明胶改性棉织物的茶色素染色性能

吴洋彬，巩继贤，娄江飞

(1. 天津工业大学纺织学院，天津 300387； 2. 天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387)



明胶改性棉织物的茶色素染色性能

吴洋彬1，2，巩继贤1，2，娄江飞1，2

(1. 天津工业大学纺织学院，天津 300387； 2. 天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387)

茶色素易与蛋白质、脂类、糖类等生物大分子以各种形式有序地结合在一起，形成一种稳定体系。用明胶改性棉织物以达到提高茶色素染色效果和织物功能性的目的。实验从染液pH、染色温度和染色时间三个方面，根据染色后对织物上染效果，色牢度以及紫外防护能力的测试，确定最优的工艺条件。对最佳工艺染色织物进行抗紫外和抗菌性能测试，其抗紫外性能提高1～2倍，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为70.15%和65.35%。

茶色素 明胶 改性 染色 性能测试

在我国，使用天然染料对织物进行染色已经具有很长的历史了。天然染料源自动物、植物以及微生物，具有良好的生物相容性，对环境的影响较小[1-3]。大多数天然染料无毒无害,对皮肤无过敏性、无致癌性，并且许多天然染料本身就是良好的抗菌剂[1-5]，还有许多天然染料本身的次生代谢物含有共轭体系可以有效的吸收紫外线，能赋予织物紫外防护的能力。

本文基于天然色素易与蛋白类物质牢固结合并稳定存在，选取商品化蛋白质—明胶对棉织物进行改性[6-8]。用茶天然色素对其染色，并对染色时的三种影响因素(pH、染色温度和染色时间)进行染色效果，耐磨擦、耐水洗和耐日晒牢度，UPF值分析，找出最佳的染色工艺。对最优染色工艺的试样进行抗紫外和抗菌测试分析。

1 实验部分

1.1 材料

织物：经煮练、氧漂的纯棉织物(天津永发织布厂)。

试剂：铁观音茶(市售)、高碘酸钠(天津市光复精细化工研究院)、丙三醇(天津市光复精细化工研究院)、明胶(天津市光复精细化工研究院)、皂片(天津市科密欧化学试剂有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 改性棉织物的制备

将棉织物放入3 g/L的高碘酸钠溶液中，在50℃的恒温水浴锅中处理1 h，将处理后的棉织物放入到0.1 mol/L 丙三醇溶液中10 min，洗去残留的高碘酸钠溶液。按浴比1：50称取2g/L的明胶溶液，将氧化处理后的棉织物放入明胶溶液中，在50℃恒温水浴锅中处理1 h，将织物取出,水洗，烘干。

1.2.2 茶色素溶液的制取

准确称取一定量的铁观音茶末，按照干重30g/L的浓度配好水溶液，在电热套上加热至煮沸，浸提60 min，随后过滤并去除滤渣，提取液存入锥形瓶并密封待用。

1.2.3 整理工艺

图1 染色工艺曲线

1.3 测试

1.3.1 K/S值及色光测定

用Datacolor600型分光测色仪在织物上均匀的取8个点测定各织物的L*、a*、b*和K/S值。采用D65光源，10 °视场，试样测定4次取平均值。

1.3.2 色牢度测试

耐摩擦色牢度依照GB/T 3920-2008《纺织品色牢度试验耐摩擦色牢度》测定。

耐洗色牢度依照GB/T 3921-2008《纺织品 色牢度试验耐皂洗色牢度：试验1》测定。

耐晒色牢度依照GB/T 8427-2008《纺织品 色牢度试验耐人造光色牢度：氙弧》测定。

1.3.3 抗紫外性能测试

参照美国AATCC 183-2004测试标准，使用CamspecM350型紫外可见分光光度计，测定染色后棉织物在波长280～400 nm范围内的UPF值。

1.3.4 抗菌性测试

参照美国AATCC100-2004测试标准,对织物的抗菌性能进行测试。

2 结果与讨论

2.1 改性棉织物染色工艺优化

2.1.1 pH值对染色效果的影响

茶色素在不同pH时稳定性不同，溶液的颜色也会发生变化[9-11]。随着pH的增加，颜色由草绿色(pH=3)变为棕黄色(pH=5～6)，pH继续变大，颜色为深棕色(pH=7)，直至黑褐色(pH=10)。染色时，当染液的pH不同时，茶色素对织物上染的效果也不同。对不同pH条件下的染色织物测试其K/S、L*、a*和b*值，结果如表 1。

