棉织物的壳聚糖季铵盐改性与板栗壳色素染色

张 欣，王祥荣

（苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州 215012）

天然染料是从动植物或矿产资源中获得，很少或者没有经过化学加工的染料，来源于可再生的生物资源，对环境几乎无危害［1］。板栗壳色素是从板栗壳中提取的，是一种水溶性好、着色力强、性质稳定的天然棕色素，是目前世界上并不多见的性质稳定的天然食用色素之一，具有很高的开发价值［2］。

天然染料对纤维素纤维染色的直接性较差，对棉纤维进行直接染色时上染率较低，得色较浅。吴伟等得出低分子壳聚糖季铵盐改性亚麻织物较佳的改性工艺，在此工艺下采用活性染料染色可以得到较好的上染率［3］。王则臻等采用合成的壳聚糖季铵盐改性亚麻织物，活性染料上染率可达45.86%，耐日晒色牢度为4～5 级，耐水洗色牢度为4～5 级，染色效果较好［4］。故采用壳聚糖季铵盐对棉织物进行改性可以提高天然染料对棉织物的染色效果。

壳聚糖（CTS）是一种线性天然高分子共聚物，是甲壳素脱乙酰化的产物［5-6］。作为最丰富的天然氨基多糖之一，壳聚糖具有很高的反应活性［7］，在有机酸性溶液中的溶解性良好［8］。壳聚糖具有许多优良性质，如生物相容性、可降解性、抗菌性、无抗原性、吸附性和安全性等［9］。通过对壳聚糖进行化学改性，例如与2,3-环氧丙基三甲基氯化铵反应合成阳离子改性剂［10-11］，可以改善壳聚糖不溶于水及有机溶剂的缺点，扩大其应用范围。

本实验采用2,3-环氧丙基三甲基氯化铵与壳聚糖反应得到壳聚糖季铵盐（HACC），将其用于棉织物改性，再对改性后的棉织物采用板栗壳色素染色，对改性工艺和染色性能进行了探讨。

1 实验

1.1 材料及仪器

织物：纯棉织物（江苏沙印集团有限公司）。

材料：壳聚糖（脱乙酰度为92%，浙江金壳药业有限公司）、2,3-环氧丙基三甲基氯化铵［萨恩化学技术（上海）有限公司］，异丙醇、丙酮、无水乙醇（分析纯，江苏强盛功能化学有限公司），板栗壳色素（常州美胜生物材料有限公司）。

仪器：XY300-2C 型电子天平（常州幸运电子设备有限公司），数显搅拌器（巩义市予华仪器有限公司），低噪振荡式染样机（靖江市新旺染整设备厂），Ultra Scan XE型分光测色仪（美国Hunter Lab公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 壳聚糖季铵盐合成

取一定量壳聚糖粉末置于三口烧瓶中，加入异丙醇恒温溶胀。缓慢滴加2,3-环氧丙基三甲基氯化铵水溶液，80 ℃反应4 h，出料，料浆于无水乙醇和丙酮混合溶液中静置，沉淀分离后抽滤。滤饼真空干燥至恒重，即得壳聚糖季铵盐［1］。

1.2.2 棉织物改性

取一定量壳聚糖季铵盐溶于去离子水配制成改性液，在恒温水浴锅中分别加热至设定温度，放入棉织物，恒温改性一定时间，取出后常温水洗，烘干。

1.2.3 改性棉织物染色

固定浴比为1∶40，配制含板栗壳色素8%（omf）、平平加O 1 g/L 的染浴，升温至40 ℃，放入改性后的棉织物，按1～2 ℃/min升温至90 ℃，保温染色45 min，降温后取出织物，冷水洗，热水洗，冷水洗，烘干。

1.3 测试

1.3.1 红外光谱（FT-IR）

采用KBr 压片法，在4 000～400 cm-1范围内记录FT-IR图谱。

1.3.2 表观色深（K/S值）

将织物折叠4 层，在分光测色仪上测试。每个试样测试4次，取平均值。

1.3.3 耐摩擦色牢度

按GB/T 3920—2008《纺织品 色牢度试验 耐摩擦色牢度》测试。

1.3.4 耐皂洗色牢度

按GB/T 3921—2008《纺织品 色牢度试验 耐皂洗色牢度》测试。

1.3.5 耐日晒色牢度

按GB/T 8427—2008《纺织品 色牢度试验 耐人造光色牢度：氙弧》测试。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱（FT-IR）

从图1可以看出，CTS 和HACC 的红外光谱图基本相同。在CTS 的红外光谱图中存在1 597 cm-1的N—H 变形振动峰，而在HACC 的红外光谱图中该振动峰消失，在1 645 cm-1处出现了一个吸收峰，说明CTS上的—NH2已经发生了变化；在1 477 cm-1处出现—CH2—、—CH3的C—H 弯曲振动强吸收峰，说明在O 上引入了季铵盐侧链；同时在3 400 cm-1处的吸收峰变宽，表明—OH 的吸收变强，这也是因为引入了季铵盐基团，这与文献［12-14］中壳聚糖改性后产物的数据一致。

图1 壳聚糖（1）和壳聚糖季铵盐（2）的红外光谱

2.2 壳聚糖季铵盐改性棉织物的工艺优化

2.2.1 改性温度

从图2中可以看出，随着改性温度的升高，染色织物的K/S 值增大。当改性温度为90 ℃时，染色织物获得最大K/S值。

图2 不同改性温度下染色织物的K/S值

2.2.2 改性时间

从图3可以看出，随着改性时间的延长，染色织物K/S 值有所增大，当改性时间为80 min 时，染色织物获得最大K/S值。再延长改性时间，染色织物的K/S值增加不大，因此改性时间选择80 min。

图3 不同改性时间下染色织物的K/S值

2.2.3 壳聚糖季铵盐质量浓度

从图4可以看出，随着改性剂质量浓度的增加，染色织物的K/S 值增大，当改性剂质量浓度为7 g/L时，染色织物获得最大K/S值。

图4 壳聚糖季铵盐质量浓度对染色织物K/S值的影响

2.3 染色性能

采用最佳改性工艺对棉织物进行改性，选用不同量板栗壳色素对改性后的棉织物进行染色，染色织物的K/S值见图5。

图5 染料用量对染色织物K/S值的影响

从图5可以看出，随着染料用量的增加，染色织物的K/S 值不断增大，存在较好的线性关系，说明改性后的棉织物对板栗壳色素具有良好的提升性。

从表1可以看出，阳离子改性后的棉织物采用天然染料板栗壳色素染色具有较好的耐摩擦色牢度和耐皂洗色牢度，达到服用纺织品要求。随着染料用量的增加，耐湿摩擦色牢度有所下降。板栗壳色素染色织物的耐日晒色牢度较差，但随着染料用量的增加有所提升，当染料用量达到5%（omf）后，耐日晒色牢度可以达到3级。

表1 染色织物的色牢度

3 结论

（1）壳聚糖与2,3-环氧丙基三甲基氯化铵通过取代反应合成了壳聚糖季铵盐，采用红外光谱对壳聚糖季铵盐进行了表征。

（2）壳聚糖季铵盐作为阳离子改性剂对棉织物进行改性可以提高天然染料的染色效果，改性的最佳工艺条件为：改性剂7 g/L、改性温度90 ℃、改性时间80 min。

（3）经阳离子改性的棉织物用板栗壳色素染色，耐摩擦色牢度、耐皂洗色牢度均达到服用纺织品要求，随染料用量的增加，耐日晒色牢度有所提高。