清洁生产方法：聚酯纤维着色 孙苒学习翻译

使用天然染料指甲花（Lawsonia inermis L.）对聚酯纤维进行着色而不使用媒染剂：一种新的清洁生产方法

抽象

关键词

涤纶纤维 天然染料 指甲花叶 生态友好染色 清洁剂生产

介绍

聚酯是通常由通常由在主链中具有酯官能团并通过二醇（或二醇）与双官能羧酸（或二酸）的缩聚反应形成的聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的纤维的名称（Edlund和Albertsson 2003）。 。每种反应物质的两个官能团的存在导致形成线性聚酯分子。聚酯作为纤维材料在体积和产品价值方面具有重要意义，因为它们在各种应用领域具有多功能性，原材料和生产成本相对较低（Park and Kim 2014））。在所有类别的聚酯纤维中，商业上最重要和最古老的纤维材料是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），它是由对苯二甲酸（TPA）和乙二醇（EG）组成的脂族 – 芳族聚合物（Deopura等人） 。2008）。PET大分子的大分子和非柔性结构导致聚酯纤维的紧密和高度结晶的分子排列，伴随着高熔点和玻璃化转变温度以及它们对水分和各种化学品的不敏感性（Lewin 2007）。

高度结晶的结构和缺乏极性使得聚酯纤维本质上是疏水的（El-Nagar等人，2006），其反过来阻止水分子进入聚合物系统并且还赋予水中有限的溶胀。因此，聚酯纤维的疏水性限制了染色过程中染料分子扩散到纤维内部（Peters和Ingamells 1973），这也使得染色过程在低温下非常困难。在高温和压力下，聚酯纤维染色主要由合成的着色剂，例如分散染料（阿斯普兰进行1992FITE; 1995 ; Kim等人2005年）由于其非常小的粒径和非离子性质（Gohl和Vilensky 1983）。然而，近年来，由于全球意识和环境问题日益严重，学术界和纺织业重新受到关注，导致一些研究聚焦聚酯纤维的着色，使用来自各种自然资源的天然染料，如洋葱，茜草，藏红花，可乐果，dolu和姜黄素（Ado等人2015 ; Shahin等人2014 ; El-Nagar等人2014）。但是，尽管它作为纺织纤维的染料已被广泛使用，但任何对聚酯纤维上的指甲花染料的系统研究和应用都是罕见的。

通常被称为lawone或hennotannic酸（一种红橙色素）的指甲花是指甲花叶子的主要成分（Rehman等人，2012）。根据工业分类的例子，lawone是Natural Orange 6和CI 75480，化学上称为2-羟基-1,4-萘醌（方案 1），并且作为蛋白质纤维以及其他纺织纤维的实质染料和在基质上赋予橙色（Bhuiyan等，2017a）。同样，与其他天然染料一样，它具有几个显着的优点，例如它不会对健康造成任何危害，易于与自然协调，具有一点化学反应性并且没有不利的环境问题。相反，金属媒染剂的应用是天然着色剂和指甲花（Vankar 2000）染色过程中的常见做法，这阻碍了其作为合成染料的潜在替代品的环境前景。

方案1

lawone（2-羟基-1,4-萘醌）的化学结构

作为主要的金属盐，媒染剂充当一种胶水，其将纤维牢固地固定在染料上，从而在纺织品基材上产生持久的颜色。媒染过程通常会提高染料的性能，除了在天然和合成纺织纤维上获得广泛的颜色，具有与色牢度性质相关的延长色调范围（Kadolph和Casselman 2004）。不同类型的金属媒染剂（如钾矾，铁，锡，铜和铬）单独或组合应用于天然着色剂和指甲花染料浴中，以获得所需的染色纤维性能（Kamel等。2011）。然而，在某种程度上，这些金属媒染剂是危险的，并且通常产生含有来自金属盐的残余有毒金属离子的废水，这可能对环境和公共健康产生不利影响（Shahid和Mohammad 2013 ; Lee等人，2010）。因此，本研究的主要目的是探索在不使用任何媒染剂的情况下在高温高压下用指甲花染料染色聚酯纤维的范围，然后分析所得染色织物的色强度和色牢度性质。

方法

物料

预处理的100％聚酯织物（EPI 104; PPI 72和GSM 69）购自孟加拉国的当地市场并用于所有实验。对于涤纶织物的染色，天然染料指甲花（Lawsonia inermis L.）从当地市场引进并用于获得褐红色的染料，其颜色为红棕色。用于从指甲花叶子中提取染料的乙醇（C 2 H 5 OH）购自印度的Merck。

