大麻/黃麻交織物的焦磷酸鈉與復(fù)合酶聯(lián)合處理工藝

張 毅，高金霞，郁崇文

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.紹興透真紡織科技有限公司，浙江 紹興 312000；3.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620)

黃麻纖維具有吸濕散熱、抗菌防紫外線，挺括等[1-2]優(yōu)良特性，同時原料豐富，價格低廉，深受市場青睞，但黃麻單纖維長度短，織物粗糙剛硬，易起皺，刺癢感明顯[3-4]，當(dāng)前市場上多見于麻袋、麻繩、坐墊、地毯、拖鞋等產(chǎn)品。部分廠家生產(chǎn)黃麻/棉交織物來緩解上述部分問題，但棉紗容易斷裂或起毛[5]，降低了產(chǎn)品的耐用性；亦有工廠生產(chǎn)大麻/黃麻、亞麻/黃麻交織物，充分利用大麻或亞麻纖維的各自的優(yōu)良性能，提升產(chǎn)品檔次，市場需求較為旺盛。部分企業(yè)研發(fā)人員參考已報道的大麻麻皮脫膠[6]、大麻草酸銨-酶聯(lián)合脫膠[7-8]、黃麻纖維精細(xì)化[9]等，對大麻/黃麻交織物進(jìn)行了處理，但效果一般，未能改善交織物的柔軟度。若運(yùn)用化學(xué)處理，即堿煮、氯漂或堿氧一浴、堿煮和復(fù)合酶制劑生化聯(lián)合處理等方式，雖可改善該類織物的柔軟度和芯吸高度，但廢水治理和助劑成本顯著上升；若單獨(dú)采用生物酶制劑處理，具有一定的效果，但酶制劑用量較大，成本高昂。

已有研究發(fā)現(xiàn)，在某工藝參數(shù)下用焦磷酸鈉處理大麻/黃麻交織物后，再運(yùn)用復(fù)合酶進(jìn)一步處理，織物質(zhì)量減少率提高，柔軟度改善，芯吸高度上升，可達(dá)到化學(xué)工藝處理的效果[10-11]。該方式效果較好的主要原因是焦磷酸鈉是一種良好的螯合劑，能有效地與砷、鐵、鋅、鈣等離子發(fā)生螯合作用[11-12]，進(jìn)而去除黃麻、大麻纖維表面的臟物(這些臟物部分是金屬離子與膠質(zhì)黏附在纖維表面，一般難以去除)，同時部分重金屬離子的去除，解除了對復(fù)合酶處理的抑制作用，而提供的鈉離子又對漆酶活性起到了催化作用[12]，將獲得更好的處理效果。該工藝中的焦磷酸鈉和生物酶制劑均生態(tài)環(huán)保，無需廢水治理，成本符合預(yù)期。

本文通過焦磷酸鈉和復(fù)合酶(漆酶/酸性木聚糖酶復(fù)配)聯(lián)合處理大麻/黃麻交織物，研究了焦磷酸鈉質(zhì)量濃度、處理時間、處理溫度的單因子試驗；探討了漆酶質(zhì)量濃度、酸性木聚糖酶質(zhì)量濃度、處理時間、處理液pH值的L9(34)正交優(yōu)化試驗，擬定出最佳處理工藝方案。同時對該交織物中大麻紗線、黃麻紗線處理前后的化學(xué)組成定量分析、化學(xué)結(jié)構(gòu)分析、紗線表面形貌分析；并對處理前后的交織物進(jìn)行性能對比，采用不同工藝的助劑用量對比，從而論證采用焦磷酸鈉和復(fù)合酶聯(lián)合處理工藝的可行性和實踐價值。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與試劑

大麻/黃麻交織物：經(jīng)紗(大麻)線密度為 78 tex，緯紗(黃麻)線密度為90 tex；經(jīng)、緯密分別為124、76根/(10 cm)；幅寬為145 cm；面密度為332 g/m2。

