杉树叶色素的提取及其在桑蚕丝和棉织物上的应用

朱笑吉，朱卫明，余志成,2，宋凯利,2

(1.浙江理工大学 生态染整技术教育部工程研究中心，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大学 先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室，浙江 杭州 310018)

植物染料染色是指利用自然界中的花、草、树木的茎、叶、果实、种子、皮、根提取色素对织物进行染色的一种方法，是我国古代染色工艺的主流。19世纪中叶合成染料的出现，植物染料逐渐被替代。合成染料与植物染料相比，色谱齐全、工艺简单、重现性好、色牢度高且成本低廉。近年来，随着人们环境意识的增强及对人类身体健康的重视，天然染料又逐渐被人们重视起来[1-3]。

研究表明，多种化学染料能够产生致癌物质[4]，而天然染料无毒、无害、无污染，具有较好的生物可降解性，与环境有较好的相容性。因此，用天然染料代替有毒或污染环境的合成染料，是未来发展的趋势[5-6]。植物染料具有可生物降解、与环境相容性好等优异性能，日益成为纺织品领域新型染料研发的重点[7]。天然染料中有些中草药植物染料本身具有药用价值，染色后的织物还具有抗菌、消炎、抗紫外线等功能，深受人们的喜爱[8-9]。

本文提取杉树叶天然色素作为植物染料，对桑蚕丝织物、棉织物进行染色，通过正交试验得出了染色的最佳工艺条件，测试了最佳工艺染色织物的各项色牢度及染色织物的抗紫外线性能，以期对杉树叶色素的应用提供参考。

1 试验部分

1.1 试验材料及设备

材料：桑蚕丝织物(面密度40.305 g/m2，浙江嘉欣丝绸有限公司)；棉织物(面密度95.304 g/m2，浙江嘉欣丝绸有限公司)；杉树叶(浙江理工大学校园杉树落叶)。

药品：Na2CO3(成都市科龙化工试剂厂)、皂片(上海制皂厂)、稀土(上海麦克林生化科技有限公司)、固色剂A(市售)。

仪器：MP502B型ARA520电子天平(奥豪斯公司)、pHS-3C型pH计(上海晶磁仪器有限公司)、DYE-24型红外线染色试样机(美国Data Color公司)、Lambda35型紫外可见光分光光度计(美国铂金埃尔默公司)、SF600-Plus型计算机测色配色仪(美国Data Color公司)、ATLAS-1505型日晒牢度仪(德国ATLAS有限公司)、纺织品抗紫外因子测试仪(美国Lzbsp Here公司)、DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱(上海一恒科技有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 杉树叶色素的提取

先将杉树叶彻底洗净，然后在烘箱中烘干。浴比1∶20，用10 g/L碳酸钠做提取剂，在100 ℃条件下提取60 min。将提取得到的杉树叶色素提取液放置15 min，然后抽滤，进行后续的染色实验[10]。

1.2.2 杉树叶色素提取液对桑蚕丝织物、棉织物的染色

采用不同染色方法(直接染色、预媒染、同浴媒染、后媒染)将杉树叶色素提取液对桑蚕丝织物、棉织物进行染色，得到最佳染色方法。

直接染色：浴比1∶50，在一定温度下染色一定时间，加入一定量元明粉促染，染色结束后水洗烘干。

预媒染：用1 g/L的稀土媒染剂配制媒染染液，浴比1∶50，将织物浸入，80 ℃下媒染30 min，升温速率2 ℃/min。然后再将织物投入浴比1∶50的杉树叶色素染液中于90 ℃染色60 min，水洗烘干。

同浴媒染工艺：将润湿后的织物，浸入到浴比1∶50的杉树叶色素染液中，将1 g/L的稀土媒染剂加入杉树叶色素染液中，90 ℃染色60 min，升温速率2 ℃/min,水洗烘干。

