大麻/黃麻交織物的焦磷酸鈉與復合酶聯合處理工藝

張 毅，高金霞，郁崇文

(1.浙江工業職業技術學院，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 紡織學院，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]，當前市場上多見于麻袋、麻繩、坐墊、地毯、拖鞋等產品。部分廠家生產黃麻/棉交織物來緩解上述部分問題，但棉紗容易斷裂或起毛[5]，降低了產品的耐用性；亦有工廠生產大麻/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良性能，提升產品檔次，市場需求較為旺盛。部分企業研發人員參考已報道的大麻麻皮脫膠[6]、大麻草酸銨-酶聯合脫膠[7-8]、黃麻纖維精細化[9]等，對大麻/黃麻交織物進行了處理，但效果一般，未能改善交織物的柔軟度。若運用化學處理，即堿煮、氯漂或堿氧一浴、堿煮和復合酶制劑生化聯合處理等方式，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。

已有研究發現，在某工藝參數下用焦磷酸鈉處理大麻/黃麻交織物后，再運用復合酶進一步處理，織物質量減少率提高，柔軟度改善，芯吸高度上升，可達到化學工藝處理的效果[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、鈣等離子發生螯合作用[11-12]，進而去除黃麻、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環保，無需廢水治理，成本符合預期。

本文通過焦磷酸鈉和復合酶(漆酶/酸性木聚糖酶復配)聯合處理大麻/黃麻交織物，研究了焦磷酸鈉質量濃度、處理時間、處理溫度的單因子試驗；探討了漆酶質量濃度、酸性木聚糖酶質量濃度、處理時間、處理液pH值的L9(34)正交優化試驗，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組成定量分析、化學結構分析、紗線表面形貌分析；并對處理前后的交織物進行性能對比，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合酶聯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：經紗(大麻)線密度為 78 tex，緯紗(黃麻)線密度為90 tex；經、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)，吳江市南風精細化工有限公司；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

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

1.2.4 復合酶處理工藝條件

將漆酶與酸性木聚糖復配，其中漆酶質量濃度為6.5～8.5 g/L，酸性木聚糖酶質量濃度為5.0～7.0 g/L，處理溫度選擇50 ℃(已有研究發現左 50～60 ℃ 內溫度的選擇對試驗結果影響較小)，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/黃麻交織物進行烘干。

1.3 測試方法

1.3.1 織物質量減少率

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

式中：E為質量減少率，%；m1為處理前織物的干態質量，g；m2為處理后織物的干態質量，g。

1.3.2 織物斷裂強力(經向)

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

1.3.3 彎曲長度

根據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FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細效應試驗方法》，將處理后的試樣剪成經向長度為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內上升的高度即為芯吸高度。

1.3.5 紗線化學組成

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GB/T 5889—1986 《苧麻化學成分定量分析方法》，對處理前后的大麻紗線、黃麻紗線進行化學組成定量分析，測試出2種紗線中各化學成分的含量。

1.3.6 紗線化學結構表征

分別取焦磷酸鈉和復合酶聯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范圍內進行紅外光譜掃描，分析大麻/黃麻交織物的化學結構。

1.3.7 紗線表面形貌觀察

采用Quanta FEG250掃描電子顯微鏡，對經焦磷酸鈉和復合酶聯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)表面形貌進行觀察。測試前均進行噴金處理，紗線長度不超過1 cm。

2 結果與討論

2.1 焦磷酸鈉質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，測試焦磷酸鈉質量濃度對織物性能的影響，結果如表1所示。

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

表1 焦磷酸鈉質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，織物質量減少率和芯吸高度上升后再下降，織物斷裂強力(經向)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，但時間過長，導致織物浸漬時間較長，部分膠質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，織物質量減少率和芯吸高度上升后再下降，織物斷裂強力(經向)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；但當溫度超過80 ℃時，焦磷酸鈉會逐步水解成磷酸氫二鈉，嚴重降低了對大麻/黃麻交織物的處理效果。綜合考慮，處理溫度選擇80 ℃。

2.4 復合酶處理的正交優化試驗

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

表4 復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：織物質量減少率的影響程度為A>B>C>D，織物斷裂強力(經向)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：漆酶質量濃度(A)對所有評價指標顯著，處理時間(C)、處理液pH值(D)對所有評價指標均不顯著，酸性木聚糖酶質量濃度(B)僅對織物質量減少率和織物斷裂強力(經向)顯著，對其他指標不顯著。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，進行相應的驗證試驗，確認了最佳工藝方案為A2B2C3D2，即漆酶質量濃度為7.5 g/L，酸性木聚糖酶質量濃度為 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，分別進行化學組成定量分析，結果見表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生刺癢感的重要誘因[13]。大麻、黃麻因其化學組成中含有一定量的果膠和較多的木質素，導致大麻、黃麻纖維的彎曲剛度大，纖維在紡紗加捻過程中不易抱合，被卷入細紗內部時不均勻而被拉斷劈裂，從而伸出在細紗表面而形成端毛羽[14]。通過焦磷酸鈉和復合酶聯合處理，大麻紗線和黃麻紗線中所含的果膠含量、木質素含量明顯降低，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結構分析

在4 000～5 00 cm-1范圍內,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的羥基伸縮振動、木質素中的共軛羰基伸縮振動、木質素中的羥基彎曲振動、纖維素分子中的醚鍵伸縮振動。說明了經焦磷酸鈉和復合酶聯合處理，大麻紗線發生了木質素的大量去除反應、纖維素及半纖維素發生水解反應。

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

焦磷酸鈉和復合酶聯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，經焦磷酸鈉和復合酶聯合處理后的大麻紗線、黃麻紗線的表面光潔，膠質去除更為充分。

2.5.4 大麻/黃麻交織物處理前后的性能對比

對焦磷酸鈉和復合酶聯合處理前后的大麻/黃麻交織物進行物理力學性能測試，結果見表8。可以看出：與未經處理的大麻/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%，織物斷裂強力(經向)降低了6.38%；而焦磷酸鈉和復合酶聯合處理的彎曲長度降低了24.82%，芯吸高度提高了46.4%，織物斷裂強力(經向)降低了17.0%，這也說明焦磷酸鈉和復合酶聯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 化學助劑用量對比

若以達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、復合酶制劑工藝、生化聯合工藝處理織物，相應所需的化學助劑用量見表9。

表9 不同工藝的化學助劑及其質量濃度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，但存在著環境污染問題；復合酶制劑工藝雖然環保，但用量較大，成本較高；生化聯合工藝的化學助劑用量比本文工藝略高，但仍存在著一定的環境污染，這也說明焦磷酸鈉和復合酶聯合處理工藝在經濟社會效益上具有一定的優勢。

3 結 論

1)采用焦磷酸鈉和復合酶(漆酶/酸性木聚糖酶復配)對大麻/黃麻交織物進行聯合處理，當焦磷酸鈉質量濃度為9 g/L，處理時間為90 min，處理溫度為80 ℃時處理效果最佳；采用復合酶處理，當漆酶質量濃度為7.5 g/L，酸性木聚糖酶質量濃度為 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/黃麻交織物經焦磷酸鈉和復合酶聯合處理后，大麻紗線、黃麻紗線化學組成中果膠含量、木質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)經焦磷酸鈉和復合酶聯合工藝處理后大麻紗線、黃麻紗線中的木質素含量均降低，處理后黃麻紗線的木質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、復合酶制劑工藝、生化聯合工藝相比，達到同等處理效果時，焦磷酸鈉和復合酶聯合處理工藝具有一定的優勢。

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