利用响应面法进行媒染棉印花可持续天然双色素的创新工艺优化与产品开发

《Results in Engineering》：Innovative process optimization and product development using response surface methodology in printing of mordanted cotton with sustainable natural bi-colorant

　　

基于天然染料的棉印花为合成着色剂提供了可持续替代方案；然而，低色率、差固色性以及有限的一体化工艺优化仍然是重要挑战。本研究采用统计方法，通过甘草片（Glycyrrhiza glabra, Gg）和洋葱壳（Allium cepa, Ac）的二元浆料对棉进行筛网印花，重点进行工艺优化和产品开发。通过响应面法（RSM）下的中心复合设计（CCD）选择稳定色调形成所需的印花变量，并使用双因素方差分析（Two-way ANOVA）评估结果。研究人员在印花中添加了来自植物源的清洁分子（生物媒染剂）以获得色牢度色调，并使用ISO推荐的标准测试程序评估牢度。在测试设计空间内，使用由5 g总染料粉末、4 g瓜尔豆胶、2 g Na₂CO₃、3 g尿素、pH 9和3.5 min微波（MW）处理制备的25 mL二元提取物获得了最高颜色强度，K/S值为5.192。生物媒染印花织物显示出最高的紫外线防护，UPF为53，UVA阻挡率为98.15%，UVB阻挡率为98.22%。抗氧化筛选显示印花织物具有高达90%的自由基清除活性，而琼脂扩散法抗菌测试显示对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的抑菌圈达25 ± 0.371 mm，对大肠杆菌（Escherichia coli）达25 ± 0.545 mm。总体而言，结果表明二元天然色素、MW处理、浆料配方和媒染剂选择可以在CCD/RSM框架内集成以改善棉印花性能；然而，该模型应在测试实验范围内进行解释。

论文解读文章

**研究背景与问题**
近年来，消费者对绿色纺织品的需求日益增长，推动纺织行业向可持续方向发展。合成染料在生产和印染过程中产生的废水、废气对生态环境（土壤、水体、空气质量）造成严重污染，并危害水生生物与人体健康。天然染料来源于可再生植物资源，具有生物降解性、低毒性和多种功能特性（如紫外线防护、抗菌、抗氧化），因此被视为理想的替代品。然而，天然染料在棉印花应用中仍存在三大瓶颈：颜色强度（K/S）偏低、固色性差、以及缺乏将多个工艺参数（如提取条件、浆料配方、媒染剂选择等）进行一体化优化的系统方法。此外，单一植物染料往往色域有限，而双色体系可拓宽色域，但相关的工艺协同优化研究尚不充分。为此，研究人员提出利用响应面法（Response Surface Methodology, RSM）结合中心复合设计（Central Composite Design, CCD），对甘草片（Glycyrrhiza glabra, Gg）和洋葱壳（Allium cepa, Ac）构成的二元天然双色素棉筛网印花工艺进行系统优化，并评估化学媒染剂与生物媒染剂对颜色牢度及功能性能的影响。该研究发表在《Results in Engineering》。

**主要技术方法**
研究人员采用中心复合设计（CCD）在响应面法（RSM）框架下设计48组实验，考察粉末用量、增稠剂（瓜尔豆胶）用量、Na₂CO₃用量、尿素用量、pH和微波（MW）处理时间六个关键变量，以颜色强度（K/S）为响应值。二元色素提取采用水煮法（100°C，20 min）。化学媒染剂采用Al³⁺盐、Cr³⁺盐、Fe²⁺盐和单宁酸（Tannic Acid, TA）的水溶液；生物媒染剂通过水提法获得石榴皮（Punica granatum）、诃子果（Terminalia chebula）和红漆树果（Rhus typhina）的粗提物。印花后织物在90°C固化2-3分钟，并进行水洗、晾干。颜色强度用Spectraflash SF-600分光光度计（CIE Lab系统，Kubelka-Munk方程）测定；色牢度按ISO标准（耐洗ISO 105-C03、耐光ISO 105-B02、耐摩擦ISO 105-X12）评价；紫外线防护因子（UPF）按仪器标准方法测定；抗氧化活性采用DPPH（2,2-二苯基-1-苦肼基）自由基清除法（单一浓度筛选）；抗菌活性采用琼脂扩散法（AATCC 147）测试金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）；官能团分析采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）。样本来源：来自伊朗亚兹德大学纺织工程系的100%棉织物（108 g/m²）及染料植物材料。

**研究结果**

**3.1 印花变量的优化**
通过CCD实验设计，研究人员发现微波处理时间、粉末用量、浆料pH、增稠剂、尿素和Na₂CO₃用量对K/S值有显著影响。最佳条件为：5 g二元粉末（甘草2.5 g + 洋葱2.5 g）水提后，加入4 g瓜尔豆胶、2 g Na₂CO₃、3 g尿素，调节pH至9，并对提取物和织物同时进行3.5分钟微波处理。该条件下获得最高颜色强度K/S = 5.192。过低或过高的粉末用量、MW时间、pH或助剂均导致K/S下降，原因包括色素聚集、吸附不匀或过度固色。

