板栗壳色素对锦纶织物的染色动力学

黄连香，王祥荣，2

（1.苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州 215021；2.纺织行业天然染料重点实验室，江苏苏州 215021）

合成染料污染问题越来越严重，天然染料能从可再生资源中获取，还可生物降解，重新受到大众青睐。天然染料是指从动物、植物、微生物以及矿产资源中提取、几乎没有化学加工的染料［1］，染色的同时还能赋予纺织品其他功能，如抗菌、抗氧化、抗紫外线等［2］。板栗壳色素是指从板栗壳中提取，既具有植物多酚特有的吸收紫外线、抗菌等功能，又具有染色性能及特殊功能的天然染料［3］。板栗壳色素作为着色剂在食品及化妆品领域得到了广泛应用，在纺织品中作为天然染料的研究也有一定基础，主要集中在棉、蚕丝以及羊毛等天然纤维上［3-5］，在合成织物上的应用较少。锦纶织物具有耐磨性、弹性等优点，在丝袜、泳衣以及运动内衣中的应用越来越广泛，应用市场和需求也在不断扩大。本文为验证板栗壳色素在锦纶织物上的应用，研究了板栗壳色素的染色动力学，探讨了元明粉、平平加O 和媒染处理的影响。

1 实验

1.1 材料

织物：锦纶6 织物（36 g/m2，经过前处理，盛虹集团有限公司）。药品：板栗壳色素（工业品，印度AMA Herbal Laboratories），无水硫酸钠、醋酸、醋酸钠、十八水合硫酸铝、七水合硫酸亚铁（分析纯），平平加O（工业品，江苏四新界面剂科技有限公司）。

1.2 仪器

Smartliquor 染色在线分析仪、Mathis 通用染色小样机（SmartLab 有限公司）。

1.3 预媒染

配制含媒染剂5%(omf)的媒染液，置于红外染色小样机，升温至40 ℃，投入润湿锦纶织物（浴比1∶40），然后以2 ℃/min 升温至80 ℃媒染30 min，再降温至60 ℃，取出，水洗，脱水，待用。

1.4 染色动力学

采用Mathis 通用染色小样机和Smartliquor 染色在线分析仪测试。用pH 4.2 的醋酸-醋酸钠缓冲溶液配制含板栗壳色素0.3 g/L 的染液，加入Mathis 通用染色小样机中，加热至指定温度，接通Smartliquor 染色在线分析仪，快速投入锦纶织物3 g（浴比1∶200），恒温染色240 min，获得恒温上染速率曲线。

2 结果与讨论

2.1 恒温上染速率曲线

由图1 可知，上染初期染料吸附较快，随着时间延长，上染速率减缓直至染色平衡，锦纶织物对板栗壳色素的平衡吸附量随温度升高而增加。原因是开始染色时，染液中色素浓度大，染料上染快，随着时间延长，色素浓度减小，上染逐渐达到平衡。

图1 板栗壳色素对锦纶织物的上染速率曲线

2.2 拟合动力学方程及参数计算

为了解板栗壳色素的染色动力学特征，找到相应动力学模型，选用准一级动力学方程和准二级动力学方程对上染速率曲线进行拟合。

准一级动力学吸附方程［6］如下：

式中，k1为准一级动力学反应速率常数，g/（mg·min）；C∞为染料在织物上的平衡上染量，mg/g；Ct为染色t时染料的上染量，mg/g。

由图2 可知，在刚开始吸附时，吸附数据的点符合趋势线，随着时间延长，吸附数据慢慢偏离。由表1可知，回归系数R2为0.849 7～0.967 9，拟合度偏低，且实际平衡吸附量C∞，exp与拟合结果计算值C∞，cal相差甚远，说明板栗壳色素在锦纶上的吸附过程仅在初期符合准一级动力学模型，后面的吸附过程有偏差，因而此模型不能用来表征板栗壳色素的染色动力学。

