棉織帶絲素蛋白絲質(zhì)化后處理工藝

范小紅 徐國平 劉玉 唐三湘

摘 要：為進(jìn)一步提高傳統(tǒng)棉織物產(chǎn)品高端化應(yīng)用，以桑蠶絲下腳料為原料來提取絲素蛋白，并配制成混合水溶液，再以浸軋的方式將其附著在棉織帶表面。采用正交試驗(yàn)方法對浸軋工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過掃描電鏡（SEM）和能譜儀（EDS）對絲素在棉織帶的表面及截面形貌進(jìn)行分析，考察絲素附著形態(tài)。結(jié)果表明，最佳浸軋工藝參數(shù)為：絲素蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%，浸軋溫度80 ℃，浸軋壓力0.2 MPa。絲素蛋白通過浸軋方式附著于織帶表面及部分滲入棉織帶內(nèi)部。

關(guān)鍵詞：絲素蛋白;棉織帶;正交試驗(yàn);浸軋工藝;形態(tài)特征

中圖分類號：TS195.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2020）02-0076-04

Abstract：To further improve the application of traditional cotton fabrics in high-end fields， silk fibroin was extracted from mulberry offcut， made into blended aqueous solution， and then adhered onto the surface of cotton fabric with padding technique.The technology parameters of padding were optimized with orthogonal experimental design.The surface and sectional morphologies of fibroin on cotton ribbon were analyzed with scanning electron microscope （SEM） and energy disperse spectroscopy （EDS） to study the adhering morphology of fibroin.It was found that the optimum padding technology parameters were as follows： 7% of silk fibroin solution mass fraction， 80 ℃ of padding temperature， and 0.2 MPa of padding pressure.Silk fibroin was adhered to the surface of cotton ribbon by padding and partially infiltrate into the ribbon.

Key words：silk fibroin; cotton ribbon; orthogonal test; padding technique; morphological characteristics

天然桑蠶絲主要由絲素蛋白和絲膠構(gòu)成。中國是桑蠶絲生產(chǎn)和應(yīng)用大國，在生產(chǎn)桑蠶絲過程中會產(chǎn)生較多下腳料和廢棄物，提取絲素蛋白的來源廣，且可對其進(jìn)行回收利用。絲素與人體具有良好的親和性，是一種天然的“綠色整理劑”，可用其對織物進(jìn)行整理以賦予產(chǎn)品親膚、貼身的功效[1-2]。而棉織物作為一種傳統(tǒng)紡織產(chǎn)品，廣受消費(fèi)者喜愛，但棉織物本身固有的耐磨性、彈性差等缺點(diǎn)限制了其作為高端產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用的范圍。有研究表明，絲素整理后的棉織物抗皺性，耐磨性能得到一定的改善[3]。目前，研究人員正嘗試通過改善或賦予棉織物一定功能，期望擴(kuò)大其產(chǎn)品高端化應(yīng)用[4-7]。因此，如何將棉制品與絲素蛋白有效地結(jié)合是一項(xiàng)值得研究的課題。

本研究以桑蠶絲下腳料為原料，經(jīng)脫膠，溶解，提純制備絲素蛋白粉，配制成絲素蛋白溶液。采用浸軋的方式將絲素蛋白溶液整理到棉織帶上，并以增重率作為評判指標(biāo)，同時研究絲素在織帶上的分布情況，對浸軋工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出最佳工藝參數(shù)。將純棉織帶的天然優(yōu)點(diǎn)與絲素蛋白具有的人體親和性進(jìn)行結(jié)合，為產(chǎn)品升級、提高附加值提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

桑蠶絲、棉織帶（寬2.5 cm）（浙江三鼎織造有限公司）;去離子水（實(shí)驗(yàn)室自制）;氯化鈣、碳酸鈣、乙醇（杭州高晶精細(xì)化工有限公司）;聚乙二醇（上海麥克林生化科技有限公司）;透析袋（杭州米克化工）。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（杭州惠創(chuàng)儀器設(shè)備有限公司）;SPS401F型電子分析天平（奧豪斯儀器（上海）有限公司）;9070A型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司）;QZR-5型噴霧干燥器（無錫市林洲干燥設(shè)備有限公司）;P-AO型軋車（紹興鴻靖紡織機(jī)械設(shè)備有限公司）;JSM-5610LV型掃描電鏡、INCA能譜儀（JEOL）。

