板栗叶染料在天然纤维上的染色研究

贾艳梅,靳 卫

(1. 辽东学院 化工与机械学院,辽宁 丹东 118003;2.营口职业技术学院,辽宁 营口115000)

为了建设资源节约型、环境友好型社会,不断提高资源环境的保障能力,实现纺织领域健康快速发展,将现有的染色方式向低污染、低排放转变是协调经济发展与环境保护的必然要求。近年来,因合成染料的使用而带来的环境问题已经引起人们的广泛关注,为减少合成染料的使用及染色残液的排放,天然染料染色重新回到人们的视野[1-2]。天然染料是指从植物、动物、微生物或矿产资源中获得的、很少或没有经过化学加工的染料[3]。与合成染料相比,天然染料具有无毒性、不造成环境污染、易生物降解、可再生等优点,并且在染色的同时还可以赋予纺织品一定的抗紫外线、抗菌、抗氧化等功能[4-7]。板栗叶染料是从废弃物板栗落叶中提取的多酚类天然色素,在具有天然染料优点的同时,还具有来源丰富,成本低廉,色素性质稳定的优势。板栗叶色素的提取及应用,是有效利用板栗落叶资源的重要途径,具有较大的应用价值及经济效益。纺织品所用的天然纤维主要包括天然蛋白质纤维(如蚕丝、羊毛)及纤维素纤维(如棉、麻)两大类,由于其天然纤维的特性,采用天然染料对其进行染色,可以保持其绿色天然的品质,同时,可能会使其具备一定的功能性如抗紫外线、抗菌等。本研究从废弃物板栗落叶中提取天然染料,研究该染料的提取工艺条件,探讨该染料在三种天然纤维柞蚕丝、羊毛及改性棉上的染色性能,并测试了染色牢度。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

材料:板栗叶(丹东,秋季落叶)、柞蚕丝平纹织物(70g/m2)、羊毛织物(180g/m2)、纯棉平布(106g/m2)及阳离子改性纯棉平布(106g/m2,5g/L壳聚糖季铵盐改性,自制)。

试剂:氢氧化钠、冰醋酸、明矾、硫酸亚铁(均为分析纯,科密欧化学试剂有限公司)。

仪器:UV-2450 紫外-可见分光光度计(日本岛津)、Datacolor SF 600 计算机测色配色仪(美国Datacolor 公司)、Y571L 型染色摩擦牢度仪(莱州市电子仪器有限公司)、 耐洗色牢度试验机(温州大荣纺织仪器有限公司)、酸度计、染色小样机等。

1.2 试验方法

1.2.1 染料提取

收集秋季板栗落叶,将该落叶用自来水清洗干净,用剪刀剪碎,固定提取时间为2 h,分别在不同的提取温度(50℃、75℃、100℃)下,按照物料与溶剂质量比(料液比)分别1∶20和1∶30 进行染料提取实验,研究提取温度及料液比对提取的染料溶液吸光度的影响,确定最佳提取工艺参数。提取液经过滤除去残渣,并稀释一定倍数后,进行光谱及吸光度测试。

1.2.2 染色工艺

直接染色:按染色浴比 1∶50,将试样投入40℃的染液中浸染,缓慢升温至90℃,恒温染色50 min,之后降温至室温,取出织物,水洗,晾干。

媒染染色:采用后媒染色工艺,采用最佳直接染色条件进行染色,之后不经水洗将试样按浴比1∶50, 投入50℃媒染剂溶液(质量浓度3g/L)中处理25 min,降温后取出试样,水洗,晾干。

1.3 测试方法

1.3.1 紫外光谱

采用紫外-可见分光光度计测定,以蒸馏水作基线扫描,将提取液稀释至一定浓度,对其进行紫外-可见光谱扫描。

1.3.2 颜色特征值的测试

试样的颜色表征以表观色深值(K/S值)和色度值L∗、a∗、b∗、C∗表示,采用电脑测色配色仪测定。K/S值越高,试样得色越深。L∗为明度值;a∗为红绿值,a∗>0,表示试样色光偏红,a∗<0,试样色光偏绿;b∗为黄蓝值,b∗>0,色光偏黄,b∗<0,色光偏蓝;C∗为艳度值,其值越高,表示颜色纯度越高。

1.3.3 染色牢度

染色试样的耐皂洗、耐摩擦色牢度分别按GB/T 3921.1-2008《纺织品 色牢度试验 耐皂洗色牢度》和GB/T 3920-2008《纺织品 色牢度试验 耐摩擦色牢度》进行测定。

2 结果与讨论

2.1 染料提取工艺

为考察板栗叶染料提取时物料与溶剂比例(料液比)及提取温度对提取效果的影响,按照前述的提取工艺提取染料,首先对料液比为1∶20条件下提取的染料溶液进行光谱扫描,以表征染料的紫外吸收特性及最大吸收波长(λmax)。之后,对不同料液比及温度下提取液最大吸收波长处的吸光度A进行测定,结果分别见图1及表1:

表1 物料溶剂比和温度对染料溶液吸光度的影响

图1 板栗叶提取液的紫外-可见吸收光谱

从图1可以看出,板栗叶提取液的紫外吸收峰出现在234nm,此吸收峰是发色团苯环分子中的共轭系统π-π∗跃迁引起的吸收带(E2带或称K带),当苯环有助色团存在时,吸收峰发生红移;在可见光波段染料溶液没有明显吸收峰。由紫外光谱可初步推断,板栗叶染料的化学结构中含有苯环,并有-OH助色团存在,与文献介绍的其植物多酚的化学组成符合[8-9]。

