金佳瑞

（惠州學(xué)院 旭日廣東服裝學(xué)院，廣東 惠州 516007）

咖啡，是用經(jīng)過烘焙磨粉的咖啡豆制作出來的飲料，作為世界三大飲料之一，與可可、茶同為流行于世界的主要飲品．萃取后的咖啡渣殘留物約占咖啡豆干重的2/3左右［1］．目前，全世界的廢棄咖啡渣產(chǎn)量約為980萬t/a，咖啡渣主要由半纖維素、木質(zhì)素和纖維素物質(zhì)組成，同時含有一定量的金屬離子和酸性物質(zhì)，若不經(jīng)過處理而直接掩埋會造成土壤酸化污染．因此，有效地處理廢棄咖啡渣并實現(xiàn)資源再利用成為當(dāng)前研究的重點．早在2011年Solange［2］研究團(tuán)隊采用稀酸溶液溶解咖啡渣中的半纖維素糖，并成功將其用于生產(chǎn)化工合成原料乙醇．也有Hunter［3］的研究團(tuán)隊采用固-液萃取法對咖啡渣中的多酚物質(zhì)進(jìn)行提取，并將其用做食品和化妝品的添加劑．將廢棄咖啡渣進(jìn)行堆肥處理再制成蘑菇種植基，可以種植與培育各類菌菇實現(xiàn)廢棄咖啡渣的回收再利用［4］．咖啡、洋蔥皮與茶葉渣作為三大可染生物質(zhì)，含有豐富的天然染料．天然染料是一類無毒、無害，且具有優(yōu)良的生物可降解性和環(huán)境相容性，使用天然染料對織物上染顏色不僅可以染出獨特優(yōu)雅的色彩，同時還賦予織物抗菌與防紫外線等多種功能，非常適宜用于嬰幼兒服飾染色．目前，有少量報道已經(jīng)成功地將廢咖啡渣中提取的染料用于棉、麻和毛等織物的染色上．

真絲織物具有清涼的觸感、光澤優(yōu)美、吸濕透氣性良好等優(yōu)點，適宜制作夏季服飾［5］．本研究從商業(yè)廢棄咖啡渣中進(jìn)行天然染料的提取，分別研究不同溶劑對咖啡渣天然染液提取的效果；對天然染料的提取工藝進(jìn)行了優(yōu)化，選擇提取效果最優(yōu)的提取液，對真絲織物進(jìn)行染色，并考察媒染劑及其媒染方式對織物染色效果的影響，并對染色后織物的色牢度和防紫外線性能進(jìn)行了測試分析．

1 實驗部分

1.1 實驗材料及儀器

材料：市售20姆米桑蠶絲雙縐織物、氫氧化鈉、乙酸、乙醇、碳酸鈉、十二水硫酸鋁鉀（明礬）、硫酸亞鐵（綠礬）、硫酸銅（藍(lán)礬）（上述化學(xué)試劑均購于國藥試劑）．

儀器：pH計（梅特勒-托利多），織物防紫外線測試儀（溫州大榮），耐洗色牢度測試儀（溫州大榮），紫外-可見分光光度計（Shimadzu UV-2600），NH 310色差儀（三恩時）．

1.2 試驗方法

1.2.1 咖啡渣天然染料的提取

稱取干燥廢棄咖啡渣10 g，去離子水400 mL，選擇5種不同的溶劑（去離子水、5 g/L乙酸、5 g/L NaOH、5 g/L Na2CO3、10%乙醇），采用超聲波萃取法：超聲功率300 W，溫度80℃、時間90 min，待溶液冷卻到室溫之后，用濾紙將溶液過濾得到染液，靜置30 min后使用.

1.2.2 染液直接染色工藝

在對蠶絲織物染色之前，先將絲織物冷水浸泡、皂洗去除污漬，隨后用清水沖洗干凈備用．染色時，采用1：50浴比、染色溫度50～90℃、染色時間60～120 min、溶液pH值為4.0～8.0、采用控制變量法，研究各參數(shù)變化對于上染顏色及效果的影響．

1.2.3 前媒染色工藝

分別對選取的3種媒染劑，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 g/L的媒染劑溶液，在上述染色工藝之前，先將洗凈潤濕的真絲織物放入媒染劑溶液中，控制溫度為65℃，保溫處理60 min后，隨后再進(jìn)行后續(xù)的染色工藝處理．

1.3 實驗測試方法

1.3.1 紫外—可見吸收光譜的測定

對提取的染液的紫外可見吸收光譜的測定是通過在紫外—可見分光光度計上進(jìn)行測量，測試條件為：蒸餾水稀釋染液100倍后使用，波長范圍200～600 nm．

1.3.2 顏色特征值的確定

每個樣品的顏色特征值：L*、a*、b*值和表面反射率R，并且針對得到的測量結(jié)果應(yīng)用Kubelka-Munk方程計算K/S值，其中Kubelka-Munk方程如公式（1）所示：

