虎杖天然染料的提取及其對(duì)棉織物的染色
張偉偉1,高佩佩1,呂國良1,余志成1,楊波2,代秀瓊2
(1.浙江理工大學(xué)先進(jìn)紡織材料與制備技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州310018;2.浙江嘉得萊有限公司,浙江義烏322007)
中圖分類號(hào):TS193.62文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
0前言
研究應(yīng)用天然染料染色,既符合科學(xué)的發(fā)展觀,也是綠色生態(tài)紡織的需求。但目前對(duì)天然染料的研究還剛剛起步,存在一些不足,如色譜不全,色牢度差,染料利用率不高等,而這些問在天然染料染棉等織物時(shí)尤其突出。
本文中的虎杖為常用中藥,價(jià)格低廉,來源于蓼科植物,其性微苦、微寒,具有祛風(fēng)利濕,散瘀定痛,止咳化痰等功效。虎杖提取物作為一種天然色素,色澤自然、安全無毒,又具有抗氧化、穩(wěn)定性高、抑菌作用強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),因此,其作為天然染料在紡織染整上的應(yīng)用必將有很大的開發(fā)前景。為了從虎杖中得到盡可能多的天然染料以及改善其對(duì)棉織物的染色性能,實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究了虎杖天然染料的提取、棉織物的陽離子改性以及染色工藝,最終實(shí)現(xiàn)了虎杖天然染料在棉織物上的成功應(yīng)用。
1實(shí)驗(yàn)部分
1.1材料、藥品與儀器
材料:100%純棉織物、虎杖(杭州中藥飲片廠)。
藥品:冰醋酸(AR)、氫氧化鈉(AR)、提取促進(jìn)劑ZS-1(AR)、陽離子改性劑G(自制)。
儀器:TS-2型振蕩水浴鍋(國華企業(yè)),IR-12型紅外線染色機(jī)(杭州三錦科技有限公司),CARY50conc型紫外可見光分光光度計(jì)(美國瓦里安公司),pHS-2C型精密pH計(jì)(上海科),SF600X計(jì)算機(jī)測色配色儀(Datacolor),Nicolet.5700傅里葉紅外光譜儀(美國熱電公司)。
1.2實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1天然染料提取
將虎杖用粉碎機(jī)粉碎過50目,按本文2.1節(jié)最佳工藝提取,過濾得提取液作為濃度100%的虎杖天然染料。
1.2.2棉織物改性
工藝:常溫下將棉織物放入改性液,以1.5℃/min的升溫速率升溫至改性溫度,恒溫20~4
從表2中可以看出,各因素對(duì)虎杖天然染料提取效果影響的主次順序是:提取促進(jìn)劑ZS-1的用量>提取溫度>提取時(shí)間>物料比。
隨提取劑ZS-1用量的增大,提取率增大顯著,其主要原因是提取劑ZS-1使虎杖天然染料在水中的溶解性大大增強(qiáng),導(dǎo)致提取率也就隨之增加。隨溫度的提高提取率增大也比較明顯,主要原因是由于溫度升高后,染料分子熱運(yùn)動(dòng)加劇,提取物相對(duì)溶于水中的速度就增大,從而在單位時(shí)間里提取量就隨之增大。提取物料比和提取時(shí)間的影響相對(duì)較小,物料比
從圖1可以看出:當(dāng)虎杖天然染料的溶液pH在3~6范圍內(nèi)時(shí),測得最大吸收波長為430nm左右,色光隨著pH的變化未發(fā)生明顯改變,目測溶液呈黃色;在中、堿性介質(zhì)中,隨著pH的變化,最大吸收波長波動(dòng)比較大,染料溶液pH值為6.98、9.02和11.01下的最大吸收波長分別為480nm、520nm和520nm,發(fā)生了紅移現(xiàn)象,目測溶液的顏色由黃變紅棕。原因是虎杖天然染料主要的色素成分為大黃素、大黃素甲醚以及大黃酸等蒽醌類化合物,在中性、堿性介質(zhì)下其苯環(huán)上的羥基電離變負(fù)氧離子,使發(fā)色體系發(fā)生變化,從而導(dǎo)致染料的顏色發(fā)生改變。
2.1.2.2虎杖天然染料熱穩(wěn)定性
調(diào)節(jié)虎杖天然染料pH值至6.0左右,在60、70、80、90℃和100℃的水浴中加熱2h,取出冷卻后測其吸光度,結(jié)果如表3所示。
由表3可知，虎杖天然染料隨加熱溫度的升高最大吸收波長無明顯變化,最大吸收波長下對(duì)應(yīng)的吸光度也沒有發(fā)生明顯的變化,表明虎杖天然染料具有好的熱穩(wěn)定性。
2.2棉織物改性
棉織物在染浴中帶負(fù)電荷,虎杖天然染料主要為陰離子型,由于靜電斥力,染料的上染受到抑制,為了改善其對(duì)棉織物染色性能,實(shí)驗(yàn)通過對(duì)棉織物進(jìn)行陽離子改性使其帶上陽離子,從而增加天然染料對(duì)其的上染率。改性以及染色過程中主要反應(yīng)見式(1)~式(3),式(1)為陽離子改性劑G與棉織物的反應(yīng),式<
