散棉酶煮練和堿煮練的煮練效果及染色性能對比

衣芳萱,劉 瑞

(新疆大學 紡織與服裝學院,新疆 烏魯木齊830049)

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

1 試驗部分

1.1 材料及儀器

材料:原棉(新疆如意科技集團有限公司)。

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(均為化學純),活性黃3RS、活性黑B、活性黑S-R、活性紅3BS(均為工業級)。

儀器:水浴鍋,YG(B)008E 型電子單纖維強力機(溫州市大榮紡織儀器有限公司),Ultra Scan PRO 分光測色儀(美國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 調節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 節p H 值9.5,55.0 ℃煮漂54～55 min。

復配酶一浴煮漂:浴比1∶40,KQ-45酶1.625 g/L,517 酶1.05 g/L,H2O2(36%)5 g/L,NaOH 調 節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 ℃,時間60 min[7]。

1.4 測試

1.4.1 力學性能測試

參考標準FZ/T 98009-2011《電子單纖維強力儀》,對未處理棉花、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行單根纖維的力學性能測試。每組測試數據50組并取平均值。

1.4.2 白度測試

通過分光測色儀,按照GB/T 17644-2008《紡織纖維白度色度試驗方法》的測試方法,并結合白度計算公式,對未處理棉花、酶處理棉花及堿處理棉花的白度進行計算:

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

1.4.3 毛細效應測試

參考標準FZ/T 01071-2008《紡織品 毛細效應試驗方法》,對未處理棉花、酶處理棉花及堿處理棉花進行毛效測試,試驗溫度為15.4℃、濕度為17%、水溫為20 ℃。

1.4.4 吸色率測試

根據國家標準GB 2391-80《活性染料吸色率和固色率的測定方法》,通過用分光光度計,以適宜的波長分別測定光密度值,吸色率E按式(2)和式(3)計算:

式中X—— 染色殘液中染料量(%)；A—— 標準染液的光密度值；B—— 染色殘液的光密度值；n—— 標準染液和染色殘液的測試濃度的倍數。

1.4.5 固色率測試

散棉染色中固色率是反應纖維染色牢度的一個指標,測定皂洗前散棉的K/S值為k1,皂洗后散棉的K/S值為k2,計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纖維的表面結構進行分析,并對不同前處理的纖維直徑進行比較,分析影響纖維力學性能的原因。

2 結果與討論

2.1 煮練效果對比

2.1.1 平均斷裂強力

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

圖1 不同工藝處理散棉的平均斷裂強力

作為一種結構復雜的化合物,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素等物質,以達到煮練除雜的目的,并且對纖維的損傷小。

而在NaOH 條件下時,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性能的條件下,對其進行前處理,但是對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力大,導致纖維束的強力大,而KQ-4酶一浴煮漂處理較其他處理方法對纖維的破壞較少,纖維的力學性能損失較小；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、強力降低；此外,堿處理的棉花在光學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,對棉纖維進行脫色漂白,進而改善棉纖維的可漂性,酶漂工藝環保、工序簡單,可以在一定程度上提高棉纖維的白度并且可以節約化學練漂劑的用量、減輕污染負荷[8]。

在工廠實際加工生產過程中,高濃度的燒堿和雙氧水對散棉纖維的損傷較大,對于后續還需要染色的散棉白度要求不高,可以通過燒堿替代雙氧水、次氯酸鈉等漂白化學品。一是簡化了實際加工工序、提高效率,二是減少了廢水成分、節約后期處理成本。但是對于白度要求高的產品,選擇KQ-4 酶一浴煮漂處理可以得到較可觀的結果。

2.1.3 毛細效應

紡織品毛細效應作為衡量織物被水潤濕滲透性效果的一個重要指標,是表征紡織品經過前處理加工后,所具有潤濕性的好壞,毛效越高說明吸濕性能越好。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、復配酶處理的散棉、燒堿前處理的散棉。

在燒堿處理棉纖維時,工廠使用的NaOH 濃度低,棉纖維溶脹程度較低,NaOH 對氫鍵的拆散作用較弱,導致棉纖維的吸水性低,毛效值變低。而在酶催化反應中,首先是酶與棉纖維以非共價鍵結合形成酶-棉纖維中間復合物,此時棉纖維結合在酶的特定功能區域(即活性中心),所以對棉纖維中-OH 的破壞程度很小,當酶分子與棉纖維相互接近時,酶蛋白構象將發生有利于與棉纖維結合的變化,從而使酶與棉纖維相互契合而進行化學反應,產生新的親水基團。

圖4 不同前處理工藝的毛細效應測試結果

2.2 染色性能對比

2.2.1 吸色率

由表1可以看出,在進行拼色染色時,酶處理對散棉吸色率具有較明顯的改進。但是對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,所以針對不同的活性染料,酶處理散棉和堿處理散棉會有不同的吸色率。由于拼色染色時用了大量的活性染料,所以活性基多于單色染色時的活性基,使得拼色染色時共價鍵結合較多,最終導致拼色染色時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的數據可以看出,對于拼色配方染色,不同方法前處理后散棉的固色率均達到很好的效果。對散棉進行淺色工藝染色時,酶處理后的散棉固色效果較差,所以散棉染淺色時更適合燒堿前處理。對于中、深色的染色工藝,KQ-45酶處理、復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

在散棉纖維進行染色時,活性染料上的活性基團會與纖維上的-OH 發生親核取代或親核加成反應,最終實現活性染料與纖維素的結合。在燒堿前處理時,低濃度的NaOH 處理棉纖維會使其表面變得潤脹而具有反應活性,在進行淺色工藝染色時,染色效果較好,但是進行深色工藝染色時,染料不能均勻地向纖維內部滲透,最終導致燒堿前處理時染深、中色的效果較差。而對散纖維進行酶煮練時,酶與纖維素發生結合后會發生化學反應進而達到煮練的效果,此時,纖維上的親水基團變多,與活性染料的結合位點變多,所以在進行中、深色染色工藝時,固色效果較好。

3 結論

(1)作為生物催化劑,酶與無機、有機催化劑相比具有高效性,并且反應條件溫和,酶活性可調控。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)從纖維強力損失率、白度、毛細效應上看,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酶處理后散棉的強力損失率最小、白度增加率最大、毛細效應最顯著,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)在工廠進行散棉的淺色染色工藝時,選擇燒堿前處理具有較高的經濟價值,在節約成本的前提下,還能達到較優異的效果。工廠進行中、深色的散棉染色時,相較于燒堿前處理,選擇KQ-45酶一浴煮漂處理散棉,對散棉的固色率具有較大的改善。