等離子體協(xié)同纖維素酶對亞麻織物性能的影響

孫 麗，王秋紅

(大連工業(yè)大學 紡織與材料工程學院，遼寧 大連 116034)

0 引 言

亞麻是一種重要的紡織用纖維，因其獨特的纖維結構，致使其染色性能較差，這嚴重制約著高檔亞麻產(chǎn)品的開發(fā)[1]。而天然染料也存在著上染率低、色牢度差等問題，使得天然染料上染亞麻織物更是難上加難。因此，改善亞麻織物基于天然染料染色性能的研究具有非常重要的意義。等離子體對紡織材料的作用只發(fā)生在其表面，不但不會影響材料的自身性質，而且低碳、環(huán)保[2－6]。而纖維素酶作為一種水解酶，通過對天然纖維素的降解和水解，不僅可以改善纖維表面光潔度，使纖維變得柔軟，并且能夠在一定程度上提高亞麻織物的吸濕滲透性[7－10]。因此，這兩種纖維表面處理技術是實現(xiàn)紡織面料純天然化、開發(fā)“綠色紡織品”的重要途徑。

本文主要研究和比較了纖維素酶前處理和等離子體處理以及纖維素酶協(xié)同等離子體處理對亞麻織物基于天然蘇木染料染色后亞麻試樣的物理機械性能和染色性能的影響。

1 實 驗

1.1 試樣與試劑

亞麻坯布，市購；蘇木，市購；纖維素酶；滲透劑JFC；平平加O；冰醋酸，分析純；氫氧化鈉。

1.2 儀器設備

低溫等離子體改性實驗儀，上海市紡織科學研究院與大連工業(yè)大學聯(lián)合研制；掃描電鏡，JSM－6460LV，日本電子公司；可見光分光光度計，V－5000，上海元新儀器有限公司；分光測色計，CM－3600d，KONICA MINOLTA SENSING，INC；電子織物強力試驗儀，YG065，萊州市電子儀器廠；電腦式透氣性測試儀，YG461E，寧波紡織儀器廠；電腦控制硬挺度儀，LLY－01B，萊州市電子儀器有限公司；電子天平，PB203－N，上海天平儀器廠；紡織品摩擦色牢度儀，Y571w，無錫紡織機械廠；耐洗色牢度試驗機，SW－8A，無錫紡織機械廠；數(shù)顯恒溫水浴鍋，奧特溫度儀器廠。

1.3 實驗方法

1.3.1 低溫等離子體處理工藝

低溫等離子體改性實驗儀所采用的電極為25cm×25cm長方形325＃篩網(wǎng)電極，板間距可在0～10mm調(diào)節(jié)。兩塊電極均嵌入厚度為6mm的玻璃阻擋介質中。對織物進行表面改性處理時直接將樣品水平放在下端阻擋介質的表面，設定好處理參數(shù)后開始放電，處理一定時間后，停止放電，取出樣品。

1.3.2 染色工藝

染料采用蘇木提取液。浴比1∶50，pH為6，JFC 2g／L，平平加 O 2%(o.m.f.)，40 ℃始染，升溫至90℃，保溫60min，染完后充分水洗，烘干。

1.3.3 纖維素酶前處理工藝

纖維素酶處理亞麻織物合理的工藝條件為：纖維素酶用量2g／L，溫度55℃，時間90min，pH 5.5，浴比1∶25。

1.3.4 掃描電鏡分析

采用JSM－6460LV型掃描電鏡觀察經(jīng)纖維素酶、等離子體處理以及等離子體與纖維素酶協(xié)同處理后的亞麻試樣表面形貌的變化。

1.3.5 上染率

對處理后的亞麻織物進行染色，測定染色前后染液的光密度，根據(jù)公式計算上染率。

式中：K為上染百分率；m、n為染色前后染液稀釋倍數(shù)；A0、A1為染色前后染液m／n倍后的光密度。

1.3.6 色差分析

本研究染色織物的色度指標采用CM－3600d分光測色計進行測定，通過分光測色計測定染色布樣的亮度值L＊；色度a＊(代表偏紅或偏綠值大小，＋a＊：偏紅；－a＊：偏綠)，b＊(代表偏黃或偏藍值大小，＋b＊：偏黃；－b＊：偏藍)；以未經(jīng)染色的本白布樣作為參比試樣，c＊(代表彩度值)，并由分光測色計自動計算出綜合色差ΔE。