后媒染工艺：将润湿后的织物，浸入到浴比1∶50的杉树叶色素染液中，90 ℃染色60 min，升温速率2 ℃/min；再将织物取出，浸入到浴比1∶50，用1 g/L的稀土媒染剂配制媒染染液，80 ℃媒染30 min，水洗烘干。

固色方法：稀土媒染剂染色后，加入5%(owf)固色剂，在35 ℃下固色15 min，浴比1∶40，固色后直接烘干，不能冲洗。

1.3 性能测试

1.3.1 吸光度测试

取杉树叶色素提取液2 mL，用蒸馏水稀释至100 mL，用紫外-可见分光光度计测量其在350～800 nm范围内的吸光度。

1.3.2 染色K/S值

采用SF600X型计算机测色配色仪，分别测定不同工艺下桑蚕丝织物与棉织物的K/S值及L*、a*、b*、c*、h值。测试条件：D65光源，10°观测角下进行测试,试样折叠4层，测3次，取其平均值。

1.3.3 色牢度

根据GB/T 3921—2008 《纺织品 色牢度试验 耐洗色牢度》测试织物的耐洗色牢度。根据GB/T 8427—1997《纺织品 色牢度试验 耐光色牢度：日光》测试织物的耐日晒色牢度，根据桑蚕丝织物与棉织物的变色情况进行评级。

1.3.4 抗紫外线性能

根据GB/T 17032—1997《纺织品 织物紫外线透过率的试验方法》对染色织物及皂洗10次后织物进行抗紫外线测试，计算织物洗涤10次后的抗紫外线保持率。

2 试验结果与讨论

2.1 杉树叶色素提取液的吸收光谱

将杉树叶在浴比1∶20，碳酸钠质量浓度10 g/L，100 ℃条件下提取60 min后，过滤除去残渣，得到杉树叶色素提取液。将提取液稀释50倍，进行吸光度测试，结果如图1所示。可以看出，提取得到的杉树叶色素最大吸收波长为521 nm，说明该染料为红棕色。

图1 杉树叶色素提取液的吸收光谱

2.2 染色方法对染色效果的影响

用杉树叶色素提取液对桑蚕丝织物、棉织物进行染色(直接染色、预媒染、同浴媒染和后媒染)。直接染色：浴比1∶50，染料用量30%(杉树叶色素提取液为100%，提取液稀释3.33倍，即30%)、pH值7，在90 ℃条件下染色60 min。预媒染：用1 g/L的稀土媒染剂配制媒染染液，浴比1∶50，将织物浸入，80 ℃媒染染液下媒染30 min；然后再将织物投入浴比1∶50的杉树叶色素染液中于90 ℃染色60 min，水洗烘干。同浴媒染：将润湿后的织物，浸入到浴比1∶50的杉树叶色素染液中，将1 g/L的稀土媒染剂加入杉树叶色素染液中，90 ℃染色60 min，水洗烘干。后媒染：将润湿后的织物，浸入到浴比1∶50的杉树叶色素染液中，90 ℃染色60 min；再将织物取出，浸入到浴比1∶50，用1 g/L的稀土媒染剂配制媒染染液，80 ℃媒染30 min，水洗烘干。

比较不同染色方法下，织物的K/S值及L*、a*、b*、c*、h值，结果如表1所示。从表1可以看出，杉树叶色素提取液对桑蚕丝织物、棉织物直接染色时织物的K/S值较低，这是因为杉树叶色素属于黄酮类染料，对桑蚕丝、棉纤维的直接上染率较低。媒染染色后，桑蚕丝织物、棉织物的K/S值有较大幅度的提高，这是因为通过媒染剂的架桥作用，增加了杉树叶色素与纤维之间的直接性。相比较，3种媒染方法中后媒染染色织物的K/S值最高，染色效果较佳。

表1 不同染色方法对桑蚕丝织物、棉织物颜色特征值的影响

2.3 染色工艺的优化

2.3.1 温度对染色效果的影响

浴比1∶50，染料用量30%，染色时间60 min、染液pH值4.5、元明粉质量浓度15 g/L，稀土质量浓度1 g/L，媒染温度80 ℃，媒染时间30 min，不同的染色温度(80、90、100 ℃)条件下，对桑蚕丝织物及棉织物进行染色后媒染染色，染色温度对织物颜色特征值的影响如表2所示。

