不同處理對黃麻纖維木質(zhì)素去除及織物性能的影響

董愛學(xué)，錢柿汝，范雪榮

(江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214122)

我國黃麻資源豐富，其產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的20%［1］。黃麻纖維具有吸濕散熱性好、抗菌、抗紫外等優(yōu)點(diǎn)，且易于生物降解，是一種生態(tài)環(huán)保型材料。黃麻面料因其抗菌性能、挺括和自然的特色深受國內(nèi)外市場和消費(fèi)者的青睞。從長遠(yuǎn)來看，黃麻紡織業(yè)將是極具發(fā)展?jié)摿Φ纳鷳B(tài)紡織產(chǎn)業(yè)［2］。但由于黃麻纖維中非纖維素雜質(zhì)的含量較高，纖維粗硬，彈性低，可紡性差，使得其產(chǎn)品的應(yīng)用受到了很大限制，目前僅多用于低檔紡織品，如麻袋等。為擴(kuò)大黃麻應(yīng)用領(lǐng)域，提高產(chǎn)品附加值，必須對其進(jìn)行精煉除雜處理。

目前麻纖維的精煉國內(nèi)較多采用的是以堿煮為主的化學(xué)工藝，此方法雖然時(shí)間短、速度快，但同時(shí)存在成本高、污染嚴(yán)重、纖維損傷等問題。近些年來，生物法及生化聯(lián)合法精煉備受關(guān)注，國內(nèi)外許多科技工作者也已進(jìn)行了多方面的探索［3－6］。黃麻纖維是麻纖維中木質(zhì)素含量最高的，木質(zhì)素的存在是影響黃麻纖維性能的主要因素之一，同時(shí)也是較難被去除的一類非纖維素雜質(zhì)［7］。本文研究了漆酶及與木聚糖酶、草酸銨聯(lián)合處理對黃麻纖維中木質(zhì)素的去除作用及其對黃麻機(jī)織布褶皺、力學(xué)性能的影響，以期為黃麻纖維的酶法精煉提供參考。

1 材料與儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

100%黃麻機(jī)織布 (經(jīng)漚麻后成紗織造，7S/4×7S/4，常熟市奧村龍?zhí)┛椩煊邢薰?;漆酶Denilite IIS(工業(yè)品，Novozymes公司);木聚糖酶 (湖南尤特爾公司);草酸銨、濃硫酸、氫氧化鈉、苯、乙醇等均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

Nicolet is10傅里葉變換紅外光譜儀 (賽默飛世爾科技有限公司，中國);YG(B)541D型全自動(dòng)數(shù)字式織物褶皺彈性儀 (溫州方圓儀器有限公司);YG(B)026D－250型電子織物強(qiáng)力機(jī) (溫州大學(xué)紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 黃麻機(jī)織布化學(xué)成分含量測定

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5889－86《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》對黃麻機(jī)織布各化學(xué)成分進(jìn)行定量分析測試。

2.2 黃麻機(jī)織布處理工藝

①漆酶單獨(dú)處理:反應(yīng)體系為0.1 M磷酸鹽緩沖液 (pH 5)，浴比20∶1，漆酶5 g/L，50℃下恒溫震蕩反應(yīng)并維持浴比，8 h后取出布樣，水洗晾干。

②木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理:先進(jìn)行木聚糖酶處理，反應(yīng)體系為0.1 M醋酸緩沖液 (pH 5)，浴比20∶1，木聚糖酶5 g/L，50℃下恒溫震蕩反應(yīng)8 h并維持浴比，然后經(jīng)①步驟漆酶處理。

③草酸銨、木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理:先進(jìn)行草酸銨處理，浴比20∶1，草酸銨5 g/L，沸煮2 h，而后再經(jīng)②步驟木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理。

2.3 木質(zhì)素去除率測定

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5889－86《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》對不同處理后黃麻機(jī)織布中的木質(zhì)素含量進(jìn)行測試，木質(zhì)素去除率為處理織物樣與對照織物樣木質(zhì)素含量之比。

2.4 紅外光譜 (FT－IR)測試

對處理前后黃麻機(jī)織布進(jìn)行衰減全反射 (ATR)紅外光譜掃描。掃描范圍4000 cm－1－650 cm－1，掃描次數(shù)32次，分辨率4 cm－1。

2.5 織物褶皺性能測試

對處理前后黃麻機(jī)織布褶皺性能進(jìn)行測試，具體方法參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3819－1997《紡織品織物折痕回復(fù)性的測定回復(fù)角法》。

