不同媒染劑下姜黃色素對羊毛纖維染色工藝優化

何吉祥 張東東 馬 越 梁 鵬 趙蝴蝶 王雪梅

（1. 蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730050；2. 吉林大學新聞與傳播學院，吉林 長春 130012；3. 蘭州挺大個文化傳媒有限公司，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

隨著近代科學的發展，合成染料由于色譜齊全、色澤鮮艷、價格便宜等諸多優點得到廣泛的應用，逐漸替代了天然染料成為紡織品染色的主要著色物質。然而合成染料在生產過程中給環境帶來嚴重的污染，且一些合成染料對人體有一定的危害[1-5]。由于天然染料更安全和更環保以及染色產品色調獨特別致和部分染料兼具保健的功能，使得天然染料被認為是合成染料良好的替代品[6]。姜黃色素作為天然染料應用于紡織品染色也日益成為學者們研究的方向[7-8]。

姜黃作為一種日常的天然染料，染色力較其他天然染料好，目前天然食用色素在染色方面的進展還主要處于實驗室的研究階段[9]，工業化的應用很少見到，主要的原因是天然食用色素的色譜不像合成染料那樣豐富，有些天然食用色素的日曬牢度不理想[10-11]。同時酶解法提取天然色素的環保性還沒有充分被開發出來[12]。隨著國家倡導環保綠色的理念，應用酶法提取姜黃色素并應用于紡織品著色領域有著很廣闊的前景。

1 試驗

1.1 材料與儀器

材料：姜黃粉末（市售）、羊毛條（蘭州三毛實業股份有限公司提供）。

儀器：DZF-6050 真空干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）、HH-S8 數顯雙列八孔不銹鋼水浴鍋（北京科偉永興儀器有限公司）、電子天平PTX-FA2015（福州華志科學儀器有限公司）、NS800 分光測色儀（深圳市三恩時科技有限公司）、光學電子顯微鏡（北京普瑞賽司儀器有限公司）、CT-6020 數顯防水筆式pH 計（常州德社精密儀器有限公司）、電子單纖維強力測試機（溫州大榮紡織儀器有限公司）、實驗室水純化系統（上海芷昂儀器有限公司）。

藥品：檸檬酸、硫酸鋁鉀、氯化亞錫、36%乙酸、氯化鑭（均為分析純，成都市科隆化學品有限公司）。

1.2 測試方法和標準

1.2.1 色差測試方法與標準

試樣色差執行標準GB/T 8424.3-2001 (2009)。測試染樣色差值越大，染樣得色越深，染色效果越好。

1.2.2 耐皂洗色牢度測試方法與標準

試樣耐皂洗色牢度測試執行標準GB/T 3921-2008。

1.2.3 單纖維強力測試方法與標準

試樣單纖維強力測試執行標準GB/T 27629-2011。

1.3 色素提取

姜黃色素染液配制：被粉碎的姜黃色素粉末按照工藝，酶解溫度55℃、酶用量20 mg·g-1、酶解時間40min、酶解pH 4.4 浸提得到姜黃色素染液，過濾后，密封、冷藏、避光保存以備染色使用。

1.4 直接染色

試驗采用成熟的直接染色工藝，參考相關文獻，確定浴比為1: 50、染色溫度90 ℃、染色pH 為4.5、染色時間為60 min。直接染色工藝曲線如圖1 所示。

批量稱取1.0 g 羊毛共36 份，室溫浸泡24 h，充分潤濕。根據染色工藝配置36 份姜黃色素染液置于燒杯中，按照圖1 所示的工藝曲線進行直接染色，之后進行媒染固色工藝試驗。

1.5 媒染固色工藝試驗

1.5.1 試驗方案設計

上述直接染色的36 個染浴不換，一浴二步法配置檸檬酸、硫酸鋁鉀、氯化亞錫、氯化鑭4 種媒染固色劑的媒染固色工藝參數，考察在不同梯度的固色時間、固色溫度、媒染劑用量下的媒染固色工藝，運用正交試驗方法進行試驗和分析。參考相關文獻資料，選取媒染時間為20 min、30 min、40 min，媒染溫度為60 ℃、70 ℃、80 ℃，媒染劑用量為5%、6%、7%，設計三因素三水平的正交試驗方案如表1 所示。

