鄭云龍，王進(jìn)美，侯 琳，華柄宇，朱 博

(1.西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048； 2.陜西省紡織科學(xué)研究院，陜西 西安 710038)

由于全球環(huán)境的惡化，導(dǎo)致人類暴露在過量紫外線輻射下的機會越來越多，遮蔽皮膚是減少紫外線照射的常用方法。棉織物具有透氣性好、手感柔軟、不易起毛起球等優(yōu)點，是常用的服裝原料，但由于其紫外線防護(hù)系數(shù)UPF值較低，不足以應(yīng)對日益增多的紫外輻射，因此有必要對棉織物進(jìn)行防紫外線整理。常用的手段是用防紫外線整理劑對織物進(jìn)行涂層或浸漬整理。目前市場上銷售的防紫外線整理劑多為化學(xué)類物質(zhì)，常見的有金屬、金屬氧化物及其鹽類、TiO2、ZnO、Al2O3、高嶺土、氧化鐵、炭黑、滑石粉、CaCO3和氧化鉛等。這些物質(zhì)大多對環(huán)境及人體有害，紡織業(yè)正在尋找替代品，一些植物提取物已經(jīng)取得較好效果。蘇毅[1]將黃柏和黃連提取液用于純棉織物防紫外線整理，整理后織物的UPF值得到提高。陳莉等[2]將黃柏、大黃和姜黃提取液復(fù)配為防紫外線整理劑并應(yīng)用于棉織物防紫外線整理，整理后，織物的UPF值為312.39，紫外線透過率TUVA為0.43%。王成等[3]將蘆薈應(yīng)用于桑蠶織物防紫外線整理，表明整理后織物具有較高的抗紫外性能和抑菌功能。從植物中提取的防紫外線線整理劑不僅具有優(yōu)異的防紫外線表現(xiàn)，而且對人體皮膚沒有害處。蘇毅[4]研究發(fā)現(xiàn)黃柏、大黃、姜黃、蘆薈等植物體中具有黃酮類化合物、苯環(huán)類化合物和蒽醌類化合物等物質(zhì)，這些物質(zhì)對紫外線有很強的吸收作用。

配方均勻設(shè)計是將配方中各組分的用量在試驗范圍內(nèi)盡可能地均勻分布，以合理選出少量試驗點為目的，利用若干配比不同的試驗得出評價指標(biāo)與各組分百分比之間的回歸方程，并進(jìn)一步探尋各組分與評價指標(biāo)之間存在的內(nèi)在規(guī)律[5]。均勻試驗設(shè)計[6]只考慮試驗點在試驗范圍內(nèi)均勻散布，可以用較少的試驗次數(shù)，安排多因素、多水平的析因試驗，是在均勻性度量下最好的析因試驗設(shè)計方法，應(yīng)用于多因素試驗效果篩選時具有收斂速度快、可以確定數(shù)據(jù)變化規(guī)律，即用較少的試驗點來獲得較多的信息。均勻設(shè)計法廣泛應(yīng)用于國防科技、醫(yī)藥配方、實驗配比等[7]。周麗萍等[8]基于均勻設(shè)計法研究柴胡—黃芩藥對發(fā)揮抗抑郁功效的最佳配伍比例；李穎等[9]利用均勻設(shè)計優(yōu)選麥冬提取工藝。魯靜等[10]利用均勻設(shè)計優(yōu)選淫羊藿多糖的提取工藝。

相關(guān)研究表明綠莧和龍葵含有黃酮類物質(zhì)蘆丁、槲皮素和酚類物質(zhì)沒食子酸[11-14]。本文選取綠莧、龍葵和黃柏3種提取液，利用均勻設(shè)計法進(jìn)行復(fù)配得到一種天然植物防紫外線整理劑，并將其用于棉織物防紫外線整理，探究防紫外線效果及提取液最佳體積配比。

1 試 驗

1.1 材料和儀器

織物：純棉織物(面密度133.2 g/m2)。

藥品：無水乙醇、硫酸鋁鉀(分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠)，去離子水(自制)，沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)樣、槲皮素標(biāo)準(zhǔn)樣、蘆丁標(biāo)準(zhǔn)樣(上海阿拉丁生化科技股份有限公司)，小檗堿標(biāo)準(zhǔn)樣、黃柏酮標(biāo)準(zhǔn)樣(北京高科恒輝技術(shù)發(fā)展有限公司),黃柏、龍葵、綠莧(自購)。

