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    生物酶前處理應(yīng)用

    2016-08-16 06:36:02王雪燕
    關(guān)鍵詞:絲膠絲素脫膠

    高 俊,王雪燕

    (西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院,陜西西安 710048)

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    生物酶前處理應(yīng)用

    高俊,王雪燕

    (西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院,陜西西安 710048)

    研究了淀粉酶和蛋白酶在棉織物和真絲織物前處理的應(yīng)用,比較了淀粉酶在棉織物退漿中的使用對(duì)棉織物退漿率、白度、毛效、以及斷裂強(qiáng)力的影響;采用蛋白酶對(duì)蠶絲織物進(jìn)行脫膠,同時(shí)為進(jìn)一步提高蠶絲的脫膠效果,在酶精練前對(duì)織物進(jìn)行了堿預(yù)處理。與傳統(tǒng)高溫高堿脫膠工藝效果相比,經(jīng)蛋白酶處理的蠶絲織物,其織物的潤(rùn)濕性、脫膠率以及織物的手感均好于傳統(tǒng)工藝,并且織物的纖維損傷明顯降低,但織物的白度略低于傳統(tǒng)工藝。

    棉織物真絲織物淀粉酶蛋白酶脫膠退漿

    0 前言

    棉織物因其具有優(yōu)異的吸濕透氣、排汗的性能而深受廣大消費(fèi)者的喜愛(ài),然而天然棉纖維本身的伴生物以及織造過(guò)程的助劑等,影響其潤(rùn)濕性以及后續(xù)的染色等加工工藝,因此必須對(duì)棉織物進(jìn)行精練。傳統(tǒng)前處理工藝一般采用高溫高堿的條件,處理時(shí)間較長(zhǎng),能耗大,同時(shí)纖維損傷嚴(yán)重。

    蠶絲織物具有飄逸、滑爽的質(zhì)感,而作為高檔纖維使用。蠶絲中絲素約占 75%,絲膠約占25%[1-2]。絲膠在紡織過(guò)程中對(duì)蠶絲織物起到保護(hù)作用,但只有去除大部分絲膠,蠶絲織物才能顯現(xiàn)出其優(yōu)異的性能。

    目前,傳統(tǒng)的蠶絲脫膠精練方法有堿脫膠、皂堿脫膠和合成洗滌劑脫膠等[3],但都存在一定的缺陷。隨著生物酶的發(fā)展,其表現(xiàn)出的高效性和專一性,在較低的溫度下便可達(dá)到較為理想的效果。同時(shí)生物酶具有易生物降解性,符合節(jié)能減排的發(fā)展趨勢(shì)。

    1 理論部分

    1.1棉織物與淀粉酶

    1.1.1上漿的目的

    在棉纖維織造過(guò)程中,由于紗線受到較大的摩擦力以及張力,易發(fā)生纖維斷裂。因此為提高坯布質(zhì)量,在織造前需要對(duì)經(jīng)紗進(jìn)行上漿處理,使紗線中的纖維黏著抱合起來(lái),并在紗線表面形成一層牢度的漿膜,使紗線變得緊密和光滑,從而提高紗線的斷裂強(qiáng)力和耐磨擦性。

    1.1.2漿料的種類

    目前主要采用以淀粉、變性淀粉為主,并視織物經(jīng)紗密度的不同,配以不同種類或不同比例的聚乙烯醇(PVA)漿料和其它輔助漿料如聚丙烯酸(PAA)等對(duì)織物的經(jīng)紗進(jìn)行上漿。

    1.1.3淀粉酶退漿機(jī)理[4]

    淀粉酶的種類較多,主要有α淀粉酶,它是以一種快速的“內(nèi)切”方式作用于淀粉聚合物,其水解產(chǎn)物為α構(gòu)型,屬細(xì)菌淀粉酶的一種;β淀粉酶是以一種“外切”的方式作用于淀粉聚合物的一端并逐段將麥芽糖切下;葡萄糖淀粉酶,也是一種以“外切”方式作用于淀粉1,4-甙鍵的水解反應(yīng);支鏈淀粉酶,是一種胱支酶,它水解支鏈淀粉分子的1,6甙鍵,常與其他的酶聯(lián)合使用。目前常用的淀粉酶為L(zhǎng)40酶,是α耐高溫淀粉酶的一種,是枯草桿菌分泌出來(lái)的類似蛋白質(zhì)的有機(jī)體,屬細(xì)菌淀粉酶。它能在較高溫度下對(duì)淀粉分子鏈中的α甙鍵起催化作用,而使淀粉糊化。