由表1可知,当物料溶剂比(料液比)为1∶20和1∶30时,吸光度值以1∶20为佳,说明料液比为1∶20时染料提取液中色素的浓度高。所以实验选择料液比1∶20进行染料提取,即50g板栗叶提取染料溶液1000mL。当温度从50℃升高到100℃时,吸光度值呈提高趋势,表明提高温度对板栗叶染料的提取是有利的,因为板栗叶中所含有的天然染料为植物多酚类物质(如槲皮素、鞣花单宁、五倍子单宁),其耐热稳定性良好,不易在高温下产生分解现象,而提高温度更有利于溶剂浸入板栗叶内部,将水溶性的色素成分溶出。因此,本实验在料液比1∶20,提取温度100℃,提取时间2h的条件下进行板栗叶染料的提取。

2.2 媒染剂对板栗叶染料紫外光谱的影响

分别对板栗叶提取液以及添加了明矾及硫酸亚铁的提取液进行紫外-可见光谱扫描,以蒸馏水进行基线清零,两种媒染剂对板栗叶染料紫外-可见光谱的影响如图2所示:

图2 媒染剂对板栗叶染料紫外-可见光谱的影响

由图2可以看出,板栗叶提取液在添加了明矾及硫酸亚铁后,其紫外-可见光谱形态发生一定变化,特别是添加了FeSO4后,溶液在可见光波段的光谱形态发生了变化,预示着溶液颜色的变化,目测染料溶液由棕黄色变为铁灰色,添加明矾的溶液色泽并无明显变化。添加两种媒染剂后,染料溶液Abs增大,表明两种媒染剂对板栗叶染料均具有浓色效应,可提高染料的显色性能。

2.3 染色工艺

2.3.1 pH值对染色的影响

以提取的板栗叶染料分别对柞蚕丝、羊毛及改性棉织物进行染色实验,固定染色温度为90℃,保温时间为50min,染浴 pH值对染色试样颜色特征值的影响分别见表2-表4。

表2 pH值对柞蚕丝试样颜色值的影响

表3 pH值对羊毛试样颜色值的影响

表4 pH值对棉试样颜色值的影响

由表2-表4可以看出,板栗叶染料上染柞蚕丝及羊毛纤维时,染色pH值对试样K/S值影响非常显著,染色pH值越低,试样K/S值越高,二者均以pH为3时得色最深。尤其对于羊毛试样,pH影响极大。pH值对明度值L∗的影响与K/S值相反,随pH升高L∗值增大,试样的黄蓝值b∗、艳度值C∗均随pH升高而呈现降低趋势。而对于阳离子改性棉织物,pH对试样色深值及L∗、a∗、b∗值的影响相对较小。未经改性的棉织物染色试样K/S值几乎与未染色棉布相同,只有极少量的染料上染,表明板栗叶染料对纤维素织物不具备上染性能。这与蚕丝和羊毛均为两性性质的蛋白质纤维,表面带电情况受介质pH值影响;棉纤维属于纤维素纤维,未改性棉织物表面带有负电荷,而阳离子改性棉织物在不同pH值条件下,其表面均呈现正电性有一定关系。实验结果表明,板栗叶染料上染蚕丝、羊毛及阳离子改性棉纤维可以得到较高的染色深度,染料对试样的染深性良好。

2.3.2 媒染剂对染色的影响

以板栗叶染料对三种织物进行染色,采用染色pH=3条件染色,分别以明矾及硫酸亚铁对直接试样进行浸渍媒染剂的后处理,媒染织物的颜色特征值测试结果见表5-表7。

表5 媒染剂对柞蚕丝试样颜色值的影响

表6 媒染剂对羊毛试样颜色值的影响

表7 媒染剂对改性棉试样颜色值的影响

从表5-表7可知,板栗叶染料上染三种纤维织物,经明矾及硫酸亚铁媒染后,试样的色深值都得到一定程度的提高,其中硫酸亚铁媒染试样具有最高的K/S值,试样的明度值L∗及a∗、b∗、C∗值较无媒染色试样显著降低,颜色发生变化,由棕黄色变为铁灰色。硫酸亚铁媒染对试样色深值提高显著,却导致试样颜色变化。明矾媒染试样的K/S值及各项色度值均与直接染色相近,无明显变化,试样颜色为棕黄色。

2.3.3 染色牢度

分别对板栗叶染料染色柞蚕丝、羊毛及改性棉织物进行皂洗牢度及摩擦牢度测试,结果见表8。

表8 染色牢度测试结果

由表8可以看出,板栗叶染料上染三种天然纤维织物,所有染色试样的皂洗褪色牢度及湿摩擦牢度均达到3级(或以上),皂洗沾色牢度及干摩擦牢度均在4级及以上,所以即使不经过媒染,板栗叶染料对三种织物的染色牢度也可达到使用要求。所以该染料的提取及在纺织品中的应用具有较大的实用价值,也为板栗落叶废弃资源的有效利用提供了一种途径。

3 结论

(1)板栗叶染料的提取适宜条件为:以水为溶剂,物料与溶剂质量之比为1∶20,提取温度100℃,回流提取2h。

(2)板栗叶染料对三种天然纤维柞蚕丝、羊毛及棉均具有良好的上染性能,当染色pH=3时,染色试样具有较高的表观色深值,染深性能良好,直接染色试样均为棕黄色。

(3)板栗叶染料采用硫酸亚铁及明矾作为媒染剂上染三种纤维,硫酸亚铁的增深性能非常显著,试样得色均为深铁灰色,明矾媒染试样的K/S值及颜色与直接染色试样接近,得色为棕黄色。

(4)直接及媒染试样具有良好的色牢度特性,可以满足一般的纺织品牢度需求。