鼠曲草提取物染色丝织物的染色性能、色域及抗紫外线性能研究

《Journal of Natural Fibers》：Study on the Dyeing Performance, Color Gamut, and Anti?Ultraviolet Properties of Silk Fabric Dyed with Gnaphalium Affine Extract

　　

本研究利用鼠曲草提取物作为天然染料对丝织物进行染色，旨在提升其抗紫外线性能。研究人员采用紫外-可见光谱法确认了色素成分的类型。通过单因素媒染实验，研究了染色工艺参数对染色性能和色彩特征的影响，探讨了鼠曲草染料在柞蚕丝织物上的吸附行为及显色机理，并对染色织物的色域范围、色彩价值、色牢度及抗紫外线性能进行了评价。结果表明，采用Al³⁺和Fe²⁺离子后媒染是最有效的染色策略。优化后的工艺参数确定为：染色温度90°C、染色时间40 min、染浴pH 3、媒染剂浓度5 g/L。在此条件下，色彩纯度（C*）达到29.36 ± 0.9，色相角（h°）为66.19 ± 0.7，对应橙色区域。Al³⁺后媒染呈现浅棕黄色调，而Fe²⁺处理则呈现较深的棕褐色。在23种差异化色彩样品中，19种与潘通（Pantone）色彩系统高度一致，表明其具有良好的国际适用性和标准化潜力。

**鼠曲草提取物对丝织物染色性能、色域及抗紫外线性能的系统研究**

**1. 研究背景与科学问题**

自1856年英国化学家Perkin合成首个合成染料以来，合成染料凭借优异的染色性能和色牢度迅速获得广泛应用，极大推动了染料工业的繁荣发展。然而，合成染料在生产和使用过程中产生的废水、废气和固体废弃物持续在环境中累积，并通过“土壤—植物—动物—人类”的生物循环途径进入生态系统，带来致癌性、致敏性和环境损害等潜在威胁。许多国家已立法禁止使用有害偶氮染料和整理剂。在此背景下，天然染料因其低致敏性、可生物降解性、环境相容性和可持续性等特征，被视为最具潜力的替代方案。天然染料多来源于可再生植物资源，其色素含有多种活性成分，可赋予纺织品抗菌、抗氧化、抗紫外线及除臭等功能。

丝织物主要由天然丝素蛋白组成，具有柔软、表面光滑、天然光泽、穿着舒适、优异的生物相容性和可生物降解性等优点。丝素蛋白多肽链含有丰富的酰胺基、氨基、羧基和羟基等极性官能团，为天然染料分子提供了大量相互作用位点。然而，天然染料在实际应用中仍存在提取效率较低、上染率和固色率不足、色域有限、批次重现性差以及耐洗涤和耐光色牢度不足等固有局限。鼠曲草（Gnaphalium affine）是菊科鼠曲草属一年生草本植物，资源丰富、无毒无害，全草富含黄酮类、氨基酸和维生素等多种活性成分，具有止咳化痰、祛风散寒等功效，并表现出显著的抗菌、抗氧化、抗炎和酶抑制活性。然而，利用鼠曲草提取物对丝织物进行染色和功能化整理，以及染色织物能否保持抗紫外线性能，此前尚未见报道。本研究首次将鼠曲草作为天然染料应用于丝织物染色，旨在探索其染色潜力，并验证天然染料作为合成染料潜在替代品的应用价值。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员采用水煎煮法提取鼠曲草染料成分，利用紫外-可见光谱和傅里叶变换红外光谱对提取物中色素成分类型及官能团结构进行表征。通过单因素染色实验系统优化染色温度、时间、染浴pH等工艺参数，并比较预媒染、同浴媒染和后媒染三种媒染方式及Al³⁺、Cu²⁺、Fe²⁺三种金属离子媒染剂的效果。采用台式分光光度计测定染色织物的L*、a*、b*、C*、h°、ΔE及K/S值等色度学参数，依据ISO标准测试染色牢度，按照GB/T 18830–2009标准评价抗紫外线性能。丝织物为100%桑蚕丝绉缎（经密129根/cm，纬密51根/cm，面密度90 g/m²），鼠曲草购自中国亳州嘉宇生物科技有限公司。

