散棉酶煮練和堿煮練的煮練效果及染色性能對(duì)比

衣芳萱,劉 瑞

(新疆大學(xué) 紡織與服裝學(xué)院,新疆 烏魯木齊830049)

散棉染色已成為紡織廠主要的生產(chǎn)工序之一,棉染后的成品主要用于有色紗的生產(chǎn),以及色紗的織造[1]。相較于傳統(tǒng)的紡紗、織造、染色工藝,前者的生產(chǎn)成本更低、生產(chǎn)周期更短、產(chǎn)品的顏色風(fēng)格更加豐富[2]。傳統(tǒng)的散棉前處理工藝已經(jīng)不能滿足后期制造及生產(chǎn)的高要求,以微生物酶為主的前處理工藝被逐漸應(yīng)用于工廠散棉的前處理加工中,具有高效短流程、前處理產(chǎn)品品質(zhì)均勻一致、后期染色均勻、減少?gòu)U水排放量并降低了污染等優(yōu)勢(shì)[3]。針對(duì)新型煮練酶的最佳工藝,對(duì)散棉進(jìn)行前處理,并達(dá)到煮練效果,為色紡紗的高效清潔生產(chǎn)提供了參考依據(jù)[4-6]。目前,有很多學(xué)者提出過(guò)散棉前處理工藝的改進(jìn)方法,但是很少有人將傳統(tǒng)工藝與改進(jìn)工藝處理后的散棉作對(duì)比,因此,將散棉酶處理與傳統(tǒng)燒堿前處理作對(duì)比,客觀分析前處理后的成品品質(zhì)及其染色性能,為工廠的實(shí)際加工生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料及儀器

材料:原棉(新疆如意科技集團(tuán)有限公司)。

試劑:KQ-45酶、517酶(廣州金瑞鷹生物科技有限公司),NaOH、36%H2O2、Na2CO3、Na2SO3(均為化學(xué)純),活性黃3RS、活性黑B、活性黑S-R、活性紅3BS(均為工業(yè)級(jí))。

儀器:水浴鍋,YG(B)008E 型電子單纖維強(qiáng)力機(jī)(溫州市大榮紡織儀器有限公司),Ultra Scan PRO 分光測(cè)色儀(美國(guó)Hunter Lab公司),超景深三維顯微鏡(日本基恩士vhx-950F)。

1.2 煮漂工藝

1.2.1 低溫一浴煮漂工藝

KQ-45酶一浴煮漂:浴比1∶40,KQ-45酶2.4～2.5 g/L,H2O2(36%)5 g/L,NaOH 調(diào)節(jié)p H 值9.5,55.0 ℃煮漂54～55 min。

517 酶一浴煮漂:浴比1∶40,517酶2.9～3.0 g/L,H2O2(36%)5 g/L,NaOH 調(diào) 節(jié)p H 值9.5,55.0 ℃煮漂54～55 min。

復(fù)配酶一浴煮漂:浴比1∶40,KQ-45酶1.625 g/L,517 酶1.05 g/L,H2O2(36%)5 g/L,NaOH 調(diào) 節(jié)p H 值9.5,55.0 ℃煮漂54～55 min。

1.2.2 高溫堿煮前處理工藝

燒堿一浴前處理:浴比1∶40,NaOH 2 g/L,不調(diào)p H 值,98 ℃處理50 min。

1.3 染色工藝

拼色染色:一浴煮漂處理及燒堿前處理后的散棉,3RS黃0.54%,黑B 0.16%,黑S-R 5.4%,Na2SO4100 g/L,Na2CO320 g/L,浴比1∶40,60 ℃處理90min。

淺色工藝:一浴煮漂處理及燒堿前處理后的散棉,活性紅3BS 0.3%,元明粉7 g/L,純堿6 g/L,浴比1∶40,溫度60 ℃,時(shí)間60 min。

中色工藝:一浴煮漂處理及燒堿前處理后的散棉,活性紅3BS 1%,元明粉10 g/L,純堿8 g/L,浴比1∶40,溫度60 ℃,時(shí)間60 min。

深色工藝:一浴煮漂處理及燒堿前處理后的散棉,活性紅3BS 5.0%,元明粉15 g/L,純堿12 g/L,浴比1∶40,溫度60 ℃,時(shí)間60 min[7]。

1.4 測(cè)試

1.4.1 力學(xué)性能測(cè)試

參考標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 98009-2011《電子單纖維強(qiáng)力儀》,對(duì)未處理棉花、酶處理棉花、堿處理棉花以及酶處理、堿處理后染色的棉花進(jìn)行單根纖維的力學(xué)性能測(cè)試。每組測(cè)試數(shù)據(jù)50組并取平均值。

1.4.2 白度測(cè)試

通過(guò)分光測(cè)色儀,按照GB/T 17644-2008《紡織纖維白度色度試驗(yàn)方法》的測(cè)試方法,并結(jié)合白度計(jì)算公式,對(duì)未處理棉花、酶處理棉花及堿處理棉花的白度進(jìn)行計(jì)算:

