野菊花天然染料的提取及染色性能

2019-06-09 00:37:16瞿凌曦刘理天姜会钰蔡再生

国际纺织导报 2019年12期

瞿凌曦刘理天姜会钰蔡再生

1. 东华大学化学化工与生物工程学院 (中国) 2. 武汉纺织大学化工学院(中国)

天然染料是一种环境友好型染料。早在新石器时代，便已出现使用赤铁矿粉末将麻布染成红色的工艺。随着染色工艺技术的不断发展，天然染料染出的纺织品的颜色日益丰富。近现代日本、印度、欧洲、美国及中国对天然染料进行了大量研究[1-2]。其中，天然植物染料的无毒无害且可再生特性备受关注。提取植物染料的常用方法为溶剂法，该法具有工艺简单、设备成本低、其技术易于学习和掌握等优势。溶剂法要求溶剂对需溶解的溶质溶解度高，对其他物质(杂质)的溶解度低；易于获得且对人体无毒无害；沸点适当，利于回收再利用。溶剂法提取植物染料的具体方法有浸渍法、渗漉法、煎煮法、回流提取和连续回流提取法等[3-4]。影响提取的因素为被提取物的粉碎程度、提取时间、温度、所使用的设备及所用溶剂等[5-6]。

野菊花为菊科植物野菊(Chrysanthemum indicum)的干燥头状花序，棕黄色，具有疏散风热、消肿解毒的药用价值[7-8]。本文以野菊花作为研究对象，采用溶剂法提取野菊花染料，研究不同提取剂、不同工艺对野菊花染料提取的影响，最终获得优化提取工艺参数，为相关企业提供基础数据。

1 试验部分

1.1 试验材料与仪器

1.1.1 试样

试验用染色测试对象为棉针织物。

1.1.2 试剂

试验用主要试剂如表1所示。

表1 主要试剂

1.1.3 仪器

试验用主要仪器如表2所示。

表2 主要仪器

1.2 试验方法

1.2.1 提取工艺试验

水提取试验步骤：取适量野菊花，用粉碎机粉碎。准确称取20 g野菊花粉末，置于1 L大烧杯中，加入500 mL去离子水，用电热套加热至100 ℃，恒温60 min。所得混合物经粗滤与抽滤后，滤液备用。

乙醇提取试验步骤：取适量野菊花，用粉碎机粉碎。准确称取20 g野菊花粉末，放入1 L的三口烧瓶中，加入500 mL乙醇，加热至80 ℃，保持回流60 min。所得混合物经粗滤与抽滤后，采用旋转蒸发方法回收滤液中的乙醇，最后用去离子水将滤液定容至500 mL备用。

单因素提取试验：分别改变野菊花与提取剂质量比(物料比)、提取温度、提取时间及提取时的pH值进行试验。对提取液进行吸光度测试和染色试验。

正交试验：根据单因素试验结果，选取较优条件进行4因素3水平正交试验。

1.2.2 染色试验

染色工艺：用电子天平准确称取2 g试样，分别使用直接染色法、预媒法、同媒法及后媒法4种染色方法在恒温水浴锅中进行染色试验。染色条件设定如下：浴比为1∶20，媒染剂(明矾1 g/L)2 mL。试样在染色后使用0.1 g/L皂洗液(皂洗剂5 mol/L)进行皂洗，浴比为1∶20，于水浴锅中70 ℃保温振荡10 min，之后冷水洗净、烘干备用。使用测色配色仪测试各试样的K/S值和L*、a*、b*、C及H值。

1.2.2.1 直接染色法工艺

室温下，将试样直接投入染液(未经pH调节的染液，pH值为5)，70 ℃恒温水浴保温振荡40 min。之后试样经水洗、皂洗、水洗和烘干，备用。染色工艺曲线如图1所示。

图1 直接染色法染色工艺曲线

1.2.2.2 同媒法染色工艺

室温下，依次将80 mL染液、2 mL媒染剂加入锥形瓶，摇匀，随后加入试样。将锥形瓶置于水浴锅中振荡，升温至70 ℃，保温振荡40 min。之后，试样经水洗、皂洗、水洗和烘干，备用。染色工艺曲线如图2所示。

图2 同媒法染色工艺曲线

1.2.2.3 后媒染色工艺

第一步：对试样进行直接染色，工艺同1.2.2.1节。

第二步：取80 mL去离子水于锥形瓶中，加入2 mL媒染剂，摇匀，放入试样。锥形瓶置于水浴锅中振荡升温至50 ℃进行媒染，媒染时间为30 min。之后，试样经水洗、皂洗、水洗和烘干，备用。染色工艺曲线如图3所示。

图3 后媒法染色工艺曲线

1.2.2.4 预媒法染色工艺

第一步：对试样进行媒染处理，工艺同1.2.2.3节第二步。

第二步：将处理过的试样置于80 mL染液中，振荡并升温至70 ℃，染色40 min。之后，试样经水洗、皂洗、水洗、烘干备用。染色工艺曲线如图4所示。

图4 预媒法染色工艺曲线

1.3 测试方法

1.3.1 提取液吸光度测试

精确移取0.5 mL野菊花提取液至50 mL容量瓶，加入去离子水摇匀定容。采用TU-1901型双光束紫外可见分光光度计测得野菊花提取液的吸光度。

1.3.2 染色织物K/S值及色度测试

采用Datacolor 800型电子测色配色仪测试各试样的K/S值及L*、a*、b*、C和H值，其中L*代表明度，全白物体可视为100，全黑物体则为0。a*值、b*值分别代表红绿色、黄蓝色。C值、H值分别为物体的彩度、色调。以红(+a)，绿(-a)，黄(+b)，蓝(-b)，偏鲜(+C)，偏暗(-C)，偏逆时针方向调(+H)和偏顺时针方向调(-H)来表示。测试中，将试样折叠成4层，对准测色窗口测色，每个试样测3次，取平均值。在电脑测配色仪器上测定试样的K/S值，计算式为

