TW201716659A - 生物纖維素的染色加工方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供生物纖維素的染色加工方法，包含製備生物纖維素；對生物纖維素進行前處理；製備染色液，並以第一超音波震盪步驟分散染色液中的染料；將震盪分散後的染色液與生物纖維素混合，並以第二超音波震盪步驟對生物纖維素進行染色，形成染色的生物纖維素；對染色的生物纖維素進行固色；以及清洗染色的生物纖維素。

Description

生物纖維素的染色加工方法

本發明係有關於生物纖維素的加工技術，特別有關於生物纖維素的染色加工方法。

在1886年，AJ Brown發現微生物可高效合成纖維素，其中，醋酸菌屬中的木醋桿菌(Acetobacter xylinum)合成纖維素能力最強，最具有大規模生產的能力。細菌纖維素具有許多獨特性能，例如：高機械強度、高吸水性、結晶度高以及具有纖維素網狀結構等，是一種具廣泛商業用途的新型生物材料。為了拓展生物纖維素應用端，例如：醫學、美容保養、食品、光學材料等領域，染色加工方法是最直接的方式，根據不同的領域及需求去生產不同色彩的生物纖維素，以增加生物纖維素產業利用性。

然而，目前生物纖維素在染色加工領域研究甚少，且目前的染色加工方法主要以物理共混的方式進行，此法之色料分散性不佳且耗能高，不利於大規模工業化生產。

因此，有必要尋求生物纖維素的染色加工方法，其能夠解決或改善上述的問題。

本發明的一些實施例提供生物纖維素的染色加工方法，包括：製備生物纖維素；對生物纖維素進行前處理；製備染色 液，並以第一超音波震盪步驟分散染色液中的染料；將震盪分散後的染色液與生物纖維素混合，並以第二超音波震盪步驟對生物纖維素進行染色，形成染色的生物纖維素；對染色的生物纖維素進行固色；以及清洗染色的生物纖維素。

依據本揭示的一些實施例，製備生物纖維素的步驟包括使用木醋酸桿菌經發酵後形成生物纖維素。

依據本揭示的一些實施例，對生物纖維素進行前處理的步驟包括分別以第一鹼性溶液與第一酸性溶液依序清洗生物纖維素，接著以純水清洗生物纖維素直至生物纖維素呈中性。

依據本揭示的一些實施例，製備染色液的步驟包括：將染料溶解於溶劑中形成第一溶液，其中染料為極性染料，且溶劑為極性溶劑；將界面活性劑與純水混合形成第二溶液；以及將第一溶液與第二溶液混合以得到染色液。

依據本揭示的一些實施例，第一超音波震盪步驟的震盪頻率為10000-100000Hz之間，且其震盪時間為5分鐘；第二超音波震盪步驟的震盪頻率為10000-100000Hz之間，且其震盪時間為10-30分鐘。

依據本揭示的一些實施例，對染色的生物纖維素進行固色的步驟包括分別以第二鹼性溶液與第二酸性溶液依序對染色的生物纖維素進行固色。

依據本揭示的一些實施例，清洗染色的生物纖維素的步驟包括以純水清洗染色的生物纖維素直至染色的生物纖維素呈中性。

100‧‧‧方法

101、102、103、104、105、106、107‧‧‧步驟

第1圖顯示依據本發明的一些實施例之生物纖維素的染色加工方法的流程圖。

第2圖顯示依據本發明的一些實施例得到的染色後生物纖維素的固色率測試結果。

以下說明本發明實施例之生物纖維素的染色加工方法。然而，可輕易了解本發明實施例提供許多合適的發明概念而可實施於廣泛的各種特定背景。所揭示的特定實施例僅用於說明以特定方法製作及使用本發明，並非用以侷限本發明的範圍。