**3. 研究结果**

**3.1 鼠曲草提取物的紫外-可见光谱分析**

紫外-可见吸收光谱显示，提取物在可见光区无明显特征吸收峰，而在紫外区约206 nm、290 nm和327 nm处出现三个显著吸收带。其中206 nm附近的吸收带可能归属于芳香环、不饱和键和共轭羰基结构的π→π*电子跃迁，290 nm附近与芳香环及含氧共轭体系的电子跃迁有关，327 nm处吸收带则暗示可能存在具有扩展共轭结构的发色团，常见于酚类和黄酮类化合物。提取物的紫外吸收特征主要分布在带I（300–380 nm）和带II（240–295 nm）两个特征区域，分别对应黄酮的肉桂酰体系和苯甲酰体系，表明提取物可能含有丰富的共轭发色成分，包括黄酮类和多酚类化合物。

**3.2 鼠曲草提取物的红外光谱分析**

红外光谱在3333.70 cm^?1处呈现宽而强的吸收带，归属于酚羟基或醇羟基的O–H伸缩振动；3000–3100 cm^?1区域的弱吸收带与芳香族=C–H伸缩振动相关；1637.43 cm^?1处的吸收带可归属于共轭C=O伸缩振动和芳香C=C骨架振动的叠加；1067.33 cm^?1和1019.43 cm^?1处的吸收带归属于C–O和C–O–C的伸缩振动。这些结果表明提取物可能含有羟基、芳香环、共轭羰基和醚键等官能团，与黄酮类及多酚类化合物的结构特征一致。

**3.3 单因素染色实验优化**

单因素实验结果表明，各因素对K/S值的影响顺序为：染浴pH > 染色时间 > 染色温度。染浴pH对K/S值影响最大，在pH=3时达到最大值9.12。丝织物的等电点约为pH 3.5，酸性条件下丝素蛋白的羧基和氨基易与染料分子的羟基形成键合，促进染料吸附；pH>3.5时纤维表面带负电与染料阴离子产生静电排斥，导致K/S值下降。染色时间40 min时K/S值达最大（9.15），继续延长时间可能导致染料-纤维复合物解析附或降解。染色温度90°C时K/S值达最大（9.21），较高温度增强染料分子动能并促进纤维溶胀，但过高温度会引起染料解析附。优化后的工艺参数为：染浴pH 3、染色时间40 min、染色温度90°C，此条件下染色织物C*值为20.475 ± 6.495，h°值为84.13 ± 8.14，位于橙色区域。

**3.4 媒染剂类型与媒染方式**

金属离子媒染剂的加入显著提高了染色织物的K/S值，后媒染效果最佳，有效性顺序为Fe²⁺ > Cu²⁺ > Al³⁺。Al³⁺和Cu²⁺媒染对L*和a*值影响较小，b*值略有增加，色调与直接染色相近；Fe²⁺媒染使L*、a*、b*值明显下降，产生深棕色。Al³⁺和Cu²⁺媒染的C*值介于29.37–33.39，h°值介于76.55°–82.87°，位于中等纯度橙黄色区域；Fe²⁺媒染的C*值介于29.37–33.39，h°值介于81.49°–89.77°，位于低纯度黄橙色区域。Al³⁺和Fe²⁺离子配位数均为6，可与染料分子中的羟基、羧基及丝纤维酰胺键中的氮/氧原子形成六配位稳定三元络合物；Cu²⁺配位数为4，配位能力相对较弱。Fe²⁺离子兼具有氧化性，可催化染料分子氧化反应并与染料形成不溶性黑色沉淀，产生更深色调。

**3.5 媒染剂浓度优化**

随媒染剂浓度增加，Al³⁺的K/S值先升后降，在5 g/L时达最大值（K/S=10.7），过量Al³⁺可能产生空间位阻或占据染料吸附位点；Fe²⁺的K/S值先升后趋稳，在5 g/L时达平台期（K/S=14.13）。因此最佳媒染剂浓度确定为5 g/L。Al³⁺在5 g/L时与直接染色织物的色差ΔE为3.7，产生明显的棕黄色调；Fe²⁺在5 g/L时ΔE达22，理论上可产生7种可辨色，实际获得5种。通过改变媒染剂浓度可产生有限数量的差异色彩，有助于拓展色域。

