杉樹葉色素的提取及其在桑蠶絲和棉織物上的應(yīng)用

朱笑吉，朱衛(wèi)明，余志成,2，宋凱利,2

(1.浙江理工大學(xué) 生態(tài)染整技術(shù)教育部工程研究中心，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大學(xué) 先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

植物染料染色是指利用自然界中的花、草、樹木的莖、葉、果實(shí)、種子、皮、根提取色素對織物進(jìn)行染色的一種方法，是我國古代染色工藝的主流。19世紀(jì)中葉合成染料的出現(xiàn)，植物染料逐漸被替代。合成染料與植物染料相比，色譜齊全、工藝簡單、重現(xiàn)性好、色牢度高且成本低廉。近年來，隨著人們環(huán)境意識的增強(qiáng)及對人類身體健康的重視，天然染料又逐漸被人們重視起來[1-3]。

研究表明，多種化學(xué)染料能夠產(chǎn)生致癌物質(zhì)[4]，而天然染料無毒、無害、無污染，具有較好的生物可降解性，與環(huán)境有較好的相容性。因此，用天然染料代替有毒或污染環(huán)境的合成染料，是未來發(fā)展的趨勢[5-6]。植物染料具有可生物降解、與環(huán)境相容性好等優(yōu)異性能，日益成為紡織品領(lǐng)域新型染料研發(fā)的重點(diǎn)[7]。天然染料中有些中草藥植物染料本身具有藥用價(jià)值，染色后的織物還具有抗菌、消炎、抗紫外線等功能，深受人們的喜愛[8-9]。

本文提取杉樹葉天然色素作為植物染料，對桑蠶絲織物、棉織物進(jìn)行染色，通過正交試驗(yàn)得出了染色的最佳工藝條件，測試了最佳工藝染色織物的各項(xiàng)色牢度及染色織物的抗紫外線性能，以期對杉樹葉色素的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

材料：桑蠶絲織物(面密度40.305 g/m2，浙江嘉欣絲綢有限公司)；棉織物(面密度95.304 g/m2，浙江嘉欣絲綢有限公司)；杉樹葉(浙江理工大學(xué)校園杉樹落葉)。

藥品：Na2CO3(成都市科龍化工試劑廠)、皂片(上海制皂廠)、稀土(上海麥克林生化科技有限公司)、固色劑A(市售)。

儀器：MP502B型ARA520電子天平(奧豪斯公司)、pHS-3C型pH計(jì)(上海晶磁儀器有限公司)、DYE-24型紅外線染色試樣機(jī)(美國Data Color公司)、Lambda35型紫外可見光分光光度計(jì)(美國鉑金埃爾默公司)、SF600-Plus型計(jì)算機(jī)測色配色儀(美國Data Color公司)、ATLAS-1505型日曬牢度儀(德國ATLAS有限公司)、紡織品抗紫外因子測試儀(美國Lzbsp Here公司)、DHG-9140A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科技有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 杉樹葉色素的提取

先將杉樹葉徹底洗凈，然后在烘箱中烘干。浴比1∶20，用10 g/L碳酸鈉做提取劑，在100 ℃條件下提取60 min。將提取得到的杉樹葉色素提取液放置15 min，然后抽濾，進(jìn)行后續(xù)的染色實(shí)驗(yàn)[10]。

1.2.2 杉樹葉色素提取液對桑蠶絲織物、棉織物的染色

采用不同染色方法(直接染色、預(yù)媒染、同浴媒染、后媒染)將杉樹葉色素提取液對桑蠶絲織物、棉織物進(jìn)行染色，得到最佳染色方法。

直接染色：浴比1∶50，在一定溫度下染色一定時(shí)間，加入一定量元明粉促染，染色結(jié)束后水洗烘干。

預(yù)媒染：用1 g/L的稀土媒染劑配制媒染染液，浴比1∶50，將織物浸入，80 ℃下媒染30 min，升溫速率2 ℃/min。然后再將織物投入浴比1∶50的杉樹葉色素染液中于90 ℃染色60 min，水洗烘干。

同浴媒染工藝：將潤濕后的織物，浸入到浴比1∶50的杉樹葉色素染液中，將1 g/L的稀土媒染劑加入杉樹葉色素染液中，90 ℃染色60 min，升溫速率2 ℃/min,水洗烘干。

