虎杖天然染料的提取及其對棉織物的染色
張偉偉1,高佩佩1,呂國良1,余志成1,楊波2,代秀瓊2
(1.浙江理工大學先進紡織材料與制備技術教育部重點實驗室,杭州310018;2.浙江嘉得萊有限公司,浙江義烏322007)
中圖分類號:TS193.62文獻標識碼:A
0前言
研究應用天然染料染色,既符合科學的發展觀,也是綠色生態紡織的需求。但目前對天然染料的研究還剛剛起步,存在一些不足,如色譜不全,色牢度差,染料利用率不高等,而這些問在天然染料染棉等織物時尤其突出。
本文中的虎杖為常用中藥,價格低廉,來源于蓼科植物,其性微苦、微寒,具有祛風利濕,散瘀定痛,止咳化痰等功效。虎杖提取物作為一種天然色素,色澤自然、安全無毒,又具有抗氧化、穩定性高、抑菌作用強等優點,因此,其作為天然染料在紡織染整上的應用必將有很大的開發前景。為了從虎杖中得到盡可能多的天然染料以及改善其對棉織物的染色性能,實驗重點研究了虎杖天然染料的提取、棉織物的陽離子改性以及染色工藝,最終實現了虎杖天然染料在棉織物上的成功應用。
1實驗部分
1.1材料、藥品與儀器
材料:100%純棉織物、虎杖(杭州中藥飲片廠)。
藥品:冰醋酸(AR)、氫氧化鈉(AR)、提取促進劑ZS-1(AR)、陽離子改性劑G(自制)。
儀器:TS-2型振蕩水浴鍋(國華企業),IR-12型紅外線染色機(杭州三錦科技有限公司),CARY50conc型紫外可見光分光光度計(美國瓦里安公司),pHS-2C型精密pH計(上海科),SF600X計算機測色配色儀(Datacolor),Nicolet.5700傅里葉紅外光譜儀(美國熱電公司)。
1.2實驗方法
1.2.1天然染料提取
將虎杖用粉碎機粉碎過50目,按本文2.1節最佳工藝提取,過濾得提取液作為濃度100%的虎杖天然染料。
1.2.2棉織物改性
工藝:常溫下將棉織物放入改性液,以1.5℃/min的升溫速率升溫至改性溫度,恒溫20~4
從表2中可以看出,各因素對虎杖天然染料提取效果影響的主次順序是:提取促進劑ZS-1的用量>提取溫度>提取時間>物料比。
隨提取劑ZS-1用量的增大,提取率增大顯著,其主要原因是提取劑ZS-1使虎杖天然染料在水中的溶解性大大增強,導致提取率也就隨之增加。隨溫度的提高提取率增大也比較明顯,主要原因是由于溫度升高后,染料分子熱運動加劇,提取物相對溶于水中的速度就增大,從而在單位時間里提取量就隨之增大。提取物料比和提取時間的影響相對較小,物料比
從圖1可以看出:當虎杖天然染料的溶液pH在3~6范圍內時,測得最大吸收波長為430nm左右,色光隨著pH的變化未發生明顯改變,目測溶液呈黃色;在中、堿性介質中,隨著pH的變化,最大吸收波長波動比較大,染料溶液pH值為6.98、9.02和11.01下的最大吸收波長分別為480nm、520nm和520nm,發生了紅移現象,目測溶液的顏色由黃變紅棕。原因是虎杖天然染料主要的色素成分為大黃素、大黃素甲醚以及大黃酸等蒽醌類化合物,在中性、堿性介質下其苯環上的羥基電離變負氧離子,使發色體系發生變化,從而導致染料的顏色發生改變。
2.1.2.2虎杖天然染料熱穩定性
調節虎杖天然染料pH值至6.0左右,在60、70、80、90℃和100℃的水浴中加熱2h,取出冷卻后測其吸光度,結果如表3所示。
由表3可知，虎杖天然染料隨加熱溫度的升高最大吸收波長無明顯變化,最大吸收波長下對應的吸光度也沒有發生明顯的變化,表明虎杖天然染料具有好的熱穩定性。
2.2棉織物改性
棉織物在染浴中帶負電荷,虎杖天然染料主要為陰離子型,由于靜電斥力,染料的上染受到抑制,為了改善其對棉織物染色性能,實驗通過對棉織物進行陽離子改性使其帶上陽離子,從而增加天然染料對其的上染率。改性以及染色過程中主要反應見式(1)~式(3),式(1)為陽離子改性劑G與棉織物的反應,式<