2.6 織物力學(xué)性能測試

對處理前后黃麻機(jī)織布力學(xué)性能進(jìn)行測試，具體方法參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3923.1－1997《紡織品織物拉伸性能第1部分:斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率條樣法》。

3 結(jié)果與討論

3.1 純黃麻機(jī)織布纖維化學(xué)成分分析

純黃麻機(jī)織布纖維主要化學(xué)成分含量測定結(jié)果如表1所示。

表1 黃麻纖維機(jī)織布主要化學(xué)成分含量Tab．1 Contents of main chemical components of jute fiber fabric

由表1可知，黃麻纖維機(jī)織布中的非纖維素雜質(zhì)主要有脂蠟質(zhì)、水溶性物質(zhì)、果膠、半纖維素、木質(zhì)素等?？椢镏袣埩艄z的含量并不高，影響纖維性能的非纖維素雜質(zhì)主要是半纖維素和木質(zhì)素，各占15%左右。為改善黃麻纖維性能，擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域，這些雜質(zhì)的去除很有必要。生物精煉的主要原理就是利用酶作用的專一性，使酶只與纖維中某一化學(xué)組分作用，并使其從混合物中脫離，而保留纖維中有用的組分［3］。

3.2 木質(zhì)素去除效果分析

參考GB 5889－86，以72%濃硫酸水解法對不同處理后黃麻機(jī)織布中的木質(zhì)素進(jìn)行定量測定，并計(jì)算其木質(zhì)素去除率，結(jié)果見表2。

表2 不同處理后黃麻機(jī)織布的木質(zhì)素去除率Tab.2 Rates of delignification of jute fabric by different treatments

漆酶能夠降解木質(zhì)素而生成木質(zhì)素的低聚物，黃麻機(jī)織布經(jīng)漆酶處理后，部分木質(zhì)素可被降解而去除。木聚糖酶能夠水解黃麻纖維中的半纖維素，草酸銨能夠去除殘留的果膠，與半纖維素和果膠結(jié)合的木質(zhì)素也隨之從纖維上脫落下來，從而起到去木質(zhì)素作用，同時(shí)使更多的木質(zhì)素暴露在纖維表面，有利于漆酶的催化降解。

由表2可知，漆酶單獨(dú)處理時(shí)木質(zhì)素的去除程度并不高，僅有8%。聯(lián)合處理可提高木質(zhì)素的去除效率，其中木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理可去除約20%木質(zhì)素，草酸銨、木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理木質(zhì)素去除率可達(dá)30%。但總體來講，兩種生物酶對黃麻機(jī)織布上木質(zhì)素的去除作用并不顯著，這可能是由于生物酶只能作用到纖維的表面，即胞間層及初生層，對次生層無效的緣故。黃麻纖維中分布在次生層的木質(zhì)素約為70%，胞間層的木質(zhì)素僅占30%左右，生物酶僅能對胞間層的30%木質(zhì)素起作用。Sen Gupta和Callow報(bào)道了黃麻漚麻亦只能去除初生胞壁中的木質(zhì)素，并指出次生細(xì)胞壁的木質(zhì)素即使是在強(qiáng)有機(jī)酸的作用下也不會(huì)膨脹［8］。

因此，若要更大程度地去除木質(zhì)素，仍需與作用強(qiáng)烈的物理法 (蒸汽爆破，等離子體處理等)或化學(xué)法 (強(qiáng)堿、氧化劑處理等)聯(lián)合處理。與纖維素酶進(jìn)行聯(lián)合處理也是一種可行的方法，纖維素酶能夠水解黃麻中的纖維素，使木質(zhì)素更多地暴露出來，這些裸露的木質(zhì)素便可被漆酶催化降解進(jìn)而去除［9］，但應(yīng)同時(shí)控制纖維素酶的用量和作用時(shí)間，以防止纖維素過度水解，造成纖維強(qiáng)力嚴(yán)重?fù)p失。

3.3 黃麻機(jī)織布紅外分析

對草酸銨、木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理和未經(jīng)處理的黃麻機(jī)織布進(jìn)行衰減全反射紅外光譜掃描，譜圖如圖1所示。參考相關(guān)文獻(xiàn)［10］，確定了黃麻機(jī)織布紅外光譜特征峰及歸屬，見表3。

