姚程健 何玉宏 蔡再生

東華大學(xué) 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院(中國)

在科學(xué)技術(shù)還不太發(fā)達(dá)的古代，人們主要使用原始的天然染料來賦予織物等其他物品一定的顏色。隨著合成染料的出現(xiàn)，因合成染料在色澤、性能及成本等方面的優(yōu)越性，其在一段時間內(nèi)幾乎取代了天然染料。但合成染料不僅易對人體的皮膚產(chǎn)生刺激，引發(fā)皮膚的病變，而且在使用和生產(chǎn)的過程中還會對環(huán)境造成污染。醫(yī)學(xué)和其他科學(xué)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，使人們對天然染料有了全新的認(rèn)識，獨特的無毒無害性及較好的生物降解性能，使其重新受到人們的親睞，并迅猛發(fā)展[1-2]。

天然染料主要來源于動物、植物或礦物質(zhì)，很少需經(jīng)過化學(xué)加工[3-5]。天然染料的使用在中國已有悠久的歷史。商周時期，人們將彩色礦石磨成粉并涂染織物。明清時期，天然染料的染色技術(shù)已經(jīng)達(dá)到很高的水平[6-8]。

鹿碲草為鹿蹄草科植物，屬常綠草本狀小半灌木。鹿蹄草水煎劑對金黃色葡萄球菌、溶血性鏈球菌、肺炎球菌、腦膜炎球菌、福氏痢疾桿菌、傷寒桿菌、綠膿桿菌、變形桿菌、宋內(nèi)氏痢疾桿菌及大腸埃希菌等有抑制作用[9]。鹿碲草植物中含有大量的天然色素，用一定的方法從中提取天然色素及相應(yīng)的抗菌成分，用于真絲綢的染色，無毒、無害、無污染，具有較好的生物可降解性[10-11]。

1 試驗部分

1.1 材料及儀器

材料：市售全真絲02練白雙縐。

儀器：Datacolor650TM測色配色儀，YG(B)611-Ⅱ型日曬氣候試驗儀，GYROWASH415型水洗/干洗色牢度機(jī)，(YB)571-Ⅱ型預(yù)置式染色牢度摩擦儀，數(shù)顯式電熱恒溫水浴鍋。

1.2 鹿蹄草提取液及其對真絲綢的染色工藝

1.2.1 鹿碲草染料的提取

用經(jīng)優(yōu)化的常規(guī)方法提取鹿碲草中的天然染料[12]，具體提取工藝：氫氧化鈉濃度為0.25 mol/L，提取溫度為100 ℃，鹿碲草與氫氧化鈉的質(zhì)量比為1∶40，提取時間為70 min。

1.2.2 真絲綢的直接染色

將真絲綢用水潤濕10 min 后擠干，室溫條件下投入一定染料用量、一定pH值控制在3.0～6.0的染液，浴比為20∶1～70∶1，以 1 ℃/min 的升溫速率升至指定溫度，溫度控制在40～100 ℃，繼續(xù)染色5～90 min，取出，水洗，室溫晾干[13]。

1.2.3 媒染工藝

首先采用經(jīng)優(yōu)化的直接染色工藝對織物進(jìn)行染色。然后選用優(yōu)化的媒染工藝條件對所得的織物分別進(jìn)行媒染染色[14-15]，選出最優(yōu)的媒染劑種類和媒染方法。

媒染完成后，測試織物的染色性能并對織物進(jìn)行皂洗，皂洗工藝如下：皂片質(zhì)量濃度為5 g/L皂片、皂洗時間為30 min、皂洗溫度為40 ℃。皂洗完成后，分別與未皂洗的媒染布進(jìn)行沾色牢度和褪色牢度等的對比，確定合適的媒染劑種類和媒染方法[16-17]。

1.2.4K/S值測定

將染色后的真絲織物疊成4層，在Color-Eye3100型測色配色儀上測定，記錄染色真絲織物的K/S值，織物K/S值越大，織物得色率越高[18]。

1.2.5 染色牢度的測定

按照GB/T 3920—2008、 GB/T 3921—2008、 GB/T 8427—2008對織物進(jìn)行耐摩擦牢度、耐皂洗牢度和耐日曬牢度測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 鹿蹄草提取液對真絲綢直接染色工藝的影響因素分析

