摘 要：采用单因素分析法，考察了罗布麻茶染料用量、pH值、染色时间、染色浴比、染色温度对罗布麻茶天然染料染色羊毛织物K/S值的影响，然后采用Box-Behnken响应面设计法对罗布麻茶上染羊毛工艺进行了优化，探讨染色羊毛织物的色牢度以及罗布麻茶对羊毛织物的染色机理。结果表明，罗布麻茶上染羊毛织物最佳染色工艺为：染色温度100℃，浴比1∶30，染色时间80min；染色织物的耐皂洗色牢度和耐摩擦色牢度等级达到4级；罗布麻茶成分中含有黄酮类化合物结构，通过氢键及离子偶合作用上染到羊毛织物上。
关键词：天然染料；罗布麻茶；羊毛织物；染色工艺；响应面法
天然染料是来源于自然界的一种可再生染料资源，与合成染料相比，具有生态相容、低毒、可再生、功能性等特点［1］。罗布麻茶是用罗布麻叶制备的一类饮用茶叶，传统医学表明，罗布麻茶对高血压、气管炎、感冒具有较好的防治作用，在医学保健领域有着广泛的应用。此外，研究还表明，罗布麻叶提取物具有抗抑郁、抗凝血、抗动脉硬化、人体锂元素增强等作用［2－8］。这可能是由于罗布麻茶中的主要成分为黄酮类化合物，比如槲皮素等（见图1），使罗布麻叶具有了医药功能性［9－11］。在天然染料应用研究中，对于黄酮类天然染料的研究也逐年增多，为罗布麻茶作为天然染料提供了借鉴［12-13］。本文利用响应面法，研究了罗布麻茶天然染料对羊毛织物的染色工艺优化，并对罗布麻茶染色羊毛织物的色牢度以及染色机理进行了分析。
图1 槲皮素结构
1试验部分
1.1材料及仪器
织物：羊毛织物（80g/m2，嘉兴市兴润毛纺织有限公司）。
染化料：罗布麻茶（新疆乌鲁木齐百草堂大药房），碳酸钠、冰醋酸（分析纯，国药集团化学试剂有限公司），乙酸。
仪器：DF－II集热式恒温加热磁力搅拌器（江苏金坛医疗仪器厂），SHB循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸有限公司），DZF－6020真空干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司），SE202FZH电子天平［奥豪斯仪器（上海）有限公司］，ASX－24常温旋转式小样染色机（佛山市精柯纺织印染设备有限公司），UltrascanPro测色仪（美国HunterLab公司），Y（B）571－II预置式色牢度摩擦仪、SW－12A耐洗色牢度试验机（温州市大荣纺织仪器有限公司）。
1.2试验方法
1.2.1罗布麻茶天然染料制备
罗布麻茶前处理：罗布麻茶水洗两遍，摊开，自然阴干，粉碎，过40目筛网，装瓶备用。
罗布麻茶天然染料制备：称取一定量的罗布麻茶，浴比1∶30条件下，用水浸渍12h，100℃浸提150min，过滤，蒸干水分，所得棕褐色固体作为染料直接使用。
1.2.2染色方法
将羊毛织物在55℃温水中浸润5min，挤干水分，浴比40℃入染（罗布麻茶染料35％，浴比1∶40），升温至90°C，pH值3.0条件下（乙酸和碳酸钠调节），染色100min，水洗，晾干。
1.3测试方法
1.3.1 K/S值
K/S值利用Ultrascan Pro测色配色仪，采用Kubelka－Munk公式进行计算，见式（1）。
式中：K表示染料吸收系数；S表示染料散射系数；R表示织物在λmax下的反射值。
1.3.2色牢度
织物耐皂洗色牢度依据GB/T3921—2008《纺织品色牢度试验耐皂洗色牢度》标准进行测试评级。
织物耐摩擦色牢度依据GB/T3920—2008《纺织品色牢度试验耐摩擦色牢度》标准进行测试评级。
2结果与讨论
2.1不同染色条件对罗布麻茶染色羊毛织物K/S值的影响
2.1.1pH值对罗布麻茶染色羊毛织物K/S值的影响
不同pH值对罗布麻茶染色羊毛织物K/S值的影响见图2。