表1 媒染固色工藝正交試驗表

根據表1 的媒染固色正交試驗表，每種媒染劑都可組合得到9 組試驗，每組試樣以色差、耐皂洗變色牢度和沾色牢度為評價指標，計算并分析正交試驗結果，最終確定最優媒染劑和最優媒染固色工藝。

1.5.2 試驗過程

每組試樣按照如圖2 的媒染固色工藝曲線所示的工藝條件進行媒染固色工藝試驗，染畢，測試試樣各項評價指標。

圖2 媒染固色工藝曲線

1.6 最優工藝驗證試驗

對優化的4 種媒染劑下的媒染固色工藝結果進行驗證試驗，并做纖維表面形貌觀察和性能測試，分析篩選出最佳媒染劑和媒染固色工藝。

2 結果分析

2.1 檸檬酸媒染固色工藝試驗

2.1.1 正交試驗結果

檸檬酸媒染固色工藝正交試驗結果如表2 所示。

表2 檸檬酸媒染固色工藝正交試驗結果

表3 為檸檬酸媒染固色正交試驗板差、優方案計算和分析結果。

表3 檸檬酸媒染固色正交試驗極差、優方案計算和分析結果

由表3 可知，對于色差，固色劑用量R（極差）為2.82，固色時間R 為1.89，說明固色劑用量影響最大，固色時間最小，三因素對色差的影響順序為：C>B>A。得出最優組合是A2B1C2，即固色時間30min、固色溫度60 ℃、固色劑用量6%。對于沾色牢度，固色時間R 為0.35，固色溫度R 為0.13，說明固色時間影響最大，固色溫度最小，故三因素對沾色牢度的影響順序為：A>C>B。得出最優組合是A1B1C3，即固色時間20 min、固色溫度60 ℃、固色劑用量7%。對于變色牢度，固色溫度R 為1.19，固色劑用量R為0.61，說明固色溫度影響最大，固色劑用量最小，故三因素對變色牢度的影響順序為：B>A>C。得出最優的組合是A3B2C2，即固色時間40 min、固色溫度70 ℃、固色劑用量6%。

表4、5、6 分別為硫酸鋁鉀媒染固色工藝色差、耐皂洗沾色牢度和變色牢度方差分析表。

表4 檸檬酸媒染固色工藝方差分析表（色差）

表5 檸檬酸媒染固色工藝方差分析表（沾色牢度）

表6 檸檬酸媒染固色工藝方差分析表（變色牢度）

2.1.2 最優工藝選擇

由極差和方差分析表綜合分析可以得出：以檸檬酸為媒染固色劑的最優組合為A2B1C1，即固色時間30 min，固色溫度60 ℃，媒染固色劑檸檬酸用量5%。

2.2 硫酸鋁鉀媒染固色工藝試驗

2.2.1 正交試驗結果

硫酸鋁鉀媒染固色工藝正交試驗結果如表7 所示。

表7 硫酸鋁鉀媒染固色工藝正交試驗結果

表8 為硫酸鋁鉀媒染固色正交試驗極差、優方案計算和分析結果。由表8 可知，對于色差，固色溫度R 為6.40，固色劑用量R 為1.24，說明固色溫度影響最大，固色劑用量最小，故三因素對色差的影響順序為：B>A>C。得出最優組合是A1B1C1，即固色時間20 min、固色溫度60 ℃、固色劑用量5%。對于沾色牢度，固色劑用量R 為0.37，固色溫度R 為0.11，說明固色劑用量影響最大，固色溫度最小，故三因素對沾色牢度的影響順序為：C>A>B。得出最優組合是A1B1C2，即固色時間20 min、固色溫度60 ℃、固色劑用量6%。對于變色牢度，固色時間R 為1.27，固色溫度R 為0.45，說明固色時間影響程度最大，固色溫度最小，故三因素對變色牢度的影響順序為：A>C>B。得出最優的組合是A1B1C1，即固色時間20min、固色溫度60 ℃、固色劑5%。