指甲花染料的提取

将新鲜的指甲花叶子在阳光下干燥1天，然后在80℃下在烘箱中干燥1小时，然后用蒸馏水洗涤和清洁（Bhuiyan等人，2017b）。将干燥的叶子研磨成粉末形式以确保适当的提取结果。将指甲花粉末在室温下浸泡在水 – 乙醇混合物（90：10v / v）中24小时，得到提取物。

用指甲花染料染色

聚酯纤维的染色使用上述提取物在不同温度（90,100,110,120和130℃）下进行60分钟，材料与浴比为1:40，以获得最佳染料吸尽。在台湾Co-power Technology Ltd.的Sandolab红外实验室染色机中，通过排气法对织物重量（owf）的20％的色调进行染色。染色后，将染色的织物样品在浴中用1g / L皂洗剂在60℃温度下洗涤10分钟，并用冷水冲洗，然后在干燥器中干燥。为了便于识别，所有测试织物样品的编码如表1所示 。

表格1

测试织物样品编码

色强度和相关参数的测量

通过使用颜色测量分光光度计（来自中国的Datacolor 650）分析指甲花染色的聚酯织物样品的颜色产率值。染色织物的颜色深度是通过用Kubelka-Munk方程分析给定染色样品的K / S值来确定的[方程式1]。（1）（Bhuiyan等人2013）。

?小号= （1 – R）22 R.KS=(1?R)22R

（1）

其中R反射百分比; K吸收系数; 染料的S和S散射系数。该值来自由吸收和散射引起的光的衰减比，其基于反射率得到。

根据AATCC测试方法173-评估染色织物的比色性质，例如亮度（L *），发红 – 绿度（a *），黄 – 蓝（b *），色度（c *）和色调（h）。 2006年在光源D65，大面积视图和CIE 10°标准观察者（Bhuiyan等人2016a）。将每个样品折叠两次以得到不透明的视图，并在织物表面的不同部分测量四次颜色反射率。

色牢度性质的测定

根据ISO 105-C03：1989，通过耐洗牢度测试仪（来自James H.Heal and Co.，UK的Gyrowash 415/8）进行染色织物样品抗洗涤的色牢度性质。根据ISO 105-E04：2013通过汗渍坚牢度测试仪（来自James H.Heal and Co.，UK的Perspirometer HX-30）评估出汗的色牢度。通过比较未处理的织物与处理过的织物样品相对于颜色变化和颜色染色灰度等级来评估由于洗涤和排汗引起的颜色变化和染色（具有多纤维织物SDC DW）。根据ISO 105-X12：2016通过摩擦牢度测试仪（来自James H.Heal and Co.，UK的Crockmeter 670）进行摩擦色牢度。通过在干燥和潮湿条件下在白色摩擦布（漂白的白色棉织物）上染色来进行评估。在测试气氛（温度27±2℃和相对湿度65±2％）下对染色织物进行调理24小时后，对测试织物样品进行所有分析（Saville）1999年

描述

通过美国Agilent Technologies的傅立叶变换红外（FTIR）分光光度计（Cary 630）测定染色后聚酯纤维和指甲花染料之间可能形成的特定官能团或化学键。通过吸收模式获得FTIR光谱，并使用由精细切割和研磨的未染色和染色的聚酯纤维和指甲花粉末制成的溴化钾（KBr）粒料测量。通过使用来自荷兰Phenom-World BV的Phenom Pro扫描电子显微镜（SEM）观察未染色和染色的聚酯织物样品的表面形态。工作加速电压为5kV，放大倍数高达1050×。

结果和讨论

色强度分析

通过K / S值研究了指甲花染色织物样品的色度强度或色调深度，其在数值上表示着色材料层的性质以及由于光吸收和散射而将颜色确定为浓度的简单方法（Bhuiyan等）。人2016B）。函数K / S与基材中着色剂的浓度成正比，所有实验织物样品的值如图1所示 。

图1

随着 温度的升高，指甲花染色聚酯纤维的色强度（λmax = 420 nm时的K / S值）逐渐增加

在不同温度下用指甲花染色的聚酯织物的颜色强度即K / S值的变化如图1所示 。较高的K / S值表明织物中的染料量较大，导致较深的色调。由于在90°C染色的织物样品表现出较低的K / S值，最短的条形图表明染料的吸收较低，而在130°C染色的纤维由于较高的K / S值而显示较长的条带导致更好的吸收染料（图 2）。