2.2.1改性正交實驗
為了全面考察NaOH加入量、陽離子改性劑G用量、溫度和時間這4個因素對改性效果的影響,設計了4因素3水平正交實驗(L9(34))表4,試驗結果與分析見表5。
從表5中可以看出,各因素對改性效果影響的主次順序是:改性劑濃度>NaOH用量>改性溫度>改性時間。
改性劑濃度增大,棉織物改性染色后的K/S值顯著增大,其原因是改性劑濃度增加,棉織物陽離子化充分,有利于染料的上染,從而增大了染色織物的K/S。隨著氫氧化鈉用量的增大染色織物的K/S也隨之增大。原因是氫氧化鈉的加入使纖維素生成Cell-o-,加速了纖維與改性劑末端環氧基的親核反應。因此,提高堿量,能提高陽離子改性劑與纖維素纖維的反應性。
隨著改性溫度的升高,染色織物的K/S先增大后減少,其主要原因是溫度比較低時,環氧季銨鹽分子的運動速度以及纖維大分子鏈的振動不是很劇烈,與環氧季銨鹽反應的量相對比較少,季銨鹽接枝量相對不是很大。當反應溫度比較高時,環氧季銨鹽分子的運動速度以及纖維大分子鏈的振動比較劇烈,環氧季銨鹽分子與纖維中可反應的基團碰撞的幾率增大,改性越充分。但溫度進一步升高會導致陽離子改性劑在強堿性條件下水解加速,因此改性溫度過高反而使改性效果變差,從而降低了染色織物的K/S。時間對改性效果的影響比較小。
2.2.2改性棉織物的表征
圖2是改性前后棉織物的紅外光譜圖,可以看出改性與未改性棉織物的吸收光譜之間有如下差異:在1114cm-1和1162cm-1處為C—O—C的紅外吸收譜帶,改性后此吸收峰顯增強;從改性原理可知:改性后C—O—C基團增多,因此相應吸收峰增強。由此可見纖維素纖維與改性劑發生了反應。
2.3虎杖天然染料染色
2.3.1虎杖天然染料染色工藝研究
2.3.1.1pH對染色效果的影響
配置5<
2.3.1.2溫度對染色效果的影響
配置5份染料濃度20%的染液對改性棉織物進行染色,用冰乙酸調節各染液的pH值為6.0,分別在溫度為60、70、80、90、100℃條件下進行染色,結果如表7。
從表7的實驗結果可以看出,K/S值隨著染色溫度的增加而增大,虎杖天然染料具有較好的熱穩定性,隨著溫度的升高,纖維和染料分子運動加劇,單位時間內上染到棉纖維上的染料增多,因此染色溫度以100℃為最佳。
2.3.1.3NaCl對染色效果的影響
從圖3中可以看出,對于未改性棉織物,隨染液中食鹽用量的增加K/S也隨之增加,這是由于棉織物在溶液中帶負電荷,虎杖天然染料與其排斥力較大,NaCl加入后,部分Na+吸附在棉織物上,使其表面的負電荷減少,降低了與染料之間的排斥力,NaCl起到了促染作用。而對于改性棉織物,隨著食鹽用量的增加,染色織物的K/S變化不大,當用量大于3g/L后,隨著食鹽用量的增加反而有一定的減少,表明食鹽對陽離子棉染色起緩染作用。改性棉織物帶正電荷,食鹽在溶液中能電離出Cl-,因此其與染料陰離子發生競染作用<
3結論
a)虎杖天然染料提取的最佳工藝:5g/L的促進劑ZS-1、溫度100℃、物料比1∶30、時間2h。虎杖天然染料溶液最大吸收波長在pH值3~6范圍內無明顯變化,pH值調節至中堿性后,溶液最大吸收波長發生紅移,顏色由黃變紅。
b)棉織物改性最佳工藝:改性劑濃度10%(owf),NaOH用量10g/L,溫度80℃,時間30min。通過對比改性與未改性棉織物的紅外光譜圖差異,結果表明棉織物與陽離子改性劑之間發生了反應。
c)虎杖天然染料對改性棉織物最佳染色工藝為pH值4.0~6.0、溫度100℃、時間60min、NaCl用量5~10g/L。棉織物經改性后,虎杖天然染料對其染色的K/S明顯增大。
參考文獻:
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