表8 硫酸鋁鉀媒染固色正交試驗極差、優方案計算和分析結果

表9、10、11 分別為硫酸鋁鉀媒染固色工藝色差、耐皂洗沾色牢度和變色牢度方差分析表。

表9 硫酸鋁鉀媒染固色工藝方差分析表（色差）

由表9 得出，固色溫度對色差的影響高度顯著，固色劑用量和固色時間對色差的影響較顯著。由表10 得出，固色時間和固色劑用量對沾色牢度的影響高度顯著，固色溫度對沾色牢度的影響顯著?？蓮谋?1 得出，固色劑用量對變色牢度的影響高度顯著，固色溫度和固色時間對變色牢度的影響顯著。

表10 硫酸鋁鉀媒染固色工藝方差分析表（沾色牢度）

表11 硫酸鋁鉀媒染固色工藝方差分析表（變色牢度）

2.2.2 最優工藝選擇

由極差和方差分析表綜合分析可以得出：以硫酸鋁鉀為固色劑的最優組合為A1B1C2，即固色時間20min，固色溫度60 ℃，媒染固色劑硫酸鋁鉀用量6%。

2.3 氯化亞錫媒染固色工藝試驗

2.3.1 正交試驗結果

氯化亞錫媒染固色工藝正交試驗結果如表12 所示。

表12 氯化亞錫媒染固色工藝正交試驗結果

表13 為氯化亞錫固色正交試驗極差、優方案計算和分析結果。由表13 可知，對于色差，固色溫度R 為2.97，固色時間R 為0.81，說明固色溫度影響最大，固色時間最小，故三因素對色差的影響順序為：B>C>A。得出最優組合是A3B1C3，即固色時間40 min、固色溫度60 ℃、固色劑用量7%。對于沾色牢度，固色溫度R 為0.33，固色時間R 為0.06，說明固色溫度影響最大，固色時間最小，故三因素對沾色牢度的影響順序為：B>C>A。得出最優的組合是A3B2C1，即固色時間40 min、固色溫度70 ℃、固色劑用量5%。對于變色牢度，固色溫度R 為1.05，固色劑用量R 為0.51，說明固色溫度影響最大，固色劑用量最小，故三因素對變色牢度的影響順序為：B>A>C。得出最優的組合是A3B2C3，即固色時間40 min、固色溫度70 ℃、固色劑用量7%。

表13 氯化亞錫媒染固色正交試驗極差、優方案計算和分析結果

表14、15、16 分別為氯化亞錫媒染固色工藝色差、耐皂洗沾色牢度和變色牢度方差分析表。

表14 氯化亞錫媒染固色工藝方差分析表（色差）

根據表14 可得出，固色溫度對色差的影響高度顯著，固色劑用量和固色時間對色差的影響顯著。由表15 可得出，固色時間和固色劑用量對沾色牢度的影響高度顯著，固色溫度對沾色牢度的影響顯著。由表16 可得出，固色溫度、固色時間和固色劑用量對變色牢度的影響顯著。

表15 氯化亞錫媒染固色工藝方差分析表（沾色牢度）

表16 氯化亞錫媒染固色工藝方差分析表（變色牢度）

2.3.2 最優工藝選擇

由極差和方差分析表綜合分析可以得出：以氯化亞錫為媒染固色劑的最優組合為A3B1C1，即固色時間40 min，固色溫度60 ℃，媒染固色劑氯化亞錫用量5%。

2.4 氯化鑭媒染固色工藝試驗

2.4.1 正交試驗結果

表17 為鑭媒染固色工藝正交試驗結果。表18 為氯化鑭媒染固色正交試驗極差、優方案計算和分析結果。由表18 可知，對于色差，固色溫度R 為2.10，固色時間R 為0.20，說明固色溫度影響最大，固色時間最小，故三因素對色差的影響順序為：B>C>A。得出最優組合是A1B1C2，即固色時間20 min、固色溫度60 ℃、固色劑用量6%。對于沾色牢度，固色劑用量R 為0.33，固色溫度R 為0.08，說明固色劑用量影響最大，固色溫度最小，故三因素對沾色牢度的影響順序為：C>A>B。得出最優組合是A1B2C2，即固色時間20 min、固色溫度70 ℃、固色劑用量6%。對于變色牢度，固色時間R 為0.92，固色劑用量R 為0.56，說明固色時間影響最大，固色劑用量最小，故三因素對變色牢度的影響順序為：A>B>C。得出最優組合是A3B1C3，即固色時間40 min、固色溫度60 ℃、固色劑用量7%。

