型红外染色机、Washtec-PA2型水洗牢度测试仪（英国Roaches公司），PHSJ-4A型试验室pH计（上海精科试验仪器有限公司），U-2910UV-VLS型 紫 外 可 见 分 光 光 度 计（日 本 HITACHI 公 司），RE52CS-1 型旋转蒸发仪（上海亚荣生化仪器厂），32新疆紫草色素在羊毛织物染色中的应用印染（2023 No.2）SF600 型电脑测色配色仪（美国 Datacolor 公司），ATLAS-150S+型日晒牢度测试仪（美国 ATLAS 公司），DHG-9076型电热鼓风干燥箱（上海精宏试验仪器有限公司），Y571LA6型摩擦牢度测试仪（温州市大隆纺织仪器有限公司）1.3染色工艺1.3.1直接染色工艺将2.5 g羊毛织物投入设定浴比、pH及质量分数为4%（omf）的紫草色素染液中，以1/min升至设定温度后染色一定时间，再以2/min降至常温，取出织物，热水洗5 min，中性皂洗10 min，热水洗5 min，自然晾干。1.3.2预媒染工艺将2.5 g羊毛织物分别投入含3%、6%、9%（omf）媒染剂的溶液中，一定温度下（40、60、80）浸渍40、50、60 min，浴比1 40。取出织物，在紫草色素质量分数为4%（omf）的染液中按1.3.1节工艺进行染色。1.3.3同浴媒染工艺将2.5 g羊毛织物投入含3%、6%、9%（omf）媒染剂，质量分数为4%（omf）的紫草色素染液中，按1.3.1工艺进行染色。一定 pH（3、4、5）和一定温度下（70、80、90）媒染40、50、60 min，浴比1 40，取出织物，水洗，烘干。1.3.4后媒染工艺将2.5 g羊毛织物投入4%（omf）紫草色素染液中，按 1.3.1 节工艺染色后取出，再投入含 3%、6%、9%（omf）媒染剂的溶液中，一定温度下（40、60、80）媒染40、50、60 min，浴比1 40，取出织物，水洗，烘干。1.4测试方法1.4.1 染色深度（K/S值）在Datacolor测色配色仪上测定染色织物的染色深度（K/S 值）。K/S 值越大，表明织物染得的颜色越深。染色织物折叠为4层、D65光源、10标准视场、扫描范围360700 nm，读取最大吸收波长处的数值，在织物表面随机取4个点，测定4次取平均值。1.4.2色牢度耐摩擦色牢度使用 Y571LA6 型摩擦牢度测试仪，根据GB/T 39202008 纺织品 色牢度试验 耐摩擦色牢度 测定。耐皂洗色牢度使用Washtec-PA2型水洗牢度测试仪，根据GB/T 39212008 纺织品 色牢度试验 耐皂洗色牢度 测定。测试条件：皂液质量浓度为5 g/L，温度为（402），时间为 30 min，贴衬织物符合 GB114041989 纺织品 色牢度试验 多纤维标准贴衬织物规格 要求。变色牢度根据GB/T 2502008 纺织品色牢度试验 评定变色用灰色样卡 评级，沾色牢度根据GB/T 2512008 纺织品 色牢度试验 评定沾色用灰色样卡 评级。耐日晒色牢度使用ATLAS-150S+型日晒牢度测试仪，根据GB/T 84272008 纺织品 色牢度试验 耐人造光色牢度：氙弧 测定。暴晒方法：方法3，最高标准黑板温度50。2结果与讨论2.1提取工艺条件以95%乙醇为紫草色素的提取剂，采用单因素分析得到紫草色素的提取工艺条件：提取时间2 h、提取温度50、质量比1 10及提取次数2次，在该条件下色素的提取率可达到93.87%。紫草色素中含有微量水溶性糖类，大部分为脂溶性萘醌类色素，主要结构为紫草醌11，如图1所示（式中R为H,COMe,COCH2Me等）。OHOHOOCHCH2CHORCCH3CH3图1紫草色素的主要结构Fig.1Main structure of Arnebia euchroma pigment2.2直接染色通过单因素试验，分别研究紫草色素用量、染色时间、温度和pH对染后织物K/S值的影响。得到染色工艺条件：色素 4%（omf）、染色温度 90、染色时间 50min及染色pH 4.0。在单因素分析的基础上，采用4因素3水平L9（34）正交试验，进一步优化紫草色素的直接染色工艺条件，见表1。