請參照第1圖，其顯示依據本發明的一些實施例之生物纖維素的染色加工方法100的流程圖。在步驟101中，製備生物纖維素。在一些實施例中，提供木醋酸桿菌，木醋酸桿菌經發酵後合成出生物纖維素。在一些實施例中，將合成的生物纖維素製成生物纖維素膜。在本揭示的一些實施例中，合成的生物纖維素係製成生物纖維素膜。關於利用菌類合成生物纖維素並製成生物纖維素膜的詳細方法可參考《造紙科學與技術》2010年第29卷第I期(作者崔思穎)中的「不同培養方式製備的細菌纖維素性質的比較」，而不在此作詳細介紹。

在步驟102中，對生物纖維素進行前處理。首先，以第一鹼性溶液與第一酸性溶液依序清洗生物纖維素，接著以純水(RO水)清洗此生物纖維素直到生物纖維素呈中性(實際pH值在6-7之間)。在一些實施例中，第一鹼性溶液的pH值約在8-10之間，其 溫度約為25℃；第一酸性溶液的pH值約在3-5之間，其溫度約為25℃。在一些實施例中，第一鹼性溶液可為氫氧化納水溶液，第一酸性溶液可為檸檬酸水溶液。

在步驟103中，製備染色液。首先，將染料溶解於溶劑中形成第一溶液，並將界面活性劑與純水混合形成第二溶液，然後將第一溶液與第二溶液混合，製備出染色液。在一些實施例中，染料佔第一溶液的體積百分比約在0.01-2%之間，界面活性劑與染料的體積比約為1：1-1：20，界面活性劑與純水的體積比約為1：10-1：25。

在一些實施例中，染料可為可食用的天然色素或人工色素，染料也可以是植物色素、動物色素、微生物色素或維生素，且染料更可以是反應性染料。在一些實施例中，染料為極性染料，且溶劑為極性溶劑(例如，甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、甲酸、乙酸或前述之組合)。在一些其他實施例中，溶劑可為非極性溶劑(乙酸乙酯、丁酸乙酯、苯、甲苯或前述之組合)或其他合適的溶劑，以配合染料的成分。

在一些實施例中，選用相較於傳統染料(聚合物染料的分子量超過10000g/mole)更小分子量的染料，其分子量約在200-500g/mole之間。

在一些實施例中，界面活性劑可包含陰離子性界面活性劑(例如，脂肪酸鹽、烷基苯磺酸鹽、烷基硫酸鹽、烷基磷酸鹽或前述之組合)、陽離子性界面活性劑(例如，第一脂肪胺鹽、第四級銨鹽、三烷基苯甲銨鹽、烷基吡啶鹽或前述之組合)、非離子性界面活性劑(例如，聚氧乙烯烷基醚、聚氧乙烯烷基苯基醚、 聚氧乙烯脂肪酸酯或前述之組合)、兩離子性界面活性劑(例如，N,N-二烷基胺基烯羧酸鹽、N,N,N-三烷基-N-磺烯內銨鹽或前述之組合)。

依據本揭示的實施例，在步驟104中，利用第一超音波震盪步驟分散步驟103所製備的染色液中的染料。在一些實施例中，第一超音波震盪步驟的震盪頻率約在10000-100000Hz之間，震盪時間約為5分鐘。

依據本揭示的實施例，在步驟105中，利用第二超音波震盪步驟對生物纖維素進行染色。首先，將步驟104中經過震盪分散的染色液與步驟102中經過前處理的生物纖維素混合，並以第二超音波震盪步驟進行震盪染色，以製成染色的生物纖維素。在一些實施例中，染料在染色的生物纖維素中的體積百分比在0.5-2%之間。在一些實施例中，第二超音波震盪步驟的震盪頻率為10000-100000Hz之間，震盪時間約為10-30分鐘。

依據本揭示的實施例，透過超音波震盪設備將染色液中的染料震盪分散，並且利用超音波震盪對生物纖維素進行染色，可大幅加速染色液中的染料導入生物纖維素，縮短生物纖維素的染色時間，且本發明實施例所使用的染料相較於傳統上所使用的染料具有較小的分子量，其與生物纖維素鍵結達成染色的速度大幅提升，因此相較於傳統上生物纖維素採用物理共混達成的染色方法，本發明實施例可將染色時間縮短一半以上。