式中W——白度(%)；L*——明度指數(shù)；a*——明度系數(shù)；b*—— 明度系數(shù)。

1.4.3 毛細(xì)效應(yīng)測(cè)試

參考標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 01071-2008《紡織品 毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》,對(duì)未處理棉花、酶處理棉花及堿處理棉花進(jìn)行毛效測(cè)試,試驗(yàn)溫度為15.4℃、濕度為17%、水溫為20 ℃。

1.4.4 吸色率測(cè)試

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 2391-80《活性染料吸色率和固色率的測(cè)定方法》,通過(guò)用分光光度計(jì),以適宜的波長(zhǎng)分別測(cè)定光密度值,吸色率E按式(2)和式(3)計(jì)算:

式中X—— 染色殘液中染料量(%)；A—— 標(biāo)準(zhǔn)染液的光密度值；B—— 染色殘液的光密度值；n—— 標(biāo)準(zhǔn)染液和染色殘液的測(cè)試濃度的倍數(shù)。

1.4.5 固色率測(cè)試

散棉染色中固色率是反應(yīng)纖維染色牢度的一個(gè)指標(biāo),測(cè)定皂洗前散棉的K/S值為k1,皂洗后散棉的K/S值為k2,計(jì)算散棉染色的固色率的公式如式(4)所示。

1.4.6 纖維的表征

采用超景深三維顯微鏡對(duì)纖維的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,并對(duì)不同前處理的纖維直徑進(jìn)行比較,分析影響纖維力學(xué)性能的原因。

2 結(jié)果與討論

2.1 煮練效果對(duì)比

2.1.1 平均斷裂強(qiáng)力

不同前處理工藝對(duì)散棉纖維平均斷裂強(qiáng)力的影響如圖1所示,可以看出前處理后的散棉在力學(xué)性能上普遍降低,其中KQ-45 酶的處理效果對(duì)散棉的力學(xué)性能損傷最小,其次是517酶的處理效果,燒堿前處理對(duì)散棉的損傷最大。

圖1 不同工藝處理散棉的平均斷裂強(qiáng)力

作為一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物,酶在水溶液中水解后被激活,它能夠降解散棉纖維中的木質(zhì)素等物質(zhì),以達(dá)到煮練除雜的目的,并且對(duì)纖維的損傷小。

而在NaOH 條件下時(shí),雖然水堿體系并不能明顯改善散棉的天然卷曲,但是可以打斷連接半纖維素與其他組分之間的酯鍵。工廠采用的2 g/L(即0.1 mol/L)NaOH 是在不明顯破壞散棉纖維力學(xué)性能的條件下,對(duì)其進(jìn)行前處理,但是對(duì)比酶的一浴煮漂處理,燒堿前處理效果略差。

從圖2可以看出,原棉纖維的直徑普遍偏大,所以單根纖維的斷裂強(qiáng)力大,導(dǎo)致纖維束的強(qiáng)力大,而KQ-4酶一浴煮漂處理較其他處理方法對(duì)纖維的破壞較少,纖維的力學(xué)性能損失較小；相較于酶處理,堿處理后的棉纖維卷曲度明顯降低,使得纖維間的抱合力降低、強(qiáng)力降低；此外,堿處理的棉花在光學(xué)顯微鏡下較酶處理后的纖維、原棉纖維較光滑,同樣可以證明堿處理棉纖維的強(qiáng)力弱于酶處理的棉纖維,并弱于原棉纖維。

2.1.2 白度

不同前處理工藝對(duì)散棉纖維白度的影響如圖3所示,KQ-4酶處理后的棉花在白度上具有較明顯的改善,其次是517酶處理后的棉花,復(fù)合酶和堿處理后的棉花白度均略有降低。

圖2 不同前處理工藝的纖維顯微圖

圖3 不同前處理工藝的棉花白度

生物漂白工藝,即利用微生物或其分泌的酶處理棉纖維,對(duì)棉纖維進(jìn)行脫色漂白,進(jìn)而改善棉纖維的可漂性,酶漂工藝環(huán)保、工序簡(jiǎn)單,可以在一定程度上提高棉纖維的白度并且可以節(jié)約化學(xué)練漂劑的用量、減輕污染負(fù)荷[8]。

在工廠實(shí)際加工生產(chǎn)過(guò)程中,高濃度的燒堿和雙氧水對(duì)散棉纖維的損傷較大,對(duì)于后續(xù)還需要染色的散棉白度要求不高,可以通過(guò)燒堿替代雙氧水、次氯酸鈉等漂白化學(xué)品。一是簡(jiǎn)化了實(shí)際加工工序、提高效率,二是減少了廢水成分、節(jié)約后期處理成本。但是對(duì)于白度要求高的產(chǎn)品,選擇KQ-4 酶一浴煮漂處理可以得到較可觀的結(jié)果。

2.1.3 毛細(xì)效應(yīng)

