石榴皮染料对酶预处理棉针织物染色性能的研究

赵 宽，杨诗怡，侯秀良

(1.江阴职业技术学院 环境与材料工程系，江苏 江阴 214405；2.生态纺织教育部重点实验室(江南大学)，江苏 无锡 214122)

天然染料绿色环保，对人体无毒无害，具有良好的生物降解性和环境相容性，采用天然染料对麻、棉织物进行染色，开发纯天然纺织品符合生态纺织品开发的需求[1-2]。

石榴皮是石榴的干燥果皮，性酸、味涩,具有涩肠止泻、止血、驱虫之功效。石榴果皮中含有大量的天然黄色素，其主要成分是石榴多酚[ 3]，具有一定的抗菌、抗病毒、消炎等特性[ 4]。棉织物生物酶处理条件缓和，不仅十分安全放心，而且也不会对生态环境造成影响和破坏，经过纤维素酶处理后的织物手感十分的柔软和舒适，能够提高织物的附加值，因而人们越来越将注意力放在棉织物的生物酶处理技术上[5-6]。

前人对于从植物中提取天然色素已进行了有关探索，但是采用破壁法从石榴皮中提取石榴皮染料尚为空白，石榴皮染料对酶预处理过的棉针织物的染色性能亦鲜有研究。本文主要研究采用破壁法从石榴皮中提取石榴皮染料的最佳工艺，并研究使用该染料染酶预处理棉针织物，分析其染色性能。

1 实验部分

1.1 实验原料

棉针织物(28 tex纯棉纱，纬平针组织，横密41.6行/(5 cm)，纵密52.6列/(5 cm)，每小块11.2 g)、干燥石榴皮(自然晒干)。

1.2 化学试剂

去离子水、明矾(KAl(SO4)2·12H2O，分析纯，苏州信清科技有限公司)、冰醋酸(CH3COOH，分析纯，茂名市雄大化工有限公司)、纤维素酶(江苏锐阳生物科技有限公司)。

1.3 实验仪器

WFB-E16型细胞破壁机(江门市西屋小家电有限公司)，TG1650-WS型台式高速离心机(上海卢湘仪离心机仪器有限公司)，EL204型电子天平(梅特勒-托利多仪器有限公司)，Color-eye7000A Spectrophotometer电脑测配色系统(美国Macbeth公司)，EL20型pH计(梅特勒-托利多仪器有限公司)，TU-1901型紫外分光光度计(北京普析通用仪器有限公司)，SW-12AⅡ型耐洗色牢度试验机(温州大荣纺织标准仪器厂)，Y(B)571Ⅱ型耐摩擦牢度仪(温州大荣纺织标准仪器厂)，HD026N+型电子织物强力仪(南通宏大实验仪器有限公司)，Y522型圆盘式织物耐磨仪(温州方圆仪器有限公司)。

1.4 优化石榴皮染料提取条件实验

包括石榴皮在内的天然植物染料的提取方法有热浸提法、超声法、高速破壁法等，其中高速破壁法最优[7]，料液比选择1∶30[8]。通过本文实验，获得高速破壁法提取石榴皮染料的最佳工艺条件。

1.4.1 提取时间对吸光度的影响

将干燥石榴皮在细胞破壁机中进行破壁处理，在相同温度下分别将石榴皮破壁处理12、18、24、30、36和42 min，提取石榴皮色素。提取过后将浊液取出，取10 mL进行离心处理，离心机转速为12 000 r/min，时间为15 min，离心处理后取约4 mL上层清液，在常温下将溶液稀释500倍。用紫外可见分光光度计对不同提取方法所提取出的稀释溶液进行光谱扫描。扫描后将得出的数据导出后画出不同条件下提取液的吸光度的图形，进行直观的分析和比较。

1.4.2 提取温度对吸光度的影响

将破壁机调为保温模式，分别将温度设置为60、70、80、90 ℃，达到温度后将石榴皮在细胞破壁机中进行40 min的破壁处理。之后实验过程同上。

1.5 纤维素酶预处理、染色及颜色特征测试

1.5.1 预处理

预处理处方如下：纤维素酶质量浓度15 g/L，浴比1∶15，温度45 ℃，pH值(冰醋酸调节)4.5，处理时间180 min。预处理工艺曲线见图1。

图1 预处理工艺曲线

1.5.2 染 色

媒染剂可以提高石榴皮染料的染色牢度，常用的媒染剂有硫酸亚铁、氯化亚锡、重铬酸钾、明矾等，经对比发现铝媒染和铜媒染染出的颜色较为鲜艳明朗，但是Cu2 +对纤维素酶有抑制作用，最后选用明矾作为媒染剂[9]。

将媒染剂和染料一并投入到染浴中处理织物，选用同浴媒染法进行染色[10]。

染色实验共分为4组进行，第1组为酶处理铝离子媒染实验，第2组为酶处理直接染实验(除无明矾以外，同第1组实验)，第3、4组实验为第1、2组实验未进行酶处理的对照实验组。

酶处理铝离子媒染实验工艺处方：采用高速破壁法以上述最佳工艺处理后，经过滤烘干提取石榴皮染料，并配制成16 g/L的石榴皮染液，明矾质量浓度25 g/L，pH值4，浴比1∶30，染色温度95 ℃，染色时间50 min。酶处理铝离子媒染实验染色工艺曲线见图2。

