超聲波在酶氧退煮漂一浴中的應(yīng)用

陳海宏，趙其明

（五邑大學(xué) 紡織服裝系，廣東江門 529020）

超聲波在酶氧退煮漂一浴中的應(yīng)用

陳海宏，趙其明

（五邑大學(xué) 紡織服裝系，廣東江門 529020）

通過(guò)正交試驗(yàn)，確定了酶氧退煮漂一浴中超聲波處理棉織物的最優(yōu)工藝，并采用掃描電鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）、熱重分析（TGA）研究了超聲波處理對(duì)棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)、結(jié)晶形態(tài)和熱穩(wěn)定性能的影響.得出：最佳超聲波處理工藝為凈棉酶用量為4.0 g/L，30%雙氧水用量為16 mL/L，溫度為70℃，時(shí)間為50 min，pH為10～10.5，浴比為1∶30，超聲功率密度為0.55 W/cm2；將超聲波技術(shù)應(yīng)用于酶氧一浴中，棉纖維的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，棉纖維細(xì)胞壁出現(xiàn)裂紋和分絲帚化，棉織物的結(jié)晶度增加，熱穩(wěn)定性變差.

棉織物；超聲波；生物酶；酶氧一浴；熱分析；X射線衍射

頻率高于20 kHz的聲波通常被稱為超聲波.超聲波的高頻振動(dòng)傳遞給介質(zhì)后，會(huì)令介質(zhì)產(chǎn)生超聲振蕩，形成近乎真空的空腔泡（即氣體溶于介質(zhì)內(nèi)部）.在超聲波機(jī)械振動(dòng)作用下，氣泡定向擴(kuò)散并不斷增大，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡會(huì)突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，最終崩潰.這種微小氣泡振動(dòng)、膨脹、閉合和崩潰等一系列動(dòng)力學(xué)過(guò)程稱為聲空化[1-2].超聲波技術(shù)就是利用超聲振蕩產(chǎn)生的聲空化效應(yīng)形成強(qiáng)大的沖擊力，這種效應(yīng)增大并更新非均相反應(yīng)界面，強(qiáng)化傳質(zhì)和傳熱過(guò)程，提高反應(yīng)物分子的活性并增加相互碰撞的幾率.這種特殊的物理環(huán)境，可以用于紡織工業(yè)的退漿、煮練、漂白及短流程前處理工藝[3].傳統(tǒng)堿氧退煮漂一浴前處理短流程工藝可縮短工藝流程，從而節(jié)省能耗，但其對(duì)織物的強(qiáng)力損失大，且不利于環(huán)保[4].近年來(lái)隨著酶工程的發(fā)展，有關(guān)研究人員進(jìn)行了可替代堿氧一浴工藝的酶氧一浴前處理研究[5-9].將超聲波技術(shù)應(yīng)用于酶氧一浴工藝，通過(guò)聲空化效應(yīng)對(duì)棉纖維細(xì)胞壁的作用，可加速酶分子的活性和擴(kuò)散速率，并增強(qiáng)雙氧水對(duì)纖維作用的可及度，從而提高退煮漂效率.本文將超聲波技術(shù)應(yīng)用于棉織物的酶氧一浴退煮漂前處理工藝，在探討最優(yōu)前處理工藝的基礎(chǔ)上，分析超聲波處理對(duì)棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)、結(jié)晶形態(tài)和熱穩(wěn)定性能的影響.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用材料包括：純棉平紋坯布，市售；30%過(guò)氧化氫，分析純；凈棉酶GX-1，固體，百勝化工有限公司產(chǎn)品；pH緩沖液.

實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備包括：28 kHz L-1200槽式超聲波發(fā)生器；NoVa Nano SEM430掃描電子顯微鏡；STA409綜合熱分析儀，Panalytical X′Pert PRO型X射線衍射儀；電子恒溫不銹鋼水浴鍋；101-O型電熱鼓風(fēng)干烘箱；JA5003A型電子天平；pHS-25型實(shí)驗(yàn)室酸度計(jì)；WSB-V型智能白度測(cè)定儀；YG871型毛細(xì)效應(yīng)測(cè)定儀；YG026pc-250型電子強(qiáng)力機(jī).

1.2 處理工藝

（1）常規(guī)酶氧一浴處理工藝：坯布預(yù)處理（90℃，10 min）→酶氧處理液（凈棉酶4.5 g/L，雙氧水12 mL/ L，溫度95℃，處理時(shí)間60 min，pH=10～10.5，浴比1∶30）→熱水洗（90℃，1次）→冷水洗（1次）→烘干（105℃，1.5 h）.

