秦皮天然染料对羊毛的染色工艺

刘瑾姝，马晓燕，邢建伟，师文钊

(1.西安工程大学 纺织科学与工程学院，陕西 西安 710048； 2.西北工业大学 化学与化工学院， 陕西 西安 710129)

随着人们对水污染、原材料和加工产品的可持续性、生物降解性和环境友好性等方面的重视，纺织品的环保染色正受到广泛关注，其中从植物、动物以及矿物中提取的天然染料因其可再生及可持续性，重新成为潜在可行的“绿色化学”选择[1-2]，目前越来越多的植物及动物提取物被作为染料用于纺织品染色并赋予其各种功能性[3]。但天然染料对纺织品的染色加工存在色泽范围窄、色牢度低等问题，因此常用不同种类的媒染剂来解决上述问题，而媒染处理后样品的颜色特性如表观深度K/S值、明度值L*、红绿值a*、黄蓝值b*、彩度值c*及色相值Ho取决于媒染剂和纤维的化学性质以及与染料和纤维形成金属离子络合物的能力[4]。

秦皮是木犀科植物如白蜡树等的干皮[5]，是中国传统医学中最受欢迎和广泛使用的药用植物，具有抗凝、抗过敏、抗氧化等作用[6-8]。秦皮提取物中含有秦皮甲素、秦皮乙素、秦皮甙及秦皮素等香豆素类化合物[9]，已被成功应用于具有防晒功效的功能化妆品中[10]。

本课题组在前期研究中采用水浸提法从秦皮中提取天然染料并将其用于棉织物、桑蚕丝织物的染色，通过媒染或固色处理使染品具有较好的颜色深度及染色牢度[11-13]，基于目前未见将秦皮天然染料用于羊毛染色的研究报道，本文试验采用前期研究确定的水浸提工艺对秦皮进行提取，直接以提取液作为染液对羊毛进行染色，通过测试染后样品K/S值，对比直接染色及分别采用硫酸铜、硫酸铝钾及硫酸亚铁作为媒染剂的不同媒染工艺对染色效果的影响，并研究以硫酸铜作为媒染剂后媒法染色工艺对染色样品性能的影响，以期扩展秦皮天然染料的应用范围，提升羊毛织物的附加值。

1 试验部分

1.1 材料与仪器

材料：中药秦皮(西安怡康医药连锁有限责任公司，粉碎过筛)；羊毛(14 tex，江阴市晔恒国际贸易有限公司)；硫酸铜、硫酸亚铁、硫酸铝钾、氢氧化钠、碳酸钠、冰醋酸(分析纯，天津市恒兴化工试剂制造有限公司)。

仪器：SDM2-12-140型高温高压染色机(立信染整机械有限公司)、FA2104型电子天平(上海精密科学仪器有限公司)、DHJ-9076A型电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)，Color-i7型分光光度仪(爱色丽(上海)色彩科技有限公司)、UV-1800PC型紫外可见分光光度计(上海美谱达仪器有限公司)、Y(B)571C型色牢度摩擦仪(温州市大荣纺织仪器有限公司)、SW-12J型耐洗色牢度试验机(温州市大荣纺织仪器有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 秦皮天然染料提取

采用文献[13]确定的提取工艺对秦皮天然染料进行水浸法提取，具体工艺如下：秦皮粉末料液比1∶20，80 ℃提取时间90 min，提取2次后将提取液共混冷却过滤，直接作为染液待用。

1.2.2 羊毛秦皮天然染料染色工艺

直接染色工艺：秦皮天然染料浸提液作为染液，醋酸调节染浴pH值为4，渗透剂JFC 0.5%(owf)，浴比1∶30。染色升温曲线见图1。

图1 秦皮浸提液直接染色升温曲线

预媒法染色工艺：媒染剂 2%(owf)，浴比1∶30，预媒处理升温曲线见图2。秦皮天然染料浸提液作为染液，醋酸调节染浴pH值为4，渗透剂JFC 0.5%(owf)，浴比1∶30。染色升温曲线与直接染色工艺相同，见图1。

图2 预媒法媒染剂处理升温曲线

同浴媒法染色工艺：秦皮天然染料浸提液作为染液，醋酸调节染浴pH值为4，渗透剂JFC 0.5%(owf)，媒染剂 2%(owf)，浴比1∶30。染色升温曲线见图3。

图3 同浴媒法染色升温曲线

后媒法染色工艺：秦皮天然染料浸提液作为染液，醋酸调节染浴pH值为4，渗透剂JFC 0.5%(owf)，媒染剂 2%(owf)，浴比1∶30。染色升温曲线见图4。

图4 后媒法染色升温曲线

后处理工艺：水洗(70 ℃×15 min)→皂洗(皂洗剂1%(owf)，80 ℃×15 min)→水洗(70 ℃×15 min)。

1.3 测试方法

1.3.1 颜色测试

使用Color-i7型分光光度仪测定不同染色样品K/S值及颜色特征值(明度值L*，红绿值a*，黄蓝值b*，彩度值c*，色相值Ho)，每个样品测试3次，取平均值。

1.3.2 染色牢度测试

依据GB/T 3920—2008《纺织品 色牢度试验 耐摩擦色牢度》、GB/T 3921—2008《纺织品 色牢度试验 耐皂洗色牢度》分别对染色样品的耐摩擦色牢度、耐皂洗色牢度进行测试。

