王雪梅，張東東，劉 霞，馬 越，趙蝴蝶，洪國英，易 帆

(1.蘭州理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050； 2.太原理工大學(xué) 輕紡工程學(xué)院， 山西 晉中 030600；3.吉林大學(xué) 新聞與傳播學(xué)院，吉林 長春 130012)

紅茶是六大茶類之一，其富含的紅茶色素在較低溫度和pH值下具有良好的穩(wěn)定性和耐光性，但紅茶色素對金屬離子的穩(wěn)定性較差[1]。紅茶色素中所含的茶黃素、茶紅素、茶褐素等，在醫(yī)藥領(lǐng)域可以預(yù)防糖尿病、高血脂、癌癥等疾病，對人體健康具有很大的益處，且由其染色的織物在pH值為5.5時具有良好的抗菌性[2]。在食品領(lǐng)域，紅茶色素可以用于食品著色，并可以代替其他化學(xué)著色劑，減少著色劑對人體的危害[3]。此外，紅茶色素也具有很強的抗氧化活性，對食品保鮮也具有一定的效果[4]。在吸附領(lǐng)域，茶葉殘渣或廢棄后的茶葉經(jīng)過改性或碳化后對廢水中的染料以及其他物質(zhì)具有一定的吸附性能[5]。在化妝品領(lǐng)域，紅茶和綠茶的提取物都有防曬、保濕、抗衰老的功效，二者聯(lián)合使用的提取物具有協(xié)同增效的作用[6]。

傳統(tǒng)用紅茶色素染色纖維的文章，其染色工藝未進行優(yōu)化[7]，且染色進程中使用對環(huán)境和人體危害較大的媒染劑硫酸亞鐵[8]。本文采用正山小種紅茶色素對羊毛纖維進行染色，使用相對無危害的檸檬酸[9]進行媒染固色，并對染色工藝進行響應(yīng)面優(yōu)化；測試染色羊毛纖維的耐皂洗色牢度、斷裂強力等性能指標(biāo)，得到優(yōu)化的紅茶色素上染羊毛纖維染色工藝和綠色環(huán)保的染色方法，以期減少化學(xué)染料對環(huán)境的污染和人體健康的危害。

1 試驗部分

1.1 材料和儀器

試驗材料：正山小種紅茶(市購);羊毛纖維(品質(zhì)支數(shù)66支，細度為20.1～21.5 μm，蘭州三毛實業(yè)有限公司)。

試驗藥品：無水乙醇(分析純，廣州市錦源化學(xué)有限公司)；鹽酸(分析純，河南斯維爾實驗器材有限公司)；檸檬酸(分析純，天津渤化化學(xué)試劑有限公司)。

試驗儀器：WG700CTL型微波爐(廣東格蘭仕微波爐電器制造有限公司)；HH-S8數(shù)顯雙列八孔不銹鋼水浴鍋(鄭州市亞榮儀器有限公司)；中藥粉碎機(武義海納電器有限公司)；JJ224BC雙杰電子天平(惠州市衡源電子有限公司)；孔徑180μm(80目)篩網(wǎng)。

1.2 紅茶色素提取

將紅茶用中藥粉碎機粉碎后過篩網(wǎng)得到紅茶粉末。將紅茶粉末在乙醇體積分數(shù)67%、時間62 s、微波功率490 W、料液比1∶23條件下浸提得到紅茶色素染液，過濾后備用。

1.3 染色工藝

1.3.1 染前預(yù)處理

染色前對羊毛纖維進行預(yù)處理。首先，將水浴鍋加熱至80 ℃，然后將30 g羊毛纖維完全浸泡在裝有去離子水的燒杯中，將燒杯在水浴鍋中加熱到90 ℃，保溫60 min后取出燒杯冷卻，在室溫條件下浸泡24 h后自然晾干，待染色試驗使用。