**3.2 模型充分性与响应面分析**
双因素方差分析（Two-way ANOVA）显示，整体模型显著（P = 0.000），pH和MW处理分别达到高度显著（P = 0.00）和显著（P = 0.033）水平。多个两因素交互作用（如粉末×Na₂CO₃、增稠剂×MW、尿素×pH等）均高度显著（P = 0.00）。决定系数R² = 94.70%，表明模型拟合良好；预测R²为61.09%，说明模型在测试设计空间内解释力强，但外推时需谨慎。低标准偏差（0.129414）证实实验数据精确。

**3.3 提取物与印花棉织物的FTIR分析**
FTIR光谱分析显示，微波处理后的二元提取物在3587–3501 cm^?1（OH伸缩）、2920 cm^?1（脂肪族CH₂/CH₃）、1645–1604 cm^?1（C=O及芳香C=C）等处出现特征峰，归属为多酚、黄酮类化合物（如甘草酸、槲皮素）。印花棉织物（MW处理）在3295 cm^?1（OH）、2918 cm^?1（CH）、1714–1505 cm^?1（C=O、C=C）等波段显示相应官能团，证实色素成功固着于纤维素基质。未处理的提取物和织物同样呈现类似官能团，但峰强度略有差异。FTIR结果仅支持官能团鉴定，不单独确证具体化合物或定量。

**3.4 紫外线防护与抗氧化活性**
未处理的普通棉织物UPF仅为16，UVA阻挡94.60%，UVB阻挡94.03%。印花后UPF提高至42，UVA/UVB阻挡分别升至97.78%/97.76%。使用化学媒染剂（铬盐）的印花织物UPF仍为42，阻挡率略有提升。采用石榴皮生物媒染剂的印花织物表现最佳：UPF = 53，UVA阻挡98.15%，UVB阻挡98.22%，达到“极好防护”级别（UPF 50+）。抗氧化活性方面，未印花对照织物DPPH清除率约30%，印花后升至88–90%；二元提取物清除率为81–84%（MW处理前后相近）。该结果表明，二元色素及生物媒染剂富含酚类化合物，有效赋予织物紫外线防护与抗氧化功能（筛选级别）。

**3.5 抗菌活性**
琼脂扩散法测试显示，二元提取物对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抑菌圈为24–25 mm（未照射/辐射），对大肠杆菌（E. coli）为24–26 mm。印花织物（MW处理）对两种菌的抑菌圈均达25 mm（S. aureus: 25 ± 0.371 mm；E. coli: 25 ± 0.545 mm），表明活性成分可从织物表面扩散抑制细菌生长。未照射样品抑菌圈较小（20–21 mm）。需注意该测试仅针对两种菌株且未测定最低抑菌浓度（MIC）和阳性对照。

**3.6 媒染剂对颜色强度与色牢度的影响**
化学媒染剂（Cr³⁺盐）获得最高K/S = 4.385，颜色为暗黄色（低红度、高饱和度），耐洗、耐光、耐摩擦牢度评级为良好至优异（干摩擦4–5级，湿摩擦4–5/5级，耐光4–5级，耐洗4–5级）。生物媒染剂中，诃子果（Myrobalan）获得K/S = 3.6006，颜色为亮红黄色；石榴皮（Pomegranate）K/S = 3.5040，且UV防护最佳（UPF 53）。所有媒染剂的牢度均在良好至优异范围。研究人员指出，媒染剂通过金属–染料配位或氢键、共轭作用增强色素–纤维结合，提升颜色深度与牢度。

**3.7 研究局限性**
该研究明确的局限性包括：模型预测R²中等，不宜外推至未测试范围；未设置单一染料对照（仅用Mulethi或仅用Onion），因此二元色素的协同作用尚未直接证实；DPPH仅单一浓度，未计算IC₅₀；UPF和抗氧化为筛选级评价；抗菌仅用两种菌株且缺乏MIC与阳性对照；FTIR仅提供官能团信息，未进行标准品叠加、LC-MS/MS、SEM、粒径/电位等分子机制确证。

**结论与讨论**
研究结论指出：在测试设计空间内，通过CCD/RSM框架集成二元天然色素、微波处理、浆料配方和媒染剂选择，可显著改善棉印花性能。最佳颜色强度（K/S = 5.192）由5 g总染料粉末、4 g瓜尔豆胶、2 g Na₂CO₃、3 g尿素、pH 9和3.5 min MW处理实现。功能性能方面，石榴皮生物媒染剂提供最佳紫外线防护（UPF 53，UVA阻挡98.15%，UVB阻挡98.22%）；DPPH清除率最高达90%；抗菌抑菌圈达25 mm（S. aureus & E. coli）。本研究将统计优化、微波辅助工艺与环保生物媒染剂相结合，为利用植物废料（落叶、干花、树皮等）开发零排放或低排放的天然纤维印花提供可行范例。讨论部分强调，该集成框架和方法学创新有望拓展至其他新型天然染料及合成纤维，推动绿色纺织品的循环经济。