儀器：索氏提取器(北京啟文海龍玻璃制品有限公司)，F(xiàn)A1004精密電子天平(上海良平儀器儀表有限公司)，DHZ-D(Ш)循環(huán)水真空泵(鞏義市英峪華玉儀器廠)，DZ-2A型真空干燥箱(天津市泰斯特儀器有限公司)，F(xiàn)W80型高速萬能粉碎機(北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司)，紫外分光光度計(上海菁華科技儀器有限公司)，UV-2000F紫外透射率分析儀(上海藍(lán)菲光學(xué)儀器有限公司)，SF1-21玻璃反應(yīng)釜(鄭州杜甫儀器廠)，傅里葉變換紅外光譜儀(美國PerkinElmer公司)。

1.2 植物整理劑的提取

將烘干并粉碎至100目的綠莧稱取250 g，每次取5 g綠莧粉末放入索氏提取器中自制的濾紙筒內(nèi)，加入200 mL 60%乙醇并連接好裝置，60 ℃恒溫水浴提取至溶液不變色為止，如此反復(fù)提取完250 g綠莧，采用同樣方法提取龍葵和黃柏，提取完畢用真空抽濾。取部分提取液烘干至粉末。綠莧、龍葵提取物粉末與槲皮素、蘆丁和沒食子酸做傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析對比，黃柏提取物粉末與小檗堿、黃柏酮做傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析對比。

1.3 純棉織物防紫外線整理工藝

將織物試樣在70 ℃熱水中預(yù)處理10 min，取出擠干水分用明礬進(jìn)行絡(luò)合處理(浴比1∶50，明礬含量5%)1 h，取出冷水沖洗并烘干，將試樣分別浸漬于60 ℃的復(fù)配植物提取液(浴比1∶50)中3 h。反應(yīng)完成水洗烘干。

1.4 防紫外線性能測試

將整理后的棉織物裁剪為10 cm×10 cm大小，采用UV-2000F紫外透射率分析儀測定織物的紫外線防護(hù)系數(shù)UPF、紫外線透過率TUVA和TUVB。

2 均勻設(shè)計分析

2.1 設(shè)計方案

表1 均勻設(shè)計表U7*(74)

表2 U7*(74)使用表

表3 簡化表U7*(72)

表3中第k行第j列的元素記為Ukj,對于每個Ukj計算Ckj，得到C值表，見表4。

表4 C值表

分別計算gkj，Xk1,Xkj,Xks得到試驗配方表UM7(73),如表5所示。其中原布的UPF、TUVA、TUVB分別為17.35、4.96%、6.00%。

gkj=s-jckj，j=1，2；k=1，2,…，n

xk1=1-gk1，k=1，2,…，n

表5 試驗配方UM7(73)

2.2 對UPF進(jìn)行回歸分析

在配方均勻設(shè)計中，需要對試驗結(jié)果進(jìn)行回歸分析[15]，通常選用逐步回歸分析法建立線性回歸、二次回歸或三次回歸等數(shù)學(xué)模型。根據(jù)試驗結(jié)果，利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件進(jìn)行回歸分析，由于試驗因素間存在約束條件X1+X2+X3=1，所以只用X1、X22個自變量對y1(UPF)作回歸分析。因為多元線性回歸分析無統(tǒng)計意義(F=4.239 8

y=44.007 179 6+0.002 929 229 326 8X2X2

由于逐步回歸輸出結(jié)果較多，只列出主要結(jié)果，TUVA的二次多項式逐步回歸輸出結(jié)果見表6。

表6 TUVA二次多項式逐步回歸輸出結(jié)果

由表6可知，回歸模型的p=0.010 2，F(xiàn)=16.080 2>F0.05(1,5)=6.61，說明回歸方程顯著，剩余標(biāo)準(zhǔn)差S=3.767 4。其中只有X2X2和X2顯著水平小于0.05，由此可見龍葵對UPF的影響大于綠莧，與測試結(jié)果契合程度較高，所以在單獨考慮體積分?jǐn)?shù)對UPF的影響時應(yīng)該使龍葵提取液的體積分?jǐn)?shù)大于綠莧。若采用X1、X2、X3為自變量對y1(UPF)進(jìn)行回歸分析,考慮各因素顯著水平和最高指標(biāo)時各因素影響由大到小順序為X2>X1>X3。

2.3 對TUVA進(jìn)行回歸分析

根據(jù)試驗結(jié)果，利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件進(jìn)行回歸分析。用X1、X22個自變量對y2(TUVA)作回歸分析。采用多元線性回歸得到的回歸方程為y2=1.969 8+0.004 9X1-0.008 9X2。其中相關(guān)系數(shù)R=0.953 602，決定系數(shù)RR=0.909 356 調(diào)整相關(guān)系數(shù)R′=0.929 534。方差分析表見表7，通徑系數(shù)分析見表8。

