叶绿素衍生物对牛奶纤维的超临界CO2染色研究yd12822

孙晓竹 吴赞敏 任崇玲   天津工业大学纺织学院 天津300160

收稿日期：2010-04-28

作者简介：孙晓竹(1984-),男,硕士研究生

  原载：染整技术2010/9；5-7

 

【摘要】以茶叶为原料提取叶绿素并合成叶绿素衍生物, 以其为天然色素在超临界二氧化碳中对牛奶纤维染色,优化了染色温度,压力等条件。对染色产品进行摩擦、耐洗色牢度测试,结果显示该实验取得了较好的染色结果。

【关键间】超临界二氧化碳;牛奶纤维;叶绿素

【文章编号】1005-9350(2010)09-0OO5-O3  中图分类号：TS193.62  文献标识码：A

 

随着染整生产中耗水、耗能及污染问题的日益严重,人们环保意识的迅速提高,开发天然环保染料及环保清洁染整工艺成为科研人员的当务之急[1]。天然染料可从各种植物、动物、细菌和矿物质中提取,通常植物是提取叶绿素的一个重要来源。实验从茶叶中提取汁液并合成了叶绿素衍生物,这种色素呈现绿色且性质较为稳定。超临界二氧化碳染色采用超临界流体为染色介质,不产生染色废水,解决了染色污水问题,而且其良好的扩散性能,可缩短染色时间。染色结束后,二氧化碳以气态形式释放,剩余染料可以回收"。本文综合了天然染料和超临界二氧化碳染色技术二者的优点,实现了清洁染整的目的。

l   实验部分

1.1  材料与仪器

织物：牛奶蛋白纤维(黑龙江嫩江华强牛奶蛋白纤维技术有限公司)。

试剂：新鲜茶叶(福建永春县茶园),乙醇、石油醚、冰醋酸、硫酸铜、氢氧化钠、氯化钠、无水碳酸钠(均为分析纯),皂片。

仪器：电子天平(沈阳龙腾电子有限公司),SF600P1us电脑测色配色仪(美国Dataco1or公司),超临界染色装置(南通市飞宇石油科技有限公司),恒温水浴锅(天津中环实验电炉有限公司)。

1.2  染料的提取

茶叶经洗净、干燥后碾碎成粉末状,加入适量乙醇溶液,在一定条件下震荡90min后抽滤,反复三次,合并滤液,将此提取液经如下几步处理：

皂化→萃取→酸化置取→烘干成粉末。

1.3  染色工艺

用电子天平称取牛奶纤维1g,染料用量x%(owf),浴比1:20,根据正交及单因素实验进行配液,然后对纤维进行两浸两轧,轧余率150%,烘干后用于超临界C02染色。

1.3.1  正交实验

染色选择因子水平如表1所示,染色时间20min。

表1  正交实验影响因子

因子

浓度(A)omf

pH值(B)

温度(C)℃

压力(D)Mpa

1

1%

9

60

10

2

2%

7

70

20

3

3%

5

80

30

1.4测试

K/S值：由SF600P1us电脑测色配色仪测定；摩擦牢度：根据GB/T3920-1997测定；皂煮牢度：根据GB/T3921.1～5-1997测定；耐汗渍牢度：根据GB/T3922-1995测定；日晒牢度：根据GB/T8427-1998测定。

2   结果与讨论

2.1  正交实验结果

通过正交实验,牛奶纤维在不同条件下的染色结果如表2所示。

表2  叶绿素染色正交实验表

因子

A

B

C

D

K/S

1

1

1

1

1

10.89

2

1

2

2

2

10.43

3

1

3

3

3

13.39

4

2

1

2

3

12.92

5

2

2

3

1

12.87

6

2

3

1

2

13.90

7

3

1

3

2

15.83

8

3

2

1

3

14.37

9

3

3

2

1

16.16

K1

34.71

39.64

39.16

39.92

 

K2

39.69

37.67

39.51

40.16

K3

46.36

43.45

42.09

40.68

R

3.883

1.926

0.977

0.253

由表2可以看出影响染色深度的因素依次为染料浓度>pH值>温度>压力。染色的最佳工艺为A3B3C3D3,即染色温度80℃,染料用量3%(omf),浸轧液pH值5,二氧化碳压力30MPa。