2.1.1 染液pH值對染色效果的影響

選定鹿碲草染液質(zhì)量濃度為10 g/L，染色溫度為90 ℃，染色時間為60 min，浴比為50∶1。用鹽酸和氫氧化鈉將鹿碲草提取液調(diào)至不同pH值(3.0、 3.5、 4.0、 4.5、 5.0、 5.5、 6.0)，探討染pH值對染色效果的影響，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，染液pH值為3.0～6.0時，染色真絲綢織物的K/S值隨pH值的增大呈現(xiàn)下降趨勢，且在pH高于3.5時，下降趨勢明顯增大。這是因為當(dāng)pH值低于蠶絲的等電點時，蠶絲帶正電，并與帶負(fù)電的鹿蹄草染料分子通過離子鍵結(jié)合，使染料的上染量增大；當(dāng)pH值高于蠶絲的等電點時，蠶絲纖維帶負(fù)電，與染料陰離子存在庫倫斥力，染料難以上染蠶絲，所以染料的上染率降低，K/S值下降。另外，當(dāng)染液的pH值過小時，會有絮狀沉淀產(chǎn)生，且pH值過低會對真絲綢造成損傷，因此染液pH值宜選擇為約3.5。

圖1 染液pH值對染色效果的影響

2.1.2 染色溫度對染色效果的影響

選定鹿碲草染液質(zhì)量濃度為10 g/L，調(diào)節(jié)pH值為3.5，在不同的溫度(40、 50、 60、 70、 80、 90、 100 ℃)下，分別對真絲織物進(jìn)行染色，探討染色溫度對染色效果的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著染色溫度的升高，染色織物的K/S值逐漸升高，且溫度在70 ～80 ℃時，染色織物的K/S值的增加幅度明顯變大。在80 ℃以后上升幅度變小，色差幾乎無明顯變化，且溫度過高對陣絲綢織物損傷較大。綜合以上分析，最佳染色溫度為80 ℃。

圖2 染色溫度對染色效果的影響

2.1.3 染色時間對染色效果的影響

固定染色溫度為90 ℃，浴比為50∶1，鹿蹄草染液質(zhì)量濃度為10 g/L，調(diào)節(jié)pH值為3.5，控制染色時間分別為5、 10、 20、 30、 40、 50、 60、 70、 80、 90 min，探討染色時間對染色效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 染色時間對染色效果的影響

由圖3可以看出，隨著染色時間的加長，染色織物的K/S值不斷增大，且在染色時間為40～80 min時增加幅度趨于平緩，說明染色時間越長，顏色越深，但是染色時間過長，會對真絲綢有一定的損傷。綜上考慮，較適宜的染色時間為40～60 min。

2.1.4 染色浴比對染色效果的影響

固定染色溫度為90 ℃，鹿蹄草染液質(zhì)量濃度為10 g/L，調(diào)節(jié)pH值為3.5，染色時間為60 min，控制染色浴比分別為20∶1、 3∶1、 40∶1、 50∶1、 60∶1、 70∶1，探討染色浴比對染色效果的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 浴比對染色效果的影響

由圖4可以看出，隨著染色浴比的增大，染色織物的K/S值逐漸增大。當(dāng)浴比大于50∶1時，染色織物的K/S值增加的幅度大大地減小。綜上分析，在保證較高的K/S值且盡量節(jié)約資源的情況下，最佳浴比為50∶1。

2.1.5 染液質(zhì)量濃度對染色效果的影響

固定染色溫度為90 ℃，浴比為50∶1，調(diào)節(jié)pH值為3.5，染色時間為60 min。調(diào)節(jié)鹿蹄草染液質(zhì)量濃度分別為5、 10、 15、 20、 25 g/L，探討染液質(zhì)量濃度對染色效果的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 染液質(zhì)量濃度對染色效果的影響

由圖5可以看出，隨著染液質(zhì)量濃度的增加，染色織物的K/S值不斷增加，增加速率逐漸緩慢，且當(dāng)染液質(zhì)量濃度為10 g/L時，基本達(dá)到平衡值。綜上可知，染液質(zhì)量濃度選10 g/L時較佳。

2.1.6 鹿蹄草提取液對真絲綢直接染色的正交試驗

通過比較，浴比對染色結(jié)果的影響不如其他因素的影響大。因此，選擇鹿蹄草染液質(zhì)量濃度、染色時間、染色溫度及pH值4個因素，每個因素選取3個水平進(jìn)行L9(34)正交試驗。正交試驗方案、試驗結(jié)果及結(jié)果分析如表1所示。