图2 酶处理铝离子媒染实验染色工艺曲线

1.5.3 染色后织物颜色特征测试

将染色后的样品置于标准条件下预处理24 h，D65光源，测定其K/S值以及颜色特征值L*、a*、b*、c*，试样的每个颜色特征值分别选取5个测试点的平均值。

1.6 石榴皮染色棉针织物的性能测试

1.6.1 色牢度测试

染色织物的耐皂洗色牢度根据GB/T 3921—2008《纺织品 色牢度试验 耐皂洗色牢度》测定，耐摩擦色牢度根据GB/T 3920—2008《纺织品 色牢度试验 耐摩擦色牢度》测定，色牢度的变色等级依据GB/T 250—2008《纺织品 色牢度试验 评定变色用灰色样卡》评定，色牢度的沾色等级依据GB/T 251—2008《纺织品 色牢度试验 评定沾色用灰色样卡》评定。

1.6.2 顶破强力测试

根据GB/T 19976—2005《纺织品 顶破强力的测定 钢球法》测试织物的顶破强力。

1.6.3 耐磨性测试

根据GB/T 21196.3—2007《纺织品 马丁代尔法织物耐磨性的测定 第3部分：质量损失的测定》测试织物的耐磨性。

2 结果与讨论

2.1 石榴皮染料提取的最佳条件

将不同条件下提取出的石榴皮染料稀释后借助分光光度法，通过比较各组的吸光度来得出最佳提取条件。由比尔-朗伯定律，当光通过石榴皮染料稀释液时，光的减弱程度正比于光通过介质的光程，实验分为细胞破壁提取时间在12、18、24、30、36、42 min下的吸光度，测得在42 min时所提溶液吸光度最高，但是随着提取时间的增加，吸光度虽然逐渐增加，但增长速度已经十分缓慢，综合考虑成本问题，取40 min左右为宜。

在温度为60、70、80、90 ℃ 4种温度下提取石榴皮色素的吸光度曲线，60 ℃条件下吸光度最低，其他3组不同提取温度下提取液的吸光度差异并不明显，经仔细对比发现80 ℃时吸光度稍高于其他几组，由此可认为在较高温度下所提取出物质的量影响不大。

2.2 染色后棉针织物的性能分析

2.2.1 颜色特征值分析

不同染色方式下棉针织物的颜色特征值的测试结果见表1。可以看出，经过纤维素酶预处理后的织物K/S值较大，颜色更深，未经过酶处理直接上染的织物的K/S值较小，说明纤维素酶预处理可以一定程度上提高上染百分率，而有铝媒染剂处理的样品，经纤维素酶预处理的染色效果提升更为明显。这是因为棉纤维在纤维素酶的作用下，表面部分纤维素水解，部分地改变了分子组织排列结构，使纤维的无定形区增加，结晶度下降，使得染色织物颜色特征值升高。

表1 不同染色方式下棉针织物对应的颜色特征值

2.2.2 色牢度分析

纤维素酶预处理石榴皮染色棉针织物的色牢度检测结果见表2。可以看出，经过纤维素酶预处理试样的色牢度符合要求，且媒染剂的使用使样品的色牢度有所提高。一方面棉纤维经过纤维素酶处理以后，染料更加容易渗透进纤维内部，且结合力得到提升；另一方面是铝媒染过程中媒染剂的铝离子作为中心离子，和棉织物、石榴皮染料分子中的配位基团形成配合，提高了染料分子对棉纤维的附着力，因此提高了色牢度[11]。

表2 纤维素酶预处理石榴皮色牢度检测

2.2.3 顶破强力分析

经测试，未经过酶处理铝媒染织物的平均顶破强力是64.2 N,顶破高度是17.312 mm，纤维素酶处理铝媒染织物的平均顶破强力是59.9 N,顶破高度是16.362 mm，分析实验结果可知，经过纤维素酶预处理的样品比未处理过的试样的顶破强力和顶破高度都变小了，可知纤维素酶预处理导致了棉纤维中的部分纤维素水解，从而导致织物强力下降，但总体织物强力下降幅度不大。

2.2.4 耐磨性分析

织物耐磨性实验数据见表3。由表3可以看出，纤维素酶处理会降低织物的耐磨性，但是耐磨性降低的幅度不大，在实际生产中基本可以接受，这是因为在纤维素酶处理过程中，一方面纤维的物理性能受到了损伤，降低了耐磨性；而另一方面使得纤维光滑度得到了提高，提高了耐磨性。

表3 织物耐磨性实验数据

3 结 论

石榴皮具有一定的抗菌、抗病毒、消炎等特性，从石榴皮中提取石榴皮染料，采用破壁机提取的方法效率比较高，其最佳提取条件为提取温度80 ℃、提取时间40 min。

棉针织物在经过纤维素酶预处理后，织物K/S值较大，颜色更深，石榴皮染料对其上染百分率有所提高，其耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度均符合要求；采用纤维素酶处理铝媒染方法与纤维素酶处理直接染方法相比，铝媒染织物的上染百分率和色牢度更佳；实验结果表明：经纤维素酶处理后的棉针织物，其强力和耐磨性没有产生很大损伤，特别是耐磨性，纤维因酶处理受到少许损伤的同时，纤维光滑程度得到了提高，所以影响极小。