图2

指甲花染色卡在不同温度下染色涤纶织物样品

到目前为止，由于高温导致聚酯纤维更多地吸收指甲花染料的原因尚未得到彻底研究。但可以认为，染色中使用的升高的温度和压力可以打开聚酯大分子排列的孔。如前所述，聚酯纤维本质上是非常紧凑和高度结晶的，并且它对水分和各种化学品不敏感。聚酯纤维在高温下的染色最可能使微小的染料颗粒深入纤维内部，从而使纤维对染料的吸收更大（Broadbent 2001）。

颜色规格和相对颜色强度

使用分光光度计通过CIELab系统进行实验织物样品的比色性质。颜色的亮度值（从100 =白色到0 =黑色）表示L *，亮度值越高表示染色织物的颜色产率越低。再次a *和b *值表征的颜色的色调，a *和b *为正值静置而负节目更绿色更红分别和黄的色调和更蓝的色调（Ali等。2009年）。此外，c *值表示颜色的色度或强度，h°对应于色调角。

表 2表示用指甲花染料着色后聚酯织物的比色特征。染色样品的较低L *值表明颜色强度随着染色温度的增加而引起染料的更大吸收。因此，随着染色温度的增加，染色织物的c *值的增加表示染色织物的色调深度更高。此外，正a *和b *值表明红色和黄色色调的组合导致染色织物样品的橙色，这是指甲花染料的Lawson颜料的天然颜色的特征（Bhuiyan等人2017b））。

表2

分光光度计表征不同温度下的指甲花染色涤纶织物样品

染色织物的色牢度特性

当染色或印花的纺织材料暴露于各种环境条件时，色牢度是染料保持其颜色的性质。针对相邻多纤维织物的染色的灰度值和色调的改变，以通常的方式进行针对洗涤和排汗的色牢度的评估。然而，在干燥和潮湿条件下仅评价摩擦牢度的颜色染色选择。所有实验样品的色牢度等级在表tabularized 3，4和5分别。

表3

指甲花染色的聚酯织物样品的洗涤色牢度（颜色变化和颜色染色）

表4

指甲花染色涤纶织物样品的汗渍色牢度（颜色变化和颜色染色）

表5

对指甲花染色的聚酯织物样品进行摩擦（干燥和湿润）的色牢度

表3和表4中针对洗涤和排汗的 色牢度等级表明，用指甲花染料染色的涤纶织物具有几乎相同的”非常好”至”优异”的牢度等级（在数值等级4-5和5中），具有非常小的变化深浅不一。同样，由于洗涤或出汗而在相邻的多纤维织物上没有或略微染色表示用指甲花染色的聚酯纤维的显着的色牢度性质。此外，在染色织物的干摩擦和湿摩擦的情况下，没有观察到颜色的显着变化（表 5）。用指甲花染色的聚酯纤维所表现出的抗洗涤，排汗和摩擦的优异色牢度性能可归因于其高度结晶的结构和疏水性（Bhuiyan等人，2017a）。高结晶度可以强烈地捕获纤维内的染料分子，而疏水性限制水分子进入聚合物系统的任何进入，并且在洗涤过程中有限的溶胀以从纤维内部除去过量的染料分子。

染色织物样品的表征

FTIR光谱分析

通过FTIR光谱研究了指甲花染料与未染色和染色的聚酯纤维样品的化学特性。通过在红外光源中扫描测试样品，彻底检查了染色后与聚乙烯染料相互作用导致的聚酯纤维分子结构的可能变化。

染色后的指甲花染料的FTIR光谱及其与聚酯纤维的化学相互作用如图3所示 。醌的详细红外（IR）光谱表明在芳环的C = C振动谱带在1513和1522厘米存在-1和羰基伸缩区在1615和1692厘米观察-1（芭蕉和Gasmelseed 2012） 。在3214cm -1处的键表示拉伸O-H，其覆盖C-H振动（Mahkam等人，2014）。此外，典型的2-萘酚O-H拉伸带位于3610 cm -1，而普通的O-H拉伸位于3401 cm -1处。这可能是由于酮 – 烯醇互变异构现象（Amro等，1993）。