1.3.3 碱溶解度测试

按照文献[14]中测试方法对不同羊毛样品的含水率及碱溶解度进行测试，每个样品测试3次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 不同染色方法对比

以秦皮天然染料提取液直接作为染液对羊毛纤维进行染色，染色后样品K/S值为0.932。另采用硫酸铜、硫酸铝钾、硫酸亚铁作为金属媒染剂，分别通过预媒法、同浴媒法、后媒法染色工艺对羊毛进行染色，测试染后样品K/S值，不同媒染剂媒染染色后羊毛纤维的K/S值见图5。

图5 不同媒染剂不同染色工艺羊毛纤维的K/S值

由图5可知，与直接染色工艺相比，采用3种不同的媒染剂对秦皮天然染料进行媒染处理后，染色样品的K/S值明显增大；且对于3种不同媒染剂的媒染工艺，当媒染剂用量相同时，后媒法染色样品K/S值比预媒法、同浴媒法染色样品K/S值髙，这可能是因为后媒法染色工艺中秦皮天然染料在染色阶段对羊毛充分上染，媒染阶段与媒染剂间形成络合物，提高了秦皮天然染料与羊毛纤维间的作用力；而预媒法染色工艺中先用媒染剂对羊毛进行处理，使染色阶段秦皮天然染料受羊毛上媒染剂络合作用，限制了其向纤维内的扩散；同浴媒法染色工艺中，秦皮天然染料与媒染剂同处于染浴中，染料在对纤维进行吸附上染前即与媒染剂形成络合物，由于络合物向纤维内扩散时所受纤维大分子空间阻力及分子间作用力增大，影响了染料的上染。对比3种媒染剂媒染效果发现，采用硫酸铜作为媒染剂使羊毛获得更深的颜色色深值；另外通过对比染后羊毛色光，硫酸铜、硫酸铝钾媒染后染色样品色光与直接染色工艺样品一致，而硫酸亚铁媒染后对染料色光影响较大[15]，综合考虑选用硫酸铜作为秦皮天然染料染羊毛时的媒染剂，采用后媒法染色工艺对羊毛进行染色。

2.2 后媒法染色工艺优化

2.2.1 染色温度及时间对染色效果的影响

采用秦皮浸提液直接作为染液，调节染液pH值为4，以染色温度及染色时间为变量对羊毛进行染色，染后以2%(owf)硫酸铜为媒染剂，在100 ℃对染后羊毛媒染处理30 min，通过测试染后样品的K/S值研究染色温度及时间对染色效果的影响，染色温度及时间对染后样品K/S值影响见图6。

图6 后媒法染色温度及时间对染后样品K/S值的影响

由图6可知，羊毛后媒法染色样品的K/S值随染色温度升高而增大，100 ℃达到最大值，这主要是因为温度升高使羊毛纤维鳞片层软化且纤维内容纳染料扩散的孔道尺寸增大，秦皮天然染料向羊毛纤维内部扩散性能增强；染色样品的K/S值随染色时间延长而增加，染色时间增至45 min后，样品K/S值增加幅度较小，说明延长时间有利于染料充分扩散[16]，因此秦皮天然染料媒染染色温度及时间分别选用100 ℃、45 min。

2.2.2 染液pH值对染色效果的影响

采用秦皮浸提液直接作为染液，配置pH值为2、4、6、8的染浴，在100 ℃对羊毛染色45 min，染后以2%(owf)硫酸铜为媒染剂，在100 ℃对染后羊毛进行媒染处理30 min，通过测试染后样品的K/S值研究染液pH值对染色效果的影响，染浴pH值对染后样品K/S值影响见图7。

图7 后媒法染浴pH值对染后样品K/S值的影响

由图7可知，羊毛后媒法染色样品的K/S值随染浴pH值降低而增大，这是因为秦皮提取物的主要成分为香豆素类化合物，当染浴pH值降低时，羊毛纤维上氨基质子化程度增强，纤维呈现正电性增强，香豆素类化合物与纤维上正电中心形成离子键作用增强，吸附上染程度增加[17]。综合考虑，秦皮天然染料媒染染色pH值选用4.0。

2.2.3 媒染剂用量对染色效果的影响

采用秦皮浸提液直接作为染液，调节染液pH值为4，在100 ℃对羊毛染色45 min，染后分别以0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%(owf)硫酸铜为媒染剂，在100 ℃对染后羊毛进行媒染处理30 min，以媒染剂用量为变量，通过测试染后样品的K/S值研究媒染剂用量对染色效果的影响，媒染剂用量对染后样品K/S值影响见图8。