1.3.7 拉伸性能測定

采用YG065型電子織物強力試驗儀進行測試，參照標準為GB／T 3923.2—1998。

1.3.8 透氣性測定

采用YG461E型電腦式透氣性測試儀測試織物的透氣性，采用15cm×15cm布樣進行透氣率測試。測試標準為GB／T 5453—1997。

1.3.9 剛柔性測定

采用LLY－01B型電腦控制硬挺度儀測定亞麻織物剛柔性，參照標準為 GB／T 7689.4—2001。

1.3.10 色牢度檢測

染色織物的摩擦、皂洗牢度分別按GB 251—1995、GB 250—1995進行測定。

2 結果與討論

2.1 等離子體處理對亞麻織物染色性能的影響

2.1.1 真空度對亞麻織物染色性能的影響

在低溫等離子體處理工藝為放電功率70W、處理時間120s、極間距離3mm的條件下，改變不同的真空度條件，探討等離子體真空度對亞麻織物上染率和色差值的影響，其結果如圖1所示。從圖1可以看出，上染百分率和色差值首先隨真空度的增加而增大，至0.02MPa后逐漸隨真空度的增加而呈下降的趨勢。當真空度為0.02MPa時，上染百分率和色差值達到最大值。這可能是因為當真空度過低，低溫等離子體活性粒子相互碰撞的機會增多，同時能量損耗相對增多，不利于活性基團和親水基團的生成。然而當真空度過高時，等離子體產(chǎn)生的活性粒子會相對越少，造成纖維表面受到活性粒子轟擊的次數(shù)也相對越少，不利于活性基團的生成，造成亞麻纖維與染料的親和力下降。故等離子體真空度選擇0.02MPa為宜。

圖1 等離子體真空度與上染率和色差值的關系Fig.1 Relation between vacuum degree and dyeuptake percentage and color difference

2.1.2 放電功率對亞麻織物染色性能的影響

在低溫等離子體處理工藝為真空度0.02MPa、處理時間120s、極間距離3mm的條件下，改變不同的放電功率處理條件，探討等離子體功率對亞麻織物上染率和色差值的影響，其結果如圖2所示。

圖2 等離子體放電功率與上染率和色差值的關系曲線Fig.2 Relation between power and dye－uptake percentage and color difference

由圖2可知，等離子體放電功率對亞麻織物上染百分率和色差值會產(chǎn)生一定影響。隨著放電功率的增加，上染率和色差值先增加后減小。這主要是由于隨著放電功率的增加，等離子體能夠引發(fā)的高速粒子數(shù)量增多，能量也越大，對纖維表面的轟擊和刻蝕作用加重，結晶度下降，有利于染料的上染，所以染色后的織物顏色較深，即色差值較大。但是放電功率過高時，產(chǎn)生活性粒子的數(shù)量增多，相對碰撞的幾率增大，能量損耗相對增多，不利于活性基團的生成，導致染料上染亞麻織物較困難。所以，最佳的放電功率為90W。

2.1.3 等離子體處理時間對亞麻織物染色性能的影響

在低溫等離子體處理工藝為真空度0.02MPa、放電功率90W、極間距離3mm的條件下，改變不同的放電時間處理條件，探討等離子體處理時間對亞麻織物上染率和色差值的影響，其結果如圖3所示。從圖3可以看出，在一定范圍內(nèi)，上染率和色差值隨著等離子體處理時間的增加而增大，但當時間增加到3min時，上染率和色差值達到最大值，分別為19.10%和40.76。這是由于亞麻織物經(jīng)一定時間作用后，在其表面產(chǎn)生大量活性自由基，在空氣中發(fā)生氧化反應，導入羥基、過氧基、羧基等一系列親水基團，提高了織物的親水性能，促使染料大分子易于進入纖維內(nèi)部。然而隨著處理時間的增加，上染率和色差值逐漸下降，最終達到平衡。這是因為等離子體處理隨著時間的增加，在反應后期刻蝕速度大于自由基的生成速率，自由基的數(shù)量逐漸減小，亞麻纖維的無定形區(qū)遭到破壞，在一定程度上影響亞麻織物的染色性能。綜上所述，等離子體處理的最佳時間為3min。

綜上所述，低溫等離子體改性實驗最佳處理工藝條件為真空度0.02MPa、功率90W、處理時間3min。

圖3 等離子體處理時間與上染率和色差值的關系曲線Fig.3 Relation between time and dye－uptake percentage and color difference

