劉艷春, 白 剛
(1. 紹興文理學院 紡織服裝學院, 浙江 紹興 312000; 2. 浙江省清潔染整技術(shù)研究重點實驗室, 浙江 紹興 312000)
天然染料色彩柔和、無毒、無污染、環(huán)境相容性好[1],且很多具有抗菌消炎功效[2-3],用其染色的紡織品越來越受消費者喜愛。天然染料主要來源于動植物和礦物[4-5],來源有限、染色過程復(fù)雜、色譜不齊[6]。目前科研人員致力于開發(fā)可再生、又具有保健功效的天然染料及其染色工藝。
小檗堿是一種季銨生物堿[7],為黃色結(jié)晶性粉末,可溶于水。不同于其他的植物染料,小檗堿既可以從植物黃連中提取,也可通過化學合成實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),擺脫了受植物資源限制的缺點,具有很好的應(yīng)用價值[8]。
小檗堿具有廣譜抗菌性,對痢疾桿菌、肺炎球菌、金黃色葡萄球菌、鏈球菌、傷寒桿菌、白喉桿菌、霍亂孤菌等具有較強抑制作用,是一種被廣泛使用的抗菌藥[9]。由于小檗堿具有很好的生物降解性和環(huán)境相容性,對人體有抗菌保健功能,其染色織物色調(diào)清新、自然優(yōu)雅,因此在紡織品染整加工中具有很好的應(yīng)用前景。目前對小檗堿的合成工藝、藥理作用及臨床應(yīng)用研究較多,而利用小檗堿對紡織品染色,拓展其應(yīng)用領(lǐng)域的研究還很少。
聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維是聚丙烯腈與醋酸纖維素以分子級相結(jié)合而制成的一種新型纖維[10],具有良好的吸濕性、保暖性、抗靜電性、抗起球性和尺寸穩(wěn)定性,可應(yīng)用于保暖內(nèi)衣、毛衫、襪子、襯衫和家紡用品等領(lǐng)域。本文對小檗堿的理化性能及其在聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維上的染色性能進行研究,探討小檗堿的溶解性、耐酸堿性和熱穩(wěn)定性,對聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維小檗堿染色工藝進行優(yōu)化,并對染色樣品的抗菌性能進行測試,以期拓展小檗堿的應(yīng)用領(lǐng)域,為小檗堿在紡織染整加工中的應(yīng)用提供理論參考。
材料:聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維(1.33 dtex,吉林化纖股份有限公司)。
試劑:小檗堿(南通飛宇生物科技有限公司),無水乙醇、丙酮、金黃色葡萄球菌、大腸埃希氏菌(國藥集團化學試劑有限公司),牛肉膏、蛋白胨(北京奧博星生物技術(shù)有限責任公司)。
儀器:UV-2450型紫外-可見分光光度計(日本島津公司),Datacolor SF 600型電腦測色配色儀(美國Datcolor),SW-12型皂洗牢度試驗儀(寧波紡織儀器廠),TG/DTA 6300型同步熱分析儀(日本精工株式會社)。
采用正交試驗優(yōu)化聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維小檗堿染色工藝,以染色溫度、染色時間、染色pH值為試驗因素,K/S值為試驗指標。
染色工藝:小檗堿用量為2%(o.w.f.),浴比為1∶50,30 ℃條件下加入小檗堿,以2 ℃/min速率升溫到一定溫度,保溫一定時間,然后降溫到30 ℃,水洗,烘干。
1.3.1 小檗堿的溶解性測試
稱取0.01 g小檗堿,分別加入水、無水乙醇、丙酮定容到50 mL容量瓶中,搖勻,觀察溶解性。
1.3.2 小檗堿的光譜特征
取0.01 g小檗堿,加水定容到100 mL,采用紫外-可見分光光度計,在波長380~780 nm范圍內(nèi)進行可見光譜分析,得到小檗堿可見光范圍內(nèi)的最大吸收峰。
1.3.3 小檗堿酸堿穩(wěn)定性測試
取等量小檗堿,用不同pH值緩沖液配置色素溶液,采用紫外-可見分光光度計測定不同pH值下的最大吸收波長λmax和吸光度A。
1.3.4 小檗堿熱穩(wěn)定性測試
取0.01 g小檗堿,加水定容到100 mL,分別在40、60、80、100、120 ℃加熱1 h,采用紫外-可見分光光度計測定最大吸收波長和吸光度。
1.3.5 熱穩(wěn)定性測試
采用同步熱分析儀對小檗堿進行熱穩(wěn)定性測試,測試氣體為空氣,升溫速度為10 ℃/min。
1.3.6 上染百分率測定
采用殘液法,通過測試染液吸光度,按下式計算上染百分率。
式中:E為上染百分率,%;Ai為染色殘液稀釋n倍的吸光度;A0為染色原液稀釋m倍的吸光度。
1.3.7 染色深度(K/S值)測定
采用Datacolor SF 600電腦測色配色儀測量染色試樣K/S值。
1.3.8 上染速率曲線測定
在小檗堿用量為2%(o.w.f.),染色溫度為100 ℃,染色pH值為8的條件下,按照1.2節(jié)染色工藝對聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維進行染色,測定上染速率曲線。
1.3.9 耐皂洗色牢度測定
參照GB/T 3921—2008《紡織品 色牢度試驗 耐皂洗色牢度》試驗方法C(3),測試耐皂洗色牢度。小檗堿用量為2%(o.w.f.),pH=8,浴比為1∶50,染色溫度為100 ℃,保溫時間為40 min。
1.3.10 抗菌性測試