后媒染工藝：將潤濕后的織物，浸入到浴比1∶50的杉樹葉色素染液中，90 ℃染色60 min，升溫速率2 ℃/min；再將織物取出，浸入到浴比1∶50，用1 g/L的稀土媒染劑配制媒染染液，80 ℃媒染30 min，水洗烘干。

固色方法：稀土媒染劑染色后，加入5%(owf)固色劑，在35 ℃下固色15 min，浴比1∶40，固色后直接烘干，不能沖洗。

1.3 性能測試

1.3.1 吸光度測試

取杉樹葉色素提取液2 mL，用蒸餾水稀釋至100 mL，用紫外-可見分光光度計(jì)測量其在350～800 nm范圍內(nèi)的吸光度。

1.3.2 染色K/S值

采用SF600X型計(jì)算機(jī)測色配色儀，分別測定不同工藝下桑蠶絲織物與棉織物的K/S值及L*、a*、b*、c*、h值。測試條件：D65光源，10°觀測角下進(jìn)行測試,試樣折疊4層，測3次，取其平均值。

1.3.3 色牢度

根據(jù)GB/T 3921—2008 《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐洗色牢度》測試織物的耐洗色牢度。根據(jù)GB/T 8427—1997《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐光色牢度：日光》測試織物的耐日曬色牢度，根據(jù)桑蠶絲織物與棉織物的變色情況進(jìn)行評級。

1.3.4 抗紫外線性能

根據(jù)GB/T 17032—1997《紡織品 織物紫外線透過率的試驗(yàn)方法》對染色織物及皂洗10次后織物進(jìn)行抗紫外線測試，計(jì)算織物洗滌10次后的抗紫外線保持率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 杉樹葉色素提取液的吸收光譜

將杉樹葉在浴比1∶20，碳酸鈉質(zhì)量濃度10 g/L，100 ℃條件下提取60 min后，過濾除去殘?jiān)玫缴紭淙~色素提取液。將提取液稀釋50倍，進(jìn)行吸光度測試，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，提取得到的杉樹葉色素最大吸收波長為521 nm，說明該染料為紅棕色。

圖1 杉樹葉色素提取液的吸收光譜

2.2 染色方法對染色效果的影響

用杉樹葉色素提取液對桑蠶絲織物、棉織物進(jìn)行染色(直接染色、預(yù)媒染、同浴媒染和后媒染)。直接染色：浴比1∶50，染料用量30%(杉樹葉色素提取液為100%，提取液稀釋3.33倍，即30%)、pH值7，在90 ℃條件下染色60 min。預(yù)媒染：用1 g/L的稀土媒染劑配制媒染染液，浴比1∶50，將織物浸入，80 ℃媒染染液下媒染30 min；然后再將織物投入浴比1∶50的杉樹葉色素染液中于90 ℃染色60 min，水洗烘干。同浴媒染：將潤濕后的織物，浸入到浴比1∶50的杉樹葉色素染液中，將1 g/L的稀土媒染劑加入杉樹葉色素染液中，90 ℃染色60 min，水洗烘干。后媒染：將潤濕后的織物，浸入到浴比1∶50的杉樹葉色素染液中，90 ℃染色60 min；再將織物取出，浸入到浴比1∶50，用1 g/L的稀土媒染劑配制媒染染液，80 ℃媒染30 min，水洗烘干。

比較不同染色方法下，織物的K/S值及L*、a*、b*、c*、h值，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，杉樹葉色素提取液對桑蠶絲織物、棉織物直接染色時(shí)織物的K/S值較低，這是因?yàn)樯紭淙~色素屬于黃酮類染料，對桑蠶絲、棉纖維的直接上染率較低。媒染染色后，桑蠶絲織物、棉織物的K/S值有較大幅度的提高，這是因?yàn)橥ㄟ^媒染劑的架橋作用，增加了杉樹葉色素與纖維之間的直接性。相比較，3種媒染方法中后媒染染色織物的K/S值最高，染色效果較佳。

表1 不同染色方法對桑蠶絲織物、棉織物顏色特征值的影響

2.3 染色工藝的優(yōu)化

2.3.1 溫度對染色效果的影響

浴比1∶50，染料用量30%，染色時(shí)間60 min、染液pH值4.5、元明粉質(zhì)量濃度15 g/L，稀土質(zhì)量濃度1 g/L，媒染溫度80 ℃，媒染時(shí)間30 min，不同的染色溫度(80、90、100 ℃)條件下，對桑蠶絲織物及棉織物進(jìn)行染色后媒染染色，染色溫度對織物顏色特征值的影響如表2所示。