（2）酶氧一浴中超聲波處理工藝：坯布預(yù)處理（90℃，10 min）→酶氧處理液→熱水洗（90℃，1次）→冷水洗（1次）→烘干（105℃，1.5 h）.超聲波酶氧一浴處理工藝中，由于試樣上與超聲波震源距離不同的各點(diǎn)所受到的超聲波作用能量大小不同，因此，必須對(duì)試樣進(jìn)行攪拌，以防止能量作用不均.采用正交試驗(yàn)法確定超聲波酶氧一浴處理的最優(yōu)工藝.影響超聲波酶氧一浴處理效果的主要因素有凈棉酶用量（A）、雙氧水用量（B）、溫度（C）、時(shí)間（D）和超聲波功率密度（E）等，每個(gè)因素設(shè)計(jì)了4個(gè)水平.依據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果所確定的4個(gè)水平值如表1所示.

表1 正交試驗(yàn)的因素與水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.3 性能測(cè)試

（1）形態(tài)結(jié)構(gòu)觀測(cè)：使用NoVa Nano SEM430掃描電子顯微鏡對(duì)棉纖維的表面形貌進(jìn)行觀測(cè)，并拍攝成像.

（2）結(jié)晶度測(cè)定：使用Panalytical X′Pert PRO型X射線衍射儀進(jìn)行棉纖維結(jié)晶度測(cè)量.測(cè)試條件為掃描速度2°/min，取樣間隔0.2°，在2θ為5°～70°范圍內(nèi)讀取數(shù)據(jù)，以分峰法計(jì)算棉纖維的相對(duì)結(jié)晶度.

（3）熱性能分析：使用STA409綜合熱分析儀進(jìn)行TGA分析.測(cè)試條件為氮?dú)饬髁?0 mL/min，升溫速率20℃/min，溫度范圍40～800℃.

（4）棉織物的白度、毛效及斷裂強(qiáng)力測(cè)定：使用WSB-V型智能白度測(cè)定儀（GB/T 8424.2-2001）測(cè)定烘干平衡后織物的白度；使用YG871型毛細(xì)效應(yīng)（FZ/ T 01071-2008）測(cè)定儀按標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)法（30 min）測(cè)定織物的毛效；使用YG026pc-250型電子強(qiáng)力機(jī)（GB/ T3923-1997）測(cè)定棉織物經(jīng)向的斷裂強(qiáng)力.

2 結(jié)果與討論

2.1 最優(yōu)工藝探討

超聲波酶氧一浴處理最優(yōu)工藝的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果分析Tab.2 Experiment data and result analysis

由表2可知，對(duì)于白度來(lái)說(shuō)，5個(gè)因素的極差大小順序?yàn)椋簝裘廾赣昧浚ˋ）＞溫度（C）＞雙氧水用量（B）＞超聲波功率密度（D）＞時(shí)間（E），最優(yōu)方案為A3B4C3D4E1；對(duì)于毛效來(lái)說(shuō)，5個(gè)因素的極差大小順序?yàn)椋簝裘廾赣昧浚ˋ）＞溫度（C）＞功率密度（D）＞雙氧水用量（B）＞時(shí)間（E），最優(yōu)方案為A4B2C3D4E1.綜合考慮白度和毛效2個(gè)指標(biāo)，并考慮到成本因素，確定的最優(yōu)工藝方案為A3B2C3D4E1，即凈棉酶用量為4.0 g/L，雙氧水用量為16 mL/L，溫度為70℃，時(shí)間為50 min，超聲功率密度為0.55 W/cm2.

2.2 超聲波對(duì)棉織物前處理效果的影響

為探討超聲波對(duì)棉織物前處理效果的影響，分別測(cè)試了經(jīng)超聲波酶氧一浴和常規(guī)酶氧一浴兩種方法前處理之后所獲棉織物的白度、毛效及斷裂強(qiáng)力，結(jié)果如表3所示.為使兩種前處理方法具有較好的可比性，超聲波酶氧一浴前處理工藝采用2.1中得到的最優(yōu)工藝，常規(guī)酶氧一浴前處理工藝采用1.3.1中的常規(guī)酶氧一浴處理工藝.

表3 酶氧一浴工藝比較Tab.3 Comparison of different processes

由表3比較可知，在超聲波酶氧一浴處理的最優(yōu)工藝條件下，當(dāng)凈棉酶用量、溫度和時(shí)間均降低情況下，處理后棉織物的白度、毛效以及斷裂強(qiáng)力與常規(guī)酶氧一浴處理棉織物相比均有所提高.

2.3 超聲波處理對(duì)棉纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

為了解酶氧一浴中超聲波處理對(duì)棉纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，本文對(duì)超聲波處理前后的棉纖維進(jìn)行了掃描電鏡觀察，其形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

由圖1（b）可以看出，經(jīng)超聲波處理后，棉纖維的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，棉纖維的天然扭曲減少，纖維變得較為圓潤(rùn)、順直，表面變得粗糙；由圖1（c）可知，棉纖維表面出現(xiàn)裂紋和分絲帚化.這可能是聲空化作用所產(chǎn)生的微射流作用于棉纖維細(xì)胞壁的結(jié)果.裂紋可使棉纖維的比表面積增加，潤(rùn)濕性提高，進(jìn)而改善其多相反應(yīng)性能.

