超声波处理棉织物的研究进展

超声波处理棉织物的研究进展

1棉织物酶处理棉纺一直是世界著名的纺织品，年销售额为3284亿卢布。未煮练原棉含有约90%的纤维素和其他多种非纤维素成分,如蜡质、果胶、蛋白质、脂肪和色素。棉处理的目的就是除去纤维中这些疏水性的非纤维素成分,提高纤维的吸水性,以便能够均匀地染色和后整理。棉中大部分非纤维素成分是通过在氢氧化钠溶液传统煮练浴中加入湿润剂和螯合剂溶解并除去的。但是传统的碱性煮练存在严重的环境问题,耗能耗水量大,而且排出大量的强碱废水。最近发表的文献中有提到棉处理中某些特定的酶可以取代强碱。总而言之,棉织物酶处理日益受到重视并用于诸多工艺过程中,如退浆、漂白清洗、生物抛光。但棉织物生物酶处理只是一种新发展的工艺,仍处于探讨阶段。酶煮练温度通常约为40℃～50℃,可以大大地降低能耗。更为重要的是酶处理废水容易生物降解,不会破坏环境。除了以上优点,酶处理也有缺点,例如成本高、反应速度慢。棉的酶处理同其他任何湿处理过程一样,要把大分子从液体媒质(酶溶液)中穿过纤维表面转移到内部。总之,大的酶分子(12000～150000道尔顿)扩散速率低,易于同棉纱外层纤维素分子反应。酶处理液机械振动通常有利于把酶大分子转移到纤维素表面和纱线内部。但是众所周知,机械振动对酶真正反应的固/液界面的薄液层并不是很有效。鉴于此,超声波可以作为纤维表面液体界面层搅动的非常有效的替代技术,在溶液中注入超声波能量会产生两个主要现象:发热和气穴——在溶液中形成很小的气泡,当这些气泡破裂时产生很强的震动波。由气穴引起的液体界面层的这种很强的振动,能够极大地加强酶大分子向纤维表面运动,并能够加快全面反应速率。需特别指出,气穴效应在多相体系中(如所有的纺织品湿处理工艺)比在均相体系中作用强数百倍。许多学者均已报道超声波能成功地用于不同的纺织品处理工艺中,例如棉及棉混纺品丝光、纤维和纱线的退浆和煮练以及氧漂、染色和织物后整理,但没有天然纤维酶处理中超声波应用直接相关的信息。而且,超声波如何作用于酶分子复杂而敏感的结构尚不清楚。本课题的目标是研究用酸性和碱性果胶酶对原棉织物进行生物煮练时超声波的影响,也是用纤维素酶处理不同棉织物超声波影响最初研究的继续。2测试条件和方法用于所有测试的棉印花坯布(122g/cm2)由Testfabrics公司提供。织物边缘经过缝制以防止在处理过程中脱线。每个试样约重25g。在实验中所用的两种果胶酶:酸性果胶酶(ViscozymeL)和新近研制的碱性果胶酶(BioprepL),都由NovoNordiskBioChem公司提供。酶处理在不同的缓冲剂、pH值和温度下进行(表1)。所有测试的酶处理在平行板近距声波处理机(NAP)进行(图1),即双频超声波发生器,由AdvancedSonicProcessingSystems特别设计制备用于控制试样声波,它具备热控能力。超声波发生器内有一不锈钢框架固定试样,将织物准确地放在两块相对隔板中间,这两块隔板作为声波处理机反应槽的两壁。由磁致变频器驱动生成两个不同的频率(16kHz和20kHz),这两块隔板在反应槽内形成一个撞击频率。这个撞击频率形成一个高能区,在反应槽内持续地往复运动确保连续处理。两个超声波发生器(1.4kW)都装有功率调节装置,它们将超声波能量输送至超声波变频器,以使反应槽中超声波能量强度精确地控制在0～3W/cm2的范围内。测定在不同条件下用酶和(或)超声波处理的所有试样的可湿性、撕裂强度以及白度系数,并与棉印花坯布试样相比较。所有的织物在21℃,相对湿度65%的恒定条件下测试。已处理试样的可湿性根据新的AATCC浸润测试法来评估,这种方法还在完善中。这种方法通过测水浸润测试布条3cm所需时间来评价可湿性。从每个试样中沿经向和纬向共剪下6根布条(2.5cm×17.8cm),并在等同条件下测试,确保可湿数据良好的一致性。经向和纬向的撕裂强度根据ASTMD5035-95标准方法(布条法测试)在Instron上测试。试样的白度系数根据AATCC测试方法110-1995测得。生物煮练测试及简称列在表2中。3结果与讨论3.1酶/超声波处理两组试样在声波处理器反应槽内的处理液中,采用相同的酶浓度、声波强度和循环速率,处理时间则分别为1h和6h(表3)。在每个实验中,三个棉印花试样分别在有或无超声波存在时用酸性果胶酶溶液处理,条件均等同,以确保良好的可重复性。所有试样经酶/超声波处理后,去离子水彻底清洗并滚筒烘干,评价前处理24h。所有实验(原始布样,分别有或无超声波时用酸性果胶酶处理的两个布样)同样的三个试样可湿性(经向+纬向)平均值如图2和图3所示。