2.2.1改性正交實(shí)驗(yàn)
為了全面考察NaOH加入量、陽離子改性劑G用量、溫度和時(shí)間這4個(gè)因素對(duì)改性效果的影響,設(shè)計(jì)了4因素3水平正交實(shí)驗(yàn)(L9(34))表4,試驗(yàn)結(jié)果與分析見表5。
從表5中可以看出,各因素對(duì)改性效果影響的主次順序是:改性劑濃度>NaOH用量>改性溫度>改性時(shí)間。
改性劑濃度增大,棉織物改性染色后的K/S值顯著增大,其原因是改性劑濃度增加,棉織物陽離子化充分,有利于染料的上染,從而增大了染色織物的K/S。隨著氫氧化鈉用量的增大染色織物的K/S也隨之增大。原因是氫氧化鈉的加入使纖維素生成Cell-o-,加速了纖維與改性劑末端環(huán)氧基的親核反應(yīng)。因此,提高堿量,能提高陽離子改性劑與纖維素纖維的反應(yīng)性。
隨著改性溫度的升高,染色織物的K/S先增大后減少,其主要原因是溫度比較低時(shí),環(huán)氧季銨鹽分子的運(yùn)動(dòng)速度以及纖維大分子鏈的振動(dòng)不是很劇烈,與環(huán)氧季銨鹽反應(yīng)的量相對(duì)比較少,季銨鹽接枝量相對(duì)不是很大。當(dāng)反應(yīng)溫度比較高時(shí),環(huán)氧季銨鹽分子的運(yùn)動(dòng)速度以及纖維大分子鏈的振動(dòng)比較劇烈,環(huán)氧季銨鹽分子與纖維中可反應(yīng)的基團(tuán)碰撞的幾率增大,改性越充分。但溫度進(jìn)一步升高會(huì)導(dǎo)致陽離子改性劑在強(qiáng)堿性條件下水解加速,因此改性溫度過高反而使改性效果變差,從而降低了染色織物的K/S。時(shí)間對(duì)改性效果的影響比較小。
2.2.2改性棉織物的表征
圖2是改性前后棉織物的紅外光譜圖,可以看出改性與未改性棉織物的吸收光譜之間有如下差異:在1114cm-1和1162cm-1處為C—O—C的紅外吸收譜帶,改性后此吸收峰顯增強(qiáng);從改性原理可知:改性后C—O—C基團(tuán)增多,因此相應(yīng)吸收峰增強(qiáng)。由此可見纖維素纖維與改性劑發(fā)生了反應(yīng)。
2.3虎杖天然染料染色
2.3.1虎杖天然染料染色工藝研究
2.3.1.1pH對(duì)染色效果的影響
配置5<
2.3.1.2溫度對(duì)染色效果的影響
配置5份染料濃度20%的染液對(duì)改性棉織物進(jìn)行染色,用冰乙酸調(diào)節(jié)各染液的pH值為6.0,分別在溫度為60、70、80、90、100℃條件下進(jìn)行染色,結(jié)果如表7。
從表7的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,K/S值隨著染色溫度的增加而增大,虎杖天然染料具有較好的熱穩(wěn)定性,隨著溫度的升高,纖維和染料分子運(yùn)動(dòng)加劇,單位時(shí)間內(nèi)上染到棉纖維上的染料增多,因此染色溫度以100℃為最佳。
2.3.1.3NaCl對(duì)染色效果的影響
從圖3中可以看出,對(duì)于未改性棉織物,隨染液中食鹽用量的增加K/S也隨之增加,這是由于棉織物在溶液中帶負(fù)電荷,虎杖天然染料與其排斥力較大,NaCl加入后,部分Na+吸附在棉織物上,使其表面的負(fù)電荷減少,降低了與染料之間的排斥力,NaCl起到了促染作用。而對(duì)于改性棉織物,隨著食鹽用量的增加,染色織物的K/S變化不大,當(dāng)用量大于3g/L后,隨著食鹽用量的增加反而有一定的減少,表明食鹽對(duì)陽離子棉染色起緩染作用。改性棉織物帶正電荷,食鹽在溶液中能電離出Cl-,因此其與染料陰離子發(fā)生競?cè)咀饔?
3結(jié)論
a)虎杖天然染料提取的最佳工藝:5g/L的促進(jìn)劑ZS-1、溫度100℃、物料比1∶30、時(shí)間2h。虎杖天然染料溶液最大吸收波長在pH值3~6范圍內(nèi)無明顯變化,pH值調(diào)節(jié)至中堿性后,溶液最大吸收波長發(fā)生紅移,顏色由黃變紅。
b)棉織物改性最佳工藝:改性劑濃度10%(owf),NaOH用量10g/L,溫度80℃,時(shí)間30min。通過對(duì)比改性與未改性棉織物的紅外光譜圖差異,結(jié)果表明棉織物與陽離子改性劑之間發(fā)生了反應(yīng)。
c)虎杖天然染料對(duì)改性棉織物最佳染色工藝為pH值4.0~6.0、溫度100℃、時(shí)間60min、NaCl用量5~10g/L。棉織物經(jīng)改性后,虎杖天然染料對(duì)其染色的K/S明顯增大。
參考文獻(xiàn):
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