圖1 黃麻機(jī)織布對照樣 (a)和處理樣 (b)的衰減全反射紅外光譜圖Fig.1 ATR－FTIR spectra of the control(a)and the treated fabric(b)

1731 cm－1和1646 cm－1處為黃麻纖維中木質(zhì)素羰基伸縮振動(dòng)吸收峰，1594 cm－1和1506 cm－1處為木質(zhì)素芳香族骨架振動(dòng)，由圖1可以看到處理后黃麻機(jī)織布吸收峰的強(qiáng)度均有所降低，表明經(jīng)處理后黃麻機(jī)織布中木質(zhì)素含量降低，這和前面木質(zhì)素去除率的數(shù)據(jù)及分析結(jié)果一致。

表3 黃麻機(jī)織布的紅外光譜特征吸收峰及歸屬Tab.3 Absorption peak assignment in FTIR spectra of jute fabric

纖維素和半纖維素中的單糖單元含有醚鍵，位于1242 cm－1－1031 cm－1處的C－O伸縮振動(dòng)吸收峰為黃麻纖維中纖維素和半纖維素的特征吸收峰。由圖1可以看到黃麻機(jī)織布經(jīng)處理后此吸收峰的強(qiáng)度亦有微量降低，說明在處理過程中有部分半纖維素同時(shí)被除去，這是由于木聚糖酶對黃麻纖維中的半纖維素水解造成的。

3.4 黃麻機(jī)織布性能分析

對不同處理后黃麻機(jī)織布的褶皺性進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同處理工藝后黃麻機(jī)織布的折皺回復(fù)角Fig.2 Fold resilience of jute fabric via different treatments

由圖2可知，未經(jīng)處理的黃麻機(jī)織布褶皺性較差，經(jīng)不同處理后其折皺回復(fù)角均有不同程度的提高，其中以草酸銨、木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理效果最好。

對不同處理后黃麻機(jī)織布的力學(xué)性能進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 不同處理工藝后黃麻機(jī)織布的斷裂強(qiáng)力Fig.3 Breaking strength of jute fabric via different treatments

圖4 不同處理工藝后黃麻機(jī)織布的斷裂伸長率Fig.4 Breaking elongation of jute fabric via different treatments

由圖3和圖4可知，未經(jīng)處理的黃麻機(jī)織布斷裂強(qiáng)力高，纖維模量大，且斷裂伸長率低，彈性差。經(jīng)漆酶單獨(dú)處理后，織物斷裂強(qiáng)力有微量增加，斷裂伸長率顯著提高，在未降低纖維強(qiáng)力的情況下改善了其柔韌性。這可能是由于漆酶對木質(zhì)素的降解聚合兩方面作用引起的，纖維上未被漆酶去除掉的木質(zhì)素其聚合度得到進(jìn)一步提高，從而使纖維強(qiáng)力、彈性同時(shí)提升。木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理和草酸銨、木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理因?qū)δ举|(zhì)素和半纖維素等雜質(zhì)去除較多，導(dǎo)致纖維強(qiáng)力下降，草酸銨、木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理的黃麻機(jī)織布斷裂強(qiáng)力已不足原麻一半。兩種聯(lián)合處理的黃麻機(jī)織布在強(qiáng)力下降的同時(shí)，斷裂伸長有所增加，但不及漆酶單獨(dú)處理的效果。

4 結(jié)論

漆酶單一處理僅能去除少量的木質(zhì)素，聯(lián)合處理可提高木質(zhì)素的去除效率，以草酸銨、木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理效果最好，去除率可達(dá)30%。

在ATR紅外譜圖中，草酸銨、木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理后的黃麻機(jī)織布較未處理織物在1594 cm－1、1506 cm－1和1424 cm－1處的木質(zhì)素芳香族特征吸收峰，1731 cm－1和 1646 cm－1處的木質(zhì)素羰基特征吸收峰以及1242 cm－1－1031 cm－1處的半纖維素醚鍵特征吸收峰均有減弱，說明經(jīng)草酸銨、木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理后黃麻織物纖維表面木質(zhì)素和半纖維素含量降低。

經(jīng)處理后黃麻機(jī)織布折皺回復(fù)角提高，其中草酸銨、木聚糖酶、漆酶聯(lián)合處理褶皺回復(fù)性最佳。漆酶單獨(dú)處理后黃麻機(jī)織布斷裂強(qiáng)力和斷裂延伸率均提高，聯(lián)合處理后斷裂強(qiáng)力降低，斷裂延伸率提高。

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