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      不同處理對黃麻纖維木質(zhì)素去除及織物性能的影響

      2014-05-23 02:33:46董愛學(xué)錢柿汝范雪榮
      中國麻業(yè)科學(xué) 2014年3期
      關(guān)鍵詞:黃麻聚糖強(qiáng)力

      董愛學(xué),錢柿汝,范雪榮

      (江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無錫214122)

      我國黃麻資源豐富,其產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的20%[1]。黃麻纖維具有吸濕散熱性好、抗菌、抗紫外等優(yōu)點(diǎn),且易于生物降解,是一種生態(tài)環(huán)保型材料。黃麻面料因其抗菌性能、挺括和自然的特色深受國內(nèi)外市場和消費(fèi)者的青睞。從長遠(yuǎn)來看,黃麻紡織業(yè)將是極具發(fā)展?jié)摿Φ纳鷳B(tài)紡織產(chǎn)業(yè)[2]。但由于黃麻纖維中非纖維素雜質(zhì)的含量較高,纖維粗硬,彈性低,可紡性差,使得其產(chǎn)品的應(yīng)用受到了很大限制,目前僅多用于低檔紡織品,如麻袋等。為擴(kuò)大黃麻應(yīng)用領(lǐng)域,提高產(chǎn)品附加值,必須對其進(jìn)行精煉除雜處理。

      目前麻纖維的精煉國內(nèi)較多采用的是以堿煮為主的化學(xué)工藝,此方法雖然時(shí)間短、速度快,但同時(shí)存在成本高、污染嚴(yán)重、纖維損傷等問題。近些年來,生物法及生化聯(lián)合法精煉備受關(guān)注,國內(nèi)外許多科技工作者也已進(jìn)行了多方面的探索[3-6]。黃麻纖維是麻纖維中木質(zhì)素含量最高的,木質(zhì)素的存在是影響黃麻纖維性能的主要因素之一,同時(shí)也是較難被去除的一類非纖維素雜質(zhì)[7]。本文研究了漆酶及與木聚糖酶、草酸銨聯(lián)合處理對黃麻纖維中木質(zhì)素的去除作用及其對黃麻機(jī)織布褶皺、力學(xué)性能的影響,以期為黃麻纖維的酶法精煉提供參考。

      1 材料與儀器

      1.1 實(shí)驗(yàn)材料

      100%黃麻機(jī)織布 (經(jīng)漚麻后成紗織造,7S/4×7S/4,常熟市奧村龍?zhí)┛椩煊邢薰?;漆酶Denilite IIS(工業(yè)品,Novozymes公司);木聚糖酶 (湖南尤特爾公司);草酸銨、濃硫酸、氫氧化鈉、苯、乙醇等均為分析純。

      1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

      Nicolet is10傅里葉變換紅外光譜儀 (賽默飛世爾科技有限公司,中國);YG(B)541D型全自動(dòng)數(shù)字式織物褶皺彈性儀 (溫州方圓儀器有限公司);YG(B)026D-250型電子織物強(qiáng)力機(jī) (溫州大學(xué)紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠)。

      2 實(shí)驗(yàn)方法

      2.1 黃麻機(jī)織布化學(xué)成分含量測定

      參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5889-86《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》對黃麻機(jī)織布各化學(xué)成分進(jìn)行定量分析測試。

      2.2 黃麻機(jī)織布處理工藝

      ①漆酶單獨(dú)處理:反應(yīng)體系為0.1 M磷酸鹽緩沖液 (pH 5),浴比20∶1,漆酶5 g/L,50℃下恒溫震蕩反應(yīng)并維持浴比,8 h后取出布樣,水洗晾干。

      ②木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理:先進(jìn)行木聚糖酶處理,反應(yīng)體系為0.1 M醋酸緩沖液 (pH 5),浴比20∶1,木聚糖酶5 g/L,50℃下恒溫震蕩反應(yīng)8 h并維持浴比,然后經(jīng)①步驟漆酶處理。

      ③草酸銨、木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理:先進(jìn)行草酸銨處理,浴比20∶1,草酸銨5 g/L,沸煮2 h,而后再經(jīng)②步驟木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理。

      2.3 木質(zhì)素去除率測定

      參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5889-86《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》對不同處理后黃麻機(jī)織布中的木質(zhì)素含量進(jìn)行測試,木質(zhì)素去除率為處理織物樣與對照織物樣木質(zhì)素含量之比。

      2.4 紅外光譜 (FT-IR)測試

      對處理前后黃麻機(jī)織布進(jìn)行衰減全反射 (ATR)紅外光譜掃描。掃描范圍4000 cm-1-650 cm-1,掃描次數(shù)32次,分辨率4 cm-1。

      2.5 織物褶皺性能測試

      對處理前后黃麻機(jī)織布褶皺性能進(jìn)行測試,具體方法參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3819-1997《紡織品織物折痕回復(fù)性的測定回復(fù)角法》。