在小檗堿用量為2%(o.w.f.),pH=8,浴比為1∶50,染色溫度為100 ℃,保溫時間為40 min的條件下對聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維進行染色。參照GB/T 20944.3—2008《紡織品 抗菌性能的評價 第3 部分:振蕩法》對小檗堿染色的聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維的抗菌性能進行測試,測試菌種為金黃色葡萄球菌和大腸桿菌,按下式計算抑菌率。
Y=(1-Q/W)×100%
式中:Y為試樣的抑菌率,%;W為對照樣振蕩接觸18 h后燒瓶內(nèi)的活菌濃度,CFU/mL;Q為織物試樣振蕩接觸18 h后燒瓶內(nèi)的活菌濃度,CFU/mL。
2.1.1 小檗堿光譜特征的確定
對小檗堿進行可見光譜測試,掃描波長范圍為380~700 nm,測試結(jié)果如圖1所示??梢姡¢迚A在可見光范圍內(nèi)出現(xiàn)一個最大峰值,其最大吸收波長為420 nm。
圖1 小檗堿可見光譜圖Fig.1 Visible spectrum of berberine
2.1.2 溶解性分析
分析溶解性,可以看出小檗堿可溶于水,在冷乙醇中溶解度較小,易溶于60 ℃熱乙醇,難溶于丙酮。
2.1.3 pH值對小檗堿穩(wěn)定性的影響
pH值對小檗堿溶液最大吸收波長和吸光度的影響見表1??芍?,小檗堿溶液在pH值為3~11范圍內(nèi)最大吸收波長λmax和吸光度基本不發(fā)生改變,色素溶液始終呈亮黃色(波長在420 nm左右的溶液為黃色),說明小檗堿色素結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生改變。小檗堿為季銨類生物堿,其分子結(jié)構(gòu)上沒有酚羥基,只存在帶正電荷的季銨N和帶負電荷的羥基,二者在分子內(nèi)形成內(nèi)銨,因此其酸堿穩(wěn)定性較好。
表1 pH值對小檗堿溶液穩(wěn)定性的影響Tab.1 Effect of pH on stability of berberine
2.1.4 小檗堿熱穩(wěn)定性分析
溫度對小檗堿溶液最大吸收波長和吸光度的影響見表2??梢钥闯?,在40~120 ℃范圍內(nèi),小檗堿溶液最大吸收波長和吸光度基本不發(fā)生變化,色素溶液的顏色也沒有明顯變化,說明小檗堿在120 ℃以下熱穩(wěn)定性較好。天然染料一般熱穩(wěn)定性較差,在加熱或高溫時容易氧化褪色。小檗堿溶液熱穩(wěn)定性較好,為其在高溫染色時結(jié)構(gòu)和顏色穩(wěn)定性提供了保證,具有較好的應(yīng)用前景。
表2 溫度對小檗堿熱穩(wěn)定性的影響Tab.2 Effect of temperature on heat-stability of berberine
為了研究小檗堿在空氣中的熱氧化分解行為,同步熱分析儀的測試氣體選擇為空氣,小檗堿在空氣中的TG和DTA曲線見圖2。由圖可看出,在TG曲線中,小檗堿有2個明顯的失重階段。第1個質(zhì)量損失階段從40 ℃左右開始,到180 ℃時失重量約為12.0%,這一溫度范圍內(nèi)小檗堿只失去了吸附水;第2個失重階段在189~648 ℃溫度范圍內(nèi),表現(xiàn)在DTA曲線中,在189~648 ℃有明顯的放熱峰,這可能是小檗堿逐步分解所致。熱重測試結(jié)果表明,小檗堿在180 ℃以下是相對穩(wěn)定的。
2.2.1 染色工藝優(yōu)化
采用正交試驗優(yōu)化聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維小檗堿染色工藝,表3為L16(43)正交因素水平表,正交試驗結(jié)果見表4。
由表4可知,聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維小檗堿染色最佳工藝為A4B4C3,即染色溫度100 ℃,染色保溫時間40 min,染色pH值8。影響聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維染色性能的主次順序為染色溫度、染色保溫時間、染色pH值。染色溫度對染色性能的影響較大,染色溫度提高,纖維分子鏈段運動加劇,產(chǎn)生的瞬時孔隙也越多,染料粒子動能增加,擴散也增快,從而使上染速度和上染百分率提高。著色率一般隨保溫時間的延長而增加,時間過短染料達不到動態(tài)平衡,吸收不充分。當溫度升溫至規(guī)定溫度后,應(yīng)保溫染色一段時間,以確保染料充分擴散滲透。小檗堿是一種堿性染料,染浴pH值的變化會影響纖維中酸性基團的離解,從而會引起染料吸附量的變化。因此,要合理控制染色溫度和染色pH范圍。
圖2 小檗堿的TG與DTA曲線Fig.2 TG and DTA curves of berberine
表3 染色正交試驗因素水平表Tab.3 Factors and levels of orthogonal experiments for dyeing
表4 染色正交試驗結(jié)果Tab.4 Results of orthogonal experiments for dyeing
2.2.2 上染速率分析
小檗堿對聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維染色的上染速率曲線如圖3所示??煽闯?,小檗堿對聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維染色的上染速率很快,半染時間為15.5 min,平衡上染百分率為97%,染色色澤鮮艷亮麗。
