五倍子天然色素在毛条染色中的应用

姚梦瑶，高晓艳，朱明广，赵丽丽，郭小云

(1.烟台南山学院 工学院，山东 烟台 265700； 2.山东南山智尚科技股份有限公司，山东 烟台 265700)

随着社会的发展和科技水平的提高，近年来人们开始崇尚绿色、环保、安全的生活方式。合成染料在生产和应用过程中产生了很多污染问题，如部分合成染料被检测出含有致癌物质，而天然染料对皮肤无过敏性和致癌性，而且还有较好的生物降解性和环境相容性，符合人们对生态纺织品的要求，因而受到广泛关注[1]。

五倍子是由五倍子蚜寄生在漆树科植物上形成[2]，经人工烘焙干燥后所得，一般做中药用，也可制成染料使用。五倍子的主要色素成分是鞣质，又称单宁，含量可高达70%以上。五倍子鞣质外形呈黄色或棕黄色粉末状。结构中含有较多的亲水性基团，易溶于极性强的水、乙醇或丙酮，不溶于亲脂性有机溶剂。鞣质的水溶液若遇Fe3+产生蓝黑色或绿黑色[3]。用于羊毛染色，加入含Fe3+的媒染剂可使色素分子牢固地固着在羊毛纤维上，也能获得良好的耐水洗色牢度和耐摩擦色牢度。五倍子也具有抗菌的作用[4]，运用其这一性能，可以生产一种具有抗菌性能的绿色生态纺织品。

羊毛具有吸湿性强、保暖性好、弹性好、光泽柔和、不易玷污等优良特性，因而深受广大消费者的青睐[5]。精纺生产系统中最常用的染色方式是毛条染色，本文研究用五倍子天然色素对毛条进行染色，为开发生态环保精纺羊毛产品提供参考。

1 实验部分

1.1 实验用品及仪器设备

精梳毛条(山东南山智尚科技股份有限公司)，五倍子(市购)，46.7%工业级乙醇，一次蒸馏水，工业级甲酸，203洗涤剂(非离子型)，工业级FeSO4·7H2O，工业级KAl(SO4)2·12H2O。

721分光光度计(宁波纺织仪器厂)，1 000 mL烧杯，小烧杯，胶头滴管，玻璃棒，HH-4水浴锅(宁波纺织仪器厂)，JA203H电子天平、LFY-49型耐摩擦色牢度仪(宁波纺织仪器厂)，SW-24D耐洗色牢度仪(莱州市电子仪器有限公司)，Datacolor800测色仪(美国Datacolor公司)。

1.2 五倍子色素的提取

选择溶剂法[6]提取五倍子色素，其操作简单、适用范围广、经济方便。天然染料一般用水作为提取溶剂，此外，五倍子鞣质也溶于极性很强的溶剂，如甲醇、乙醇等。与水提取比较，乙醇提取溶解出的水溶性杂质较少，提取液保存时间更长，而且水和乙醇可以充分混合，因此本文采用乙醇与水(体积比1∶7)的混合溶液进行提取。

电子天平上称取20 g市购五倍子，将其粉碎后放入烧杯中，按照浴比1∶20向烧杯中加入400 mL混合溶剂，常温下加盖浸泡2 h，之后再放入水浴锅中加热100 min，80 ℃下提取2 h，用150目网筛(孔径106 μm)将其中所含成分溶出过滤。重复提取2次，混合2次所得提取液，加热浓缩后得到五倍子色素染液。

1.3 染色工艺设计

1.3.1 五倍子色素的染色方法

天然染料的染色方法有直接染色法和媒染法，媒染法又分为预媒法、同媒法和后媒法[7]。为了研究不同的染色方法对五倍子色素染色效果的影响，设置了以下实验：分别采用直接染色、预媒法、同媒法和后媒法对5 g精梳毛条进行染色，媒染法中使用的媒染剂是FeSO4·7H2O。染色后，使用分光光度计测试毛条的K/S值以评价其染色效果，参照GB/T 3921—2008《纺织品 色牢度试验 耐皂洗色牢度》和GB/T 3920—2008《纺织品 色牢度试验 耐摩擦色牢度》测试其耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度[8]。