由表1可知，對于K/S值而言，影響最大的因素是鹿蹄草染液質(zhì)量濃度，其次是溫度和時間，影響最小的因素是pH值。染液質(zhì)量濃度為15 g/L時染色效果最好，且染液濃度為10 g/L時，與15 g/L時的K/S值相差較小，與5 g/L時的K/S值相差較大，因此優(yōu)選染液質(zhì)量濃度為10 g/L；K/S值在染液pH值為3.5時最好，因此選取pH值為約3.5進(jìn)行染色；染色時間對K/S值的影響較小，選擇染色時間為60 min，染色溫度為80 ℃。另外，對明度L*值而言，影響由大到小依次是染液質(zhì)量濃度、染色溫度、pH值、染色時間；對紅光a*值而言，影響由大到小依次是染液濃度、染色溫度、pH值、染色時間；對黃光b*值而言，影響由大到小依次是染色溫度、pH值、染色時間；對色差ΔE*而言，影響最大的因素是染液質(zhì)量濃度，其次是染色溫度和染色時間，影響最小的因素是pH值。因此，優(yōu)化后的真絲綢織物直接染色工藝如下：pH值為約3.50，鹿蹄草染液質(zhì)量濃度10 g/L，染色溫度為90 ℃，浴比為50∶1，染色時間為50 min。

表1 L9(34)正交試驗方案、試驗結(jié)果及結(jié)果分析

2.2 媒染劑種類及媒染方法對染色效果的影響

采用硫酸亞鐵、硫酸銅及硫酸鋁鉀作為媒染劑，選擇已優(yōu)化的直接染色工藝，結(jié)合媒染工藝對真絲綢分別進(jìn)行預(yù)媒法、同媒法和后媒法染色。皂洗條件：皂洗液質(zhì)量濃度為5 g/L，皂洗時間為30 min，皂洗溫度為40 ℃，浴比為50∶1，見表2。

表2 種類媒染劑和媒染方法對真絲綢媒染效果的影響

由表2可知，經(jīng)硫酸亞鐵后媒染處理和硫酸銅后媒染處理的真絲綢的顏色比未經(jīng)媒染處理的真絲綢的顏色要深，同時K/S值、色差△E*等也變得更大一些。但經(jīng)硫酸銅后媒染處理的真絲絲綢的色相H0降低，因此經(jīng)媒染處理的織物，硫酸亞鐵用后媒法效果更好，預(yù)媒法和同媒法效果相對較差，不如未媒染的顏色深。硫酸銅用預(yù)媒法和同媒法效果差些，后媒法效果相差不多。所以，用硫酸亞鐵后媒染法染色效果最好。

2.3 媒染劑種類及媒染方法對染色牢度的影響

媒染劑種類及媒染方法對織物染色牢度的影響實驗結(jié)果見表3。

表3 媒染劑種類和媒染方法對真絲綢染色牢度的影響

未經(jīng)媒染處理的真絲綢織物的干態(tài)和濕態(tài)的耐摩擦色牢度及沾棉和沾絲的耐皂洗色牢度都較好，均可達(dá)4～5級，而褪變色色牢度相對較低，僅為3級，經(jīng)直接染色的真絲綢的耐日曬牢度較差，僅為2級。與直接染色真絲綢織物相比，對于干態(tài)耐摩牢度而言，經(jīng)硫酸亞鐵預(yù)媒染和后媒染處理的真絲綢織物的牢度有所下降，經(jīng)硫酸銅處理的織物牢度變化不大；對于濕態(tài)耐摩牢度而言，織物經(jīng)硫酸亞鐵和硫酸鋁鉀處理后，用預(yù)媒法、同媒法及后媒法處理的效果與未媒染的效果相當(dāng)，織物經(jīng)硫酸銅處理后，牢度略有上升；對于褪變色的牢度而言，經(jīng)媒染處理，織物的牢度都略有上升，其中，用硫酸銅同媒處理后的織物褪變色牢度可達(dá)4～5級；對于沾棉和沾絲的耐皂洗牢度而言，織物的牢度變化不明顯，且均較好；與直接染色的真絲綢織物相比，經(jīng)硫酸亞鐵和硫酸銅媒染后，織物的耐日曬牢度明顯提升，可達(dá)3或3～4級，而經(jīng)硫酸鋁鉀媒染處理后，真絲綢的日曬牢度變化不明顯，且硫酸鋁鉀同媒染處理后織物的耐曬色牢度僅為1級。綜上分析，硫酸亞鐵的后媒染效果較好。

3 結(jié)論

通過采用鹿蹄草提取液對真絲綢進(jìn)行染色試驗與分析研究，得到下述結(jié)論。

——天然染料鹿蹄草提取液直接染色真絲綢在酸性條件下能取得良好的染色效果，優(yōu)化后的染色工藝如下：pH值為約3.50，鹿蹄草染液質(zhì)量濃度為10 g/L，染色溫度為90 ℃，浴比為50∶1，染色時間為50 min。

——經(jīng)媒染劑硫酸銅和硫酸亞鐵及硫酸鋁鉀媒染處理后，真絲綢織物的耐曬色牢度、耐皂洗色牢度及耐摩擦色牢度均有所提升，且硫酸亞鐵的后媒染效果較好。