焦磷酸鈉(白色粉末，水溶液呈堿性)，吳江市南風(fēng)精細(xì)化工有限公司；氫氧化鈉(NaOH)，濃硫酸(H2SO4)、草酸銨((NH4)2C2O4·H2O)、苯(C6H6)、無水乙醇(CH3CH2OH )、氯化鋇(BaCl2)、次氯酸鈉(NaClO)、雙氧水(H2O2)、三級水、蒸餾水，均為分析純，杭州久靈化工有限公司；漆酶(適用的pH值為 4.5～5.5，適宜溫度50～60 ℃，酶活力為1 100 u/g)、酸性木聚糖酶(適用的pH值為4.5～5.5，適宜溫度為50～60 ℃，酶活力為 900 u/g)，諾維信(中國)有限公司。

1.2 處理工藝

1.2.1 工藝流程

大麻/黃麻交織物→焦磷酸鈉處理→酸洗→漆酶/酸性木聚糖酶復(fù)合處理→失活→烘干。

1.2.2 焦磷酸鈉處理工藝條件

焦磷酸鈉質(zhì)量濃度為7.0～11 g/L，處理時間為45～105 min，處理溫度為50～90 ℃，浴比為1∶10。

1.2.3 酸洗工藝條件

利用硫酸進(jìn)行酸洗，以中和布面殘留的堿，并為復(fù)合酶處理提供適宜條件。硫酸質(zhì)量濃度為 1.0 g/L，溫度為20～25 ℃，時間為5 min，浴比為1∶10。

1.2.4 復(fù)合酶處理工藝條件

將漆酶與酸性木聚糖復(fù)配，其中漆酶質(zhì)量濃度為6.5～8.5 g/L，酸性木聚糖酶質(zhì)量濃度為5.0～7.0 g/L，處理溫度選擇50 ℃(已有研究發(fā)現(xiàn)左 50～60 ℃ 內(nèi)溫度的選擇對試驗結(jié)果影響較小)，處理時間選擇60～90 min，處理液pH值選擇4.5～5.5，浴比選擇1∶10。

1.2.5 失活工藝條件

將三級水煮沸，然后浸漬復(fù)合酶處理后的大麻/黃麻交織物，時間為5 min。

1.2.6 烘干工藝條件

依據(jù)GB/T 8629—2017《紡織品 試驗用家庭洗滌和干燥程序》，采用烘箱干燥程序，利用Y801A恒溫烘箱對處理后的大麻/黃麻交織物進(jìn)行烘干。

1.3 測試方法

1.3.1 織物質(zhì)量減少率

分別將處理前后織物試樣放入烘箱，在105 ℃下烘至恒態(tài)質(zhì)量進(jìn)行稱量，按照下式計算織物質(zhì)量減少率：

式中：E為質(zhì)量減少率，%；m1為處理前織物的干態(tài)質(zhì)量，g；m2為處理后織物的干態(tài)質(zhì)量，g。

1.3.2 織物斷裂強(qiáng)力(經(jīng)向)

根據(jù)GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》，采用YG026B型電子織物強(qiáng)力機(jī)測試織物的斷裂強(qiáng)力。經(jīng)向取5塊試樣進(jìn)行測試，結(jié)果取平均值。

1.3.3 彎曲長度

根據(jù)GB/T 18318.1—2009《紡織品 彎曲性能的測定 第1部分：斜面法》，采用HD207N自動織物硬挺度儀測試織物的彎曲長度。織物彎曲長度越大，表明其抗彎剛度愈大，織物越剛硬，柔軟度越差。

1.3.4 織物芯吸高度

根據(jù)FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細(xì)效應(yīng)試驗方法》，將處理后的試樣剪成經(jīng)向長度為30 cm，緯向長度為2 cm的條樣，在離一端1 cm處沿緯向用鉛筆畫一平行線，將試樣豎直插入蒸餾水中，并使平行線與液面平齊，測量蒸餾水在30 min內(nèi)上升的高度即為芯吸高度。

1.3.5 紗線化學(xué)組成

對處理前后的交織物，分別采用分析針拆下大麻紗線和黃麻紗線；然后根據(jù)GB/T 5889—1986 《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》，對處理前后的大麻紗線、黃麻紗線進(jìn)行化學(xué)組成定量分析，測試出2種紗線中各化學(xué)成分的含量。