1.3.2 染色工藝過程

水浴鍋加熱至入染溫度后，將1 g預(yù)處理后的羊毛纖維放入裝有pH值為5.5、含50 mL紅茶色素染液的燒杯中，待染液溫度升至染色溫度后恒溫染色一定時間(tmin)，之后加入一定量的檸檬酸(mg/L)，并用玻璃棒充分攪拌后媒染30 min。染色期間需用保鮮膜覆蓋杯口并扎小孔，且需定時進行攪拌以防染色不勻。染畢降溫至室溫，水洗晾干。

1.3.3 單因素試驗

以紅茶色素上染羊毛纖維的時間、溫度和檸檬酸的質(zhì)量濃度為3個因素，以經(jīng)過預(yù)處理后的羊毛纖維為標(biāo)準(zhǔn)樣，測試染色前后羊毛纖維的色差值(ΔE)。單因素試驗如表1所示。

表1 單因素試驗表

1.3.3.1染色時間對色差值的影響

染色時間對染色羊毛纖維色差值的影響如圖1所示。可見，色差值隨染色時間的增大呈先增大后減小的趨勢，并在60min時達到最大，因此選響應(yīng)面染色時間的3個水平為50、60、70min。

圖1 染色時間對染色羊毛纖維色差值的影響

1.3.3.2染色溫度對色差值的影響

染色溫度對染色羊毛纖維色差值的影響如圖2所示，由于色素分子的熱運動導(dǎo)致色差值隨染色溫度的升高呈先增大后減小的趨勢，并在90℃時最大，因此選響應(yīng)面染色溫度的3個水平為80、90、100℃。

圖2 染色溫度對染色羊毛纖維色差值的影響

1.3.3.3檸檬酸質(zhì)量濃度對色差值的影響

檸檬酸質(zhì)量濃度對染色羊毛纖維色差值的影響如圖3所示。由于檸檬酸分子對染色位點的占據(jù)導(dǎo)致色差值隨檸檬酸質(zhì)量濃度的增大呈先增大后減小的趨勢，并在10g/L時最大，因此選響應(yīng)面檸檬酸質(zhì)量濃度的3個水平為9、10、11g/L。

圖3 檸檬酸質(zhì)量濃度對染色羊毛纖維色差值的影響

1.3.4 響應(yīng)面優(yōu)化試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選取染色時間A、染色溫度B、檸檬酸質(zhì)量濃度C3個因素，結(jié)合軟件Design-Expert 12.0.3 Trial的Box-Benhnken的原理[10]，設(shè)計如表2所示的響應(yīng)面試驗因素水平表。

表2 響應(yīng)面優(yōu)化因素水平表

2 結(jié)果與分析

2.1 染色工藝試驗

2.1.1 響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果

依據(jù)紅茶色素上染羊毛纖維的色差值△E為響應(yīng)指標(biāo)，染色時間、染色溫度、檸檬酸質(zhì)量濃度為響應(yīng)因子的羊毛纖維染色工藝試驗結(jié)果如表 3所示。

表3 響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果表

2.1.2 方差分析響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)Design-Expert 12.0.3Trial和表3所示的羊毛纖維染色工藝結(jié)果，求得染色時間、染色溫度、檸檬酸質(zhì)量濃度與色差值之間的關(guān)系方程為：

模型的方差分析結(jié)果如表 4所示。分析可知，響應(yīng)面法預(yù)測的模型F值為114.95(P<0.000 1)，經(jīng)顯著性檢驗表明，模擬預(yù)測的回歸方差達到顯著水平，又因失擬項不顯著(P=0.0572>0.05)，因此該模型可用于此染色工藝的預(yù)測和分析。在一次項中，染色時間(P<0.000 1)、染色溫度(P<0.000 1)極顯著，檸檬酸質(zhì)量濃度(P=0.022 5<0.05)顯著。在交互項中，各因素均不顯著。在二次項中，染色溫度(P<0.000 1)極顯著，檸檬酸質(zhì)量濃度(P=0.020 7<0.05)顯著，染色時間不顯著。因此，影響羊毛纖維色差的各項因素之間并不是簡單的線性關(guān)系。