    1.1.4堿退漿

    堿退漿是目前最為常用的退漿方法。燒堿在適當(dāng)?shù)臏囟认拢梢允節(jié){料發(fā)生溶脹,從凝膠狀態(tài)變?yōu)槿苣z狀態(tài),與纖維的黏附變松,經(jīng)機(jī)械作用,使得漿料易從織物上脫落下來(lái)。堿退漿對(duì)漿料沒(méi)有降解作用,因此隨著退漿過(guò)程的進(jìn)行,漿槽中的漿料濃度將增大,出現(xiàn)漿料重新吸附到織物上而形成染色疵病。

    1.1.5酶退漿的優(yōu)越性

    酶退漿主要利用淀粉酶迅速切斷淀粉分子中的苷鍵,降低其分子量以及粘度,使得漿料可迅速洗除。由于酶制劑的高效高度專一,可以在溫和的條件下達(dá)到退漿的效果。同時(shí)漿料的去除所需的水量少,退漿率高,對(duì)纖維素纖維的損傷小。

    1.2蠶絲及蛋白酶

    1.2.1絲素與絲膠的區(qū)別[5]

    絲素和絲膠雖然都由氨基酸組成,但因其結(jié)構(gòu)有明顯的區(qū)別,因此在性質(zhì)上也有很大不同。絲素分子由兩部分組成:排列整齊緊密的整列部分和排列松散的無(wú)定形部分。在整列部分,由于結(jié)構(gòu)緊密,水分子不能進(jìn)入其內(nèi),纖維不溶于水并對(duì)化學(xué)藥劑有一定的穩(wěn)定性,纖維具有一定的強(qiáng)度。在無(wú)定形區(qū)部分,由于結(jié)構(gòu)疏松,支鏈中反應(yīng)基團(tuán)較多,在經(jīng)化學(xué)處理時(shí),化學(xué)藥劑容易進(jìn)入。這一區(qū)域分子排列比較紊亂,使纖維具有彈性和伸長(zhǎng)能力。絲膠分子表面分布著容易與水結(jié)合的基團(tuán)( 親水性基團(tuán)),所以絲膠在水中容易溶解,它的存在使纖維的手感粗糙,處理時(shí)應(yīng)將其大部分除去。

    1.2.2蠶絲脫膠的原因

    蠶絲中除了纖維的主體絲素外,還含有絲膠、脂蠟、色素、無(wú)機(jī)物和碳水化合物等天然雜質(zhì)以及織造添加的浸漬助劑等人為雜質(zhì)。這些雜質(zhì)的存在不僅損失絲綢柔軟、光亮和潔白等優(yōu)良品質(zhì),而且還會(huì)使坯綢難以被水及染化料溶液潤(rùn)濕而妨礙染色、印花和整理等后加工。因此蠶絲織物一般都要經(jīng)過(guò)前處理。

    1.2.3蛋白酶脫膠機(jī)理

    由于絲膠本身含有較多的極性氨基酸以及其在水中的溶脹作用,使得蛋白酶對(duì)絲膠具有較大的水解能力。而絲素結(jié)晶度較高,同時(shí)分子間易內(nèi)部穿插,使得蛋白酶在絲素分子上的作用點(diǎn)較少。對(duì)其水解作用較小。因而蛋白酶脫膠可達(dá)到脫膠效率高,對(duì)絲素的損傷小的效果。

    1.2.4蠶絲酶脫膠的優(yōu)勢(shì)及其局限性[6]