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图3

染色和未染色条件下指甲花染料和聚酯纤维样品的FTIR吸收光谱

同样，在未染色的聚酯纤维的情况下，在2957,845和871cm -1处分别观察到弱的C-H拉伸，C-H弯曲和中等强度的C-C平面外弯曲振动（Parvinzadeh和Ebrahimi）2011）。与PET C = O基团键合的分子内O-H和PET大分子链带中末端羧基的O-H面外弯曲出现在3421和1090cm -1处（Parvinzadeh等人，2010）。此外，强C = O对称在1714厘米羰基的伸缩-1对应于聚对苯二甲酸乙酯分子的酯类键具有非对称伸缩小的带沿着在1572厘米-1。然而，在染色的聚酯纤维样品的情况下，在条带或其强度方面没有观察到显着变化。这种微不足道的变化表明聚酯纤维和指甲染料之间由于染色而没有形成化学键，并且可以假设材料之间的相互作用仅仅是物理性质或者范德华力可能起作用。

形态学研究

通过扫描电子显微镜（SEM）对未染色和染色的聚酯织物样品的表面形态进行研究。通过与在不同放大倍数下产生图像后的未染色纤维的比较，研究了由于在高温下染色而引起的聚酯纤维形态结构的可能变化。

未染色和染色的聚酯纤维的扫描电子显微镜图像显示在图 4中。已经观察到聚酯纤维的表面结构保持不变，没有任何明显的破裂，因为它在高温（130℃）下加工。未受影响的形态结构表明纤维的完整物理性质，因此，可以预测聚酯纤维的物理或机械性能将由于在高温和高压下用指甲花染色而保持不受影响。

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图4

未染色（a，b）和染色（c，d）聚酯纤维样品在不同放大倍数下的SEM图像

结论

已经广泛研究了聚酯纤维与天然染料指甲花在高温高压下的着色以及无媒染剂染色的前景。详细的实验结果表明，在高温下用指甲花染料染色聚酯纤维可以明显增强纤维对染料的吸收，从而增加色调深度。此外，由于染料在纤维内部的强烈捕获，染色织物样品还表现出优异的耐洗涤，排汗和摩擦的色牢度性能。此外，未改变的纤维形态结构预示着纤维的机械性能在染色后不会受到影响。因此，研究结果表明，在不使用媒染剂的情况下，指导染料在高温下可能会在聚酯纤维上应用。因此，通过避免废水中的有害金属可以显着减少任何有害的环境影响，这可以为更清洁和更环保的纺织品染色过程带来新的方式。

笔记

利益争夺

道德批准并同意参与

不适用。

出版商的说明

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参考

Ado，A.，Musa，H.，Gumel，S。，＆Yahaya，H。（2015）。使用从不同品种的可乐果中提取的天然染料对棉和涤纶织物进行环保染色。国际化学科学杂志， 1（1），6-11。谷歌学术

Amro，B.，James，K。，＆Turner，T。（1993）。用lawone染色的定量研究。Journal of the Cosmetic Chemists ， 45,159-165。谷歌学术

Aspland，JR（1992）。分散染料及其在聚酯上的应用。纺织化学师和着色， 24， 18，谷歌学术搜索

Bhuiyan，MR，Islam，A.，Ali，A。，＆Islam，N。（2017a）。天然染料海娜（Lawsonia inermis L.）的色泽和化学成分及其在纺织品着色中的应用。Journal of Cleaner Production ， 167,14-22。CrossRefGoogle学术搜索

Bhuiyan，MAR，Islam，A.，Islam，S.，Hossain，A。，＆Nahar，K。（2017b）。壳聚糖预处理提高黄芩中黄花菜的染色性和抗菌活性。纺织品和服装可持续性， 3（1），1-10。CrossRefGoogle学术搜索

Bhuiyan，MR，Rahman，MM，Shaid，A.，Bashar，MM，＆Khan，MA（2016a）。用γ辐射处理后再利用和回收纺织废水的范围。Journal of Cleaner Production ， 112,3063-3071。CrossRefGoogle学术搜索

Bhuiyan，MR，Shaid，A.，Bashar，MM，Haque，P。，＆Hannan，MA（2013）。壳聚糖处理后用活性染料染色黄麻纤维的新方法。Open Journal of Organic Polymer Materials， 3（4），87-91。CrossRefGoogle学术搜索

Bhuiyan，MR，Shaid，A.，Bashar，MM，＆Sarkar，P。（2016b）。黄麻纤维染色中碱性和活性染料染色性能的研究。Journal of Natural Fibers， 13（4），492-501。CrossRefGoogle学术搜索

Deopura，B.，Alagirusamy，R.，Joshi，M。，＆Gupta，B。（2008）。聚酯和聚酰胺。阿姆斯特丹：爱思唯尔。CrossRefGoogle学术搜索