2.2  单因素影响分析

2.2.1  浓度对K/S值的影响

温度80℃,压力30MPa,pH=5,结果如图1。

图1  染料浓度对Κ/s值的影响

从图中曲线可以看出,浓度较低时染色深度增加缓慢,浓度超过2.5%(omf)后,K/S值迅速增大。因为叶绿素的结构与弱酸性染料相似,分子量大结构复杂,染料与纤维间除了含有离子键外,氢键和范德华力的作用也不容忽视,即染料非定位吸附上染牛奶纤维。此外作为一种极性染料,叶绿素在C02中的溶解度较低,实验浓度范围内,染料并未在超临界流体与纤维间达到溶解和吸收平衡。所以纤维上的染料浓度随染浴浓度增加而呈现一直增大的趋势。

2.2.2  pH值对K/S值的影响

温度80℃,压力30MPa,浓度3%(omf),结果

如图2。

图2  pH值对K/s值的影响

由图2可以看出,随着pH值的增加染色深度不断下降。这是由于牛奶纤维属于蛋白质纤维,其等电点PI=3-5,当染浴的pH值较低,氢离子数目增加时,纤维中氨基正离子数目也随之增加,通过库仑力结合的染料数量就会增加。降低染液pH值虽然可提高染料的上染百分率,但会导致染料的初始上染速率过快,容易产生染花现象。而且随着pH值的降低,纤维的蛋白质含量不断下降,将造成纤维的损伤和降解。

2.2.3  温度对Κ/S值的影响

压力30MPa,pH=5,浓度3%(omf),结果如图3。

图3  温度对Κ/S值的影响

从图中曲线可以看出,K/S值随着染色温度的增加而增加。6O℃之前,纤维的染色深度增加缓慢,但是随着温度升高,染色深度K/S值随之快速升高。这是因为湿法纺丝下所得的牛奶纤维皮层结构紧密,皮层微隙小,低温染色时染料很难扩散通过纤维皮层,上染率很低。而较高的染色温度一方面可以促进牛奶纤维表面皮层的软化膨润,促进染料的吸附、渗透与扩散，另一方面提高了染料的蒸汽压,使其在C02流体中的溶解度增大。图中曲线并没有出现染色深度K/S值趋向缓和的趋势,表明在90℃之前,温度对上染率的影响并没有达到最大值。但过高的染色温度会破坏纤维中的肽键,使纤维损伤,所以对牛奶蛋白纤维的染色温度一般控制在100℃以下。

2.2.4  压力对染色深度的影响

温度80℃,浓度3%(omf),pH=5,结果如图4。

图4  压力对K/S值的影响

从图中曲线可以看出,K/S值随着染色压力的增大而增大,25MPa前增加显著,25MPa后逐渐趋于缓和。原因是25MPa之前,增加压力将提高C02流体的密度,进而提高对染料的溶解能力,同时压力越大C02流体的渗透性也越强,对牛奶蛋白纤维的染深性越好。而超过25MPa后,C02流体的渗透性增加较少,所以K/S值趋向饱和。

2.3  染色牢度测试

表3  牛奶蛋白纤维牢度测试

 

耐洗色牢度

摩擦牢度

日晒牢度

褪色

沾色

干摩

湿摩

叶绿素

3

3-4

3

3

3

从表3看以看出,牛奶纤维经叶绿素染色后,各项牢度较低。这是因为叶绿素衍生物中含有羧酸基,易于与纤维以离子键结合,但不含能与纤维共价结合的基团。而且此纤维未经漂白,纤维本身的米黄色对色光和色泽鲜艳度也会产生一定影响。此外作为一种天然色素,叶绿素的稳定性较差,特别是对光和热敏感,其结构中的金属离子容易脱落,使叶绿素绿色消失而变黄,致使纤维日晒牢度较低。

3   结论

(1)以超临界C02用叶绿素衍生物对牛奶蛋白纤维进行染色的最佳工艺为：染料浓度3%(omf),pH=5,压力30MPa,温度80℃。试样的各项牢度达到3-4级。

(2)超临界C02染色可以获得较为理想的染色结果。织物颜色更为光泽亮丽,手感更加柔和。超临界染色最大的优点在于染色过程中不使用匀染剂、分散剂和净洗剂等化学助剂,没有污染物的排放,最大程度地实现了节水节能。

4 参考文献

[1]余静,贾丽霞.天然染料应用的现状与发展[J]毛纺科技,2005,（4)；24-26

[2]彭帆,黄秀宝，超临界C02染色[J]印染助剂,2006,23(4)；10-13