表4 方差分析表

2.1.3 各因素交互作用分析結(jié)果

由Design-Expert 12 Trial軟件對模型分析[10-11]，得到各因素交互作用響應(yīng)面圖，如圖4～6所示。

圖5 染色時間與檸檬酸質(zhì)量濃度交互作用響應(yīng)面圖

圖6 檸檬酸質(zhì)量濃度與染色溫度交互作用響應(yīng)面圖

分析可知，各因素之間的交互作用都不顯著。結(jié)合表4的數(shù)據(jù)分析可知，各因素主次順序為：染色溫度>檸檬酸質(zhì)量濃度>染色時間。根據(jù)染色溫度的F值(499.51)和P(<0.000 1)值，可以得到染色溫度對紅茶色素上染羊毛纖維的色差值影響最大，說明染色溫度較小的變化就會對上染后羊毛纖維的色差值產(chǎn)生很大的影響。

2.1.4 染色工藝響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)Design-Expert 12.0.3 Trial優(yōu)化軟件對羊毛纖維的染色工藝優(yōu)化結(jié)果如表 5所示，得到理論最優(yōu)工藝為：染色時間70min、染色溫度93.839℃、檸檬酸質(zhì)量濃度10.336g/L，在此條件下的理論色差為40.256。為便于實際操作，將理論數(shù)據(jù)修正為：染色時間70min、染色溫度94℃、檸檬酸質(zhì)量濃度10g/L，在此條件下進行多次試驗測得羊毛纖維的平均色差值為40.339，與理論數(shù)值基本吻合。

表5 染色工藝響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果

2.2 最優(yōu)工藝染色試樣性能測試

在染色時間70min、染色溫度94℃、檸檬酸質(zhì)量濃度10g/L的最優(yōu)工藝條件對羊毛纖維進行染色，然后測試染色試樣的耐皂洗色牢度和單纖維強力。其中試樣耐皂洗色牢度按照GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗 耐皂洗色牢度》進行測試，試樣單纖維強力按照GB/T 27629—2011 《毛絨束纖維斷裂強度試驗方法》進行測試，結(jié)果如表6所示?？梢?，最優(yōu)工藝試樣的耐皂洗色牢度均在3級以上，染色前后羊毛單纖維強力變化幅度很小，說明預(yù)處理和最優(yōu)工藝染色并未對羊毛纖維強力造成實質(zhì)性影響。

表6 最優(yōu)工藝染色試樣性能測試結(jié)果

3 結(jié) 論

本文通過研究紅茶色素對羊毛纖維的染色工藝，運用響應(yīng)面法優(yōu)化染色工藝參數(shù)，分析各染色因素對染色結(jié)果的影響，并測試最優(yōu)工藝染色試樣的性能，可得到以下結(jié)論：

① 通過響應(yīng)面軟件中的Box-Behnken原理，對優(yōu)化結(jié)果進行修正，得到修正后的染色工藝參數(shù)為：染色時間70min，染色溫度94℃，檸檬酸質(zhì)量濃度10g/L，此條件下測得染色羊毛纖維的色差值為40.339。

② 經(jīng)響應(yīng)面分析得到各因素的主次順序為：染色溫度>染色時間>檸檬酸質(zhì)量濃度，其中染色溫度的影響最為顯著，其較小的波動就會對染色試樣的色差產(chǎn)生較大的影響。

③ 測得最優(yōu)工藝下染色羊毛纖維的耐皂洗色牢度均達到3級以上，滿足日常服用需求；染前預(yù)處理工藝和最優(yōu)工藝染色并未對羊毛纖維強力造成實質(zhì)性影響。

④ 媒染劑檸檬酸不僅表現(xiàn)出良好的媒染固色效果，而且避免了金屬離子媒染劑的環(huán)境問題。