表1 pH对染色效果的影响

由上表可知，铁观音茶色素染色，在pH小于6时，随着pH值增大，织物的颜色越来越深，当pH大于6时，随着pH的增大，颜色逐渐变浅。而pH值的变化对L*、a*和b*值影响不大，织物的整体颜色也相近。pH=6是茶色素上染明胶改性织物的一个染色转折点，也是着色最深的点,这可能是因为pH会影响茶色素分子中酚羟基的活性，使其与蛋白质分子中的羧基结合发生变化，影响染色的效果和染色的牢度。

为考察不同pH的茶色素溶液染色织物的色牢度，分别对不同pH下染色织物的耐摩擦、耐水洗和耐日晒牢度进行测试，测试结果如表2。

由表2可知，pH过小或过大时，织物的色牢度有一定程度的减小，这是因为pH过小或过大都会改变茶色素的性质，使其与织物的结合力减弱。当pH处于5～7之间时，影响较小，摩擦牢度有0.5～1级提升，耐水洗牢度有1～2级提升，耐日晒牢度有0.5级提升。总体上，明胶改性后，染色织物的牢度都比较高，在4或者4～5级。结合表1，pH=6为最优pH。

表2 pH对染色织物的各项牢度的影响

天然染料大都具有抗紫外的功能，为了表征不同pH下的染色织物的抗紫外性能，对茶提取液染色织物进行UPF测试，测试结果如下页图2。

由下页图2可知，当pH较小或较大时，织物的紫外防护能力都较低，当pH在5～7之间的时候，其紫外防护能力差距较小，且效果较好。这也能反应出茶色素与蛋白质的结合比较容易，染色织物的UPF值相差都不太大。综合考虑之后，我们选择pH=6作为最优pH。

图2 pH对UPF值的影响

2.1.2 染色温度对染色效果的影响

染色温度不同，会影响茶色素与织物上的蛋白质分子的结合速率。温度升高，茶提取液中茶色素分子的活性增加，分子的动能也会增加，在与蛋白质分子结合时，结合的速率和量都会增加。对不同温度下染色织物测试其K/S、L*、a*和b*值，结果如表3。

由表3可知，随着温度的升高，K/S值先增大后减小，染色织物的颜色也是先加深后变浅，L*、a*和b*值也会有相似的变化。这说明在染浴温度小于100 ℃时，随着温度的上升棉纤维的膨胀程度上升，纤维被打开，同时茶色素分子在染液中的动能增加增加，使色素大量与蛋白质结合附着在纤维表面，也有一部分茶色素分子会进入到膨胀的纤维内部，使织物颜色加深。当温度大于100 ℃时，这种影响逐渐减弱，织物颜色变浅。

表3 染色温度对染色效果的影响

为考察不同染色温度下染色织物的色牢度，对染色织物进行耐摩擦、耐水洗和耐日晒牢度测试，测试结果如表4。

表4 染色温度对染色各项牢度的影响

由表4可知，当温度过低时，染色织物的干、湿摩擦牢度、耐水洗牢度和耐日晒牢度均较低，这是由于染色温度不够，茶色素与织物表面结合不牢固易脱落引起的。温度在100℃～110℃时，染色织物的各项牢度就比较大，有0.5～1级的提升。所以，结合表3选择100℃为最优的染色温度。

由于铁观音和罗布麻茶叶中含有的多酚类物质对紫外线有一定的吸收作用，为检测经过不同染色温度的茶叶染色后的织物的抗紫外线性能，对织物进行抗紫外线的测试，结果如图3所示：

图3 染色温度对UPF值的影响

图3可知，随着温度的升高，织物的紫外线防护能力越好，这说明温度的升高使多酚类物质与织物的结合量更大，效果更好。在100℃达到最佳，此后随着温度的增加紫外线防护能力会有一个轻微下降。并且罗布麻茶染色后的织物的紫外线防护效果较铁观音茶染色的织物较好。

2.1.3 染色时间对染色效果的影响

染色过程中，达到设定温度后，染色时间的长短也会影响茶色素与纤维的结合作用，染色时间增长，茶色素与蛋白质分子的结合更充分，色素的上染量也会增加。从而使茶色素的上染率有所不同。对不同染色时间下染色织物的K/S、L*、a*和b*值进行了测试，结果如表5。