1.2 絲素蛋白溶液的制備

稱取20 g桑蠶絲與20 g透明皂，量取1 000 mL去離子水，在98 ℃的恒溫水浴鍋中煮50 min脫膠，重復(fù)清洗2次后烘干。將脫膠后的絲素放入摩爾比為1∶2∶8的CaCl2/C2H5OH/H2O混合溶液中，在75 ℃下溶解2 h，然后將絲素蛋白溶液冷卻后抽氣過濾去除不溶物，放入透析袋中透析72 h后，過濾去除溶液中的雜質(zhì)，得到純凈的絲素蛋白水溶液，將上述溶液放置在進(jìn)風(fēng)溫度195 ℃，出風(fēng)溫度80 ℃下進(jìn)行噴霧干燥，即制成絲素蛋白粉[8]。將絲素蛋白粉于60℃的恒溫水浴鍋中充分溶解配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，5%，7%和9%的絲素蛋白溶液備用。

1.3 浸軋工藝與表征

根據(jù)已有文獻(xiàn)[3-5]的記載，試驗(yàn)采用棉織帶浸軋絲素蛋白溶液的方法對棉織帶進(jìn)行絲質(zhì)化處理，并以棉織帶的增重率作為考核指標(biāo)。浸軋工藝過程主要涉及的因素有絲素蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、浸軋溫度和浸軋壓力。

1.3.1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

取若干組棉織帶在浸軋溫度為60 ℃，浸軋壓力為0.2 MPa條件下，分別在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，5%，7%，9%的絲素蛋白溶液中進(jìn)行一浸一軋?zhí)幚?。將浸軋后的棉織帶置?7 ℃恒溫烘箱中烘燥1 h，烘干后稱重。反復(fù)烘燥，稱重，直到恒重為止，最后編號標(biāo)記。

1.3.2 浸軋溫度

取若干組棉織帶置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的絲素蛋白溶液中，在浸軋壓力0.2 MPa，浸軋溫度分別為60，70，80，90 ℃的條件下一浸一軋?zhí)幚?。后續(xù)棉織帶烘燥、稱重步驟參考1.3.1。

1.3.3 浸軋壓力

取若干組棉織帶置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的絲素蛋白溶液中，在浸軋溫度60 ℃，在浸軋壓力分別為0.2，0.3，0.4，0.5 MPa的條件下一浸一軋?zhí)幚?。后續(xù)棉織帶烘燥、稱重步驟參考1.3.1。

1.3.4 正交試驗(yàn)優(yōu)化

根據(jù)棉織帶浸軋后得到的棉織帶增重率，通過單個因素試驗(yàn)選定的絲素蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、浸軋溫度和浸軋壓力分別為3%，5%，7%;60，70，80 ℃和0.2，0.3，0.4 MPa。以絲素蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、浸軋溫度和浸軋壓力3個參數(shù)為自變量，以增重率為指標(biāo)，進(jìn)行正交試驗(yàn)，得出絲素蛋白溶液處理棉織帶最優(yōu)浸軋工藝參數(shù)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

1.3.5 增重率

采用烘干稱重法測定增重率，分別將浸軋前和浸軋后的棉織帶放入溫度在37 ℃恒溫烘箱中烘干直至恒重。用電子天平分別稱重得到浸軋前和浸軋后的棉織帶重量，增重率的計(jì)算如式（1）所示。

每種實(shí)驗(yàn)條件各測10次，且10次的增重率差值小于1%，取10次試驗(yàn)結(jié)果的平均值為此實(shí)驗(yàn)條件下的增重率。

1.3.6 棉織帶絲質(zhì)化后的表征

利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對試樣的表面及截面形貌進(jìn)行測試分析，同時利用電子能譜儀進(jìn)行成份分析，加速電壓為5 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 單個因素對棉織帶增重率的影響

2.1.1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對棉織帶增重率的影響

圖1為絲素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對棉織帶增重率的影響。由圖1可知，絲素蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)與增重率呈非線性關(guān)系，隨著絲素蛋白溶液質(zhì)量濃度的增大，增重率并沒有線性增大。當(dāng)絲素蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%～7%范圍內(nèi)時，絲素增重率會隨著絲素蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而提高。之后，質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步提高，增重率基本不變。絲素蛋白是由浸軋的作用附著在棉織帶上，當(dāng)浸軋量達(dá)到一定量時，多余部分將被軋輥擠去，質(zhì)量處于穩(wěn)定。因此確定絲素蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的為3%，5%和7%。