    與化學(xué)法相比,酶精練具有以下優(yōu)勢(shì):①酶的專一性強(qiáng)。不同的酶其作用的底物不同,通過(guò)選用合適的蛋白酶脫膠,選用合適的脂肪酶選擇性地除油,且不影響絲的機(jī)械特性,處理后的纖維更光滑潔凈。②酶精練條件溫和。作為生物大分子,酶反應(yīng)不需要高溫高壓、強(qiáng)酸強(qiáng)堿等條件,有利于節(jié)約能源。③酶精練環(huán)境污染少。精練時(shí)酶液可以循環(huán)使用,廢水排放少,且酶及其酶解產(chǎn)物易于生物降解,所產(chǎn)廢液易于處理。④酶精練易于控制。作為蛋白質(zhì)分子,酶在一定條件下會(huì)失活,因此精練時(shí)通過(guò)控制酶的用量和反應(yīng)條件可控制精練程度和產(chǎn)品質(zhì)量,避免精練過(guò)度或不足。

    酶脫膠的局限性,分析原因主要有以下幾點(diǎn):①適用于蠶絲精練的酶品種較少。目前能用于蠶絲精練的蛋白酶品種主要有 2709 等少數(shù)品種,尚未發(fā)現(xiàn)適合蠶絲精練的脂肪酶,因此有待開發(fā)更多適合蠶絲精練的酶制劑。②酶精練成本高。與化學(xué)精練相比,酶精練的成本高,這主要是因酶制劑的價(jià)格高,今后應(yīng)通過(guò)基因工程技術(shù)改造微生物和改進(jìn)酶的生產(chǎn)工藝降低酶的價(jià)格。③酶作用條件的復(fù)雜性。酶的活性受多種因素影響,如纖維的結(jié)構(gòu)、位點(diǎn)的可及性、處理?xiàng)l件等。針對(duì)不同的蠶絲或其織物,所用酶的種類、工藝、操作參數(shù)可能不同,對(duì)某一原料必須選擇相應(yīng)的酶,采用適宜的精練工藝和條件才能達(dá)到較好的精練效果。

    2 實(shí)驗(yàn)

    2.1實(shí)驗(yàn)材料

    純棉坯布、真絲坯布;淀粉酶,蛋白酶;其他試劑:滲透劑JFC、無(wú)水碳酸鈉、硅酸鈉、氫氧化鈉(均為分析純)。

    實(shí)驗(yàn)儀器:BS110S電子天平(北京多利斯天平有限公司),HHS-24電子恒溫振蕩水浴鍋(上海東星建材實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司),HS高溫電腦程控染色機(jī)(江蘇南通宏大儀器廠),,WHL-25A電熱恒溫干燥箱(天津市泰斯特儀器公司有限公司),HD026N 型電子織物強(qiáng)力儀(江蘇南通宏大儀器廠),X-Rite Colori7 分光測(cè)色儀(上海嘉恩科技有限公司)。

    2.2棉織物退漿工藝

    工藝流程:退漿處理→熱水洗→冷水洗→效果測(cè)試。

    2.2.1傳統(tǒng)堿退漿工藝

    NaOH 10g/L,滲透劑JFC2g/L,浴比:30:1,沸煮60min。

    2.2.2酶退漿工藝

    淀粉酶1g/L,Na2SiO31g/L,Na2CO31g/L,pH:9-10,滲透劑JFC1g/L,浴比:30:1,55℃保溫處理40min。

    2.3真絲脫膠工藝

    工藝過(guò)程:預(yù)處理→脫膠處理→熱水洗→冷水洗→烘干→效果測(cè)試。

    2.3.1傳統(tǒng)堿脫膠工藝

    預(yù)處理工藝:Na2CO31g/L,pH:9-10,浴比:30∶1。

    堿練工藝:Na2CO30.5g/L,NaHCO30.5g/L,pH:9-10,滲透劑JFC1g/L,浴比:30∶1,95℃處理50min。

    2.3.2蛋白酶脫膠工藝

    預(yù)處理工藝:Na2SiO31g/L,Na2CO31g/L,pH:9-10,滲透劑JFC1g/L,浴比:30:1。

    酶練工藝:蛋白酶1g/L,Na2CO31g/L,pH:10,50℃處理40min。

    2.4測(cè)試方法

    2.4.1斷裂強(qiáng)力

    使用 HD026N 電子織物強(qiáng)力儀,根據(jù)GB/T3923.1-1997《紡織品 織物斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定條樣法》進(jìn)行測(cè)定。