再者，透過超音波震盪設備震盪分散染色液中的染料，並以超音波震盪對生物纖維素進行染色，可提升染料在染色液中的分散性，並且增加染料與生物纖維素鍵結的機會，進而降 低所需的染料的添加比例。

染色的生物纖維素如下列化學式1所示，其中(C₆H₁₀O₅)n為生物纖維素，D為極性染料。在一些實施例中，在染色過程中，由於染料基團的共振作用，如下列化學式2.1-2.4所示，使極性染料D部分帶正電以及部分帶負電，進而透過分子間吸引力與生物纖維素(C₆H₁₀O₅)_n中的羥基形成氫鍵鍵結，達成染色的目的。在一些實施例中，極性染料D為反應性染料，在染色過程中，反應性染料中的活性基團與生物纖維素(C₆H₁₀O₅)_n中的羥基反應形成共價鍵鍵結，成為“染料-纖維”化合物。

[化學式2.3]

透過極性染料與生物纖維素產生氫鍵鍵結或共價鍵鍵結，取代原先染色前與生物纖維素鍵結的水分(生物纖維素含有的水分)，即極性染料與生物纖維素中含有的水分進行置換反應。依據本揭示的實施例，利用超音波震盪可提高此置換反應的反應速率，且可在常溫常壓下進行，因此可降低染色的生物纖維素的製造成本，且極性染料與生物纖維素的氫鍵鍵結或共價鍵鍵結可提升染色的生物纖維素的固色率。

接著，在步驟106中，對染色的生物纖維素進行固色。首先，對染色的生物纖維素進行鹼洗固色，以第二鹼性溶液浸泡染色的生物纖維素。在一些實施例中，第二鹼性溶液的pH值約在8-10之間，溫度約為25-80℃，且染色的生物纖維素在第二鹼性溶液中的浸泡時間約為30-60分鐘。接著，對染色的生物纖維素進行酸洗固色，以第二酸性溶液浸泡染色的生物纖維素。在一些實施例中，第二酸性溶液的pH值約在3-5之間，溫度約為25℃，且染色的生物纖維素在第二酸性溶液中的浸泡時間約為24-48小時。在一些實施例中，第二鹼性溶液可包含氫氧化鈉水溶液，第二酸性溶液可包含檸檬酸水溶液。

接著，在步驟107中，清洗染色的生物纖維素。固色處理完成後，以純水(RO水)清洗此染色的生物纖維素直到染色的生物纖維素呈中性(實際pH值在6-7之間)，以去除殘留的酸性/鹼性溶液、溶解染料的溶劑及界面活性劑等。

請參照第2圖，其顯示依據本發明的一些實施例所製成之染色的生物纖維素的固色率測試結果。在一實施例中，生物纖維素的染色加工方法100完成後，對染色的生物纖維素進行鹼洗處理，在30分鐘內，染色的生物纖維素的固色率仍可維持在95%以上。在另一實施例中，生物纖維素的染色加工方法100完成後，對染色的生物纖維素進行水洗處理，雖然染色的生物纖維素的固色率相較於鹼洗的情況稍微降低，但是在30分鐘內，染色的生物纖維素的固色率仍可維持在95%以上。在另一實施例中，生物纖維素的染色加工方法100完成後，接著將精華液加進染色的生物纖維素中，雖然染色的生物纖維素的固色率相較於鹼洗或水洗的情況稍微降低，但是在30分鐘內，加了精華液之染色的生物纖維素的固色率仍可維持在95%以上。在此實施例中，精華液主要為保養品類的精華液，其包含保濕、美白、抗皺等有效成分。