图2 板栗壳色素上染锦纶的准一级吸附动力学模型拟合曲线

表1 准一级动力学参数

准二级动力学模型是在吸附速率由织物表面未被占据的吸附空位数目的平方值决定的基础上给出［7-8］，公式［6］如下：

式中，k2为准二级动力学反应速率常数，g/（mg∙min）；C∞为染料的平衡上染量，mg/g；Ct为染色t时染料的上染量，mg/g。积分后如下：

半染时间反映染色达到平衡的速率［9］，指染料吸附量达到平衡上染吸附量1/2 所需时间，用t1/2表示。当t=t1/2时，计算式如下：

由图3 可知，板栗壳色素上染锦纶织物的拟合曲线在各温度下均显示良好的线性关系，运用线性回归法可算出回归直线的斜率1/C∞、截距。板栗壳色素在锦纶上染色的准二级动力学参数见表2。

图3 板栗壳色素上染锦纶的准二级吸附动力学模型拟合曲线

由表2 可以看出，回归系数R2均在0.99 以上，说明拟合度较高，且实际平衡吸附量C∞，exp与拟合结果计算值C∞，cal相差不大，说明准二级动力学方程能很好地描述吸附过程。影响准二级动力学吸附作用的主要因素是化学键的形成，由此可知吸附过程主要是化学吸附［11］。由于准二级模型包含织物吸附色素的所有过程，所以此模型可以很好地体现板栗壳色素上染锦纶的动力学机理。平衡上染量随温度升高而增加，反应速率常数则减小。这是由于温度升高，纤维膨胀程度增加，纤维间隙也增大，染料分子热运动加快，使其扩散和吸附加快，更容易进入纤维内部，加快了上染速率，增加了上染量［12］。

表2 准二级动力学参数

2.3 助剂对锦纶染色的影响

由图4 可知，中性盐能明显降低板栗壳色素对锦纶的平衡上染量。这是由于色素对锦纶的上染以离子键形式结合，中性盐中的SO42-可中和锦纶所带的正电荷，减缓色素上染速率，提高板栗壳色素染色的均匀性；而平平加O 基本没有改变平衡上染量，说明平平加O 对板栗壳色素上染锦纶织物作用不大。

图4 添加助剂时板栗壳色素的上染速率曲线

由图5 和表3 可知，加入元明粉和平平加O 后，板栗壳色素的吸附动力学仍符合准二级动力学吸附模型，R2均大于0.99。加入元明粉后平衡吸附量下降，半染时间变长；加入平平加O 后平衡吸附量基本不变，半染时间延长，说明具有一定的缓染作用。

图5 添加助剂时板栗壳色素上染锦纶的准二级吸附动力学模型拟合曲线

表3 添加助剂时准二级动力学参数

2.4 媒染对锦纶染色的影响

分别采用十八水合硫酸铝、七水合硫酸亚铁对锦纶织物进行预媒染。由图6 可以看出，经过预媒染后板栗壳色素对锦纶织物的上染率略下降。

图6 预媒染后板栗壳色素对锦纶织物的上染速率曲线

由图7 和表4 可知，预媒染后，板栗壳色素的吸附动力学仍符合准二级动力学模型，且平衡吸附量比未媒染低，半染时间均延长。

图7 预媒染后板栗壳色素上染锦纶的准二级吸附动力学模型拟合曲线

表4 预媒染后准二级动力学参数

3 结论

（1）在实验温度范围内，随着温度的升高，板栗壳色素上染锦纶织物的平衡吸附量增加，染色速率常数减小；染色动力学符合准二级吸附动力学模型，R2可达0.99 以上，色素在锦纶织物上的吸附过程主要是化学吸附。

（2）加入元明粉或平平加O 后，板栗壳色素的染色动力学仍然符合准二级吸附动力学模型，加入元明粉后平衡吸附量有所下降（11.034 mg/g），加入平平加O 后没有明显变化。

（3）经过硫酸铝和硫酸亚铁预媒染后，板栗壳色素的染色动力学仍然符合准二级吸附动力学模型，平衡吸附量略下降，分别为8.722、10.308 mg/g，半染时间均延长。