表1直接染色正交试验因素-结果分析表Table 1Orthogonal test of direct dyeing试验编号123456789均值1均值2均值3极差1染色温度/8080809090901001001009.49112.75212.3713.261染液pH3.04.05.03.04.05.03.04.05.011.86311.88910.8621.160w（染料）/%（omf）2343424238.74511.89513.9755.230染色时间/min40506060405050604011.74311.09011.7820.692K/S值7.2269.75011.49513.67715.7458.43414.68410.17312.257-表1结果显示，染料用量为影响织物K/S值的主要因素，其次为染色温度、染液pH和染色时间。温度过高，紫草色素因热稳定性差而开始部分分解，且分解产33印染（2023 No.2）物容易在织物上发生再次聚集，产生黑斑6。综上，优化的紫草色素直接染色工艺为：色素 4%（omf）、温度80、pH 4.0及时间60 min。2.3紫草色素媒染染色2.3.1预媒染染色采用正交试验对羊毛织物进行预媒染处理（表2），之后采用2.2节得到的直接染色工艺进行染色。根据染后织物K/S值，对预媒染中的主要影响因素做单因素分析，确定合适的预媒染染色工艺条件。表2预媒染正交试验因素-结果分析表Table 2Orthogonal test of pre-mordant dyeing试验编号123456789FeSO4KAl（SO4）2均值1均值2均值3极差1均值4均值5均值6极差2温度/4040406060608080805.7225.9506.8621.1406.4145.1455.6081.269时间/min4050604050604050606.2096.0506.2750.2255.6035.7435.8220.219w（媒染剂）/%（omf）3696939366.0236.0666.4450.4226.2225.2755.6710.947K/S值FeSO45.8155.5545.7955.5786.3065.9657.2326.2877.064-KAl（SO4）26.9145.9726.5374.6535.2335.5485.2406.2045.379由表2可知，在铁盐、铝盐预媒染工艺条件中，媒染温度为主要影响因素，其次为媒染剂用量和时间。铁盐预媒染中，根据均值差结果，选取媒染剂质量分数为9%（omf）、时间60 min，选定温度做单因素试验，研究媒染温度对染后织物K/S值的影响（图2）。5O 6O 7O 8O 9O9?O8?O7?O6?O5?O4?OK/S值温度/图2温度对铁盐预媒染的影响Fig.2The effect of temperature on the pre-mordant process using iron salt由图2可知，随着铁盐预媒染温度的升高，染后织物的K/S值逐渐增大，当温度达到70 后，趋于平缓。温度的提高，有利于纤维溶胀度的提高，Fe2+运动加剧，向纤维内部渗透加快，利于后续染色时络合反应的进行。优化的铁盐预媒染工艺为：温度70、时间60 min和铁盐质量分数9%（omf）。铝盐预媒染工艺中，根据均值差结果，选取媒染剂质量分数为3%（omf）、时间60 min，选定温度进行单因素试验，研究媒染温度对染后织物K/S值的影响（图3）。5O 6O 7O 8O 9O6?56?O5?55?O4?54?O3?53?OK/S值温度/图3温度对铝盐预媒染的影响Fig.3The effect of temperature on the pre-mordant process using aluminum salt由图3可知，随着铝盐预媒染温度的升高，特别是当温度70，染色织物的K/S值呈下降走势。这可能是由于温度的升高，加剧了Al3+的水解反应，部分生成了胶状的氢氧化铝，阻碍了后续的络合反应。