2.2 等離子體與纖維素酶聯(lián)合處理工藝對亞麻

織物性能的影響

2.2.1 掃描電鏡分析

亞麻織物經(jīng)纖維素酶、纖維素酶與低溫等離子體協(xié)同處理可以引起亞麻織物表面形態(tài)的變化，采用掃描電鏡研究亞麻表面形態(tài)的變化，如圖4所示。從圖4中可以觀察出，經(jīng)纖維素酶處理的亞麻試樣，纖維表面的大部分雜質被去除；而經(jīng)過等離子體和纖維素酶協(xié)同處理的亞麻試樣，其表面的雜質被很好地去除掉，纖維束較清晰，纖維之間的分離度明顯改善，但是，亞麻試樣在協(xié)同處理的過程中也受到了輕微的損傷，數(shù)纖維表面有些單纖維脫離出來，這會使織物的強力受到一些影響。同時可以觀察發(fā)現(xiàn)，亞麻試樣表面還形成一些微小的凹坑，使得纖維表面的粗糙度增加，有利于水分子在亞麻表面吸附，改善亞麻的吸濕滲透性能。

圖4 亞麻表面形態(tài)比較Fig.4 SEM images of linen fabric

2.2.2 織物拉伸性能的變化

亞麻織物拉伸性能的變化見表1。從表1可以看出，經(jīng)等離子體和纖維素酶協(xié)同處理的亞麻織物強力下降的較明顯，這是由于織物表面被等離子體高能粒子撞擊而刻蝕，同時織物表面被引入親水性基團，織物潤濕性提高，利于酶分子進入纖維內(nèi)部，與纖維充分作用，增大了纖維素的無定形區(qū)，導致試樣的強力下降。

表1 織物拉伸性能測試Tab.1 Test results of tensile properties

2.2.3 織物透氣性、硬挺度的變化

織物透氣性和硬挺度的測試結果見表2。由表2可知，等離子體與纖維素酶協(xié)同處理的亞麻織物透氣性較好，而抗彎剛度和彎曲長度變小，說明協(xié)同處理后的亞麻試樣柔軟性變好。這是因為織物表面被等離子體高能粒子撞擊而刻蝕，引入部分自由基和含氧基團，酶分子更容易進入到纖維內(nèi)部與纖維發(fā)生作用，同時經(jīng)等離子體作用，可降低亞麻織物表面的結晶度。而纖維素酶處理可使纖維表面部分剝蝕，等離子體產(chǎn)生的活性粒子更容易進入纖維內(nèi)部，協(xié)同作用效果顯著。

表2 織物透氣性和硬挺度測試Tab.2 Test results of permeability and stiffness

2.2.4 上染率和色差分析

由表3可見，經(jīng)過低溫等離子體和纖維素酶聯(lián)合處理后的亞麻織物的染色性能優(yōu)于其他處理條件下的亞麻織物。大分子的纖維素酶不易滲入到纖維內(nèi)部，只能攻擊存在于結晶表面的、可接近的鏈端。而等離子體可使纖維表面產(chǎn)生許多裂紋，能夠提高結晶區(qū)的可接近性。用等離子體作為前處理可提高纖維素酶處理的效果，并進一步改進纖維的特性。而纖維素酶處理可使纖維表面部分剝蝕，等離子體產(chǎn)生的高能粒子更容易進入纖維內(nèi)部和接觸更大的纖維面積，容易使酶與亞麻作用。同時經(jīng)等離子體處理后的亞麻織物受到高能活性粒子的作用，增大了染料與纖維之間的作用力，有利于染料上染亞麻織物。

表3 上染百分率和染色色差值的對比Tab.3 Comparison of dye－uptake percentage and color difference

2.2.5 色牢度分析

由表4所示，經(jīng)過低溫等離子體和纖維素酶協(xié)同處理的亞麻織物的摩擦牢度和耐皂洗牢度均優(yōu)于其他處理條件下的亞麻織物，協(xié)同作用效果較明顯，易于染料更好地吸附在織物表面。

表4 染色牢度對比Tab.4 Comparison of linen fabrics′fastness

3 結 論

低溫等離子體對亞麻織物天然蘇木染料染色性能有一定的影響，最佳的等離子體處理工藝為真空度0.02MPa、功率90W、處理時間3min。等離子體與纖維素酶協(xié)同處理對亞麻織物蘇木染料的染色性能優(yōu)于單獨使用等離子體或酶處理工藝，并且其摩擦牢度和耐皂洗牢度均比未處理和單獨使用等離子體和酶處理工藝的亞麻織物高1級左右。等離子體與纖維素酶協(xié)同處理后的亞麻織物的拉伸性能指標有所下降，但是透氣性和柔軟性優(yōu)于未處理的亞麻織物以及單獨使用等離子體或纖維素酶處理工藝的亞麻織物。

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