表2 染色温度对桑蚕丝织物、棉织物颜色特征值的影响

从表2可知，随着染色温度的提高，桑蚕丝织物的K/S值增大，这是因为随着温度升高，染料聚集度下降，纤维溶胀程度增加，有利于染料从纤维表面扩散到纤维内部。当染色温度为100 ℃时，桑蚕丝织物的K/S值最高，染色效果最佳。随着染色温度提高，棉织物K/S值提高，这是因为升高温度会降低染料的聚集度，且纤维的溶胀程度也会增加，更有利于染料从纤维表面扩散到纤维内部。染色温度为90 ℃时，棉织物的K/S值最高，染色效果最佳。

2.3.2 pH值对染色效果的影响

浴比1∶50，用染料用量30%，在一定的染色温度(桑蚕丝100 ℃、棉90 ℃)、染色时间 60 min、元明粉质量浓度15 g/L，稀土质量浓度1 g/L，媒染温度80 ℃，媒染时间30 min条件下，不同的染色pH值(4.5、5.5、6.5)条件下采用后媒染方法染色，染色织物的颜色特征值如表3所示。

表3 pH值对桑蚕丝织物、棉织物颜色特征值的影响

从表3可知，pH值较低时，杉树叶色素对桑蚕丝织物、棉织物染色K/S值较高，随着染色pH值的提高，染色K/S值降低；当染色pH值为4.5时，染色K/S值最高，染色桑蚕丝织物的a*值、b*值达到最大值，染色效果最佳。

2.3.3 元明粉质量浓度对染色效果的影响

浴比1∶50，染料用量30%，在一定的染色温度(桑蚕丝100 ℃、棉90 ℃)、染色时间 60 min、pH值4.5，稀土质量浓度1 g/L，媒染温度80 ℃，媒染时间30 min，不同元明粉质量浓度(0、5、10、15、20 g/L)条件下，对织物采用后媒染染色方法，考察元明粉质量浓度对染色效果的影响，结果见表4。

从表4可知，不加元明粉时，杉树叶色素对桑蚕丝织物染色K/S值较低；随着元明粉质量浓度的增加，桑蚕丝织物染色K/S值提高，元明粉质量浓度20 g/L时，桑蚕丝织物染色K/S值最高，染色效果最佳。不加入元明粉时，杉树叶色素对棉织物染色K/S值较低，随着元明粉质量浓度的提高，棉织物染色K/S值提高，元明粉质量浓度15 g/L时，棉织物K/S值最高，a*值、b*值最大，染色效果最佳。

表4 元明粉质量浓度对染桑蚕丝织物、棉织物颜色特征值的影响

2.3.4 媒染剂对染色效果的影响

在浴比1∶50，染料用量30%，在一定的染色温度(桑蚕丝100 ℃、棉90 ℃)、染色时间(60 min)、染色pH值(4.5)、元明粉用量(桑蚕丝20 g/L、棉15 g/L)条件下染色。然后用媒染剂稀土1 g/L在80 ℃下处理30 min进行后媒染。考察染色时媒染剂对染色效果的影响。实验发现：未用媒染剂染色的桑蚕丝、棉织物的K/S值分别为1.39、0.05，而媒染后的桑蚕丝、棉织物的K/S值分别为5.69、2.31，明显高于未用媒染剂染色的织物的K/S值。说明用媒染剂后染色效果更佳。

2.4 染色织物的色牢度

为了提高桑蚕丝织物、棉织物的染色牢度，选用固色剂A进行固色。固色方法：用稀土媒染剂进行后媒染染色后，加入5%(owf)固色剂，在35 ℃下固色15 min，浴比1∶40，固色后直接烘干，不能冲洗。固色前后织物的耐皂洗色牢度和耐日晒色牢度测试结果如表5所示。