根據本發明的一些實施例，生物纖維素的染色加工方法使用超音波震盪設備震盪分散染色液中的染料，並在生物纖維素的染色步驟中使用超音波震盪，可大幅提升染色製程的效率，縮短染色時間，也可提升染料在染色液中的分散性，增加染料與生物纖維素鍵結的機會，降低所需的染色液的添加比例，且使用的染料具有較小的分子量，其與生物纖維素鍵結達成染色的速度也大幅提升。

此外，由於生物纖維素的染色過程中極性染料與生物纖維素產生氫鍵鍵結或共價鍵鍵結，利用超音波震盪可提高此反應的反應速率，且可在常溫常壓下進行，因此可降低生物纖維素的染色加工之製造成本，且極性染料與生物纖維素的氫鍵鍵結或共價鍵鍵結可提升染色的生物纖維素的固色率。

本發明實施例之生物纖維素的染色加工方法可應用於醫學、美容保養(例如，面膜或人工敷料)、食品、造紙等領域。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可更動與組合上述各種實施例。

100‧‧‧方法

101、102、103、104、105、106、107‧‧‧步驟

Claims (12)

1. 一種生物纖維素的染色加工方法，包括：製備一生物纖維素；對該生物纖維素進行前處理；製備一染色液，並以一第一超音波震盪步驟分散該染色液中的一染料；將震盪分散後的該染色液與該生物纖維素混合，並以一第二超音波震盪步驟對該生物纖維素進行染色，形成一染色的生物纖維素；對該染色的生物纖維素進行固色；以及清洗該染色的生物纖維素。
2. 如申請專利範圍第1項所述之生物纖維素的染色加工方法，其中製備該生物纖維素的步驟包括使用木醋酸桿菌經發酵後形成該生物纖維素。
3. 如申請專利範圍第1項所述之生物纖維素的染色加工方法，其中對該生物纖維素進行前處理的步驟包括分別以一第一鹼性溶液與一第一酸性溶液依序清洗該生物纖維素，接著以純水清洗該生物纖維素直至該生物纖維素呈中性。
4. 如申請專利範圍第1項所述之生物纖維素的染色加工方法，其中製備該染色液的步驟包括：將該染料溶解於一溶劑中形成一第一溶液，其中該染料為極性染料，且該溶劑為極性溶劑； 將一界面活性劑與純水混合形成一第二溶液；以及將該第一溶液與該第二溶液混合以得到該染色液。
5. 如申請專利範圍第4項所述之生物纖維素的染色加工方法，其中該染料佔該第一溶液的體積百分比在0.01-2%之間，該界面活性劑與該染料的體積比為1：1-1：20，該界面活性劑與純水的體積比為1：10-1：25。
6. 如申請專利範圍第1項所述之生物纖維素的染色加工方法，其中對該染色的生物纖維素進行固色的步驟包括分別以一第二鹼性溶液與一第二酸性溶液依序對該染色的生物纖維素進行固色。
7. 如申請專利範圍第1項所述之生物纖維素的染色加工方法，其中清洗該染色的生物纖維素的步驟包括以純水清洗該染色的生物纖維素直至該染色的生物纖維素呈中性。
8. 如申請專利範圍第1項所述之生物纖維素的染色加工方法，其中該染料在該染色的生物纖維素中的體積百分比在0.5-2%的範圍內，該染料的分子量在200-500g/mole之間。
9. 如申請專利範圍第1項所述之生物纖維素的染色加工方法，其中該染料包括可食用的天然色素或人工色素。
10. 如申請專利範圍第1項所述之生物纖維素的染色加工方法，其中該染料包括反應性染料。
11. 如申請專利範圍第1項所述之生物纖維素的染色加工方法，其中該第一超音波震盪步驟的震盪頻率為 10000-100000Hz之間，且震盪時間為5分鐘。
12. 如申請專利範圍第1項所述之生物纖維素的染色加工方法，其中該第二超音波震盪步驟的震盪頻率為10000-100000Hz之間，且震盪時間為10-30分鐘。