酶鹽法羊毛纖維低溫染色研究

葉振敏，戴慶國

東華大學化學化工與生物工程學院，上海 201600

傳統工藝下，羊毛纖維的染色通常在高溫條件下進行。羊毛纖維由于受到高溫和化學助劑的作用，損傷嚴重，直接造成了其手感下降，成紗時易斷等不足。低溫染色可以有效降低羊毛纖維的損傷，降低成紗斷頭率，改善其織物的手感，使最終成品保留羊毛原有的優良性能。目前較為常見且有效的低溫染色法有：蟻酸法、尿素法、低溫等離子法、表面活性劑法等。但出于各式各樣的原因，此類方法無法實現工業化生產。

蛋白酶是生物催化劑能使鱗片層中角質化的蛋白質氨基酸中的肽鍵水解，使鱗片層龜裂或部分破壞，隨著酶處理的逐漸進行，鱗片逐步脫落[1]。由亞硫酸鈉提供SO32-與二硫鍵中被活化S 原子結合，進一步剝落鱗片層、破壞疏水層，使羊毛纖維上染料擴散的孔道擴大，提高滲透性，讓染料在較低的溫度（60℃）就能達到較好的上染率。文章主要分析確定酶鹽法的最佳工藝及其預處理后的羊毛纖維在低溫染色中與傳統染色工藝、低溫勻染劑預處理染色工藝的各類差異。

助劑低溫染色機制［2-4］主要如下：（1）助劑對羊毛的溶脹作用，使羊毛在較低的溫度區間發生膨脹，利于染料及酸劑的進入，將上染區間前移；（2）助劑分子與羊毛纖維有特殊的親和力，在纖維外表形成一層薄膜包覆，同時這層薄膜對染料也有很好的親和力。通過這層薄膜對二者的親和作用使纖維和染料在低溫時就均勻吸附，有利于在溫度升高時，幫助染料迅速轉移至內部完成上染；（3）有機類助劑主要是先打開羊毛纖維的二硫鍵及部分肽鍵，增加大量的染座。羊毛表面鱗片層相對含硫較多，因此該類助劑主要作用于羊毛表面鱗片，顯著增加了纖維與染料的親和性，使上染區間前移完成低溫上染。

1 材料及方法

1.1 材料及試劑

材料：羊毛毛條（精梳80 支，浙江允源毛紡）。

試劑：亞硫酸鈉（分析純，岳陽三湘化工），角蛋白酶（夏盛），乙酸（分析純，上海麥克林），氫氧化鈉（分析純，國藥），鹽酸（分析純，上海生工），低溫勻染劑GL-246（廣東旺鑫化工），酸性翠藍染料（上海山原化工）。

1.2 儀器及設備

UV-1100 紫外分光光度計（上海美譜達），恒溫水浴鍋（天津賽得利斯），電子天平（深圳榮惠電子），電熱恒溫鼓風干燥箱（紹興尚誠儀器），氣動夾持電子強力機（昆山鷺工），Y151 纖維摩擦系數測定儀（南通三思機電），25 型pH計（大連貝爾分析儀器），耐洗色牢度試驗儀SW-12A Ⅱ(溫州大榮紡織)，光學顯微鏡（奧林斯巴）。

1.3 各工藝流程及條件

（1）工藝流程。工藝1：毛條高溫染色→烘干→測試。工藝2：毛條酶鹽法預處理→低溫染色→烘干→測試。工藝3：毛條低溫勻染劑預處理→低溫染色→烘干→測試。工藝4：毛條直接低溫染色→烘干→測試。

（2）工藝條件。酶鹽法預處理：角蛋白酶4%（owf），50℃，pH 值=8，處理40min，浴比1 ∶30，撈出水洗，亞硫酸鈉6%（owf），50℃，處理20min，浴比1 ∶30。低溫勻染劑預處理：低溫勻染劑GL-246 5%（owf），40℃，處理30min。低溫染色：染料2%（owf），pH 值=3（甲酸調節），40℃入染，以2℃/min的速度升溫至60℃，保溫染色120min，浴比1 ∶50。

1.4 測試方法

上染百分率：在染色時間為5min、15min、30min、45min、60min、75min、90min、105min、120min、140min 時，分別自染液中準確吸取殘液2mL，轉移至50mL 的容量瓶中用超純水稀釋至刻度。同時，為了避免染液本身受到其他因素的影響導致的吸光度改變，一組非染色用的空白染液與其他組別同時進行相同的處理，以排除干擾。在紫外分光光度計最大吸收波長λmax=457nm 處測試吸光度Fx，按照公式計算染料的上染百分率（%）：

