預氧化及酶處理對美利奴羊毛拒水性的影響

阮潤女，楊 陳,2,3

(1.江西服裝學院，江西 南昌 330201； 2.江西省現代服裝工程技術研究中心，江西 南昌 330201)

近年來，我國羊毛的生產速度不斷提升，但是我國羊毛的生產量還不能滿足市場對羊毛的需求。所以我國每年都會從澳大利亞進口大量的羊毛，以滿足市場需求。澳大利亞每年的羊毛產量位居世界首位，是羊毛生產大國，而美利奴羊毛是澳大利亞最主要的一個羊毛品種[1]，是我國羊毛的主要進口品種。研究美利奴羊毛的性能對織物品質提升具有重要意義。

1 羊毛纖維的結構及其基本性質

羊毛纖維的最外層結構是鱗片層，最里層結構是髓質層，中間是皮質層。鱗片層能增加纖維間的抱和力，使羊毛纖維具有氈縮性。皮質層主要影響羊毛纖維的物理性質和化學性質。普通羊毛的結構內有髓質層，髓質層內存在大量的空氣，影響細胞間的聯接，從而影響羊毛的性能。但是美利奴羊毛的結構內沒有髓質層，所以美利奴羊毛的性能比一般的羊毛的性能更優。

羊毛纖維中的細胞膜復合物中有2層膜,一層是疏水性膜,一層是親水性膜[2]。羊毛纖維的最外部皮層細胞中不存在疏水性膜,羊毛纖維的表皮細胞中存在疏水性膜,但是這些疏水性膜是紊亂排列的,導致羊毛纖維細胞間會產生滲透壓現象，所以空氣中的水蒸氣可以滲透、擴散到纖維內部，而液態水不能進入到羊毛纖維內部。導致羊毛出現一個比較奇怪的現象,即易吸收氣態水蒸汽,卻不易吸收液態水的。這也解釋了為什么羊毛纖維具有優良的透氣性和吸濕性。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

美利奴羊毛織物(羊毛纖維直徑為24 μm左右,羊毛紗線線密度為18 tex×2)。

2.2 雙氧水預處理

將羊毛織物放進配制好的雙氧水溶液中進行預處理，預處理溫度50 ℃,雙氧水溶液與羊毛織物的浴比為1∶25，預處理后洗去羊毛織物上殘留的雙氧水，洗凈后晾干。氧化時間對羊毛親水性能的影響見圖1。由圖1可知,氧化時間為0 min時,表示羊毛織物還未放入雙氧水溶液中,羊毛織物的初始平衡潤濕角為84.8 °,初始平衡潤濕拉力在6.5×10-7N/m。羊毛織物放進雙氧水溶液后,隨著氧化時間延長,羊毛織物表面的平衡潤濕拉力越來越大,增長速率越來越小,直至為零,此時羊毛織物的平衡潤濕拉力達到最大,即織物被浸泡180 min后,平衡潤濕拉力達到55×10-7N/m左右。隨著氧化時間延長,羊毛織物的平衡潤濕角越來越小,在浸泡180 min后,平衡潤濕角達到最小,大概在45°左右。由圖可知,雙氧水溶液可以改變羊毛織物的平衡潤濕角,且在一定限度內氧化時間越長,羊毛織物的平衡潤濕角越小,織物的拒水性越差。

圖1 氧化時間對羊毛親水性能的影響

雙氧水溶液之所以能改變羊毛織物表面與水的接觸角,是因為雙氧水能夠氧化破壞羊毛表面的類脂層,羊毛纖維的疏水性正是由于這層類脂層的存在，當這層類脂層沒有被雙氧水氧化破壞時，此時羊毛纖維的拒水性較好，羊毛纖維表現為疏水性質。當羊毛纖維中的類脂層被雙氧水氧化破壞時，原由類脂層包裹著的蛋白層露出，此時的羊毛纖維的拒水性較差，羊毛纖維表現為親水性質。所以當需要羊毛纖維具有良好的吸水性時，可以用雙氧水溶液氧化破壞羊毛纖維中的類脂層和其表面的長碳鏈類脂，以此破壞蛋白的簡單聯結。楊氏方程為：

γlgcosθ=(γsg-γsl)