    2.4.2白度測(cè)試

    使用 X-Rite Colori7 分光測(cè)色儀,根據(jù) GB/T8424.2—2001《紡織品色牢度試驗(yàn)相對(duì)白度的儀器評(píng)定方法》,將待測(cè)織物折疊成4層,進(jìn)行測(cè)試。測(cè)定4次取平均值。

    2.4.3毛效測(cè)定

    按照FZ/T 01071—2008《紡織品毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》測(cè)定。將烘干后的試樣在恒溫恒濕箱內(nèi)平衡24h后,取25 cm×5 cm大小的布條,以重鉻酸鉀溶液作為測(cè)試液,測(cè)定30 min時(shí)重鉻酸鉀稀溶液沿織物上升的最低高度。平行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行三次取平均值(cm/30 min)。

    2.4.4脫膠率

    以蠶絲織物脫膠前后的失重率作為脫膠率。

    (1)

    2.4.5失重率

    稱取一定量待測(cè)織物,準(zhǔn)確測(cè)定其處理前干重。另稱準(zhǔn)確稱取處理后的棉織物干重,根據(jù)以下公式計(jì)算織物的失重率。

    (2)

    W1-織物處理前干重; W2-織物處理后干重。

    3 結(jié)果與討論

    3.1堿退漿與酶退漿效果

    分別按照2.2.1與2.2.2工藝對(duì)棉坯布進(jìn)行堿退漿和酶退漿,退漿后的織物與棉坯布分別測(cè)定其失重率、白度、毛效以及斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表1所示。

    從表1中可以看出,經(jīng)酶退漿的織物退漿率、潤(rùn)濕性以及白度均小于傳統(tǒng)堿退漿工藝,但差異不大。這是由于生物酶具有專一性,只對(duì)淀粉具有降解作用,而對(duì)合成漿料沒(méi)有降解作用,因而退漿率低;而在熱堿液中,天然漿料和合成漿料都會(huì)發(fā)生溶脹,從而從纖維上脫落下來(lái)。同時(shí)由表1也可以看出,經(jīng)淀粉酶退漿的織物的斷裂強(qiáng)力要高于堿退漿,這是因?yàn)槊妇哂袑R恍裕⑶易饔脳l件溫和,在降解淀粉漿料的同時(shí),不與纖維素纖維發(fā)生作用,因此酶退漿后織物的強(qiáng)力保留率較高,織物手感柔軟,提高了織物的檔次,而堿退漿在高溫、空氣存在下,纖維素大分子上的輕基易被氧化為醛基、羧基,對(duì)堿敏感,引起聚合度下降,造成棉纖維脆損、強(qiáng)力下降。同時(shí)僅使淀粉漿料疏松膨化,沒(méi)有將其分解成小分子物質(zhì),且需耗用大量的水,若工藝控制不當(dāng),漿料會(huì)重新凝結(jié)聚集,沾污布面,形成漿斑等質(zhì)量問(wèn)題。此外,傳統(tǒng)堿退漿一般都是在高溫煮沸條件下進(jìn)行,而酶退漿工藝溫度在50-60℃之間,因此酶退漿工藝可節(jié)約大量能源。

    生物酶退漿主要利用淀粉酶對(duì)淀粉漿料的分解作用,快速切斷分子內(nèi)苷鍵,降低分子量,從而降低退漿液的粘度,使得漿料能夠迅速洗除。因此漿料的去除較堿退漿而言,無(wú)需要?jiǎng)×业臋C(jī)械作用,耗水量較少,可以在溫和的條件下便可達(dá)到退漿的效果。同時(shí)經(jīng)酶退漿后的織物,纖維損傷較小,手感、光澤都較好。