总的说来,与参比试样(原始棉印花坯布)相比而言,酸性果胶酶生物煮练提高了所有试样的可湿性,在AcP-6实验中其可湿性提高尤其明显,因为处理时间长,但结果仍相当差。浸润时间在数百秒的范围内,较传统碱煮练高出许多。数据表明在酶处理中加入超声波显著地提高了酸性果胶酶的性能。值得注意的是,超声波真正提高酸性果胶酶性能的面积只占试样面积的一半,这是因为超声波变频器隔板的有效面积只有织物试样表面积的50%。3.2织物织物机械强度由NovoNordiskBioChem公司研究并推出的一种碱性果胶酶对棉纤维素没有影响,这种酶在温和碱性条件下最为适宜,这对棉处理较为有利。碱性果胶酶处理条件的各项参数与酸性果胶酶等同,但处理时间降至具有实际意义的2h。用碱性果胶酶煮练(实验AcP-2)的三个棉印花布的试样可湿性平均值如图4所示。煮练试样的平均撕裂强度和白度系数数据分别如图5和图6所示。平均而言,所有碱性果胶酶煮练后的试样可湿性比参比试样有一些提高,但处理的均匀性差。比如,试样3的可湿性(浸润时间约110s)大约比试样1的可湿性(浸润时间约为2200s)好20倍。但同前面所测用酸性果胶酶的煮练的煮练结果一样,加入超声波明显提高碱性果胶酶的性能。撕裂强度数据的比较表明,同棉印花坯布试样或传统碱煮练试样(Alk-0.5,早期数据)相比较,用酸性果胶酶(实验AcP-1和AcP-6)和碱性果胶酶(实验AlP-2)煮练的试样的机械强度没有发生改变。所有用酶和超声波煮练试样的机械强度均优于未加超声波的试样。总之,数据表明用碱性果胶酶煮练的棉织物比用酸性果胶酶煮练的织物在可湿性和白度上要好。作者同NovoNordiskBioChem共同研究了这些数据,针对碱性果胶酶煮练试样之间一致性差的问题,我们改变了某些处理条件,煮练后轻度水洗以除去纤维基质上由于果胶酶水解生成的果胶类物质。表4是这种新碱性果胶酶煮练处理过程组合[AlP(c)-2],以研究不同工艺过程以及它们的组合对棉印花布生物煮练的影响,如退浆、超声波和水洗。退浆和水洗工艺加入0.1%的非离子表面活性剂TritonX-100溶液,82℃下持续2min。AlP(c)-2中所有其余实验参数如碱性果胶酶浓度、处理液的循环速率、声波能量以及处理时间都与AlP-2中的相同。图7比较了碱性果胶酶煮练、退浆和水洗处理以及它们的组合对棉印花布可湿性的影响。棉织物三个等同试样(G-1,2和3,图2和图3)的浸润时间与碱性果胶酶煮练后的三个等同试样(GS-1,2和3,图7)的浸润时间相比较,酶生物煮练显著地提高了棉织物的可湿性,但是这种处理的一致性太差。总的来看,图7所示数据表明单一的处理过程,不论是碱性果胶酶煮练(GS-1,2和3)还是退浆(D-1,2和3)或者退浆/生物煮练/水洗(DSW-1,2和3)才能使得处理后试样的可湿性充分而一致。这种组合的生物煮练处理试样的浸润时间与传统碱性煮练试样时间相比较,其可湿性相当或者更好,一致性也好得多。如前面所做实验,棉印花坯布生物预处理中加入超声波大大提高碱性果胶酶的性能,从而使得处理过程较快而且均匀。图8比较了超声波对碱性果胶酶煮练、退浆以及它们与水洗组合处理过程的影响。在所有的实验中,超声波显著地提高了碱性果胶酶的性能,而对酶的独特的活性没有任何不利的影响。同样地,对诸如退浆/生物煮练以及退浆/生物煮练/水洗的组合处理过程,超声波也有促进作用,但程度较小。图9所示的所有处理后试样的撕裂强度和棉坯布试样撕裂强度结果相比较证明,碱性果胶酶煮练本身及其与退浆乃至与水洗工艺组合对试样的机械强度均无影响。再次指出,与处理后试样或与原棉试样相比,加入超声波酶处理试样机械强度略有提高。我们研究的总结论是棉坯布果胶酶煮练的过程中在反应中加入超声波对酸性果胶酶和碱性果胶酶的性能都有显著提高。超声波使果胶酶性能提高的原因可能在于超声波、酶分子和液体媒质相互之间的多种物理和化学作用。主要有以下几点:(1)超声波增加果胶酶分子通过液体界面层向纤维表面迁移的扩散速率;在界面层果胶酶的浓度是关键因素,它制约着整个的反应速率。(2)超声波加速除去反应区域内的果胶酶的水解产物,提高了反应速率。(3)超声波更有利于果胶酶分子进入纤维内部,从而使纤维素纤维酶处理更加均匀。(4)超声波排除纤维毛细管和纤维交叉处溶解和包在液体中的空气,并通过气穴现象除去。4发酵温度和时间对煮练的影响本课题表明用酸性果胶酶和碱性果胶酶对棉织物进行酶煮练可以提高以后化学处理效率。数据表明碱性果胶酶对原棉预处理