式中：γsg為固體與氣體間的表面張力；γsl為固液間的表面張力；γlg為氣液間的表面張力；θ為平衡接觸角(即氣、固、液三相平衡)。因為楊氏方程是在一種理想狀態下得出的方程,即固體表面均勻、光滑、平整,但是羊毛織物的表面是不平整不光滑的,所以可以用Wilhelmy吊片法來測固液接觸角[3]。測量固液接觸角的方法，當固體部分插入液體時,液體會隨之上升或下降,然后測量液體在上升或下降時對插入的固體的作用力(平衡潤濕拉力)，間接測量出潤濕平衡時固體與液體間的接觸角。液體上升就表示插入的這個固體吸水性很好,表現為親水性，此時的平衡潤濕角小于90°，液體對固體的平衡潤濕拉力大于0。下降就表示插入的固體吸水性能差，表現為疏水性，此時的平衡潤濕角大于90°，液體對固體的平衡潤濕力小于0。

2.3 蛋白酶處理

將洗凈晾干后的羊毛織物，分別放入不同用量的各類蛋白酶中[4-5],分別標記為試樣1#、2#、3#、4#,羊毛織物與各類蛋白酶浴比均為1∶25,按預先設置的時間、溫度和pH值進行各類蛋白酶的實驗。各類蛋白酶制劑的使用參數及處理條件見表1。

羊毛的減量率是指羊毛在經化學試劑處理后羊毛質量的變化，

羊毛減量率=(羊毛處理前的干質量-羊毛處理后的干質量)/羊毛處理前的干質量×100%

羊毛減量處理的目的是除去羊毛中的鱗片，提高羊毛的防氈縮性、柔軟性和彈性，提升羊毛的品質。羊毛的減量處理方法主要有氧化處理法和酶處理法。雙氧水溶液氧化處理羊毛對羊毛的減量率沒有影響，而用1398、W、M、SZ蛋白酶溶液處理羊毛都可以減少羊毛織物的質量,但對羊毛的減量率的影響不同。用1398、W、M、SZ蛋白酶溶液處理羊毛，羊毛減量率對羊毛織物表面親水性的影響見圖2。

表1 各類蛋白酶制劑的使用參數及使用條件

圖2 羊毛減量率對羊毛織物表面親水性的影響

蛋白酶處理后羊毛質量的減少率=(羊毛處理前的干質量-羊毛處理后的干質量)/羊毛處理前的干質量×100%

羊毛預處理前，用1398、W、M蛋白酶溶液處理羊毛都可以減少羊毛織物的質量,但是對改變羊毛表面的平衡潤濕角幾乎沒有什么影響。只有SZ蛋白酶可以減少羊毛織物的質量,且還可以使羊毛表面的平衡潤濕角變小[6],由圖2可知,羊毛織物表面氧化后的平衡潤濕角為61.1°,經過SZ蛋白酶處理后,酶減量在17%左右時,羊毛織物表面的平衡潤濕角減小到15°左右。氧化處理、酶處理對羊毛表面親水性的影響見表2。

表2 氧化處理、酶處理對羊毛表面親水性的影響

由表2可知,進行酶處理前，首先對羊毛織物進行氧化預處理，可以使羊毛纖維表面各部位的親水性趨向均勻統一，從而使酶反應均勻地發生。同時預處理有利于蛋白酶的快速進入，與羊毛纖維發生化學反應。在進行酶處理前對羊毛織物進行預處理可達到更好的效果[7]。

原樣中羊毛表面潤濕拉力為6.5×10-7N/m,用氧化劑氧化處理后,羊毛表面的潤濕拉力為34.5×10-7N/m,說明用氧化劑對羊毛預處理可以增大羊毛織物表面的平衡潤濕拉力。先將羊毛放入雙氧水溶液中進行氧化處理,再分別用1398、SZ、W、M蛋白酶對羊毛進行蛋白酶處理。實驗數據表明：W、M、1398蛋白酶對改變羊毛織物表面的平衡潤濕拉力幾乎沒有什么影響,只有SZ蛋白酶不同,氧化處理和SZ蛋白酶處理可以使羊毛織物表面的潤濕拉力增加到58.3×10-7N/m。因此，羊毛織物表面的初始潤濕拉力為6.5×10-7N/m,氧化后的羊毛織物表面的潤濕拉力為34.5×10-7N/m,氧化處理加SZ蛋白酶處理后的羊毛織物表面的潤濕拉力為58.3 ×10-7N/m。由此可知,比起用SZ蛋白酶處理,用氧化劑氧化處理對改變羊毛織物表面的潤濕拉力的作用更大。