1.3.1.1 直接染色工艺

按1∶40的浴比配置染液，用甲酸调节pH值至6，设置染色温度为98 ℃，染色时间为60 min，40 ℃起染。染色工艺曲线如图1所示。

图1 直接染色工艺曲线

1.3.1.2 预媒法染色工艺

按1∶40的浴比配置染液，用甲酸调节pH值至6，设置媒染温度为70 ℃，媒色时间为30 min，初始温度40 ℃；设置染色温度为98 ℃，染色时间为60 min，媒染降温至40 ℃起染。染色工艺曲线如图2所示。

图2 预媒法染色工艺曲线

1.3.1.3 同媒法染色工艺

按1∶40的浴比配置染液，用甲酸调节pH值至6，设置染色温度为98 ℃，染色时间为60 min，40 ℃起染。染色工艺曲线如图3所示。

图3 同媒法染色工艺曲线

1.3.1.4 后媒法染色工艺

按1∶40的浴比配置染液，用甲酸调节pH值至6，设置染色温度为98 ℃，染色时间为60 min，初始温度40 ℃；设置媒染温度为70 ℃，媒染时间为30 min，媒染降温至40 ℃起染。染色工艺曲线如图4所示。

图4 后媒法染色工艺曲线

1.3.2 五倍子天然色素染毛条的染色工艺

优选得到最佳的染色方法后，为了得到五倍子天然色素上染毛条的最佳染色工艺，针对媒染剂种类及用量、染色pH值、染料用量、染色温度、媒染时间等设置了单因素实验。采用不同的染色条件后，测试毛条的K/S值、耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度。

2 实验结果与讨论

2.1 不同染色方法的影响

不同染色方法的染色结果如表1所示。

由表1示出，直接染色的毛条获得了颜色不明显的黄色，其K/S值最小，后媒法染色法染色K/S值最大，所得到的毛条颜色最深，同媒法染色所染毛条颜色次之，预媒法染色法获得的毛条颜色与同媒法染色和后媒法染色染出的毛条有较明显的色差；直接染色获得的毛条的色牢度较差，无法达到国家标准；而媒染染色所得到的毛条，耐摩擦色牢度和耐皂洗色牢度均能达到4级及以上。

同媒法染色法和后媒法染色法获得的毛条颜色相近，但是同媒法染色法获得的毛条色牢度稍差于后媒法所染的毛条。综合分析，后媒法染色时，五倍子色素能更好地固着在羊毛纤维上，染色牢度好，染色效果最佳。因此确定五倍子染料的染色方法为后媒法染色。

2.2 媒染剂种类及用量对染色效果的影响

常用的媒染剂包括铝媒染剂，如明矾；铜媒染剂，如醋酸铜、硫酸铜；铁媒染剂，如醋酸亚铁、硫酸亚铁等[9]。五倍子染料中鞣质的水溶液若遇Fe2+会产生蓝黑色或绿黑色。秉持绿色环保、维持生态可平衡发展的理念，本文实验选用明矾和硫酸亚铁(绿矾)作为媒染剂，2种媒染剂在不同用量下进行后媒染法染色，浴比1∶40，用甲酸调节pH值至6，初始温度40 ℃，染色温度为98 ℃，染色时间为60 min，媒染温度为70 ℃，媒染时间为30 min。染色后，测试样品的K/S值、耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度，结果如表2所示。

由表2示出，2种媒染剂染色所得的结果有较大差异，KAl(SO4)2媒染毛条颜色为淡黄色系，颜色较浅；而FeSO4染毛条颜色为灰紫色系，颜色较深。此外，染液中硫酸亚铁还原后的Fe2+电场最高，形成络合物的稳定性越好，相对应的染色牢度和K/S值也最高，因此硫酸亚铁作为媒染剂的染色效果较好，且当其用量为5%(owf)时，所染毛条的色牢度达到4级，符合要求，从而确定采用5%(owf)的硫酸亚铁作为五倍子天然色素染毛条的媒染剂。

2.3 pH值对染色效果的影响

根据羊毛耐酸不耐碱的特性，采用5%(owf)的硫酸亚铁作为媒染剂进行后媒染法染色，浴比为1∶40，初始温度40 ℃，染色温度为98 ℃，染色时间为60 min，媒染温度为70 ℃，媒染时间为30 min。对在不同pH值(2～6)条件下染色后的毛条进行K/S值和色牢度测试，以确定最佳的pH值。pH值对染色效果的影响见表3。

