洋蔥皮提取物對羊毛纖維的染色工藝設計

蔣佳岑，王利平，尚文遠

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學 輕工與紡織學院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010081)

羊毛染色多用酸性染料和活性染料[1]。研究表明，合成染料中的偶氮染料分解后會釋放致癌物質(zhì)芳香胺；酸性染料、分散染料中含有重金屬，生產(chǎn)合成染料產(chǎn)生的廢水也會污染環(huán)境[2]。為了解決合成染料污染環(huán)境，危害人體健康等問題，開發(fā)天然植物染料成為首選[3]。天然染料歷史悠久，應用廣泛，是一種可降解的功能性染料，它來源于自然界，最大的特點就是可以直接從植物中提取[4]，甚至有些植物染料還可以從植物的廢棄資源進行提取。同時植物染料可降解能力強，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[5]，相比于化學染料具有很低的成本，是替代合成染料的首選之一[6]，如梔子黃染色殼聚糖改性棉織物具有良好的色牢度、防紫外線和抗菌性能[7]。紫色洋蔥皮來源廣泛，它的色素提取液具有很強的吸光度，對羊毛纖維的著色能力較強，是一種很好的天然染料原料[8]。

羊毛纖維具有良好的柔軟性、吸濕性，是一種應用廣泛的纖維，羊毛織物具有良好的抗皺性和保溫性[9]。本文圍繞羊毛纖維的綠色染整技術展開，先對洋蔥皮色素進行提取，進行一系列的單因素分析，最后根據(jù)單因素結果設置正交試驗，找到最優(yōu)提取方案[10]。利用最優(yōu)方案提取的色素對羊毛纖維進行染色[11]，確定染色方法，并對染色溫度，染色時間，染色浴比進行單因素試驗[12]，根據(jù)單因素試驗結果設計正交試驗，測試羊毛的K/S值和色牢度，確定最優(yōu)染色方案。

1 材料與儀器

材料：洋蔥皮(自制)，75%乙醇溶液、無水碳酸鈉(天津市凱通化學試劑有限公司)，冰醋酸(遼陽瑞鴻化工有限公司)，羊毛纖維(蘇州湖光山色絲絨發(fā)展有限公司)。

儀器：7230 G分光光度計(上海儀電科學儀器股份有限公司)；HH·S11-4型恒溫電熱水浴鍋(上海博泰電子設備制造有限公司)；DJ-200J電子天平(上海儀電科學儀器股份有限公司)；CM-3600A電腦測色配色系統(tǒng)(北京瑞利分析儀器公司)；Y(B)802 N小型高溫烘箱(溫州際高檢測儀器有限公司)；P53200超聲波振蕩器、Y(B)571-Ⅲ牢度摩擦儀、Xe-2日曬色牢度測試儀、皂洗色牢度儀(溫州大榮紡織儀器廠)。

2 測試方法

2.1 染色織物K/S值測試

K/S值是評價染料染色性能的重要指標之一，表示織物表面顏色的深度。在同一波長下，染色織物的K/S值越大，所染織物的顏色就越深。采用CM-3600A測色配色儀進行K/S值測試，每個試樣測量5次，取平均值。

2.2 洋蔥皮提取液吸光度值測試

稱取洋蔥皮攪碎后放入燒杯中，加入定量乙醇溶液后用保鮮膜密封，放入事先調(diào)節(jié)好的恒定溫度的超聲波振蕩器中，利用250 W超聲波提取一定時間后取出燒杯。將提取得到的洋蔥皮色素提取液倒入另一個燒杯中，過濾掉洋蔥皮殘渣，稀釋后利用分光光度計測量其吸光度。

2.3 染色羊毛織物色牢度測試

耐皂洗色牢度參照GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗 耐皂洗色牢度》測試;耐摩擦色牢度參照GB/T 3920—2008《紡織品 色牢度試驗 耐摩擦色牢度》測試;耐日曬色牢度按照GB/T 8427—2008《紡織品 色牢度試驗 耐人造光色牢度》測試，測試后樣品通過標準灰卡樣卡進行評級。

