柞叶染料对柞蚕丝织物的染色及其吸附动力学研究_贾艳梅.pdf

第 44 卷 第 3 期2023 年 3 月纺 织 学 报Journal of Textile ResearchVol.44,No.3Mar.,2023DOI:10.13475/j.fzxb.20220102907柞叶染料对柞蚕丝织物的染色及其吸附动力学研究贾艳梅1,于学智2(1.辽东学院 化工与机械学院,辽宁 丹东 118003;2.辽东学院 服装与纺织学院,辽宁 丹东 118003)摘 要 为有效利用废弃资源,制备生物基来源的功能性纺织品,采用柞树落叶为原料提取染料,探讨该染料对柞蚕丝的染色性能,测试了染色柞蚕丝织物的抗紫外线性能及染色牢度,研究了柞叶染料在柞蚕丝上的吸附动力学机制,对染色动力学曲线进行拟合并计算动力学参数。结果表明:柞叶染料在柞蚕丝上的提升性能良好,可以染得深浓色泽,且所测定各项色牢度均达到 3 级以上,最佳的染色条件为 pH 值 3.0,在 98 下染色 60 min;柞叶染料在柞蚕丝上的吸附动力学机制符合准二级动力学模型,随着染色温度升高,染料在纤维上的吸附速率常数及平衡吸附量均增大,半染时间缩短;染色织物具有抗紫外线性能,且其紫外线防护系数(UPF 值)随着染料用量的增大而提高,当染料用量大于或等于 7.5%(o.w.f)时,染色柞蚕丝织物的 UPF 值可达到 40 以上。关键词 柞叶染料;柞蚕丝;生态染色;吸附动力学;天然染料;抗紫外线性能中图分类号:TS 190;TS 193 文献标志码:A 收稿日期:2022-01-14 修回日期:2022-12-22基金项目:辽宁省教育厅科研项目(LJKMZ20221749)第一作者:贾艳梅(1967),女,教授,硕士。主要研究方向为天然产物的开发及其在纺织品染整中的应用。E-mail:。柞树在我国被广泛种植,资源丰富,主要是作为绿化树种和用来放养柞蚕。柞蚕主要产地在中国北方,由人工放养在野外柞林中,以柞叶为食,柞蚕丝是利用柞蚕所吐之丝为原料缫制的长丝,具有良好的吸湿、放湿、透气和保暖性能,耐热性和耐酸碱性能良好,是一种服用舒适性能良好的动物蛋白纤维1-3。在中国古代,柞蚕丝采用天然植物、动物或矿物染料染色,自合成染料发现以来,柞蚕丝的染色通常采用合成染料如活性染料、酸性染料等,合成染料可赋予柞蚕丝良好的色泽鲜艳度及染色牢度,但其在制备及使用过程中对环境的潜在危害难以规避4-6。近年来,随着环保意识的逐渐提高,天然染料染色重新受到青睐,其研究日益增多7-9,但天然染料与纺织纤维之间结合力弱,存在染深性差、染色牢度低或者染料成本昂贵等不足,这使天然染料在纺织品染色中的应用受到限制。为解决上述问题,有效利用废弃柞树资源,本文采用柞树落叶为材料制备天然染料,并用于柞蚕丝的染色,研究柞叶染料在柞蚕丝上的染色性能及其染色动力学机制,测试了染色柞蚕丝的抗紫外线性能,以期为柞叶染料在纺织品功能性染色中的应用提供参考。1 实验部分1.1 材料与仪器 材料:柞树落叶(丹东);已脱胶柞蚕丝织物(经、纬纱线密度分别为 7、14 tex,经、纬密分别为360、380 根/(10 cm),海城旭东丝绸厂;冰醋酸、氢氧化钠,均为分析纯,天津科密欧化学试剂有限公司;中性皂洗剂(工业品),辽宁恒星精细化工公司。仪器:SevenExcellence 型 pH 计(瑞士梅特勒托利多公司);Color-eye7000A 型电脑测色配色仪(美国 X-rite 公司);FD-1-50 型冷冻干燥机(北京博医康实验仪器有限公司);D-UV90 型紫外-可见分光光度 计(山 东 霍 尔 德 电 子 科 技 有 限 公 司);Nicolet5700 型傅里叶变换红外光谱仪(美国 Thermo fisher 有限公司);UV-2000F 型纺织品抗紫外线测试仪(美国 Labspher 公司);DY-12P 型常温振荡染色小样机、YG611 S 型日晒气候色牢度测试仪(常州第一纺织仪器有限公司);SW-24A 型耐水洗色牢度仪(深圳市方源仪器有限公司);Y571型多功能色牢度摩擦仪(武汉国量仪器有限公司)。