紡織品毛細(xì)效應(yīng)作為衡量織物被水潤(rùn)濕滲透性效果的一個(gè)重要指標(biāo),是表征紡織品經(jīng)過(guò)前處理加工后,所具有潤(rùn)濕性的好壞,毛效越高說(shuō)明吸濕性能越好。從圖4可以看出,KQ-4酶處理后的棉花毛效最好,其次是517酶處理的散棉、復(fù)配酶處理的散棉、燒堿前處理的散棉。

在燒堿處理棉纖維時(shí),工廠使用的NaOH 濃度低,棉纖維溶脹程度較低,NaOH 對(duì)氫鍵的拆散作用較弱,導(dǎo)致棉纖維的吸水性低,毛效值變低。而在酶催化反應(yīng)中,首先是酶與棉纖維以非共價(jià)鍵結(jié)合形成酶-棉纖維中間復(fù)合物,此時(shí)棉纖維結(jié)合在酶的特定功能區(qū)域(即活性中心),所以對(duì)棉纖維中-OH 的破壞程度很小,當(dāng)酶分子與棉纖維相互接近時(shí),酶蛋白構(gòu)象將發(fā)生有利于與棉纖維結(jié)合的變化,從而使酶與棉纖維相互契合而進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生新的親水基團(tuán)。

圖4 不同前處理工藝的毛細(xì)效應(yīng)測(cè)試結(jié)果

2.2 染色性能對(duì)比

2.2.1 吸色率

由表1可以看出,在進(jìn)行拼色染色時(shí),酶處理對(duì)散棉吸色率具有較明顯的改進(jìn)。但是對(duì)于活性染料的單色染色,不論是染淺色、中色還是深色,酶處理散棉較堿處理散棉的吸色率較差,所以針對(duì)不同的活性染料,酶處理散棉和堿處理散棉會(huì)有不同的吸色率。由于拼色染色時(shí)用了大量的活性染料,所以活性基多于單色染色時(shí)的活性基,使得拼色染色時(shí)共價(jià)鍵結(jié)合較多,最終導(dǎo)致拼色染色時(shí)吸色率明顯高于單色染色。

表1 不同前處理散棉的染色吸色率

2.2.2 固色率

從表2的數(shù)據(jù)可以看出,對(duì)于拼色配方染色,不同方法前處理后散棉的固色率均達(dá)到很好的效果。對(duì)散棉進(jìn)行淺色工藝染色時(shí),酶處理后的散棉固色效果較差,所以散棉染淺色時(shí)更適合燒堿前處理。對(duì)于中、深色的染色工藝,KQ-45酶處理、復(fù)合酶處理后的散棉均有較高的固色率,517酶處理、燒堿處理得到散棉的固色效果略差,綜合力學(xué)性能及白度的分析,在染除淺色樣品的條件下,可采用KQ-45酶一浴煮漂工藝。

表2 不同前處理散棉的染色固色率

在散棉纖維進(jìn)行染色時(shí),活性染料上的活性基團(tuán)會(huì)與纖維上的-OH 發(fā)生親核取代或親核加成反應(yīng),最終實(shí)現(xiàn)活性染料與纖維素的結(jié)合。在燒堿前處理時(shí),低濃度的NaOH 處理棉纖維會(huì)使其表面變得潤(rùn)脹而具有反應(yīng)活性,在進(jìn)行淺色工藝染色時(shí),染色效果較好,但是進(jìn)行深色工藝染色時(shí),染料不能均勻地向纖維內(nèi)部滲透,最終導(dǎo)致燒堿前處理時(shí)染深、中色的效果較差。而對(duì)散纖維進(jìn)行酶煮練時(shí),酶與纖維素發(fā)生結(jié)合后會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而達(dá)到煮練的效果,此時(shí),纖維上的親水基團(tuán)變多,與活性染料的結(jié)合位點(diǎn)變多,所以在進(jìn)行中、深色染色工藝時(shí),固色效果較好。

3 結(jié)論

(1)作為生物催化劑,酶與無(wú)機(jī)、有機(jī)催化劑相比具有高效性,并且反應(yīng)條件溫和,酶活性可調(diào)控。所以選擇酶作為前處理助劑,在一定程度上可降低工廠的用水量、用電量,減少污水排放。

(2)從纖維強(qiáng)力損失率、白度、毛細(xì)效應(yīng)上看,酶處理的效果均比燒堿處理工藝好,并且在這3種酶處理工藝中,KQ-45酶處理后散棉的強(qiáng)力損失率最小、白度增加率最大、毛細(xì)效應(yīng)最顯著,故在工廠成本允許的前提下,可考慮選擇KQ-45酶一浴煮漂處理工藝。

(3)在工廠進(jìn)行散棉的淺色染色工藝時(shí),選擇燒堿前處理具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,在節(jié)約成本的前提下,還能達(dá)到較優(yōu)異的效果。工廠進(jìn)行中、深色的散棉染色時(shí),相較于燒堿前處理,選擇KQ-45酶一浴煮漂處理散棉,對(duì)散棉的固色率具有較大的改善。