    表1 退漿效果

    3.2蠶絲的脫膠效果

    采用不經(jīng)過(guò)經(jīng)預(yù)處理的單酶練脫膠工藝、傳統(tǒng)堿法脫膠工藝以及經(jīng)預(yù)處理的脫膠工藝對(duì)蠶絲織物進(jìn)行脫膠,測(cè)定脫膠后織物的脫膠率、白度、毛效等指標(biāo),其結(jié)果如表 2 所示。

    從表2中可以看出,經(jīng)過(guò)脫膠處理的織物,其潤(rùn)濕性、白度、手感均有明顯的改善,這是因?yàn)槲唇?jīng)脫膠處理的真絲表面存在大量絲膠,對(duì)潤(rùn)濕性不利,同時(shí)纖維表面很粗糙,凹凸不平, 且沒(méi)有光澤。而經(jīng)脫膠處理后的蠶絲表面的大部分絲膠已被去除,變得光滑平整,且有一定的光澤。

    表2 不同工藝的脫膠效果

    (a)坯綢(b)只經(jīng)酶處理(c)只預(yù)處理

    (d)預(yù)處理+酶精練(e)傳統(tǒng)皂堿脫膠

    圖1經(jīng)不同工藝脫膠后的效果

    從表2也可看出,經(jīng)蛋白酶脫膠的織物,其脫膠率、毛效和手感都優(yōu)于傳統(tǒng)堿法脫膠,只是白度稍差。此外,未進(jìn)行預(yù)處理的單獨(dú)酶脫膠,織物的脫膠率、潤(rùn)濕性以及白度都比傳統(tǒng)堿脫膠和經(jīng)預(yù)處理酶脫膠的效果差。這主要是因?yàn)椋旱鞍酌该撃z的作用條件遠(yuǎn)比皂堿法低,不利于絲膠的溶脹,不利于蛋白酶對(duì)絲膠的水解,因此在酶脫膠工藝中增加預(yù)處理步驟是非常必要的,蛋白酶脫膠前進(jìn)行預(yù)處理,使絲膠膨潤(rùn)、軟化,從而使酶容易發(fā)生作用,有利于提高酶脫膠的效果。同時(shí),經(jīng)酶脫膠的蠶絲織物柔軟度和光澤都較傳統(tǒng)堿脫膠效果好,這主要是因?yàn)榈鞍酌傅膶R恍?,?duì)絲素?fù)p傷較小,而堿法脫膠,條件劇烈,對(duì)絲素?fù)p傷嚴(yán)重。經(jīng)蛋白酶脫膠后的織物,絲素表面光滑,而堿脫膠后的織物,纖維表面有不規(guī)則絨毛存在,使得光澤度下降。

    4 結(jié)論

    (1)棉織物酶退漿白度、毛效均低于傳統(tǒng)堿退漿工藝,纖維損傷小于堿退漿。

    (2)與未經(jīng)預(yù)處理而直接酶處理的蠶絲織物相比,預(yù)處理后織物上的脫膠率明顯增大,說(shuō)明預(yù)處理在蠶絲織物的退漿工藝中是必不可少的一步。

    (3)蠶絲酶脫膠的效果與傳統(tǒng)皂堿效果相當(dāng)。

    [1]楊雪霞,勞繼紅.蠶絲酶精練研究進(jìn)展[J].絲綢,2007(8) :66-75.

    [2]董炳榮.絹紡織[M]. 北京: 紡織工業(yè)出版社,1991: 15.

    [3]王勇,杜凌云,程霜.蠶絲脫膠工藝條件的探討[J].聊城師院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1999,12( 1) :40-43.

    [4]徐谷倉(cāng),棉織物生物酶前處理工藝[J].印染,2002(12).39-40.

    [5]蔣少軍,吳紅玲.蠶絲的酶處理[J].四川絲綢,2002.(2):24.

    [6]李志忠,將少軍. 蠶絲蛋白酶精練工藝的理論與實(shí)踐.染整技術(shù),2006,28(4):13-15.

    1008-5580(2016)03-0085-04

    2016-03-08

    高俊(1992-),女,碩士研究生,研究方向:紡織品染色理論及工藝研究。

    王雪燕(1963-),女,教授,碩士生導(dǎo)師。

    TS193

    A

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