3 洋蔥皮提取試驗及結果分析

3.1 洋蔥皮色素的提取

利用電子分析天平準確稱取2份質(zhì)量為1 g的干燥洋蔥皮碎片。一份置于40 mL 75%乙醇溶液中采用傳統(tǒng)的水浴鍋加熱，在40 ℃下加熱50 min。另一份放置燒杯中，放入40 mL 75%乙醇溶液，置于超聲波震蕩器中，溫度設為40 ℃，時間50 min。對比2種方式，超聲波提取可以快捷簡便地設置提取溫度和提取時間，準確率高，尤其是在對植物色素的提取過程中，相對傳統(tǒng)水浴提取方法有很大的優(yōu)點。因此最終選擇使用超聲波提取。

3.2 洋蔥皮色素提取單因素分析

3.2.1 料液比對提取液吸光度的影響

提取條件為乙醇質(zhì)量分數(shù)75%、pH 值4、溫度50 ℃、提取時間50 min。提取液的體積分別為20、30、40、50、60 mL。不同料液比對提取液吸光度影響見圖1?？梢?，洋蔥皮色素提取過程中，在料液比為1∶20時得到的吸光度數(shù)值達到極值，在1∶40之后會下降，考慮到料液比過高會對色素進行稀釋，選取在1∶20作為試驗的料液比。

圖1 不同料液比對提取液吸光度影響Fig.1 Effect of different solid-liquid ratio on the absorbance of extract

3.2.2 提取溫度對提取液吸光度的影響

提取條件為料液比1∶20、乙醇質(zhì)量分數(shù)為75%、pH 值4、提取時間50 min，提取溫度分別為30、40、50、60、70 ℃。溫度對洋蔥皮提取液吸光度的影響如圖2所示。當溫度小于50 ℃時，吸光度呈上升趨勢，溫度處于50 ℃，吸光度達到最大，當溫度大于50 ℃時，吸光度下降。洋蔥皮的提取溶液是75%乙醇溶液，乙醇的最大特點是易揮發(fā)，溫度越高，揮發(fā)速度越快，乙醇的質(zhì)量分數(shù)會隨之減少，故選擇提取溫度為50 ℃。

圖2 不同提取溫度對提取液吸光度影響Fig.2 Effect of different extraction temperatures on the absorbance of the extract

3.2.3 提取時間對提取液吸光度的影響

提取條件為料液比1∶20，乙醇質(zhì)量分數(shù)75%、提取溫度50 ℃、pH 值4、提取時長為30、40、50、60、70 min。時間對洋蔥皮提取液吸光度的影響如圖3所示，吸光度從30 min開始，快速增加。50 min達到峰值，之后隨著時間的增加，吸光度反而下降。洋蔥皮提取是在恒定溫度下利用超聲波進行提取的，在一定溫度下，時間越長，乙醇溶液揮發(fā)越快，這樣會導致提取液的溶液含量造成變化，不僅會影響提取效果，對后面的染色也會造成影響，而且超聲波有很強的機械剪切作用，會破壞洋蔥皮內(nèi)部結構，時間過長會影響提取液的質(zhì)量，故選擇提取時間為50 min。

圖3 不同提取時間對提取液吸光度影響Fig.3 Effect of different extraction time on the absorbance of the extract

3.2.4 pH值對提取液吸光度的影響

提取條件料液比1∶20，乙醇質(zhì)量分數(shù)為75%，提取溫度50 ℃，提取時間50 min，用冰乙酸調(diào)節(jié)溶液酸性，調(diào)節(jié)至pH值分別為2、3、4、5，6。pH值對洋蔥皮提取液吸光度的影響如圖4所示，若數(shù)值偏小，使用無水碳酸鈉進行中和。不同pH值的吸光度明顯不同，在酸性環(huán)境下的吸光度明顯高于堿性環(huán)境下的吸光度，隨著pH值的增大，吸光度越來越小?？紤]到在酸性條件下可以促進洋蔥皮色素溶于乙醇溶液，故選擇調(diào)節(jié)pH值為2以促進細胞活力達到更好的提取效果。

圖4 不同提取pH值對提取液吸光度影響Fig.4 Effect of different extraction pH value on the absorbance of the extract

3.3 洋蔥皮提取色素正交試驗

通過單因素試驗設計結果，以料液比A、提取液pH值B、提取溫度C、提取時間D，設計4因素3水平的正交試驗，試驗結果如表1所示。

表1 正交試驗因素水平表Tab.1 Factor level table of orthogonal test

由表1可見，影響吸光度的主次因素是：pH值>時間>料液比>溫度，最佳提取方案為：乙醇的質(zhì)量分數(shù)為75%、料液比1∶20、pH 值2、溫度為40 ℃、時間為50 min。