表2 染色溫度對桑蠶絲織物、棉織物顏色特征值的影響

從表2可知，隨著染色溫度的提高，桑蠶絲織物的K/S值增大，這是因?yàn)殡S著溫度升高，染料聚集度下降，纖維溶脹程度增加，有利于染料從纖維表面擴(kuò)散到纖維內(nèi)部。當(dāng)染色溫度為100 ℃時(shí)，桑蠶絲織物的K/S值最高，染色效果最佳。隨著染色溫度提高，棉織物K/S值提高，這是因?yàn)樯邷囟葧档腿玖系木奂?，且纖維的溶脹程度也會增加，更有利于染料從纖維表面擴(kuò)散到纖維內(nèi)部。染色溫度為90 ℃時(shí)，棉織物的K/S值最高，染色效果最佳。

2.3.2 pH值對染色效果的影響

浴比1∶50，用染料用量30%，在一定的染色溫度(桑蠶絲100 ℃、棉90 ℃)、染色時(shí)間 60 min、元明粉質(zhì)量濃度15 g/L，稀土質(zhì)量濃度1 g/L，媒染溫度80 ℃，媒染時(shí)間30 min條件下，不同的染色pH值(4.5、5.5、6.5)條件下采用后媒染方法染色，染色織物的顏色特征值如表3所示。

表3 pH值對桑蠶絲織物、棉織物顏色特征值的影響

從表3可知，pH值較低時(shí)，杉樹葉色素對桑蠶絲織物、棉織物染色K/S值較高，隨著染色pH值的提高，染色K/S值降低；當(dāng)染色pH值為4.5時(shí)，染色K/S值最高，染色桑蠶絲織物的a*值、b*值達(dá)到最大值，染色效果最佳。

2.3.3 元明粉質(zhì)量濃度對染色效果的影響

浴比1∶50，染料用量30%，在一定的染色溫度(桑蠶絲100 ℃、棉90 ℃)、染色時(shí)間 60 min、pH值4.5，稀土質(zhì)量濃度1 g/L，媒染溫度80 ℃，媒染時(shí)間30 min，不同元明粉質(zhì)量濃度(0、5、10、15、20 g/L)條件下，對織物采用后媒染染色方法，考察元明粉質(zhì)量濃度對染色效果的影響，結(jié)果見表4。

從表4可知，不加元明粉時(shí)，杉樹葉色素對桑蠶絲織物染色K/S值較低；隨著元明粉質(zhì)量濃度的增加，桑蠶絲織物染色K/S值提高，元明粉質(zhì)量濃度20 g/L時(shí)，桑蠶絲織物染色K/S值最高，染色效果最佳。不加入元明粉時(shí)，杉樹葉色素對棉織物染色K/S值較低，隨著元明粉質(zhì)量濃度的提高，棉織物染色K/S值提高，元明粉質(zhì)量濃度15 g/L時(shí)，棉織物K/S值最高，a*值、b*值最大，染色效果最佳。

表4 元明粉質(zhì)量濃度對染桑蠶絲織物、棉織物顏色特征值的影響

2.3.4 媒染劑對染色效果的影響

在浴比1∶50，染料用量30%，在一定的染色溫度(桑蠶絲100 ℃、棉90 ℃)、染色時(shí)間(60 min)、染色pH值(4.5)、元明粉用量(桑蠶絲20 g/L、棉15 g/L)條件下染色。然后用媒染劑稀土1 g/L在80 ℃下處理30 min進(jìn)行后媒染?？疾烊旧珪r(shí)媒染劑對染色效果的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：未用媒染劑染色的桑蠶絲、棉織物的K/S值分別為1.39、0.05，而媒染后的桑蠶絲、棉織物的K/S值分別為5.69、2.31，明顯高于未用媒染劑染色的織物的K/S值。說明用媒染劑后染色效果更佳。

2.4 染色織物的色牢度

為了提高桑蠶絲織物、棉織物的染色牢度，選用固色劑A進(jìn)行固色。固色方法：用稀土媒染劑進(jìn)行后媒染染色后，加入5%(owf)固色劑，在35 ℃下固色15 min，浴比1∶40，固色后直接烘干，不能沖洗。固色前后織物的耐皂洗色牢度和耐日曬色牢度測試結(jié)果如表5所示。