最终确定铝盐预媒染色工艺为：温度50、时间60 min和铝盐质量分数3%（omf）。2.3.2同浴媒染染色采用4因素3水平L9（34）正交试验，对紫草色素同浴媒染染色工艺条件进行优化，紫草色素质量分数4%（omf），结果如表3所示。表3同浴媒染正交试验因素-结果分析表Table 3Orthogonal test of the meta-mordant process试验编号123456789FeSO4Al2（SO4）3均值1均值2均值3极差1均值4均值5均值6极差2温度/7070708080809090903.1263.2523.6230.4971.8962.2222.3840.488时间/min4050604050604050603.5672.9493.4840.6182.0862.2022.2140.128pH3454535342.734.1513.1201.4212.0182.1572.3270.309w（媒染剂）/%（omf）3696939362.6743.4083.9181.2442.2622.1482.0920.170K/S值FeSO42.0963.6333.6484.8871.9952.8733.7173.2193.930-KAl（SO4）21.7601.9002.0262.0552.5112.0992.4432.1932.51534新疆紫草色素在羊毛织物染色中的应用印染（2023 No.2）由表3可知，铁盐同浴媒染工艺中，pH为主要影响因素，其次为媒染剂用量、染色时间及染色温度。单因素分析铁盐同浴媒染中染液pH对染后织物K/S值的影响，结果如图4所示。因羊毛纤维属于两性物质，其等电点为4.24.8，当染液pH小于等电点时，羊毛纤维大分子带正电荷，不利于Fe2+的上染；当染液pH大于等电点时，羊毛纤维大分子带负电荷，不利于阴离子色素分子的上染；当pH接近等电点时，羊毛纤维大分子、Fe2+和阴离子色素分子能够较好地接触而发生络合反应，提高染后织物的K/S值。综上，选择铁盐同浴媒染工艺为：温度90、时间40 min、铁盐质量分数9%（omf）及pH 4.0。3 4 5 6 77?O6?O5?O4?O3?O2?OK/S值SH图4铁盐同媒染中pH对羊毛染色效果的影响Fig.4The effect of pH value on the meta-mordant process using iron salt而对于铝盐同浴媒染，由极值差的结果可以看出，对染色织物 K/S值影响的因素大小分别为染色温度、pH、染色时间和媒染剂用量，但由于各因素间的影响程度差别小，故选择铝盐同浴媒染最佳工艺为：温度90、pH 5.0、时间60 min和铝盐质量分数3%（omf）。2.3.3后媒染染色首先采用2.2节直接染色工艺条件对羊毛织物进行染色，然后对已染织物进行后媒染处理，采用3因素3水平L9（33）正交试验，分析后媒染染色工艺条件，结果见表4。由表4可知，铁盐后媒染色中，温度为主要影响因素，其次为媒染剂用量和时间。对染色温度进行单因素分析，结果如图5所示。图5中，随着铁盐后媒染温度的升高，染后织物的K/S值逐渐增大，当温度达到80 后，趋于平缓。温度的提高，有利于羊毛纤维的溶胀，Fe2+运动加剧，加快向纤维靠拢，参与络合反应。综上，选取铁盐后媒染染色工艺条件：温度80、时间60 min和铁盐质量分数9%（omf）。对于铝盐同浴媒染，由极值差的结果可得出，各因素间的影响程度差别较小，故选择铝盐后媒染最佳工艺为：温度60、时间60 min和铝盐6%（omf）。