臨界值F0.05(2，4)=6.94，F(xiàn)=20.064 3>F0.05(2，4)=6.94，說明回歸方程顯著，剩余標(biāo)準(zhǔn)差S=0.122 8。由表8可以看出，綠莧體積分?jǐn)?shù)X1對y2(TUVA)的直接作用為0.364 3，通過龍葵體積分?jǐn)?shù)X2對y2(TUVA)的間接作用為0.404 9，均為正相關(guān)；龍葵體積分?jǐn)?shù)X2對y2(TUVA)的直接作用為-0.694 0，通過綠莧體積分?jǐn)?shù)X1對y2(TUVA)的間接作用為-0.212 5，均為負(fù)相關(guān)，所以在單獨考慮體積分?jǐn)?shù)對TUVA的影響時應(yīng)該使龍葵的體積分?jǐn)?shù)小于綠莧體積分?jǐn)?shù)。若采用X1、X2、X3為自變量對y2(TUVA)進(jìn)行回歸分析,通徑系數(shù)分析各因素影響由大到小順序為X1>X2>X3。

表7 方差分析

表8 通徑系數(shù)分析

2.4 對TUVB進(jìn)行回歸分析

根據(jù)試驗結(jié)果，利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件進(jìn)行回歸分析。用X1、X22個自變量對y3(TUVB)作回歸分析。因為多元線性回歸分析無統(tǒng)計意義(F=4.1237

表9 TUVB二次多項式逐步回歸輸出結(jié)果

由表9可知，回歸模型的p=0.026 9，F(xiàn)=9.598 6>F0.05(1,5)=6.61，說明回歸方程顯著，剩余標(biāo)準(zhǔn)差S=1 827。其中只有X2X2和X1顯著水平小于0.05，由此可見龍葵對TUVB的影響大于綠莧，與測試結(jié)果契合程度較高，所以在單獨考慮體積分?jǐn)?shù)對TUVB的影響時應(yīng)該使龍葵的體積分?jǐn)?shù)大于綠莧。若采用X1、X2、X3為自變量對y3(TUVB值)進(jìn)行回歸分析,考慮各因素顯著水平時各因素影響由大到小順序為X3>X2>X1，最高指標(biāo)時各因素影響由大到小順序為X3>X1>X2，所以結(jié)合直觀分析確定各因素對TUVB的影響由大到小順序為X2>X1>X3。

2.5 最優(yōu)方案

由于均勻設(shè)計的本質(zhì)決定了其試驗點充分均勻，所以試驗中最優(yōu)方案離試驗范圍內(nèi)的理論最優(yōu)方案接近，實踐證明，直觀分析法的誤差很小[16]。所以，本文選用由DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對UPF、TUVA、TUVB進(jìn)行的回歸分析，結(jié)合直觀分析法獲得的最優(yōu)復(fù)配比為綠莧體積分?jǐn)?shù)19.82%，龍葵體積分?jǐn)?shù)74.46%，黃柏體積分?jǐn)?shù)5.72%。

3 綠莧、黃柏和龍葵提取物的紅外光譜分析

3種植物提取物紅外光譜圖如圖1所示。

圖1 綠莧、龍葵和黃柏提取物紅外光譜圖

由圖1(g)～(h)可知： 所制得產(chǎn)品的峰形和小檗堿標(biāo)準(zhǔn)品以及黃柏酮標(biāo)準(zhǔn)品[19]的基本一致,黃柏提取物與黃柏酮標(biāo)準(zhǔn)品在2 973、1 369、1 022 cm-1處的吸收峰相似。由此表明黃柏提取物中含有小檗堿和黃柏酮2種物質(zhì)。

4 結(jié) 論

①綠莧、龍葵和黃柏3種植物經(jīng)傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析，3種植物體中均含有可吸收紫外線的成分，其中綠莧和龍葵中含有黃酮類物質(zhì)蘆丁、槲皮素以及酚類物質(zhì)沒食子酸，黃柏含有酮類物質(zhì)黃柏酮和含苯環(huán)類物質(zhì)小檗堿。

②將綠莧、龍葵和黃柏3種植物提取液組成的防紫外線整理劑應(yīng)用于棉織物整理后織物UPF值、TUVA、TUVB均達(dá)到了GB/T 18830—2009《紡織品 防紫外線性能的評定》的要求。

③利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對均勻設(shè)計試驗結(jié)果進(jìn)行回歸分析，結(jié)合直觀分析法得出3種植物提取液作為防紫外線整理劑的最佳復(fù)配體積分?jǐn)?shù)為綠莧提取液19.82%，龍葵提取液74.46%，黃柏提取液5.72%，采用最佳配比整理后棉織物的UPF為61.02，TUVA為1.39%，TUVB為1.61%。