1.3.6 紗線化學(xué)結(jié)構(gòu)表征

分別取焦磷酸鈉和復(fù)合酶聯(lián)合處理前后的大麻紗線、黃麻紗線各2 mg，剪碎后與200 mg溴化鉀混合研磨，壓片制樣，利用Frontier型傅里葉變換紅外光譜儀，在4 000～500 cm-1范圍內(nèi)進(jìn)行紅外光譜掃描，分析大麻/黃麻交織物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

1.3.7 紗線表面形貌觀察

采用Quanta FEG250掃描電子顯微鏡，對經(jīng)焦磷酸鈉和復(fù)合酶聯(lián)合處理前后的大麻紗、黃麻紗(對處理前后的交織物采用分析針拆下大麻紗線和黃麻紗線)表面形貌進(jìn)行觀察。測試前均進(jìn)行噴金處理，紗線長度不超過1 cm。

2 結(jié)果與討論

2.1 焦磷酸鈉質(zhì)量濃度對織物性能的影響

在處理時間為90 min，處理溫度為80 ℃的條件下，測試焦磷酸鈉質(zhì)量濃度對織物性能的影響，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，隨著焦磷酸鈉質(zhì)量濃度的增加，織物質(zhì)量減少率和芯吸高度逐步上升后趨于穩(wěn)定，織物斷裂強(qiáng)力(經(jīng)向)逐步下降，彎曲長度逐步下降后趨于穩(wěn)定。這表明焦磷酸鈉的使用，去除了部分纖維表面上的膠質(zhì)，使其變得更為柔軟，芯吸高度得以改善，故選擇焦磷酸鈉質(zhì)量濃度 9 g/L 為佳。

表1 焦磷酸鈉質(zhì)量濃度對織物性能的影響Tab.1 Effect of mass concentration of sodium pyrophosphate on fabric properties

2.2 焦磷酸鈉處理時間對織物性能的影響

在焦磷酸鈉質(zhì)量濃度為9 g/L，處理溫度為80 ℃ 的條件下，測試焦磷酸鈉處理時間對織物性能的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 焦磷酸鈉處理時間對織物性能的影響Tab.2 Effect of the treat times of sodium pyrophosphate on fabric properties

由表2可知，增加焦磷酸鈉處理時間，織物質(zhì)量減少率和芯吸高度上升后再下降，織物斷裂強(qiáng)力(經(jīng)向)逐步下降，彎曲長度下降后再上升。原因是隨著時間延長，焦磷酸鈉處理效果逐步加強(qiáng)，但時間過長，導(dǎo)致織物浸漬時間較長，部分膠質(zhì)再次黏附于織物表面。綜合考慮處理時間選擇90 min。

2.3 焦磷酸鈉處理溫度對織物性能的影響

在焦磷酸鈉質(zhì)量濃度為9 g/L，處理時間為90 min 的條件下，測試焦磷酸鈉處理溫度對織物性能的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 焦磷酸鈉處理溫度對織物性能的影響Tab.3 Effect of the treat temperatures of sodium pyrophosphate on fabric properties

由表3可知，逐步增加處理溫度，織物質(zhì)量減少率和芯吸高度上升后再下降，織物斷裂強(qiáng)力(經(jīng)向)和彎曲長度均下降后再上升。原因是溫度上升，增加了焦磷酸鈉的溶解速率，處理效果逐步加強(qiáng)；但當(dāng)溫度超過80 ℃時，焦磷酸鈉會逐步水解成磷酸氫二鈉，嚴(yán)重降低了對大麻/黃麻交織物的處理效果。綜合考慮，處理溫度選擇80 ℃。

2.4 復(fù)合酶處理的正交優(yōu)化試驗

經(jīng)上述焦磷酸鈉處理的單因素試驗后，按照1.2.4節(jié)設(shè)計漆酶質(zhì)量濃度(A)，酸性木聚糖酶質(zhì)量濃度(B)、處理時間(C)，處理液pH值(D)的L9(34)正交優(yōu)化試驗，相應(yīng)的因子水平表、正交試驗設(shè)計表與結(jié)果分析如表4、5所示。相應(yīng)的方差分析如表6所示。