      2.6 織物力學(xué)性能測試

      對處理前后黃麻機(jī)織布力學(xué)性能進(jìn)行測試,具體方法參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3923.1-1997《紡織品織物拉伸性能第1部分:斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率條樣法》。

      3 結(jié)果與討論

      3.1 純黃麻機(jī)織布纖維化學(xué)成分分析

      純黃麻機(jī)織布纖維主要化學(xué)成分含量測定結(jié)果如表1所示。

      表1 黃麻纖維機(jī)織布主要化學(xué)成分含量Tab.1 Contents of main chemical components of jute fiber fabric

      由表1可知,黃麻纖維機(jī)織布中的非纖維素雜質(zhì)主要有脂蠟質(zhì)、水溶性物質(zhì)、果膠、半纖維素、木質(zhì)素等??椢镏袣埩艄z的含量并不高,影響纖維性能的非纖維素雜質(zhì)主要是半纖維素和木質(zhì)素,各占15%左右。為改善黃麻纖維性能,擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域,這些雜質(zhì)的去除很有必要。生物精煉的主要原理就是利用酶作用的專一性,使酶只與纖維中某一化學(xué)組分作用,并使其從混合物中脫離,而保留纖維中有用的組分[3]。

      3.2 木質(zhì)素去除效果分析

      參考GB 5889-86,以72%濃硫酸水解法對不同處理后黃麻機(jī)織布中的木質(zhì)素進(jìn)行定量測定,并計(jì)算其木質(zhì)素去除率,結(jié)果見表2。

      表2 不同處理后黃麻機(jī)織布的木質(zhì)素去除率Tab.2 Rates of delignification of jute fabric by different treatments

      漆酶能夠降解木質(zhì)素而生成木質(zhì)素的低聚物,黃麻機(jī)織布經(jīng)漆酶處理后,部分木質(zhì)素可被降解而去除。木聚糖酶能夠水解黃麻纖維中的半纖維素,草酸銨能夠去除殘留的果膠,與半纖維素和果膠結(jié)合的木質(zhì)素也隨之從纖維上脫落下來,從而起到去木質(zhì)素作用,同時(shí)使更多的木質(zhì)素暴露在纖維表面,有利于漆酶的催化降解。

      由表2可知,漆酶單獨(dú)處理時(shí)木質(zhì)素的去除程度并不高,僅有8%。聯(lián)合處理可提高木質(zhì)素的去除效率,其中木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理可去除約20%木質(zhì)素,草酸銨、木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理木質(zhì)素去除率可達(dá)30%。但總體來講,兩種生物酶對黃麻機(jī)織布上木質(zhì)素的去除作用并不顯著,這可能是由于生物酶只能作用到纖維的表面,即胞間層及初生層,對次生層無效的緣故。黃麻纖維中分布在次生層的木質(zhì)素約為70%,胞間層的木質(zhì)素僅占30%左右,生物酶僅能對胞間層的30%木質(zhì)素起作用。Sen Gupta和Callow報(bào)道了黃麻漚麻亦只能去除初生胞壁中的木質(zhì)素,并指出次生細(xì)胞壁的木質(zhì)素即使是在強(qiáng)有機(jī)酸的作用下也不會(huì)膨脹[8]。

      因此,若要更大程度地去除木質(zhì)素,仍需與作用強(qiáng)烈的物理法 (蒸汽爆破,等離子體處理等)或化學(xué)法 (強(qiáng)堿、氧化劑處理等)聯(lián)合處理。與纖維素酶進(jìn)行聯(lián)合處理也是一種可行的方法,纖維素酶能夠水解黃麻中的纖維素,使木質(zhì)素更多地暴露出來,這些裸露的木質(zhì)素便可被漆酶催化降解進(jìn)而去除[9],但應(yīng)同時(shí)控制纖維素酶的用量和作用時(shí)間,以防止纖維素過度水解,造成纖維強(qiáng)力嚴(yán)重?fù)p失。

      3.3 黃麻機(jī)織布紅外分析

      對草酸銨、木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理和未經(jīng)處理的黃麻機(jī)織布進(jìn)行衰減全反射紅外光譜掃描,譜圖如圖1所示。參考相關(guān)文獻(xiàn)[10],確定了黃麻機(jī)織布紅外光譜特征峰及歸屬,見表3。

      圖1 黃麻機(jī)織布對照樣 (a)和處理樣 (b)的衰減全反射紅外光譜圖Fig.1 ATR-FTIR spectra of the control(a)and the treated fabric(b)

      1731 cm-1和1646 cm-1處為黃麻纖維中木質(zhì)素羰基伸縮振動(dòng)吸收峰,1594 cm-1和1506 cm-1處為木質(zhì)素芳香族骨架振動(dòng),由圖1可以看到處理后黃麻機(jī)織布吸收峰的強(qiáng)度均有所降低,表明經(jīng)處理后黃麻機(jī)織布中木質(zhì)素含量降低,這和前面木質(zhì)素去除率的數(shù)據(jù)及分析結(jié)果一致。

      表3 黃麻機(jī)織布的紅外光譜特征吸收峰及歸屬Tab.3 Absorption peak assignment in FTIR spectra of jute fabric