表5 染色后耐皂洗、耐日晒色牢度 级

从表5可以看出，经稀土媒染剂媒染后，杉树叶天然染料染色织物的耐皂洗色牢度在固色前后差别不大，耐皂洗色牢度均能达到3级。经稀土媒染剂媒染后杉树叶提取天然染料染色的耐日晒色牢度中未固色的棉、桑蚕丝织物的耐日晒色牢度都较差；而经过固色后的杉树叶提取液染色织物的耐日晒色牢度均有提高，均能达到3级。

2.5 染色织物的抗紫外线性能

将在上述试验中，发现杉树叶提取液在浴比1∶50，染料用量30%，在100 ℃的条件下染色60 min，染色pH值4.5，元明粉用量20 g/L的条件下染桑蚕丝织物效果最佳；其他条件相同，染色温度90 ℃，元明粉用量15 g/L染棉织物效果最佳。因此以最佳工艺为基础，探讨杉树叶色素染色桑蚕丝、棉织物的抗紫外线性能。测定稀土媒染剂通过后媒染染色后桑蚕丝织物、棉织物的紫外线防护系数(UPF值)，实验结果见表6。

表6 后媒染染色后桑蚕丝、棉织物抗紫外线效果

从表6可以看出，桑蚕丝织物使用媒染剂进行后媒染染色，所得UPF值达到308.38；未媒染染色桑蚕丝织物的UPF值仅为7.06，所以杉树叶色素提取液染色对桑蚕丝织物的抗紫外线性能有较大的提高，皂洗10次后UPF值仍然较高，达259.94。棉织物用稀土媒染后的UPF值可以达到678，而未媒染染色棉织物的UPF值仅为40.26，皂洗10次后UPF值仍然很高，达630.49。由此可以看出杉树叶色素提取液染色织物的抗紫外线性能优异。

3 结束语

本文以10 g/L碳酸钠对杉树叶进行提取得到杉树叶天然色素，并用于桑蚕丝、棉织物的染色。通过紫外光谱分析确定了提取液最大吸收波长。探讨了杉树叶色素对桑蚕丝织物、棉织物染色的最佳染色工艺，研究了染色温度、pH值、元明粉用量以及媒染剂对染色效果的影响，优化了染色工艺，测试了染色织物的抗紫外线效果，同时对染色织物的耐皂洗色牢度和耐日晒色牢度进行了评价，得出了以下结论。

①杉树叶提取的天然染料最大吸收波长是521 nm，颜色为红棕色。

②杉树叶提取液对桑蚕丝织物的最佳染色工艺为：浴比1∶50，染料用量30%，在100 ℃条件下染色60 min，染色pH值4.5，元明粉质量浓度20 g/L的条件下染色。对棉织物的最佳染色工艺为：浴比1∶50，染料用量30%，在90 ℃条件下染色60 min，染色pH值4.5，元明粉用量15 g/L的条件下染色。然后用媒染剂稀土1 g/L在80 ℃下处理30 min进行后媒染。

③固色剂A对织物进行固色处理，可提高耐日晒色牢度1～2级，耐皂洗色牢度提高0.5～1.0级。经过固色后，杉树叶色素提取液染色的桑蚕丝织物、棉织物耐皂洗色牢度与耐日晒色牢度均能达到3级；杉树叶色素提取液对桑蚕丝织物及棉织物染色可达到较好的耐皂洗色牢度，均在3级以上，耐日晒色牢度有待提高。

④杉树叶色素提取液可赋予桑蚕丝织物及棉织物优异的抗紫外线效果，经过10次洗涤后其UPF值未发生明显降低。桑蚕丝织物、棉织物经稀土媒染所得的UPF值较高，桑蚕丝织物的UPF值为308.38，皂洗10次后UPF值仍较高，为259.94；棉织物的UPF值为678.00，皂洗10次后UPF值仍很高，为630.49。因此杉树叶色素提取液可作为抗紫外线功能性染料用于纺织行业。