2.4 超聲波處理對(duì)棉纖維結(jié)晶形態(tài)的影響

圖2為酶氧一浴中超聲波處理前后棉纖維的XRD譜圖.

經(jīng)計(jì)算，超聲波處理后的棉纖維相對(duì)結(jié)晶度比處理前上升了1.86%.分析其原因：一方面，超聲波處理時(shí)，聲空化作用使晶區(qū)和非晶區(qū)中有結(jié)晶缺陷的部分分開(kāi)，結(jié)晶受到?jīng)_擊波的刻蝕作用而使結(jié)晶度下降；另一方面，超聲波最優(yōu)處理中的凈棉酶用量、溫度和時(shí)間均降低，即作用棉纖維的條件較常規(guī)酶氧處理工藝溫和.后者對(duì)棉纖維的結(jié)晶度影響更大.

2.5 超聲波處理對(duì)棉纖維熱性能的影響

圖3所示為酶氧一浴中超聲波處理前后棉纖維的TGA曲線.表4所示為各裂解階段的裂解溫度范圍和失重率.

由圖3可知，棉纖維的熱裂解可以分為3個(gè)階段:①初始裂解階段，主要表現(xiàn)為纖維物理性能的變化及少量失重；②主要裂解階段，主要表現(xiàn)為失重速率很快，失重量很大，裂解的大部分產(chǎn)物在這一階段產(chǎn)生；③殘?jiān)呀怆A段，主要表現(xiàn)為殘?jiān)己吭絹?lái)越高.由表4可知，經(jīng)超聲波處理的棉纖維和未經(jīng)超聲波處理的棉纖維的主裂解段失重率分別為73.96%和66.69%，即前者的失重率比后者多7.27%，證明經(jīng)超聲波處理后的棉纖維熱穩(wěn)定性降低.其原因可能是在超聲波引發(fā)的高溫和高壓熱核點(diǎn)作用下，水中的氧氣易形成高能自由基和棉纖維大分子作用，使得棉纖維被氧化[2].

表4 棉纖維TG熱分析Tab.4 TG analysis about cotton fiber

3 結(jié)論

（1）棉織物酶氧退煮漂一浴中最優(yōu)超聲波處理工藝為：凈棉酶用量4.0 g/L，30%雙氧水用量16 mL/L，溫度70℃，時(shí)間50 min，pH值10～10.5，浴比1∶30，超聲功率密度0.55 W/cm2.

（2）超聲波最優(yōu)處理工藝中的凈棉酶用量、溫度和時(shí)間均降低，達(dá)到了節(jié)能省時(shí)的效果，且處理后棉織物的白度、毛效以及斷裂強(qiáng)力均有所提高.

（3）超聲波處理后，棉纖維表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，纖維表面出現(xiàn)了裂紋和分絲帚化.裂紋可使棉纖維的比表面積增加，有助于提高棉纖維的潤(rùn)濕性，從而改善其多相反應(yīng)性能.但通過(guò)TGA分析，棉纖維的熱穩(wěn)定性有所降低.

（4）超聲波處理不會(huì)引起棉纖維基本結(jié)構(gòu)的變化，仍保持結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)共存的狀態(tài).

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Application of ultrasonic treatment in simultaneous desizing-scouring and bleaching process of enzymes

CHEN Hai-hong，ZHAO Qi-ming
（Department of Textile and Clothing，Wuyi University，Jiangmen 529020，China）

The optimum process of ultrasonic treatment connected with simultaneous desizing-scouring and bleaching（SDSB）of enzyme GX-1 for cotton greige fabric is obtained on the basis of single-factor experiments and orthogonal experiment.The influences of ultrasonic treatment in SDSB process of enzymes on morphology structure，thermal performance and crystallinity of cotton fibers are analyzed through scanning electron microscope（SEM），X-ray diffraction（XRD）and thermal gravimetric analysis（TGA）.The experiment results indicate that the optimum conditions are showed as enzyme GX-1 for 4.0 g/L，30%H2O2for 16 mL/L，temperature for 70℃，time for 50 min，pH for 10-10.5，bath ratio for 1∶30，and ultrasonic power for 0.55 W/cm2.After ultrasonic treatment，the cotton fiber cell walls appear cracks and fibrous fibrillation，and the cotton fiber crystallinity decreases slightly，and the thermal stability declines.

cotton fabric；ultrasonic；enzyme GX-1；SDSB；TGA；X-ray diffraction

book=4,ebook=125

TS101.8

A

1671－024X（2010）04－0064－04

2010-04-22

陳海宏（1984—），男，碩士研究生.

趙其明（1964—），男，教授，碩士生導(dǎo)師．E-mail：zhqm@wyu.cn