高粱紅染發(fā)劑的制備及染色工藝

尚曉玥，麻文效，王 強

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學輕工與紡織學院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010800）

隨著對綠色環(huán)保、健康安全的重視程度越來越高，人們對染發(fā)劑的需求已經(jīng)不再局限于滿足頭發(fā)顏色的改變，逐漸開始重視產(chǎn)品的安全性以及對頭發(fā)的保護功能［1］。

目前，市場上的染發(fā)劑多為化學合成，其中，芳香胺類、氨基苯酚類、對苯二胺（PPD）等具有致癌性和致敏性，在破壞頭發(fā)角質(zhì)結(jié)構(gòu)的同時，還會引起蛋白質(zhì)的流失、結(jié)晶度和強度的下降［2］。相比之下，天然植物類染發(fā)劑主要以植物色素為原料，植物活性物為著色劑，通過物理方法或少量化學方法輔助完成染發(fā)［3］，過敏性低、無毒副作用、健康安全。

高粱紅色素是從高粱殼中提取的一種天然產(chǎn)物，屬于類黃酮系化合物中的異黃酮半乳糖甙，含有兩種主要成分：5,4′-二羥基異黃酮-7-O-半乳糖苷和5,4′-二羥基-6,8-二甲氧基異黃酮-7-O-半乳糖苷，結(jié)構(gòu)式［4］如下：

近年來，天然植物染發(fā)劑的研究已經(jīng)成為一大趨勢。汪茹等以提純后的兒茶色素染發(fā)，可以將白色牦牛毛染成棕色［5］。德國漢高公司利用10%甘菊花提取物復配中性番瀉葉等制成一種易于漂洗的天然染發(fā)劑［6］。目前中國市場還沒有一款正式報批生產(chǎn)的純天然植物染發(fā)劑［3］。本課題采用高粱紅色素與表面活性劑復配得到高粱紅染發(fā)劑，測定其性能并研究了染色工藝。

1 實驗

1.1 材料

毛發(fā)（理發(fā)店收集），高粱紅色素（河南三化生物科技有限公司），雙氧水、單乙醇胺（漂白劑，天津市福晨化學試劑廠），硬脂醇和棕櫚酸異辛酯（乳膏中的油相）、脂肪醇聚氧乙烯醚（乳化劑）、甘油（穩(wěn)定保濕劑）（山東優(yōu)索化工科技有限公司），羧甲基纖維素鈉（黏度調(diào)節(jié)劑，天津中和盛泰化工有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 染發(fā)劑的制備

將硬脂醇加入燒杯中，加熱至70 ℃，待其溶解后分別加入棕櫚酸異辛酯和脂肪醇聚氧乙烯醚，攪拌溶解并混合均勻得到油相（O/W 型乳膏基質(zhì)）。將甘油和羧甲基纖維素鈉加入去離子水中，1 000 r/min 攪拌下加入油相，乳化20～30 min；待溫度降低至60 ℃時，用NaOH 或檸檬酸調(diào)節(jié)pH；到30 ℃左右停止攪拌。染發(fā)劑配方如表1，其余為去離子水。

表1 染發(fā)劑配方

1.2.2 毛發(fā)的漂白

按照表2配方對頭發(fā)纖維進行漂色，將漂色乳均勻涂抹在毛發(fā)表面，用保鮮膜包裹后放入恒溫烘箱，40 ℃漂色60 min，取出洗凈后晾干。

表2 漂色乳配方

1.2.3 毛發(fā)的染色

采用直接染色法、同浴媒染法、預媒染法以及后媒染法對毛發(fā)進行染色，將毛發(fā)洗凈、晾干后，用小刷子將染發(fā)劑均勻地涂在毛發(fā)上，用保鮮膜將毛發(fā)包裹好并置于恒溫鼓風干燥箱中，設置染色溫度，一段時間后去除保鮮膜，洗凈、晾干。

1.3 測試

色差值及K/S值：采用電腦測色配色儀，在D65光源下測試Lab 值以及K/S值，并通過下式計算色差值

斷裂強力：根據(jù)GB/T 14337—2008《化學短纖維拉伸性能的試驗方法》［7］，采用單纖維強力儀測定，預加張力和起拉力均為5 N，夾距為10 mm，測試速度為20 mm/min，測6次，取平均值。

色牢度：將試樣用洗發(fā)水分別洗滌5 次、10次、15次、20 次，測定洗滌前后毛發(fā)的顏色特征值并計算色差 ΔE，評定耐水洗色牢度［8］。ΔE值越大，色牢度越差，ΔE值越小，色牢度越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 高粱紅染發(fā)劑染發(fā)工藝優(yōu)化

2.1.1 染色方法

由表3可知，與漂色后的毛發(fā)原樣相比，4 種染色方法的a值均有所增大，其中同浴媒染法的a值最大，表示更偏紅色；同浴媒染法的色差值也最大，說明上染效果最好。

表3 染色方法對顏色特征值以及色差的影響

由圖1可看出，同浴媒染法的K/S值最大，達到了21.23，其次為預媒染法，最低的是直接染色法。4種染色方法的斷裂強力相差不大（115～125 cN），其中直接染色毛發(fā)的斷裂強力最好。綜合以上結(jié)果，選擇同浴媒染法作為后續(xù)實驗的染色方法。