原樣中羊毛表面潤濕接觸角為84.8°,用氧化劑氧化處理后,羊毛表面的潤濕接觸角為61.1°,說明用氧化劑對羊毛預處理可以減小羊毛織物表面的平衡潤濕接觸角。先將羊毛放入雙氧水溶液中進行氧化處理,再分別用1398、W、M、SZ蛋白酶對羊毛進行處理,實驗數據表明：1398、W、M蛋白酶對改變羊毛織物表面的平衡潤濕接觸角幾乎沒有什么影響,只有SZ蛋白酶不同,氧化處理加SZ蛋白酶處理可以使羊毛織物表面的潤濕接觸角減小到36.4°。羊毛織物表面的初始潤濕接觸角為84.8°,氧化后的羊毛織物表面的潤濕接觸角為61.1°,氧化處理加SZ蛋白酶處理后的羊毛織物表面的潤濕接觸角為36.4°。由此可知,氧化處理和SZ蛋白酶處理對改變羊毛織物表面的潤濕接觸角的影響幾乎是一樣的。

羊毛經氧化處理后的羊毛減量率并沒有變化,說明氧化處理不能減少羊毛的質量。在對羊毛織物進行氧化處理的基礎上,再分別用1398、W、M、SZ蛋白酶對羊毛織物進行處理,發現羊毛的減量率都不為零, 1398蛋白酶的作用影響稍弱些,羊毛的減量率只有4.8%， M蛋白酶對羊毛的作用影響最為明顯,羊毛的減量率可以達到19.1%。

蛋白酶對羊毛纖維的減量作用方式有2種。一種是剝離模式，另一種是水解模式。剝離模式的作用機制是蛋白酶溶液進入羊毛纖維的內部結構，然后水解細胞膜復合物中的球狀蛋白，使鱗片細胞和皮質細胞從羊毛纖維的內部結構中脫落下來，其實蛋白酶不僅可以水解球狀蛋白，而且有時還可以水解角質細胞，只是對它們的水解速度不同而已，蛋白酶水解球狀蛋白的速度更快。蛋白酶水解鱗片細胞是由內向外逐漸水解，直至剩下鱗片表層。因此這種水解模式會嚴重損害羊毛纖維的結構，從而影響其性能。水解模式與剝離模式正好相反，它是從鱗片表層開始水解，而且只水解鱗片表層。因此蛋白酶的水解模式不會破壞羊毛纖維的內部結構，或者影響不大，也不會嚴重影響羊毛纖維的性能。

植物蛋白酶就是通過水解模式水解羊毛纖維[8]，只水解鱗片表層，而SZ蛋白酶就是植物蛋白酶，由圖2可知，SZ蛋白酶對羊毛的減量率只有6.5%。未經任何處理的羊毛可以形成阿爾瓦登囊泡,說明羊毛鱗片的表層是完整的。以此類推,說明雙氧水氧化劑不能破壞羊毛鱗片表層,氧化處理分別加1398、W、M蛋白酶處理都不能破壞羊毛鱗片表層。只有氧化劑處理加SZ蛋白酶處理后的羊毛織物,幾乎不能形成阿爾瓦登囊泡,說明此時羊毛鱗片表層已經被破壞。由此可以說明SZ蛋白酶只是水解羊毛鱗片的表層[9-10]。

3 結束語

雙氧水溶液可以改變羊毛織物的平衡潤濕角,且在一定限度內氧化時間越長,羊毛織物的平衡潤濕角越小,織物的拒水性越差。雙氧水溶液之所以能改變羊毛織物表面與水的接觸角,是因為雙氧水能夠氧化破壞羊毛表面的類脂層。對羊毛預處理前，用1398、W、M蛋白酶溶液處理羊毛都可以減少羊毛織物的質量,但是對改變羊毛表面的平衡潤濕角幾乎沒有什么影響。只有SZ蛋白酶不同,它不僅可以減少羊毛織物的質量,而且還可以使羊毛表面的平衡潤濕角變小, 氧化處理和SZ蛋白酶處理對改變羊毛織物表面的潤濕接觸角的影響幾乎一樣。