表4后媒染正交试验因素-结果分析表Table 4Orthogonal test of after-mordant dyeing试验编号123456789FeSO4Al2（SO4）3均值1均值2均值3极差1均值4均值5均值6极差2温度/4040406060608080808.7479.85212.4573.7109.0959.9269.3610.831时间/min40506040506040506010.37410.22710.4550.2289.2319.4379.7140.483w（媒染剂）/%（omf）3696939369.54210.56110.9541.4129.2699.5919.5220.322K/S值FeSO48.1538.9869.1019.73310.5209.30013.2311.17212.962-KAl（SO4）28.5629.5839.1399.5569.85210.3699.5748.8749.6325O 6O 7O 8O 9O14?O13?513?O12?512?O11?511?OK/S值温度/图5温度对紫草色素铁盐后媒染的影响Fig.5The effect of temperature on the after-mordant dyeing using iron salt2.4染色K/S值和色牢度采用上述各优化后的染色工艺条件，对羊毛织物进行染色，染液质量分数均为 4%（omf），染后织物的K/S值及各项色牢度如表5所示。由表5可以看出：对于铁盐媒染工艺，染后织物的K/S值从大到小依次为后媒染预媒染同浴媒染；染色织物的耐皂洗沾色牢度较好，耐皂洗变色及耐干/湿摩擦色牢度较差；对于耐日晒色牢度，后媒染比直接染色织物提高了1级。对于铝盐媒染工艺，染后织物的K/S值从大到小依次为后媒染预媒染同浴媒染。同样，染色织物的耐皂洗沾色牢度较好，耐皂洗变色及耐干/湿摩擦色牢度较差；但与铁盐媒染工艺不同的是，铝盐预媒染工艺的耐日晒色牢度最好，相比直接染色提高了1级。35印染（2023 No.2）表5染后羊毛织物的K/S值及各项色牢度Table 5K/S value and color fastness of dyed wool fabrics染色方法直接染色预媒染色同媒染色后媒染色FeSO4KAl（SO4）2FeSO4KAl（SO4）2FeSO4KAl（SO4）2色牢度/级皂洗摩擦日晒皂洗摩擦日晒皂洗摩擦日晒皂洗摩擦日晒皂洗摩擦日晒皂洗摩擦日晒皂洗摩擦日晒沾色变色干湿沾色变色干湿沾色变色干湿沾色变色干湿沾色变色干湿沾色变色干湿沾色变色干湿CA4232322CA4522232CA4521223CA45222323CA452323323CA45232233CA452122323CO4CO4CO4CO45CO45CO45CO45PA4PA4PA4PA45PA45PA45PA45PES4PES4PES4PES45PES45PES45PES45PAC4PAC4PAC4PAC45PAC45PAC45PAC45WO4WO4WO4WO45WO45WO45WO45K/S值9.26.94.95.53.314.98.8由于 Al3+、Fe2+与紫草色素的络合机理不同，Al3+、Fe2+媒染后的K/S值相差较大，色相有明显变化。同时，Al3+、Fe2+可与紫草醌环上的C=O、OH按2 1形成反式络合物，与纤维之间形成联桥，加强了色素与纤维的结合6，故从整体上看，与直接染色相比，媒染染色织物的各项色牢度普遍有所提高，然尚未完全达到一般纺织面料和服装的要求，特别是耐洗变色及耐干/湿摩擦色牢度，有待进一步改进。3结论（1）紫草色素优化的直接染色工艺条件：色素4%（omf）、温度80、pH 4.0及时间60 min。（2）紫草色素铁盐媒染染色，预媒染工艺条件为温度70、时间60 min及铁盐9%（omf）；同浴媒染工艺条件为温度 90、时间 40 min、铁盐 9%（omf）及 pH 4.0；后媒染工艺条件为温度 80、时间 60 min 和铁盐9%（omf）。（3）紫草色素铝盐媒染染色，预媒染工艺条件为温度50、时间60 min和铝盐3%（omf）；同浴媒染工艺条件为温度 90、pH 5.0、时间 60 min和铝盐 3%（omf）；后媒染工艺条件为温度 60、时间 60 min 和铝盐6%（omf）。（4）相对于直接染色，媒染染色织物的各项色牢度普遍有所提高，但尚未能完全达到一般纺织面料和服装的要求，有待进一步改进。参考文献：1ALI N F,EL-MOHAMEDY R S R.Eco-friendly and 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