表5 染色后耐皂洗、耐日曬色牢度 級

從表5可以看出，經(jīng)稀土媒染劑媒染后，杉樹葉天然染料染色織物的耐皂洗色牢度在固色前后差別不大，耐皂洗色牢度均能達(dá)到3級。經(jīng)稀土媒染劑媒染后杉樹葉提取天然染料染色的耐日曬色牢度中未固色的棉、桑蠶絲織物的耐日曬色牢度都較差；而經(jīng)過固色后的杉樹葉提取液染色織物的耐日曬色牢度均有提高，均能達(dá)到3級。

2.5 染色織物的抗紫外線性能

將在上述試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)杉樹葉提取液在浴比1∶50，染料用量30%，在100 ℃的條件下染色60 min，染色pH值4.5，元明粉用量20 g/L的條件下染桑蠶絲織物效果最佳；其他條件相同，染色溫度90 ℃，元明粉用量15 g/L染棉織物效果最佳。因此以最佳工藝為基礎(chǔ)，探討杉樹葉色素染色桑蠶絲、棉織物的抗紫外線性能。測定稀土媒染劑通過后媒染染色后桑蠶絲織物、棉織物的紫外線防護(hù)系數(shù)(UPF值)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 后媒染染色后桑蠶絲、棉織物抗紫外線效果

從表6可以看出，桑蠶絲織物使用媒染劑進(jìn)行后媒染染色，所得UPF值達(dá)到308.38；未媒染染色桑蠶絲織物的UPF值僅為7.06，所以杉樹葉色素提取液染色對桑蠶絲織物的抗紫外線性能有較大的提高，皂洗10次后UPF值仍然較高，達(dá)259.94。棉織物用稀土媒染后的UPF值可以達(dá)到678，而未媒染染色棉織物的UPF值僅為40.26，皂洗10次后UPF值仍然很高，達(dá)630.49。由此可以看出杉樹葉色素提取液染色織物的抗紫外線性能優(yōu)異。

3 結(jié)束語

本文以10 g/L碳酸鈉對杉樹葉進(jìn)行提取得到杉樹葉天然色素，并用于桑蠶絲、棉織物的染色。通過紫外光譜分析確定了提取液最大吸收波長。探討了杉樹葉色素對桑蠶絲織物、棉織物染色的最佳染色工藝，研究了染色溫度、pH值、元明粉用量以及媒染劑對染色效果的影響，優(yōu)化了染色工藝，測試了染色織物的抗紫外線效果，同時(shí)對染色織物的耐皂洗色牢度和耐日曬色牢度進(jìn)行了評價(jià)，得出了以下結(jié)論。

①杉樹葉提取的天然染料最大吸收波長是521 nm，顏色為紅棕色。

②杉樹葉提取液對桑蠶絲織物的最佳染色工藝為：浴比1∶50，染料用量30%，在100 ℃條件下染色60 min，染色pH值4.5，元明粉質(zhì)量濃度20 g/L的條件下染色。對棉織物的最佳染色工藝為：浴比1∶50，染料用量30%，在90 ℃條件下染色60 min，染色pH值4.5，元明粉用量15 g/L的條件下染色。然后用媒染劑稀土1 g/L在80 ℃下處理30 min進(jìn)行后媒染。

③固色劑A對織物進(jìn)行固色處理，可提高耐日曬色牢度1～2級，耐皂洗色牢度提高0.5～1.0級。經(jīng)過固色后，杉樹葉色素提取液染色的桑蠶絲織物、棉織物耐皂洗色牢度與耐日曬色牢度均能達(dá)到3級；杉樹葉色素提取液對桑蠶絲織物及棉織物染色可達(dá)到較好的耐皂洗色牢度，均在3級以上，耐日曬色牢度有待提高。

④杉樹葉色素提取液可賦予桑蠶絲織物及棉織物優(yōu)異的抗紫外線效果，經(jīng)過10次洗滌后其UPF值未發(fā)生明顯降低。桑蠶絲織物、棉織物經(jīng)稀土媒染所得的UPF值較高，桑蠶絲織物的UPF值為308.38，皂洗10次后UPF值仍較高，為259.94；棉織物的UPF值為678.00，皂洗10次后UPF值仍很高，為630.49。因此杉樹葉色素提取液可作為抗紫外線功能性染料用于紡織行業(yè)。