图8 后媒法媒染剂用量对染后样品K/S值影响

由图8可知，羊毛经秦皮天然染料染色后，样品K/S值随媒染剂用量增加而增加，当媒染剂用量增大至2.0%(owf)，继续增加媒染剂用量对染色样品K/S值增幅较小。这是因为采用媒染剂对染色样品进行处理，媒染剂离子与染料及纤维间形成络合作用，提高了二者的结合强度及耐洗涤性，随媒染剂用量增加，纤维上更多秦皮天然染料分子参与络合，染后样品K/S值随之增加[18]。综合考虑，秦皮天然染料媒染染色媒染剂用量选用2.0%(owf)。

2.2.4 媒染温度对染色效果的影响

采用秦皮浸提液直接作为染液，调节染液pH值为4，在100 ℃对羊毛染色45 min，染后以2.0%(owf)硫酸铜为媒染剂，在不同温度对染后羊毛进行媒染处理30 min，以媒染温度为变量，通过测试染后样品的K/S值研究媒染温度对染色效果的影响，媒染温度对染后样品K/S值影响见图9。

图9 后媒法媒染温度对染后样品K/S值影响

由图9可知，羊毛经秦皮天然染料染色后，在相同媒染剂用量下，染色样品K/S值随媒染温度升高而显著增加，这是因为温度升高有利于媒染剂离子向纤维内扩散，参与秦皮天然染料媒染作用的媒染剂离子增加，因此确定媒染温度为100 ℃。

2.2.5 媒染时间对染色效果的影响

采用秦皮浸提液直接作为染液，调节染液pH值为4，在100 ℃对羊毛染色45 min，染后以2.0%(owf)硫酸铜为媒染剂，在100 ℃对染后羊毛进行媒染处理，以媒染处理时间为变量，通过测试染后样品的K/S值研究媒染处理时间对染色效果的影响，媒染时间对染后样品K/S值影响见图10。

图10 后媒法媒染时间对染后样品K/S值影响

由图10可知，羊毛经秦皮天然染料染色后，在相同媒染剂用量及媒染温度下，染色样品K/S值随媒染时间延长而增加，说明延长时间可保证染料、纤维与媒染剂离子间充分形成络合作用，考虑到时间过长会造成纤维损伤程度增加，因此确定媒染时间为30 min。

2.3 染色样品性能测试

采用秦皮浸提液直接作为染液，调节染液pH值为4，在100 ℃对羊毛染色45 min，染后以2.0%(owf)硫酸铜为媒染剂，在100 ℃对染后羊毛进行媒染处理30 min，通过测试后媒法染色工艺及直接染色工艺染后样品的K/S值、颜色特征值(明度值L*，红绿值a*，黄蓝值b*，彩度值c*，色相值Ho)、碱溶解度及染色牢度，对比2种染色工艺的染色效果，测试结果分别见表1、2。

表1 2种染色工艺染色样品颜色特征值对比

表2 不同染色方法染色样品损伤及色牢度对比

由表1可知，羊毛经秦皮天然染料直接染色后可获得浅黄棕色色泽；选用硫酸铜为媒染剂，通过后媒法对秦皮天然染料染色后样品进行媒染处理，使染色样品K/S值显著增加；L*减小而a*、b*、c*增加，说明媒染后染色样品颜色变深，且红光、黄光及饱和度增强。由表2可知，羊毛经秦皮天然染料直接染色及硫酸铜后媒法染色后，碱溶解度显著增加，反映出羊毛经高温沸染后损伤程度增加，由于后媒染处理仍是在高温条件下进行的，所以羊毛损伤程度比直接染色后样品更大；对比不同染色方法染后样品染色牢度可以看出，后媒法染色后样品耐摩擦、耐皂洗染色牢度均得到一定程度改善，说明媒染处理时媒染剂离子提高了秦皮天然染料与纤维间的结合强度，有利于提高染色牢度。

3 结 论

①采用秦皮提取液作为染液对羊毛纤维进行直接染色，可使纤维获得浅黄棕色的颜色；选用硫酸铜、硫酸亚铁及硫酸亚铁作为媒染剂，通过预媒法、同浴媒法及后媒法染色工艺对羊毛进行染色，染后样品K/S值均比直接染色后样品K/S值大，其中硫酸铜的后媒法染色工艺染品K/S值增幅最大。

② 羊毛秦皮天然染料染色时，采用硫酸铜后媒法染色，最佳染色工艺为：染色温度100 ℃，染色时间45 min，染液pH值4.0；最佳媒染工艺为：媒染剂用量2.0%(owf)，媒染温度100 ℃，媒染时间30 min。

③ 羊毛秦皮天然染料染色后，硫酸铜后媒法处理，可提高染品颜色深度，改善耐摩擦、耐皂洗色牢度。