4 洋蔥皮染料羊毛纖維染色

4.1 洋蔥皮色素提取液染色方法

利用直接染色對羊毛纖維進行染色，準備一個100 mL燒杯，取出事先用最佳方案獲得的洋蔥皮提取液60 mL放入燒杯中，后放入利用電子分析天平稱量好的1 g羊毛纖維，貼上保鮮膜，放入80 ℃恒溫水浴鍋中加熱30 min。上染結束以后，去除羊毛纖維，用清水洗凈，自然晾干。

4.2 單因素染色分析

4.2.1 染色溫度對染色效果的影響

選擇K/S值為主要評價指標,確定直接染色最佳條件。利用得到的提取液進行羊毛染色，染色浴比為1∶60、上染時間30 min、上染溫度分別為60、70、80、90 ℃。不同上染溫度對染色K/S的影響如圖5所示。固色溫度對羊毛纖維的K/S值有較大影響，天然染料一般對溫度有很強的要求。溫度變化會極大地改變上染效果，溫度過高則會加速天然染料水解影響上染效果。如圖5所示，當上染溫度為80 ℃時K/S值最好，需注意溫度不能過高，否則會破壞羊毛的內(nèi)部結構。

圖5 不同上染溫度對K/S值影響Fig.5 Effect of different dyeing temperature on K/S value

4.2.2 染色浴比對染色效果的影響

利用得到的提取液進行羊毛染色，染色溫度為80 ℃、上染時間30 min、浴比分別為1∶40、1∶50、1∶60、1∶70。不同浴比對染色K/S的影響如圖6所示?？紤]浴比過低，色素濃度不夠，會影響上染效果，而且浴比過高會對色素進行稀釋。圖6示出在1∶60時上染效果最佳。

圖6 不同浴比對K/S值影響Fig.6 Effect of different bath ratios on K/S value

4.2.3 上染時間對染色效果的影響

利用得到的提取液進行羊毛染色，染色浴比為1∶60、染色溫度80 ℃、上染時間分別是20、30、40、50 min。時間對染色K/S值的影響如圖7所示。可見最好的染色效果為上染時間30 min，固色時間太短則染料不能在織物上充分固著，毛纖維上染不均勻，尤其是內(nèi)部的纖維，會導致上染少，或者色牢度低等問題。固色時間過長，乙醇溶液會揮發(fā)，也會影響K/S值和色牢度。

圖7 不同上染時間對K/S值影響Fig.7 Effect of different dyeing time on K/S value

4.3 染色正交試驗分析

通過單因素試驗設計結果，設計正交試驗以染色溫度E,染色時間F，染色浴比G，設計4因素3水平的正交試驗，使用CM-3600A電腦測色配色系統(tǒng)檢測其K/S值，試驗結果如表2染色正交試驗因素水平表所示。

由表2可知，影響羊毛染色效果最大的因素是染色時間，其次是溫度和染色浴比，從表中可以得出最佳染色方案為浴比1∶60，染色時間選擇30 min，溫度為80 ℃。

表2 正交試驗因素水平表Tab.2 Factor level table of orthogonal test

本次試驗對最佳染色方案的樣品進行色牢度和K/S值的檢測。羊毛的耐摩擦色牢度，耐皂洗色牢度，耐日曬色牢度值都在4級以上。同時K/S值為12.664，說明羊毛織物在染色后有非常好的色牢度和染色效果。

5 結 論

對提取的洋蔥皮染料進行工藝設計，分別分析料液比、提取溫度、提取時間及pH值對提取液吸光度的影響，并通過正交分析得出最優(yōu)提取工藝；利用直接染色法采用最優(yōu)染料提取工藝對羊毛進行染色，并選取3個因素進行進行正交試驗分析，最終得出最優(yōu)羊毛纖維染色優(yōu)化工藝為：浴比1∶60，染色時間選擇30 min，溫度為80 ℃，此工藝染色的羊毛質(zhì)量高，K/S值和色牢度均達到標準要求。

天然染料因為其特殊性，產(chǎn)量和應用領域還很小，我國對于天然染料的需求很高，本文工藝對企業(yè)生產(chǎn)具有一定的指導意義。