表17 氯化鑭媒染固色工藝正交試驗結果

表18 氯化鑭媒染固色正交試驗極差、優方案計算和分析結果

表19、20、21 分別為氯化鑭媒染固色工藝色差、耐皂沾色牢度和變色牢度方差分析表。

表19 氯化鑭媒染固色工藝方差分析表（色差）

由表19 得出，固色時間和固色溫度對色差的影響高度顯著，固色劑用量對色差的影響顯著。由表20得出，固色溫度對沾色牢度的影響高度顯著，固色時間和固色劑用量對沾色牢度的影響顯著。由表21 得出，固色時間和固色劑用量對變色牢度的影響高度顯著，固色溫度對變色牢度的影響顯著。

表20 氯化鑭媒染固色工藝方差分析表（沾色牢度）

表21 氯化鑭媒染固色工藝方差分析表（變色牢度）

2.4.2 最優工藝選擇

由極差和方差分析表綜合分析可以得出：以氯化鑭為固色劑的最優組合為A3B2C3，即固色時間40min，固色溫度70 ℃，媒染固色劑氯化鑭用量7%。

2.5 最優工藝驗證試驗

根據上述分析得到檸檬酸、硫酸鋁鉀、氯化亞錫、氯化鑭4 種媒染固色劑的理論最優工藝參數，進行驗證試驗并做性能測試和分析比較。

2.5.1 最優工藝試樣表面形貌觀察（圖3）

圖3 最優工藝媒染固色試樣纖維表面形貌觀察

顯微鏡下觀察4 種媒染固色劑最優工藝試樣纖維的縱向條干表面形貌可知，羊毛表面都有姜黃染液顆粒的分布，同時可以明顯地看出媒染固色之后的試樣均有較深的呈色，在40 倍顯微鏡的觀察下，硫酸鋁鉀媒染固色試樣表面的染液顆粒分布較其余媒染固色試樣分布均勻，且固色效果最好，得色深度較為明顯，這與最優工藝性能測試的結果一致。

2.5.2 最優工藝試樣性能測試結果

對優化的4 種媒染劑下的媒染固色工藝進行驗證試驗，測試染色試樣單纖維斷裂強力和色差，結果如表22 所示。

表22 最優工藝試樣纖維斷裂強力和色差測試結果

根據表22 分析可得，從纖維斷裂強力來看，4 種媒染劑媒染固色后纖維斷裂強力均有所下降，其中下降最少的是硫酸鋁鉀媒染固色試樣；從色差值來看，最優工藝試樣色差最大的是硫酸鋁鉀媒染固色試樣，達到了40 以上，而且如圖3 所示的硫酸鋁鉀媒染固色最優工藝纖維表面形貌觀察也證明了這一點。

綜上所述，可以分析得出4 種媒染劑中媒染固色效果最佳的媒染劑為硫酸鋁鉀，最優媒染固色工藝為固色時間20 min，固色溫度60 ℃，固色劑用量6%，最優媒染固色工藝曲線如圖4。

圖4 最優媒染固色工藝曲線

3 結論

（1）檸檬酸媒染固色最優工藝參數為：媒染固色溫度60 ℃、固色時間30 min，固色劑用量5%；

（2）硫酸鋁鉀媒染固色最優工藝參數為：媒染固色溫度60 ℃、固色時間20 min，固色劑用量6%；

（3）氯化亞錫媒染固色最優工藝參數為：媒染固色溫度60 ℃、固色時間40 min，固色劑用量5%；

（4）氯化鑭媒染固色最優工藝參數為：媒染固色溫度70 ℃、固色時間40 min，固色劑用量7%；

（5）由最優工藝驗證試驗可知，4 種媒染中媒染固色效果最好的是硫酸鋁鉀，最優工藝試樣色差達到40 以上，纖維表面形貌觀察得色最深，纖維斷裂強力與未染色纖維原樣相比變化不大。

（6）由于文中選用的4 種媒染劑水溶液均為無色液體，因此對染色試樣的色光影響不大。其中硫酸鋁鉀媒染固色效果最好，表現為濃艷的亮黃色，其余3 種媒染固色試樣呈色效果相對淺一些，但也呈現出明亮的黃色。