Edlund，U。，＆Albertsson，A.-C。（2003年）。基于二酸单体的聚酯。Advanced Drug Delivery Reviews， 55（4），585-609。CrossRefGoogle学术搜索

El-Nagar，K.，Abou Elmaaty，T。，＆Raouf，S。（2014）。使用环保技术用天然染料染色聚酯和聚酰胺合成纤维织物。纺织学 。
http://dx.doi.org/10.1155/2014/363079。谷歌学术

El-Nagar，K.，Saudy，M.，Eatah，A。，＆Masoud，M。（2006）。聚酯织物表面的DC伪等离子体放电处理用于分散染色。纺织学院学 ， 97（2），111-117。CrossRefGoogle学术搜索

Fité，FC（1995）。在低温下染色聚酯：用分散染料染色的动力学。纺织研究期刊，65（6），362-368。CrossRefGoogle学术搜索

Gohl，E。，＆Vilensky，L。（1983）。纺织科学。光纤特性的解释（第48页）。墨尔本：朗文切斯。谷歌学术

Kadolph，SJ，＆Casselman，KD（2004）。袋中：接触天然染料。服装与纺织品研究期刊， 22（1-2），15-21。CrossRefGoogle学术搜索

Kamel，MM，Abdelghaffar，F。和El-Zawahry，MM（2011年）。采用天然染料混合物对羊毛进行环保染色。Journal of Natural Fibers， 8（4），289-307。CrossRefGoogle学术搜索

Kim，TK，Son，YA，＆Lim，YJ（2005）。在具有不同分子结构的几种聚酯纤维上分散染色的热力学参数。染料和颜料， 67（3），229-234。CrossRefGoogle学术搜索

Lee，YH，Hwang，EK，Jung，YJ，Do，SK，＆Kim，HD（2010）。用Amur Corktree，Dryopteris crassirhizoma，Chrysanthemum boreale，Artemisia extract 染色的棉，丝，羊毛织物的染色和除臭性能。Journal of Applied Polymer Science， 115（4），2246-2253。CrossRefGoogle学术搜索

Lewin，M。（2007）。纤维化学手册。Boca Raton：CRC Press LLC。谷歌学术

Mahkam，M.，Nabati，M。和Rahbar Kafshboran，H。（2014）。用索氏提取法分离，鉴定和鉴定指甲花叶粉中的松香。伊朗化学通讯 ， 2,34-38。谷歌学术

Musa，AE和Gasmelseed，GA（2012）。Lawsonia inermis（Henna）作为植物鞣料的表征。林产品与工业杂志， 1（2），35-40。谷歌学术

Park，SH，＆Kim，SH（2014）。聚（对苯二甲酸乙二醇酯）回收用于高附加值纺织品。时装和纺织品， 1（1），1-17。CrossRefGoogle学术搜索

Parvinzadeh，M。，＆Ebrahimi，I。（2011）。大气空气等离子体处理聚酯纤维，提高纳米乳液硅胶的性能。Applied Surface Science， 257（9），4062-4068。CrossRefGoogle学术搜索

Parvinzadeh，M.，Moradian，S.，Rashidi，A。，＆Yazdanshenas，ME（2010）。添加改性纳米粘土对所得聚对苯二甲酸乙二醇酯/粘土纳米复合材料的表面性质的影响。聚合物 – 塑料技术与工程， 49（9），874-884。CrossRefGoogle学术搜索

Peters，RH，＆Ingamells，W。（1973）。纤维结构在染色中作用的理论方面。着色技术， 89（11），397-405。谷歌学术

Rehman，F.-U.，Adeel，S.，Qaiser，S.，Bhatti，IA，Shahid，M。，＆Zuber，M。（2012）。用指甲花叶片（Lawsonia inermis）提取的Lawson染料对γ辐照棉织物的染色性能。Radiation Physics and Chemistry， 81（11），1752-1756。CrossRefGoogle学术搜索

萨维尔，英国石油公司（1999年）。纺织品的物理测试。阿姆斯特丹：爱思唯尔。CrossRefGoogle学术搜索

Shahid，M。，＆Mohammad，F。（2013）。天然染料应用的最新进展：综述。Journal of Cleaner Production ， 53,310-331。CrossRefGoogle学术搜索

Shahin，M.，Ahmed，R。，＆Marie，M。（2014）。用dolu天然染料优化碱处理涤纶织物的染色工艺。国际工程研究与应用杂志 ， 4,35-40。谷歌学术

Vankar，PS（2000）。天然染料的化学。共振， 5（10），73-80。CrossRefGoogle学术搜索