**3.6 染料浓度优化**

染料浓度对K/S值的影响呈逐渐增加趋势，浓度达100%（5.1 g/L）后趋于平缓，表明染料分子、纤维与金属离子间的配位反应已达到平衡。Al³⁺媒染在100%浓度时与未染色织物的ΔE为41.0，棕黄色范围内理论上可产生13种差异色，实际获得6种；Fe²⁺媒染在100%浓度时ΔE为46.7，棕褐色范围内理论上可产生15种差异色，实际获得8种。改变染料浓度是拓展色域的关键途径。

**3.7 色彩特征、色域与色彩价值**

以染色浓度300%–0.2%和媒染剂浓度20 g/L–0.00312 g/L为变量，以ΔE≥3为色差阈值，共获得23种差异色彩样品，其中19种与潘通色彩系统匹配（ΔE≤3），4种不匹配（ΔE>3）。大多数鼠曲草提取物染色色彩与潘通色彩系统接近，表明其具有一定国际通用性和实际应用价值。

**3.8 抗紫外线性能**

未染色丝织物UPF值仅为27.06，抗紫外线性能较差。经鼠曲草提取物直接染色后，UPF值显著提升至916.67，远超过GB/T 18830–2009标准中UPF>40且T(UVA)AV<5%的“防紫外线产品”要求，UVA和UVB平均透过率均低于1%。添加金属盐媒染剂后抗紫外线性能进一步提升，Al³⁺和Fe²⁺媒染织物的平均UPF值分别从916.67提高至1486.81和1122.55。金属离子可与天然染料中酚羟基、羰基等活性基团形成配位络合物，扩展原有共轭体系，增强紫外吸收能力；同时媒染促进染料分子与丝纤维结合，增加纤维上色素分子含量，从而提高紫外线防护效果。

**3.9 色牢度**

鼠曲草提取物直接染色（无媒染）的丝织物色牢度较低，其中耐光色牢度最差（3级）。经Al³⁺和Fe²⁺盐媒染后，染色织物的耐洗、耐摩擦和耐光色牢度均从3级提高至3~4级或更高，满足纺织服装使用要求。这归因于鼠曲草提取物与金属离子螯合形成更稳定的络合物，更牢固地吸附在丝织物上。

**4. 研究局限与展望**

本研究存在一定局限性。紫外-可见光谱和傅里叶变换红外光谱仅能提供提取物中可能存在的羟基、芳香环、共轭羰基和醚键等官能团的初步证据，由于植物提取物化学成分复杂，光谱信号可能重叠，不足以明确鉴定和定量个别化学成分。未来研究应采用高效液相色谱（HPLC）、高效液相色谱-二极管阵列检测（HPLC-DAD）和液相色谱-质谱联用（LC-MS）等先进分析技术，对鼠曲草提取物的化学组成进行定性和定量表征，并通过分子模拟结合热力学和动力学分析揭示天然染料在丝基质上的吸附和固着机制。

**5. 研究结论**

本研究探索了鼠曲草提取物作为天然染料可持续替代品的可行性，并证实了这一应用前景。鼠曲草提取物作为一种有前景的天然染料，与含Al³⁺和Fe²⁺的媒染剂配合使用，在不同媒染剂和染料浓度下可产生多种色调和色彩。媒染剂的选择与优化对获得满意的色牢度起关键作用。抗紫外线性能研究表明，鼠曲草色素染色的丝织物可作为一种有前景的天然紫外线防护织物，特别是经Al³⁺和Fe²⁺媒染后，染色织物的紫外线防护性能显著增强。这表明鼠曲草提取物除着色功能外，还具有赋予丝织物功能性整理性能的潜力。该研究为鼠曲草资源的高值化利用和新型植物染料开发提供了实验依据，也为同时实现丝织物着色与抗紫外线功能的绿色染整技术提供了理论参考和技术支持。论文发表于《Journal of Natural Fibers》。