其中：K為待測織物的吸收系數(shù)；S為待測織物的散射系數(shù)；R為最大波長處的反射率［6-7］．K/S的比值越大，表明顏色越深；K/S值越小，L*值表面顏色越淺．a(chǎn)*表示亮度，b*表示顏色偏紅（+a*偏紅，-a*偏綠）；b*表示偏黃或偏藍(lán)（+b*偏黃，-b*偏藍(lán)）．實驗中對每個樣品進(jìn)行至少10次測量后取平均值．

1.3.3 織物防紫外線性能測試

織物防紫外線性能測試的流程參照GB/T 18830-2009《紡織品防紫外線性能的評定》．對每個樣品進(jìn)行三次測試獲得平均UPF值、UVA及UVB的透過率．

1.3.4 染色織物色牢度性能測試

染色織物的色牢度測試流程及標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T 3921-2008《紡織品 色牢度試驗?zāi)驮硐瓷味取稟（1）的測試方法．同時參考GB/T 3920-2008《紡織品色牢度試驗?zāi)湍Σ辽味取返姆椒?，測定耐摩擦色牢度．

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溶劑提取染液效果的分析

采用極性不同的幾種溶劑分別對廢棄咖啡渣中的天然染料進(jìn)行提取，采用超聲波萃取后，幾種染料提取液的紫外—可見吸收光譜結(jié)果如圖1．從圖1可以看到采用去離子水提取的咖啡染液在紫外光吸收波段內(nèi)有兩個較強(qiáng)的吸收峰分別位于282 nm和326 nm附近．這可能由于咖啡染液中的發(fā)色團(tuán)主要是酚羥基（-OH）和酮羰基（C=O）［8］所致．5 g/L的乙酸作為溶劑提取的染液在紫外吸收波段發(fā)生明顯的吸收強(qiáng)度的提高，而5 g/L的NaOH和5 g/L的Na2CO3作為溶劑提取的染液會在275～320 nm（UVB波段）以及320～400 nm（UVA波段）波段產(chǎn)生強(qiáng)吸收，說明用5 g/L Na2CO3提取的染液濃度最大，并且對紫外線具有強(qiáng)吸收作用，經(jīng)過染色的織物可能具有防紫外線的功能．此外，5 g/L的NaOH和5 g/L的Na2CO3作為溶劑提取的染液會有效溶解咖啡渣中的黃酮類顯色物質(zhì)，提取液呈現(xiàn)明顯深棕色．

圖1 不同溶劑提取染料的紫外-可見分光光譜

2.2 咖啡渣提取液對蠶絲織物的染色工藝優(yōu)化

為了研究不同的染色工藝對于蠶絲織物染色效果及防紫外線性能的影響，進(jìn)行了溫度、時間、染液pH酸堿度三個變量進(jìn)行試驗．

2.2.1 染色溫度對織物染色效果的影響

廢棄咖啡渣提取液染色直接染色的工藝如1.2.2所述，染液浴比1：50，染液pH=7.0，染色時間60 min，探究不同染色溫度下，染液對于蠶絲織物染色效果及防紫外線效果的影響，結(jié)果如表1．

表1 染色溫度對蠶絲織物染色效果的影響

由表1可看到，在染色溫度90℃時，蠶絲的顏色最深（K/S值最大）．實驗中觀察到：隨著染色溫度的升高，咖啡染液中會有部分黑色雜質(zhì)析出并與蠶絲中的蛋白質(zhì)結(jié)合形成固體附著物附著在織物表面，造成染疵［9-10］．同時過高的染色溫度會對蠶絲織物中的蛋白質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，使得織物光澤感下降，呈現(xiàn)灰傷疵病，最佳的染色溫度應(yīng)在70℃．

2.2.2 染色時間對織物染色效果的影響

在最佳染色溫度70℃，染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%，染液pH=7.0的染色條件下探究不同的染色時間對于蠶絲織物染色效果的影響，結(jié)果如表2所示．

表2 染色時間對蠶絲織物染色效果的影響

由表2可以看到，隨著染色時間的延長，織物的K/S值不斷增大，60 min之后上升趨于平緩．最新的研究結(jié)果表明：類黑精是咖啡中有效的染色分子，其在水溶液中帶負(fù)電荷，并同帶正電的蛋白質(zhì)纖維通過范德華力結(jié)合在一起［11］．染色初始階段，染料分子與纖維的作用主要是吸附，隨著時間的延長，染料分子的吸附與解吸作用達(dá)到動態(tài)平衡．此外，當(dāng)染色時間延長至120 min，織物呈現(xiàn)出較為明顯的染色不勻，明度下降，同時對織物也造成了一定程度的損壞，對實際的生產(chǎn)不利，最佳的染色時間應(yīng)控制在60 min左右．