图2 pH值对罗布麻茶染色羊毛织物K/S值的影响
由图2可知，随着pH值增加，染色羊毛织物K/S值逐渐降低。羊毛纤维上存在—NH2和—COOH，以及等电点。羊毛的等电点为4.7左右，当pH值小于4.7时，羊毛带正电荷，随着pH值逐渐减小，羊毛纤维上—NH3＋数量逐渐增加。由于罗布麻茶主要成分为槲皮素，从图1中可以看出，槲皮素为多羟基醌结构，羟基在诱导作用下产生诱导偶极，与羊毛纤维上的—NH3＋发生离子偶合作用。pH值减小，离子偶合作用增强，染色羊毛织物K/S值增加。当pH值大于4.7时，羊毛带负电荷，与罗布麻茶的离子偶合作用降低，染色织物K/S值降低。选择pH值为3.0较为合适。
2.1.2罗布麻茶用量对罗布麻茶染色羊毛织物K/S值的影响
罗布麻茶用量对罗布麻茶染色羊毛织物K/S值的影响，见图3。
图3 罗布麻茶用量对罗布麻茶染色羊毛织物K/S值的影响
由图3可知，随着罗布麻茶用量增加，染色羊毛织物K/S值也逐渐增加。染料用量增加，与羊毛纤维作用的染料量也增加，染色羊毛织物K/S值增加，选择35％较为合适。
2.1.3染色时间对罗布麻茶染色羊毛织物K/S值的影响
染色时间对罗布麻茶染色羊毛织物K/S值的影响，见图4。
由图4可以看出，随着染色时间增加，染色羊毛织物K/S值也逐渐增加。随着染色时间增加，染料分子与纤维接触的时间增加，更多的染料分子扩散进入纤维内部，与羊毛纤维发生作用，染色羊毛织物K/S值增加，选择染色时间为100min较为合适。
图4 时间对罗布麻茶染色羊毛织物K/S值的影响
2.1.4染液浴比对罗布麻茶染色羊毛织物K/S值的影响
浴比对罗布麻茶染色羊毛织物K/S值的影响，见图5。
由图5可以看出，随着浴比增加，染色织物K/S值增加，浴比为1∶40时达到最大值，继续增加浴比，染色织物K/S值降低。这可能是由于浴比过小，染料容易发生聚集，不利于染料分子向纤维移动，同时易在纤维表面聚集，从而使染色织物K/S值较小。增加浴比，有利于染料随着染液的移动向纤维表面移动，然后扩散进入纤维内部，染色织物K/S值较大。当浴比过大，染料在染浴中浓度降低，与羊毛纤维接触机会降低，染色织物K/S值较低，浴比为1∶40比较合适。
图5 浴比对罗布麻茶染色羊毛织物K/S值的影响
2.1.5染色温度对罗布麻茶染色羊毛织物K/S值的影响
温度对罗布麻茶染色羊毛织物K/S值的影响，见图6。
由图6可以看出，随着染色温度增加，染色织物的K/S值增加，当温度为90℃时达到最大值，超过90℃后，染色织物的K/S值有所下降。这可能是由于温度太低，羊毛的鳞片层没有张开，染料较难进入纤维内部。随着温度增加，染料分子动能增加，有助于染料分子向纤维表面移动，扩散进入纤维内部。但当温度过大，染料分子动能过大，易从纤维表面内部及表面解吸到染浴中，染色织物K/S值下降。温度为90℃较为合适。
经过上述分析，得到罗布麻茶上染羊毛织物的单因素优化工艺：染料用量为35％，pH值为3.0，浴比为1∶40，染色温度为90℃，染色时间为100min。
图6 温度对罗布麻茶染色羊毛织物K/S值的影响
2.2 Box－Behnken设计优化罗布麻茶羊毛染色工艺
2.2.1 Box－Behnken 试验设计
选择染色时间、染色浴比、染色温度共3个因素，并采用Box－Behnken设计，以罗布麻茶染色羊毛织物K/S值（Y）为响应面值进行染色工艺优化，试验因素及水平表见表1［14－16］。
表1 Box－Behnken设计试验因素水平
2.2.2回归方程建立与方差分析
利用DesignExpert8.0软件，根据Box－Behnken的中心组合设计原理，设计了3因素3水平共17个试验点的响应面分析试验，试验结果见表2。
表2 Box－Behnken设计试验结果