表4 復(fù)合酶處理正交試驗的因子水平表Tab.4 Factors and levels of orthogonal test with complex enzyme treatment

表5表明：織物質(zhì)量減少率的影響程度為A>B>C>D，織物斷裂強(qiáng)力(經(jīng)向)為A>B>D>C，彎曲長度為A>B>C>D，芯吸高度為A>B>D>C。表6方差分析表明：漆酶質(zhì)量濃度(A)對所有評價指標(biāo)顯著，處理時間(C)、處理液pH值(D)對所有評價指標(biāo)均不顯著，酸性木聚糖酶質(zhì)量濃度(B)僅對織物質(zhì)量減少率和織物斷裂強(qiáng)力(經(jīng)向)顯著，對其他指標(biāo)不顯著。綜合考慮，選擇A2B2C3D2為最佳工藝方案，這與5號試驗方案最為接近，進(jìn)行相應(yīng)的驗證試驗，確認(rèn)了最佳工藝方案為A2B2C3D2，即漆酶質(zhì)量濃度為7.5 g/L，酸性木聚糖酶質(zhì)量濃度為 6.0 g/L，處理時間為90 min，處理液pH值為5.0。

2.5 紗線與織物性能對比

2.5.1 大麻與黃麻紗線處理前后的化學(xué)組成分析

對處理前后大麻/黃麻交織物中的大麻紗線與黃麻紗線，分別進(jìn)行化學(xué)組成定量分析，結(jié)果見表7。

表7 處理前后大麻與黃麻紗線中的各成分含量Tab.7 Component content of hemp yarn and jute yarn before or after treatment %

由表7可知：處理后大麻紗線中的果膠含量較未處理降低了72.9%，木質(zhì)素含量降低了59.8%；處理后黃麻紗線中的果膠含量較未處理降低了84.0%，木質(zhì)素含量降低了42.5%。

有研究表明，突出于織物表面的毛羽是織物產(chǎn)生刺癢感的重要誘因[13]。大麻、黃麻因其化學(xué)組成中含有一定量的果膠和較多的木質(zhì)素，導(dǎo)致大麻、黃麻纖維的彎曲剛度大，纖維在紡紗加捻過程中不易抱合，被卷入細(xì)紗內(nèi)部時不均勻而被拉斷劈裂，從而伸出在細(xì)紗表面而形成端毛羽[14]。通過焦磷酸鈉和復(fù)合酶聯(lián)合處理，大麻紗線和黃麻紗線中所含的果膠含量、木質(zhì)素含量明顯降低，使得各自紗線的剛度降低，間接降低了伸出紗線表面的毛羽數(shù)量，從而降低了織物的刺癢感。

2.5.2 大麻與黃麻紗線處理前后的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

在4 000～5 00 cm-1范圍內(nèi),2種紗線處理前后的紅外光譜如圖1所示。可知處理后大麻紗線在 3 250、1 550、1 270、1 000 cm-1處，存在著明顯的吸收峰。可分別解釋為纖維素分子內(nèi)的羥基伸縮振動、木質(zhì)素中的共軛羰基伸縮振動、木質(zhì)素中的羥基彎曲振動、纖維素分子中的醚鍵伸縮振動。說明了經(jīng)焦磷酸鈉和復(fù)合酶聯(lián)合處理，大麻紗線發(fā)生了木質(zhì)素的大量去除反應(yīng)、纖維素及半纖維素發(fā)生水解反應(yīng)。

圖1 紗線處理前后的紅外光譜Fig.1 Infrared spectrum of two yarns before or after treatment.(a)Hemp yarn;(b)Jute yarn

黃麻紗線與大麻紗線整體相似，但存在著以下區(qū)別：在1 750～1 250 cm-1處，處理后黃麻紗線的透過率要明顯低于處理后大麻紗線，原因可能是處理后黃麻紗線的木質(zhì)素含量仍高于大麻紗線。