表3 pH值对染色效果的影响

由表3示出，pH值为2时，毛条的K/S值最低，说明上染百分率最低，表明在强酸环境中五倍子色素的染色效果很差，在弱酸(pH值3～5)环境中染色效果好，在pH值为6时，上染百分率有所下降，说明在pH值为5时毛条得色最深。在色牢度测试中，pH值在4和5时染得的毛条色牢度都达到了4级以上。结合色牢度和K/S值实验结果，确定五倍子染色的最佳染色pH值为5。

2.4 五倍子色素用量对染色效果的影响

适当的染料用量可以有效节约染料的成本和提高染料利用率。采用5%(owf)的硫酸亚铁作为媒染剂进行后媒染法染色，浴比1∶40，用甲酸将pH值调节为5，初始温度40 ℃，染色温度为98 ℃，染色时间为60 min，媒染温度为70 ℃，媒染时间为30 min。五倍子色素用量对染色效果的影响如表4所示。

表4 五倍子色素用量对染色效果的影响

由表4示出，随着五倍子色素用量的增加，染色后毛条的K/S值先增大后减小，这是由于在五倍子染液中，一定质量的毛条所吸收的染料分子已达到饱和状态，此时过高的染料用量反而会使色素更多地残留在染液中，不能节约染色成本，上染百分率也会降低。因此确定最佳染料用量为10%(owf)。

2.5 染色温度对染色效果的影响

采用5%(owf)的硫酸亚铁作为媒染剂进行后媒染法染色，浴比1∶40，用甲酸将pH值调整为5，初始温度40 ℃，染色温度为70、80、90、98 ℃，染色时间为60 min，媒染温度为70 ℃，媒染时间为30 min。染色温度对染色效果的影响结果如表5所示。

表5 染色温度对染色效果的影响

由表5可知，染色温度对染料的上染百分率和色牢度有很大的影响。在70 ℃低温染色时，K/S值最低，98 ℃时K/S值最大。虽然实验结果显示毛条的K/S值随着染色温度的提高不断增加，但染色时过高的温度会引起羊毛泛黄、强力下降、染色后毛条的手感和光泽也会大打折扣。因此染色温度选择在98 ℃，既保证不损伤羊毛纤维，也能获得较好的上染百分率。而且98 ℃时染得的毛条的耐皂洗色牢度及湿耐摩擦色牢度达到了4级，符合要求。

2.6 媒染时间对染色效果的影响

采用5%(owf)的硫酸亚铁作为媒染剂进行后媒染法染色，浴比1∶40，用甲酸将pH值调整为5，初始温度40 ℃，染色温度为98 ℃，染色时间为60 min，媒染温度为70 ℃，设置媒染时间10、20、30、45 min，分别进行染色实验并测试K/S值以及色牢度，结果如表6所示。

表6 媒染时间对染色效果的影响

实验结果发现，在后媒染色过程中，随着媒染时间的增加，K/S值逐渐增加后趋于稳定。由表6可知，媒染时间为30 min时，染色毛条的K/S值最高，且耐摩擦色牢度和耐皂洗色牢度评级可以达到4级，因此确定最佳媒染时间为30 min。

3 结 论

通过实验，得到的五倍子染料上染毛条的最佳工艺如下：

①确定后媒法染色作为五倍子染料上染毛条的最佳染色方法。加入媒染剂可提高染色毛条色牢度，选用媒染剂为硫酸亚铁。

②通过各项单因素实验结果分析，确定五倍子染料的最佳染色工艺为后媒法染染色工艺：浴比1∶40，染液pH值5，始染温度40 ℃，缓慢升温至98 ℃，五倍子色素用量10%(owf)，保温60 min，后取出毛条，进行水洗，后媒染过程中升温至 70 ℃，加入5%(owf)的硫酸亚铁媒染处理30 min，最后进行皂洗、水洗、烘干。

生产灰紫色系的毛精纺面料时，可以尝试使用五倍子天然色素采用上述工艺进行染色，以更加凸显其生态环保性能。