1.2 柞叶染料制备将柞树落叶洗净晾干,剪成小于 0.5 cm 0.5 cm 的碎片,按照柞叶与去离子水质量比 1:15 纺织学报第 44 卷将其投入去离子水中,95 恒温提取 60 min,过滤除渣,滤液经蒸发浓缩,然后采用真空冷冻干燥机冻干,制得柞叶染料。1.3 染色方法 柞蚕丝织物染色前浸入含有 2 g/L 中性皂洗剂的水溶液中,浴比为 1:30,在 50 下浸渍处理10 min,然后用自来水冲洗后晾干。染色工艺:染料用量为 x%(o.w.f),浴比1:50,于 40 入染,升温速率 2 /min。染色工艺单因素实验分别在不同的染色温度、时间和 pH 值下进行。染色完毕,试样经冷水洗、60 皂洗5 min(浴比 1:30,中性皂洗剂质量浓度 2 g/L)、冷水洗,自然晾干。1.4 染色动力学曲线测定及模型拟合1.4.1 柞叶染料标准曲线 准确配制 0.5 g/L 的柞叶染料蒸馏水溶液,量取不同体积上述溶液加入到 50 mL 容量瓶中,加入蒸馏水定容,得到不同质量浓度(0.05 0.35 g/L)的染料溶液。柞叶染料在可见光波段的最大吸收波长为400 nm,因此,以染料溶液在 400 nm 处的吸光度对染料质量浓度作图,绘制柞叶染料标准工作曲线。1.4.2 染色动力学曲线 采用柞叶染料对柞蚕丝织物进行染色,染色浴比为 1:100,染料用量为 2.5%(o.w.f),pH 值为3.0,染色温度分别为 70、80、90,染色时间为 5240 min。将以铝箔纸密封的装有试样的三角烧瓶置于染色机中进行染色实验,分别在不同时间取出试样测试残液吸光度(max=400 nm),根据染料标准曲线计算残液中染料浓度,按照式(1)计算 t 时刻柞蚕丝纤维上的染料浓度 qt。以 qt为纵坐标,时间t 为横坐标,绘制染色动力学曲线10-12。qt=(C0-Ct)Vm(1)式中:C0为染料初始质量浓度,mg/L;Ct为 t 时刻残液中的染料质量浓度,mg/L;V 为染液总体积,L;m 为柞蚕丝织物质量,g。1.4.3 动力学曲线拟合 对柞叶染料上染柞蚕丝的吸附动力学曲线进行拟合,拟合方程为准一级动力学方程和准二级动力学方程,分别如式(2)、(3)所示。ln(qe-qt)=lnqe-k1t(2)tqt=1qet+1k2qe2(3)式中:qe为吸附平衡时柞蚕丝上的染料浓度,mg/g;k1为准一级动力学吸附速率常数,min-1;k2为准二级动力学吸附速率常数,g/(mgmin)。1.5 测试方法1.5.1 染料光谱测试 吸收光谱测试:配制 30 mg/L 柞叶染料溶液,采用紫外-可见分光光度计进行紫外-可见光谱测试,扫描范围为 200600 nm。化学结构测试:采用红外光谱仪测试柞叶染料的红外光谱,以溴化钾压片法制样,扫描范围为4 000500 cm-1。1.5.2 织物颜色及色牢度测试 采用测色配色仪进行试样颜色测试,试样折叠6 层,D65 光源、10标准视角。染色试样的耐皂洗色牢度按照 ISO 105-C10:2006纺织品 色牢度试验 第 C10 部分:肥皂或肥皂和苏打水洗涤色牢度 测定;耐摩擦色牢度按照ISO 105-X12:2016 纺织品 色牢度试验 第 X12部分:摩擦色牢度 测 定;耐 日 晒 色 牢 度 按 照ISO 105-B02:2014纺织品 色牢度试验 第 B02 部分:耐人造光色牢度:氙弧灯试验测定。1.5.3 抗紫外线性能测试采用纺织品 抗 紫 外 线 测 试 仪,按 照 GB/T 188302009纺织品 防紫外线性能的评定测定染色试样的紫外线防护系数(UPF 值)及紫外线透过率 TUVA和 TUVB。2 结果与讨论2.1 柞叶染料的吸收光谱分析 柞叶染料的紫外-可见光谱见图 1。可看出,柞叶染料在紫外光波长为 232、276 nm 处有 2 个吸收峰,为发色团苯环分子中的共轭体系-跃迁引起的吸收带(E2带),柞叶染料溶液在可见光波段的最大吸收波长 max为 400 nm。