圖3 小檗堿上染速率曲線Fig.3 Rate of berberine dyeing curves
2.2.3 吸附等溫線分析
在小檗堿用量分別為0.25、0.50,1.00、1.50、2.00、2.50、3.00、4.00、6.00、8.00、10.00、12.00%(o.w.f.),pH=8,浴比1∶50,100 ℃恒定溫度下對聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維染色4 h。
將吸附等溫線實驗數(shù)據(jù)用Langmuir方程式進行擬合,擬合曲線如圖4所示。
下式為Langmuir方程式:
式中:Cf為纖維上染料濃度,mg/g;CS為平衡時染液中的染料質(zhì)量濃度,mg/L;S為Langmuir吸附飽和值,mg/g;K為Langmuir常數(shù),L/mg。
圖4 小檗堿吸附等溫線Fig.4 Adsorption isotherm of berberine
相關(guān)系數(shù)為0.998,并計算Langmuir吸附等溫線常數(shù)K值為0.0267 8 L/mg,吸附飽和值S值為23.529 4 mg/g。由圖4可以看出,隨著小檗堿質(zhì)量濃度的提高,小檗堿在聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維上的吸附量不斷增加,當小檗堿質(zhì)量濃度增加到一定值時,吸附量不再增加,呈平穩(wěn)趨勢,上染幾乎達到飽和。實驗數(shù)據(jù)點與Langmuir吸附模型方程式計算而得的曲線吻合度很高,說明小檗堿上染聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維的吸附等溫線符合Langmuir吸附類型。
聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維是丙烯腈與醋酸纖維素以分子級相結(jié)合的一種新型纖維,小檗堿上染聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維的染色機制為定位吸附。在聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維中可以為小檗堿提供染座的主要有腈綸基中添加的第三單體(磺酸基或羧基)和纖維素醋酸酯上的羰基氧原子及殘留的羥基,對陽離子色素小檗堿有很強的吸附能力,但吸附染座有限,因此,吸附等溫線符合Langmuir吸附模型。
2.2.4 染色牢度
染色牢度測試結(jié)果表明,聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維小檗堿染色耐皂洗色牢度褪色牢度為3~4級,沾色牢度為4級。
2.2.5 小檗堿染色提升性
在最佳染色工藝條件下,對聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維進行染色,以小檗堿用量為橫坐標,K/S值為縱坐標繪制染色提升性曲線,結(jié)果如圖5所示。
圖5 小檗堿染色提升性曲線Fig.5 Building-up property curve of berberine
由圖5可看出,在小檗堿用量低于8%(o.w.f)時,聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維染色K/S值隨小檗堿用量的增加而增加。當小檗堿用量超過8%(o.w.f)時,曲線斜率逐漸變小,K/S值不再隨小檗堿用量增加而明顯增加。結(jié)果表明,在一定染料濃度范圍內(nèi),小檗堿染色提升性較好,可用于深濃色染色。
染色前后聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維抗菌性能測試結(jié)果表明,染色前樣品對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌率均為0,染色后樣品對金黃色葡萄球菌的抑菌率為96%,對大腸桿菌的抑菌率為92%。小檗堿對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌都具有很強的抗菌作用。
1)小檗堿是一種季胺生物堿,具有廣譜抗菌性,可溶于水。小檗堿在pH值3~11范圍內(nèi)最大吸收波長和吸光度基本不發(fā)生改變,耐酸堿穩(wěn)定性較好;熱重分析表明小檗堿在180 ℃以下是相對穩(wěn)定的。
2)小檗堿對聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維染色耐皂洗色牢度的褪色牢度為3~4級,沾色牢度為4級;聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維小檗堿染色吸附等溫線為Langmuir吸附模型;隨著小檗堿質(zhì)量濃度的增加,聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維的顏色逐漸變深,染色提升性能較好。
3)經(jīng)小檗堿染色后,聚丙烯腈/醋酸纖維素復(fù)合纖維具有良好的抗菌保健功效,對金黃色葡萄球菌的抑菌率為96%,對大腸桿菌的抑菌率為92%。