      纖維素和半纖維素中的單糖單元含有醚鍵,位于1242 cm-1-1031 cm-1處的C-O伸縮振動(dòng)吸收峰為黃麻纖維中纖維素和半纖維素的特征吸收峰。由圖1可以看到黃麻機(jī)織布經(jīng)處理后此吸收峰的強(qiáng)度亦有微量降低,說明在處理過程中有部分半纖維素同時(shí)被除去,這是由于木聚糖酶對黃麻纖維中的半纖維素水解造成的。

      3.4 黃麻機(jī)織布性能分析

      對不同處理后黃麻機(jī)織布的褶皺性進(jìn)行了測試,結(jié)果如圖2所示。

      圖2 不同處理工藝后黃麻機(jī)織布的折皺回復(fù)角Fig.2 Fold resilience of jute fabric via different treatments

      由圖2可知,未經(jīng)處理的黃麻機(jī)織布褶皺性較差,經(jīng)不同處理后其折皺回復(fù)角均有不同程度的提高,其中以草酸銨、木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理效果最好。

      對不同處理后黃麻機(jī)織布的力學(xué)性能進(jìn)行了測試,結(jié)果如圖3和圖4所示。

      圖3 不同處理工藝后黃麻機(jī)織布的斷裂強(qiáng)力Fig.3 Breaking strength of jute fabric via different treatments

      圖4 不同處理工藝后黃麻機(jī)織布的斷裂伸長率Fig.4 Breaking elongation of jute fabric via different treatments

      由圖3和圖4可知,未經(jīng)處理的黃麻機(jī)織布斷裂強(qiáng)力高,纖維模量大,且斷裂伸長率低,彈性差。經(jīng)漆酶單獨(dú)處理后,織物斷裂強(qiáng)力有微量增加,斷裂伸長率顯著提高,在未降低纖維強(qiáng)力的情況下改善了其柔韌性。這可能是由于漆酶對木質(zhì)素的降解聚合兩方面作用引起的,纖維上未被漆酶去除掉的木質(zhì)素其聚合度得到進(jìn)一步提高,從而使纖維強(qiáng)力、彈性同時(shí)提升。木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理和草酸銨、木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理因?qū)δ举|(zhì)素和半纖維素等雜質(zhì)去除較多,導(dǎo)致纖維強(qiáng)力下降,草酸銨、木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理的黃麻機(jī)織布斷裂強(qiáng)力已不足原麻一半。兩種聯(lián)合處理的黃麻機(jī)織布在強(qiáng)力下降的同時(shí),斷裂伸長有所增加,但不及漆酶單獨(dú)處理的效果。

      4 結(jié)論

      漆酶單一處理僅能去除少量的木質(zhì)素,聯(lián)合處理可提高木質(zhì)素的去除效率,以草酸銨、木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理效果最好,去除率可達(dá)30%。

      在ATR紅外譜圖中,草酸銨、木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理后的黃麻機(jī)織布較未處理織物在1594 cm-1、1506 cm-1和1424 cm-1處的木質(zhì)素芳香族特征吸收峰,1731 cm-1和 1646 cm-1處的木質(zhì)素羰基特征吸收峰以及1242 cm-1-1031 cm-1處的半纖維素醚鍵特征吸收峰均有減弱,說明經(jīng)草酸銨、木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理后黃麻織物纖維表面木質(zhì)素和半纖維素含量降低。

      經(jīng)處理后黃麻機(jī)織布折皺回復(fù)角提高,其中草酸銨、木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理褶皺回復(fù)性最佳。漆酶單獨(dú)處理后黃麻機(jī)織布斷裂強(qiáng)力和斷裂延伸率均提高,聯(lián)合處理后斷裂強(qiáng)力降低,斷裂延伸率提高。

      [1]付書玉,俞建勇,吳麗莉.黃麻纖維高溫脫膠工藝初探[J].紡織科技進(jìn)展,2008(1):78-79.

      [2]張瑞寅,薛文良.黃麻產(chǎn)品的開發(fā)及其市場前景[J].紡織導(dǎo)報(bào),2005(8):50-57.

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      [5]何曉紅,俞建勇,劉麗芳.不同生物酶處理對黃麻纖維的影響[J].紡織科技進(jìn)展,2008(6):73-75.

      [6]張雙,吳麗莉.黃麻纖維生化聯(lián)合脫膠研究[J].國際紡織導(dǎo)報(bào),2009(3):14-16.

      [7]范曉燕,齊魯,朱阿敏.黃麻木質(zhì)素的化學(xué)官能團(tuán)和化學(xué)鍵分析[J].針織工業(yè),2012(2):24-27.

      [8]Gupta A B Sen,Callow H J.Effect of preliminary hydrolysis on the determination of lignin in jute [J] .Journal of textile institute,1949(40):650-655.

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      [10]孫柏玲,劉君良.慈竹竹原纖維與黃麻纖維紅外及二維相關(guān)光譜分析[J].林業(yè)科學(xué),2012,48(7):114-119.

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