2.2.3 不同pH對織物染色效果的影響

從2.1的分析結(jié)論可知，當(dāng)5%的乙酸溶液、5%Na2CO3、5%NaOH溶液提取染液時，染液的吸光度值明顯提高，染液濃度較高．我們分別用乙酸和NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH酸堿度為4.0～8.0，并在最佳染色時間60 min，染色溫度70℃，染液質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的條件下，測試溶液pH酸堿度對于染色效果的影響．實驗結(jié)果如表3所示．

表3 p H對蠶絲織物染色效果的影響

從表3可知，隨著染液pH的增大，織物的K/S值先增大后又減小，在溶液pH=5.5時，織物的顏色最深．由于絲織物的等電點約為3.5～5.2，當(dāng)溶液pH低于等電點時，蠶絲纖維帶正電荷會與染料分子以離子鍵結(jié)合，當(dāng)溶液pH高于等電點時，蠶絲纖維帶負(fù)電荷與染料分子間產(chǎn)生排斥作用，導(dǎo)致染料難于上染．此外，蠶絲纖維中的蛋白質(zhì)分子也會在堿性溶液中發(fā)生肽鍵斷裂，損傷織物［12］．因此，在蠶絲等電點附近，溶液的pH選擇為5.5．

2.3 媒染劑對染色效果以及防紫外線性能的影響

在最優(yōu)染色工藝的條件下，3種媒染劑染色后的織物的顏色以及防紫外線性能如圖2所示．

圖2 不同媒染劑染色后的蠶絲織物樣品

從圖2中可以看到加入3種不同的媒染劑后，染色后蠶絲織物的顏色均有加深，尤其是加入綠礬加入后，顏色呈現(xiàn)明顯的深色，這可能是由于Fe2+與咖啡渣中的發(fā)色團(tuán)配合產(chǎn)生的深色效應(yīng)導(dǎo)致，經(jīng)染色后的織物顯示出較高的顏色深度（K/S值）．

2.4 防紫外線性能測試

將在最優(yōu)工藝下染色得到的織物樣品進(jìn)行了防紫外線性能測試，其結(jié)果見表4．

表4 不同織物樣品的防紫外線性能測試結(jié)果

從表4中可以看出，未經(jīng)染色的絲織物，紫外線的透射率很高，基本對紫外線不具有防護(hù)能力，而經(jīng)過染色后，UVA和UVB的透射率大幅下降，同時UPF值提高了2倍，雖然仍未達(dá)到商用防紫外線性能的要求，但經(jīng)過媒染劑染色后的織物，顏色更深，對織物的紫外線具有吸收作用，對紫外線的防護(hù)能力明顯提高．

2.5 染色色牢度

將表4中經(jīng)過染色的織物進(jìn)行色牢度測試，結(jié)果如表5所示，經(jīng)過染色后的織物，各項色牢度指標(biāo)都達(dá)到了服用紡織品的要求．

3 結(jié)論

本文采用商業(yè)廢棄咖啡渣為原料，探索了不同溶劑提取天然染料的工藝，并采用了不同的染色工藝對天然絲織物進(jìn)行染色，最后對得到的染色織物測試其防紫外線性能和色牢度，得到的結(jié)論如下：

（1）在超聲波萃取法下進(jìn)行不同溶劑的染料提取，乙酸、乙醇、NaOH、Na2CO3的加入均會提高染液提取的效率，且5 g/L NaOH和5 g/L Na2CO3溶液會產(chǎn)生明顯的染液深色效應(yīng)．

（2）咖啡渣染液對于蠶絲織物直接染色的最優(yōu)工藝為：溫度70℃、時間60 min、pH=5.5．

（3）采用不同的媒染劑，使用前媒染色法，經(jīng)過染色得到的蠶絲織物呈現(xiàn)咖啡色、棕色系.經(jīng)過綠礬染色的織物呈現(xiàn)的顏色最深，K/S值最大．

（4）經(jīng)過咖啡渣染液染色后的蠶絲織物，對于紫外線的防護(hù)作用有大幅提高，UPF值增大，且UVA與UVB的透過率明顯降低，具有潛在的環(huán)保與防護(hù)作用．

（5）使用咖啡渣染色后的絲織物各項色牢度等級在2～5，基本滿足服用要求，說明使用廢棄咖啡渣染色具有潛在的商業(yè)價值．