通过对试验数据进行多元回归拟合分析，得到染色时间（X1）、染色浴比（X2）、染色温度（X3）3个因素变量与染色羊毛织物K/S值（Y）的二次方程模型，见式（2）。
对二次方程模型的方差分析结果见表3。表3中，F表示整个拟合方程的显著性，F值越大，表示方程越显著，拟合程度也就越好；P值是衡量控制组与试验组差异大小的指标，P＜0.0500表示两组存在差异，P＜0.0100表示两组存在显著差异，P＜0.0010表示两组的差异极其显著，表明回归模型中自变量与因变量之间有极显著回归关系。从表3中可以看出，F模型＝47.44，P模型＜0.0001，说明二次回归方程式极显著，F失拟＝2.37，P模型＝0.2119＞0.0500，表明相对于纯误差，失拟现象不显著，方程的拟合状况良好，可用于分析和预测本文的染色工艺。
同时，P（X3）小于0.0001，P（X1）和P（X2）大于0.0500，表明染色温度对罗布麻染羊毛织物K/S值的线性影响具有统计学意义，而染色时间和染色浴比的影响没有统计学意义。对于二次项，P（X22）和P（X23）均小于0.0001，P（X21）大于0.0500，说明X22和X23对罗布麻染色羊毛织物K/S值的响应曲面影响显著。P（X1X2）小于0.0001，而P（X1X3）和P（X2X3）均大于0.0500，表明在两两因素的互相作用中，时间和浴比具有显著的交互作用，其余两两因素的交互作用不显著。
因此，根据上述分析，剔除二次回归方程中影响不显著的因素，得到优化方程见式（3）。
2.3最优染色工艺求解及验证
根据DesignExpert8.0软件的计算结果可以得到罗布麻茶上染羊毛织物的最佳工艺参数：染色温度100°C下染色，染色浴比1∶30，染色时间80min，在该条件下染色羊毛织物的理论K/S值为18.74。为验证预测结果，采用以上最佳染色工艺条件，得到罗布麻茶染色羊毛织物的实际平均K/S值为18.61，标准偏差（SD）＝0.256，相对标准偏差（RSD）＝1.37％，预测值和试验值具有良好的拟合性，因此所得回归方程具有一定的使用价值。
2.4罗布麻茶染色羊毛织物色牢度测试
罗布麻茶染色羊毛织物的耐摩擦色牢度和耐皂洗色牢度见表4。
表3 拟合方程的方差法分析和因素显著性分析
表4 罗布麻茶染色羊毛织物染色牢度
由表4可以看出，染色羊毛织物的色牢度可以达到4级，染色织物色牢度较好。罗布麻茶主要成分槲皮素结构中含有多羟基结构，可以与羊毛纤维上的氨基、羧基等形成氢键和离子偶极作用，上染到羊毛纤维上，染色织物具有一定的色牢度。
2.5染色机理分析
罗布麻茶上染羊毛织物可能的染色机理如图7所示。
图7 罗布麻茶上染羊毛织物染色机理
由图7可以看出，罗布麻茶主要成分为槲皮素，槲皮素分子结构中含有多羟基结构，羊毛纤维上含有氨基、酰胺结构，这些结构之间可以形成氢键。同时，羊毛纤维上的氨基在酸性条件下，转化为氨基正离子，诱导槲皮素结构上的羟基产生诱导偶极，诱导偶极可以与羊毛纤维上的氨基正离子形成离子偶极相互作用。通过羟基和离子偶极作用，罗布麻茶上染到羊毛织物上，染色羊毛织物具有较好的色牢
度［1］。
3结论
（1）选择染色时间、染色浴比、染色温度这3个因素，采用响应面回归分析方法，得到罗布麻茶羊毛织物较优的染色工艺为：染色温度100℃，染色浴比1∶30，染色时间80min。
（2）罗布麻茶染色羊毛织物，耐摩擦色牢度和耐皂洗色牢度均达到4级，具有一定的染色应用性能。
（3）罗布麻茶成分中含有黄酮类化合物结构，通过氢键及离子偶合作用上染到羊毛织物上。
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文章摘自：单国华,柳疆梅,张曼宁,贾丽霞.响应面法优化罗布麻茶天然染料上染羊毛织物[J].针织工业,2021(11):41-45.