表5 染色时间对染色效果的影响

由表5可知，K/S值的变化是先增加，之后趋于平缓。这说明随着染色时间的延长，纤维上的蛋白质分子与色素分子结合的量增多，附着在纤维上的色素的量增加，使染色织物的颜色越来越深。在染色时间为60 min时，染色基本已达到饱和，继续增加时间并不能使织物的颜色有很大的提高。

为考察不同染色时间下的茶色素溶液染色织物的色牢度，对不同染色温度下染色织物的耐摩擦、耐水洗和耐日晒牢度进行测试，测试结果如表6。

表6 染色时间对织物各项牢度的影响

由表6可知，染色时间对色牢度的影响较小，色牢度等级均能达到4或者4～5级，日晒牢度也能达到3～4级，说明茶色素分子与明胶蛋白分子的结合受染色时间的影响较小。结合表5选择60min为最优的染色时间。

为检测经过不同染色时间的茶提取液染色后的织物的抗紫外线性能，对不同染色时间的染色织物进行抗紫外线的测试，结果如图4所示。

由图4可知，随着保温时间的增加，UPF会有一个小范围的增长，但随后随着时间的增加，UPF指数基本保持一个相同的水平，变化较小。说明在此条件下，染色时间的延长并不能使上染的茶色素的量有显著的变化，染色织物的抗紫外能力达到了最大的防护能力。因此综合实验结果来看，选择保温时间为60min较为合适。

图4 染色时间对织物UPF值的影响

2.2 抗紫外和抗菌性能测试

天然产物，尤其是植物中的天然化合物，许多都具有药效成分，是天然的抗菌剂。还有许多次生代谢物含有共轭体系，可以用作紫外线吸收剂。茶提取液中的茶色素含有共轭结构、芳环结构和氢键，芳香环上连接有发色基团(C=O，-CH=CH-，-C=N，CH3-O-，C-S，-NO3等)，具有良好的抗紫外性能和抗菌性能。对未改性染色织物和染色织物的抗紫外线性能和抗菌性能进行测试，结果如表7和表8。

从图5中可以得出，未处理的织物染色后，抗紫外的能力很低，而处理过后的织物染色后抗紫外能力有了很大的提升。从表7中可以得出，明胶改性织物具有一定的抗菌性相比于棉织物，而染色后的织物在大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率上都有明显的提高，都大于70 %，符合抗菌性服用纺织品的要求，因此，茶多酚类物质具有良好的抗菌性，可以用于抗菌类织物的整理。

表7 未改性染色织物和改性染色织物的UPF，T(UVA)% 和T(UVB)%值

表8 未改性染色织物和改性染色织物的的抗菌性能

3 结论

(1)通过研究明胶改性棉织物染色时的三个影响因素，染液pH、染色温度和染色时间，得到改性织物最优的染色工艺，染液pH=6，染色温度为100 ℃，染色时间为60 min，

(2)棉织物通过明胶蛋白改性处理，染色时，蛋白质分子能与茶色素分子牢固结合，提高织物的染色效果和染色牢度。

(3)染色织物不仅耐摩擦、耐水洗和耐日晒牢度得到了提升，同时织物的抗紫外性能也有2～3倍的提升，抗菌性也得到了极大的提高。

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Dyeing Property of Tea Pigment of Gelatin Modified Cotton Fabric

WUYang-bing1,2,GONGJi-xian1,2,LOUJiang-fei1,2

(1. College of Textile,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387; 2.Key Laboratory of Advanced Textile Composites of Ministry of Education, Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387)

Tea pigment is apt to combine orderly with large bio-macromolecule such as proteins,lipids and carbohydrate to form a kind of stable system. Gelatin was used to modify cotton fabric in order to improve the dyeing effect of tea pigment and fabric functions. Based on the test results of dyeing effect,color fastness and UV protection ability of dyed fabric,the optimal processing conditions were determined from three aspects including pH value of dyeing solution,dyeing temperature and time. Anti-UV and antibacterial properties test of dyed fabric was conducted. The results showed that Anti-UV property was improved 1～2 times and antibacterial rate of Escherichia coli and Staphylococcus aureus were 79.15% and 75.35% respectively.

tea pigment gelatin modification dyeing property test

2017-02-25

国家自然科学基金项目(31200719,51403152,51473122)；国家重点研发计划项目(2016YFC0400503-02)；天津工业大学大学生创新创业训练计划项目201410058085；石狮市科技计划项目2013SF25。

巩继贤(1975-)，男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向：天然染料的染色应用。

TS193

A

1008-5580(2017)02-0086-05