2.1.2 浸軋溫度對棉織帶增重率的影響

圖2為浸軋溫度對棉織帶增重率的影響。由圖2可知，浸軋溫度對棉織帶增重率影響較小，雖然隨著溫度的升高，增重率有所提高，但漲幅并不大。當(dāng)溫度到達(dá)80 ℃以上時，棉織帶的增重率變化接近平穩(wěn)。由于溫度升高，提高了絲素蛋白大分子的運(yùn)動活躍度，使其與棉纖維產(chǎn)生交聯(lián)?？紤]到生產(chǎn)能耗和加工成本，故確定浸軋溫度為60，70 ℃和80 ℃。

2.1.3 浸軋壓力對棉織帶增重率的影響

圖3為浸軋壓力對棉織帶增重率的影響。由圖3可看出，浸軋壓力與棉織帶增重率呈非線性關(guān)系，當(dāng)浸軋壓力在0.2～0.4 MPa時，增重率會隨著浸軋壓力的增加而下降。壓力增大導(dǎo)致溶液流失增大，附著在棉織帶上的絲素蛋白變少。浸軋壓力由0.4 MPa升到0.5 MPa時，增重率變化趨于平穩(wěn)，并沒有太大變化。故選定浸軋壓力為0.2，0.3，0.4 MPa。

2.2 正交試驗(yàn)分析棉織帶增重率的影響

根據(jù)單個因素試驗(yàn)結(jié)果，以棉織帶增重率為指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)方法對棉織帶浸軋?zhí)幚斫z素蛋白溶液工藝進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如表2所示。

由表2可得，3個因素影響程度大小為：絲素蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)>浸軋壓力>浸軋溫度;最優(yōu)方案為A3B3C3，即當(dāng)絲素蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%，浸軋溫度80 ℃，浸軋壓力0.2 MPa時，棉織帶增重率最高。但通過正交試驗(yàn)分析得出的最佳方案并不在所做試驗(yàn)中，因此按照最優(yōu)方案的試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示，增重率為13.58%。與表2試驗(yàn)結(jié)果相比，此時的棉織帶增重率最高。

2.3 棉織帶絲質(zhì)化后形貌分析

棉織帶絲質(zhì)化后的各組分元素分析如圖4所示?？芍?，在0.3，0.5，0.6 keV處出現(xiàn)了特征衍射峰，相對應(yīng)的分別是C元素，N元素，O元素。而N元素主要來自后整理中的絲素蛋白，表明絲素蛋白已經(jīng)成功附著于棉織帶表面。

為進(jìn)一步考察棉織帶絲質(zhì)化后的形貌，對其進(jìn)行了場發(fā)射掃描電鏡分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5（a）

和圖5（b）對比可知，絲素蛋白明顯附著在棉織帶的纖維表面，但分布并不均勻，出現(xiàn)少量囤積現(xiàn)象。這是由于噴霧干燥制得的絲素蛋白粉粒徑大約在1～10 μm[9]，絲素蛋白粉顆粒直徑分布不勻以及浸軋過程中受力不勻造成的。圖5（c）中可看出，部分纖維截面被白色絲素蛋白包裹，并有部分滲入棉織帶纖維縫隙。表明絲素蛋白通過浸軋的方式處理棉織帶絲素蛋白不僅附著在織帶表面，且滲入棉織帶纖維縫隙之間。

3 結(jié) 論

a）制備絲素蛋白粉，配制成絲素蛋白溶液，棉織帶浸軋?zhí)幚斫z素蛋白溶液。通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到了最佳的浸軋工藝參數(shù)為絲素蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%，浸軋溫度80 ℃，浸軋壓力0.2 MPa，此時的增重率最高為13.58%。3個因素影響程度大小為：絲素蛋白溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)>浸軋壓力>浸軋溫度。

b）通過掃描電鏡和能譜分析表征絲質(zhì)化后棉織帶，得到絲素蛋白在棉織帶表面附著并不均勻;絲素蛋白通過浸軋的方式不僅附著在棉織帶表面且滲入棉織帶纖維之間。

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