圖1 染色方法對K/S 值及斷裂強力的影響

2.1.2 媒染劑

根據(jù)不同媒染劑對毛發(fā)的上染情況，對比染發(fā)劑中不同媒染劑對染發(fā)顏色的影響，選擇出最適合高粱紅色素以及毛發(fā)染色的媒染劑。由表4可知，經(jīng)媒染劑促染后，毛發(fā)的明度即L值均有所降低，其中氯化鈣的a值最高，染色效果更偏紅色，而Fe2+和Fe3+的色差值較大，但染色效果更偏棕色。

表4 媒染劑對顏色特征值以及色差的影響

由圖2可以看出，6 種媒染劑的K/S值從大到小順序為：FeCl3、CaCl2、MgCl2、ZnCl2、AlCl3、FeSO4；FeCl3的斷裂強力較大，氯化鈣的斷裂強力為115.12 cN，氯化鎂的斷裂強力最低。考慮到其他金屬離子可能對人體有害，選擇氯化鈣為高粱紅染發(fā)劑的媒染劑。

圖2 媒染劑對K/S 值及斷裂強力的影響

2.1.3 染色溫度

由表5可知，隨著染色溫度的升高，a值也隨之增大，色差值基本上也呈增大趨勢。相比原樣，染色后毛發(fā)的L值和b值均有所下降，表明染色后毛發(fā)的明度減小，色相向紅色方向移動。由圖3可知，K/S值與染色溫度呈正相關，這歸結(jié)于分子的熱運動，溫度升高，毛發(fā)鱗片發(fā)生膨脹，色素大分子向毛發(fā)內(nèi)部的擴散加快，更易進入毛發(fā)內(nèi)部。而毛發(fā)的斷裂強力與染色溫度呈負相關，在60～70 ℃時，頭發(fā)纖維的斷裂強力急劇減小，而此時的K/S值增加不到1，考慮到高溫對毛發(fā)的損傷以及實際應用情況，高粱紅染發(fā)劑的染色溫度選擇60 ℃。

表5 染色溫度對顏色特征值以及色差的影響

圖3 染色溫度對K/S 值及斷裂強力的影響

2.1.4 染色時間

由表6可知，染色70 min 后的毛發(fā)與原發(fā)的色差最大，而在50 min 時，毛發(fā)的a值最大，無法判斷最佳染色時間。

表6 染色時間對顏色特征值以及色差的影響

從圖4中可以看出，隨著染色時間的延長，K/S值逐漸增大；在50～60 min 時，斷裂強力快速下降，原因是染色時間延長，色素分子與毛發(fā)接觸的概率變大，進入毛發(fā)內(nèi)部的色素分子增多，色素分子、媒染劑與毛發(fā)之間形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在50 min 之后，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)分子中的化學鍵被破壞，導致力學性能下降［9］，而毛發(fā)的K/S值增加不明顯。因此，50 min 為最佳染色時間。

圖4 染色時間對K/S 值及斷裂強力的影響

2.1.5 色素用量

在常見的蛋白質(zhì)纖維染色中，浴比是重要的影響因素之一。由表7可知，相比原樣的顏色特征值，當色素用量為9.0%時，毛發(fā)的色差值最大。由圖5可知，隨著色素用量的增加，K/S值及頭發(fā)纖維的斷裂強力也隨之增加，可能是因為色素用量較大時，有更多的色素與金屬離子絡合在毛發(fā)纖維表面，從而增加了上染率。同時，高粱紅色素本身對頭發(fā)纖維沒有損傷，適合作為天然植物染發(fā)劑的色素。

表7 高粱紅色素用量對顏色特征值以及色差的影響

圖5 色素用量對K/S 值及斷裂強力的影響

2.1.6 媒染劑用量

由表8可以看出，隨著媒染劑用量的增加，頭發(fā)纖維的色差值逐漸增大，在9.0%時，色差值最大為7.19，a值為 16.21。由圖6可知，隨著媒染劑用量的增加，K/S值反而下降，這可能是媒染劑與色素絡合后改變了色素的顏色；毛發(fā)的斷裂強力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在5.0%媒染劑用量下達到了149 cN。綜合考慮，選擇3.0%作為最佳媒染劑用量。

表8 媒染劑用量對顏色特征值以及色差的影響

圖6 媒染劑用量對K/S 值及斷裂強力的影響

2.2 高粱紅染發(fā)劑的色牢度

由表9可以看出，在水洗 5 次、10 次、15 次、20 次后色差的變化不是太大，水洗20 次色差不到5。由圖7可以看出，K/S值隨著水洗次數(shù)的增加而逐漸減小，但下降不明顯，仍高于原樣，相比染色時的增幅，染發(fā)劑的耐水洗色牢度良好。高粱紅染發(fā)劑的最終染色效果見圖8。

表9 高粱紅染發(fā)劑的水洗色牢度

圖7 水洗次數(shù)對頭發(fā)纖維K/S 值的影響

圖8 高粱紅染發(fā)劑的染發(fā)效果

3 結(jié)論

根據(jù)配方設計制備了高粱紅染發(fā)劑，并對頭發(fā)纖維進行染色。實驗表明，采用同浴媒染法，3.0%氯化鈣為媒染劑，色素用量為9.0%，在60 ℃下染色50 min，可以獲得持久的染色效果。