(1)

式中：R——有色试样趋于无限厚度的反射率；

K——有色物质的吸收系数；

S——散射系数。

1.3.3 染色织物摩擦牢度的测试

参照GB/T 3920-1997测试方法，采用耐摩擦色牢度测试仪测试染色织物的干/湿摩擦牢度。标准摩擦布为50 mm×50 mm的棉织物。测试时，标准摩擦布固定在测试仪的摩擦头上，待测试样固定在测试仪底板上，试样的长度方向与仪器的动程方向一致。

1.3.3.1 干摩擦牢度的测定

保持标准摩擦布经向与摩擦头运行方向呈45°角，在待测试样的长度方向上，10 s内摩擦10次，往复动程为100 mm，垂直压力为9 N。随后使用变色用灰色样卡与沾色用灰色样卡，评定试样干摩擦牢度与沾色级数。

1.3.3.2 湿摩擦牢度的测定

将标准摩擦布用蒸馏水浸湿，用耐摩擦牢度试验仪的轧液装置浸轧，使摩擦布带液率达100%。然后将湿摩擦布固定在耐摩擦色牢度试验仪的摩擦头上，保持摩擦布的经向与摩擦头运行方向呈45°角，在摩擦试样的长度方向上，10 s内摩擦10次，往复动程100 mm，垂直压力 9 N。试样晒干后，使用变色用灰色样卡与沾色用灰色样卡，评定试样的湿摩擦牢度与沾色级数。

1.3.4 皂洗牢度的测试

按照国标测试方法，使用5 g/L的十二烷基苯磺酸钠制备皂液。将皂液按照1∶20的比例加入水中，40 ℃的条件下，皂洗织物试样15 min。试样烘干后，用标准灰色样卡评定试样的皂洗牢度。

1.3.5 日晒牢度的测试

将试样置于日晒色牢度试验机(Xenon Test Chamber)中，于氙弧灯管下模拟日晒12 h后取出，用标准色样进行对比，评定试样日晒牢度。

1.3.6 抗紫外性能的测试

使用UV-2000型紫外线透过率分析仪测试染色织物试样的抗紫外性，紫外线波长范围为250 ～ 450 nm。每块试样测试3次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 不同提取剂的提取效果

分别使用乙醇与去离子水提取野菊花天然染料。结果表明，乙醇提取液产生许多不溶物，且对试样的染色效果不理想(易色花、有色渍)。而去离子水提取液均可上染试样，染色效果良好，故选取去离子水作为提取剂进行野菊花天然染料的提取。

2.2 单因素对野菊花天然染料提取的影响

2.2.1 物料比对提取效果的影响

在温度为100 ℃，提取时间为60 min，pH值为7，提取剂用量为100 mL条件下，改变物料比后，所得提取液的吸光度如图5所示。由图5可知，随着物料比逐渐增大，提取出的野菊花染料随之增多，从而提取液的最大吸光度增大。物料比由1∶100增大到1∶40的过程中，提取液的最大吸光度显著提高，继续增加物料比到1∶20，尽管最大吸光度有所提高，但增幅不大。考虑到成本因素，确定较佳的物料比为1∶40。

图5 不同物料比条件下提取液的吸光度曲线

2.2.2 pH值对提取效果的影响

在温度为100 ℃，提取时间为60 min，物料比为1∶40，提取剂用量为100 mL条件下，改变pH值后，所得提取液吸光度如图6所示。由图6可知，在中性条件下，野菊花染料的提取效果最差。加入酸或碱后，野菊花染料的最大吸光度波峰没有发生偏移，说明其在酸或碱中稳定。在所测 pH值范围内，pH值为9时，提取效果较好。

图6 不同pH值条件下提取液的吸光度曲线

2.2.3 提取时间对提取效果的影响

在温度为100 ℃，pH值为7，物料比为1∶40，提取剂用量为100 mL条件下，改变提取时间后，所得提取液的吸光度如图7所示。由图7可知。随着提取时间的逐渐增大，提取液的最大吸光度呈先增大后减小的趋势，提取时间为90 min时提取液的最大吸光度达最大值。若继续延长提取时间，野菊花中所含的染料由于受长时间高温作用，其结构可能被破坏，导致提取液的最大吸光度不增反降。

图7 不同提取时间下提取液的吸光度曲线

2.2.4 提取温度对提取效果的影响

在提取时间为60 min，pH值为7，物料比为1∶40，提取剂用量为100 mL条件下，改变温度后，所得提取液的吸光度如图8所示。由图8可知，随着提取温度的不断增加，提取液的最大吸光度呈上升趋势。提高提取温度，有利于野菊花天然染料的析出。当提取温度达100 ℃，溶液沸腾时，野菊花天然染料提取量最多。