232、276 nm 处的紫外光吸收峰证实了柞叶染料分子中含有苯环结构,与文献13报道的柞叶提取物的主要组成单宁类及黄酮类化合物相符合。图 1 柞叶染料的紫外-可见光谱Fig.1 UV-Vis absorption spectum of extracted dye021第 3 期贾艳梅 等:柞叶染料对柞蚕丝织物的染色及其吸附动力学研究 2.2 柞叶染料的化学结构分析 柞叶染料的红外光谱图见图 2。可看出,柞叶染料在 1 610、1 518、1 447 cm-1处具有吸收峰,均归属于苯环骨架振动,为苯环的特征吸收峰,在 1 040、768 cm-1处的吸收峰分别归属于苯环中 CH 面内弯曲振动和面外弯曲振动峰,由此可证实柞叶染料分子中含有苯环。在 3 429 cm-1处的强吸收峰归属于染料分子结构中存在的大量羟基,由于OH 氢键的缔合作用使红外光吸收峰波数下降。在 1 705 cm-1处出现羰基 C=O 伸缩振动峰。可知,柞叶染料的分子结构中含有苯环、大量羟基和羰基。文献14-16表明,柞叶染料的组成较为复杂,是各种单宁类及黄酮类化合物的混合物。本文红外光谱测试结果证实该染料含有单宁类及黄酮类物质。图 2 柞叶染料的红外光谱图Fig.2 FT-IR spectrum of extracted dye2.3 柞叶染料对柞蚕丝织物的染色性能分析2.3.1 温度对染色性能的影响 在柞叶染料用量为 5%(o.w.f),pH 值为 6.0,时间为 60 min 的条件下对柞蚕丝织物进行染色,考察温度对染色织物色度指标的影响,结果如表 1 所示。表 1 不同温度下柞蚕丝织物的色度指标Tab.1 Color values of tussah silk fabric at different dyeing temperatures温度/K/S 值Lab未染色0.3488.681.478.22401.4874.122.6214.71501.8573.073.3914.83601.9970.123.6315.35702.1268.544.0515.57802.3166.784.3815.75902.5064.844.9415.87982.6262.355.0316.05表 1 显示:柞叶染料上染柞蚕丝织物时,呈现出试样 K/S 值随温度升高而增大的变化规律;当染色温度为 98 时,试样的 K/S 值最大。随着染色温度升高,试样的明度值 L值逐渐降低,红绿值 a及黄蓝值 b值逐渐增大,表明试样的红色光及黄色光增强,故选择 98 进行后续染色实验。2.3.2 pH 值对染色性能的影响 在柞叶染料用量为 5%(o.w.f),染色温度为98,时间为 60 min 的条件下对柞蚕丝织物进行染色,考察染色 pH 值对织物色度指标的影响,结果如表 2 所示。表 2 不同 pH 值条件下柞蚕丝织物的色度指标Tab.2 Color values of tussah silk fabric at different dyeing pH valuespH 值K/S 值Lab未染色0.3488.681.478.227.01.1275.271.4414.596.02.6262.355.0316.055.03.2160.745.5817.684.03.8360.565.7118.063.04.0856.496.0518.20表 2 显示:柞叶染料上染柞蚕丝织物时,呈现出试样 K/S 值随 pH 值降低而增大的变化规律,染色pH 值在 3.07.0 范围内时,较低 pH 值有利于柞叶染料上染柞蚕丝。这是因为柞蚕丝纤维属于蛋白质纤维,具有两性性质,当 pH 值低于等电点(pH 值为3.55.2)时,纤维表面带有阳电荷,且 pH 值越低纤维所带有的NH3+阳电荷数量越多,而柞叶染料在染色介质中带有阴电荷,低 pH 值时二者之间形成电荷引力,除以氢键、范德华力结合外,主要