式中：Fx為染料殘液的吸光度；F0為標準染液的吸光度；F空為空白染液的吸光度。

斷裂強力與斷裂伸長率：按照《紡織品 織物拉伸性能第2 部分：斷裂強力的測定（抓樣法）》（GB/T 3923.2—2013）進行測定。測定后按以下公式計算強降率：

式中：F原為原樣的斷裂強力；F1為染色完成后的斷裂強力。

纖維摩擦系數：按照單纖維摩擦系數測定方法規程進行測定。

摩擦色牢度：按照《紡織品 色牢度試驗 耐摩擦色牢度》（GB /T 3920—2008）進行測定。

水洗牢度：按照《紡織品 色牢度試驗 耐洗牢度》（GB/T 3921—2008）進行測定。

2 結果與討論

2.1 角蛋白酶和亞硫酸鈉用量、pH 值、溫度、時間

使用控制變量法，調整其中一個變量，鎖定另外三種變量，通過光學顯微鏡觀察預處理后的羊毛纖維的鱗片層形態及其強降率來確定兩者聯合的作用效果。如圖1 所示，分別是未處理、處理不完全、處理完全、處理過度四種情況的羊毛形態。在大量樣本的總結下，歸總出以下酶鹽法處理工藝：角蛋白酶4%（owf），50℃，pH 值=8，處理40min，浴比1 ∶30，水洗，亞硫酸鈉6%（owf），50℃，處理20min，浴比1 ∶30。

圖1 酶鹽法預處理后羊毛在光學顯微鏡下的形態

2.2 不同工藝的染色時間與上染百分率

不同工藝的染色時間與上染百分率如表1 所示。

表1 不同工藝的染色時間與上染百分率

由表1 可知，直接對未處理的羊毛毛條進行低溫染色最終上色率不佳；高溫染色法的上染速率最快，低溫勻染劑法次之但差異較小，酶鹽法略低于兩者；高溫染色法、酶鹽法、低溫勻染劑法最終上染率相當。

2.3 各種工藝的成本計算

調研得知，印染廠加熱的手段多為蒸汽加熱。故加熱材料均以蒸汽計算，當地蒸汽價格不考慮浮動為205 元/t，每千克蒸汽約可以提供2400kJ 熱量。調研時染缸熱交換器效率約為0.75，故每千克蒸汽實際供熱約為1800kJ。

蒸汽消耗計算：C水=4.184kJ/kg·℃，C羊毛=1.36kJ/kg·℃，室溫計20℃。公式計算如下：

式中：X為每千克羊毛染色消耗的蒸汽量。

高溫染色蒸汽費用約為2.58 元；低溫染色蒸汽費用約為1.29 元。

不同工藝的每千克羊毛染色成本對比（不含染料）如表2 所示。

表2 不同工藝的每千克羊毛染色成本對比（不含染料）單位：元

由表2 可知，低溫勻染劑成本低于高溫染色法，結合表1 染色速率和上染率，性價比高；酶鹽法的理論價格雖然略高于高溫染色法，但在實際操作中，高溫染色時因溫度較高，熱量更易流失、損耗，會導致蒸汽費用大于理論值，單從成本考慮仍可以采用。

2.4 不同工藝對織物的損傷情況

強降率和斷裂伸長率可以由儀器直接測得。但手感的定義模糊，主觀性較強，因此以纖維本身的順逆摩擦系數來代替手感以判斷纖維的性能優劣，如表3 所示。

表3 不同工藝染色后毛條的強降率、斷裂伸長率、順逆摩擦系數

由表3 可知，羊毛毛條不處理直接進行低溫染色的強降率最低，酶鹽法預處理次之，低溫勻染劑預處理再次之，高溫染色法處理最嚴重；低溫勻染劑預處理后的羊毛纖維斷裂伸長率下降嚴重，酶鹽法與不處理、高溫染色三者相近；從順逆動靜摩擦系數看，手感順序應是酶鹽法預處理、不處理、低溫勻染劑預處理、高溫染色。

2.5 不同工藝的摩擦色牢度

不同工藝染色后毛條的摩擦色牢度如表4 所示。

表4 不同工藝染色后毛條的摩擦色牢度

由表4 可知，高溫染色法的摩擦色牢度為四種工藝中最優，酶鹽法的干摩擦色牢度和高溫染色法相近。

3 結論

低溫染色與傳統染色工藝相比，不需要龐大的熱量，可節約相當的資源。并且低溫染色對羊毛纖維的損傷小，能保持羊毛纖維本身的優良性能。同時，酶鹽法剝落了羊毛纖維的鱗片層，使其產品的檔次也得到了一定的提升。因此酶鹽法盡管相對高溫染色而言理論成本較高，但對于追求羊毛性能的高檔羊毛相當適用。低溫勻染劑預處理后羊毛纖維的上染率高，色牢度較為優秀，且成本極低，但由于其使羊毛纖維的斷裂伸長率明顯降低，可以看出纖維損傷嚴重，將影響后續成紗，應該更多地將其應用于低端羊毛。