2.5.3 大麻與黃麻紗線處理前后的表面形貌分析

焦磷酸鈉和復(fù)合酶聯(lián)合處理前后大麻紗線、黃麻紗線的表面SEM照片如圖2所示。可以看出，經(jīng)焦磷酸鈉和復(fù)合酶聯(lián)合處理后的大麻紗線、黃麻紗線的表面光潔，膠質(zhì)去除更為充分。

2.5.4 大麻/黃麻交織物處理前后的性能對比

對焦磷酸鈉和復(fù)合酶聯(lián)合處理前后的大麻/黃麻交織物進(jìn)行物理力學(xué)性能測試，結(jié)果見表8。可以看出：與未經(jīng)處理的大麻/黃麻交織物相比，僅焦磷酸鈉處理的彎曲長度降低了15.4%，芯吸高度提高了32.6%，織物斷裂強(qiáng)力(經(jīng)向)降低了6.38%；而焦磷酸鈉和復(fù)合酶聯(lián)合處理的彎曲長度降低了24.82%，芯吸高度提高了46.4%，織物斷裂強(qiáng)力(經(jīng)向)降低了17.0%，這也說明焦磷酸鈉和復(fù)合酶聯(lián)合處理工藝取得了良好效果。

表8 大麻/黃麻交織物處理前后的性能對比Tab.8 Comparison of properties between treated and untreated on the hemp/jute interlaced fabric

2.5.5 化學(xué)助劑用量對比

若以達(dá)到本文最佳工藝方案處理后的大麻/黃麻交織物性能為條件，分別采用堿煮氯漂工藝、堿氧一浴工藝、復(fù)合酶制劑工藝、生化聯(lián)合工藝處理織物，相應(yīng)所需的化學(xué)助劑用量見表9。

表9 不同工藝的化學(xué)助劑及其質(zhì)量濃度Tab.9 Dosage of chemical auxiliaries for different process

表9表明：處理后的織物性能相同時，堿煮氯漂工藝或堿氧一浴工藝用量較低，但存在著環(huán)境污染問題；復(fù)合酶制劑工藝雖然環(huán)保，但用量較大，成本較高；生化聯(lián)合工藝的化學(xué)助劑用量比本文工藝略高，但仍存在著一定的環(huán)境污染，這也說明焦磷酸鈉和復(fù)合酶聯(lián)合處理工藝在經(jīng)濟(jì)社會效益上具有一定的優(yōu)勢。

3 結(jié) 論

1)采用焦磷酸鈉和復(fù)合酶(漆酶/酸性木聚糖酶復(fù)配)對大麻/黃麻交織物進(jìn)行聯(lián)合處理，當(dāng)焦磷酸鈉質(zhì)量濃度為9 g/L，處理時間為90 min，處理溫度為80 ℃時處理效果最佳；采用復(fù)合酶處理，當(dāng)漆酶質(zhì)量濃度為7.5 g/L，酸性木聚糖酶質(zhì)量濃度為 6.0 g/L，處理時間為90 min，處理液pH值為5.0時效果最佳。

2)大麻/黃麻交織物經(jīng)焦磷酸鈉和復(fù)合酶聯(lián)合處理后，大麻紗線、黃麻紗線化學(xué)組成中果膠含量、木質(zhì)素含量均有一定的降低，使得交織物的彎曲長度降低了24.82%，芯吸高度提高了46.4%，改善了該交織物的柔軟度，降低了刺癢感。

3)經(jīng)焦磷酸鈉和復(fù)合酶聯(lián)合工藝處理后大麻紗線、黃麻紗線中的木質(zhì)素含量均降低，處理后黃麻紗線的木質(zhì)素含量仍高于大麻紗線。

4)本文工藝與堿煮氯漂工藝、堿氧一浴工藝、復(fù)合酶制劑工藝、生化聯(lián)合工藝相比，達(dá)到同等處理效果時，焦磷酸鈉和復(fù)合酶聯(lián)合處理工藝具有一定的優(yōu)勢。

FZXB