數(shù)碼印花用棉織物的淀粉酶退漿工藝優(yōu)化

劉 帆，譚艷君，霍 倩，王繼業(yè)，鐘露華，李勇強(qiáng)

(1.西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西安工程大學(xué) 科技成果轉(zhuǎn)化中心，陜西 西安 710048)

0 引 言

織物在織造前需進(jìn)行上漿以減少斷經(jīng)、提高織造效率。但在后續(xù)染整加工過(guò)程中需進(jìn)行退漿處理[1]。傳統(tǒng)退漿方法——堿退漿的熱堿液可去除如淀粉、PVA及PA等大多數(shù)漿料，但易損傷纖維，且退漿廢水堿性較強(qiáng)、COD值較高[2]，不具生態(tài)友好性[3]。而淀粉酶可高效、專一地降解淀粉漿料，且對(duì)環(huán)境無(wú)危害[4-6]。

數(shù)碼印花是一種新型印花形式，較傳統(tǒng)印花工藝具有工序簡(jiǎn)單、生產(chǎn)靈活、色彩種類多、品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注[7-8]，但任何外加因素(如墨水、噴頭、印花過(guò)程中環(huán)境的微小變化)都會(huì)影響數(shù)碼印花混色后顏色的準(zhǔn)確性[9]，且織物前處理質(zhì)量對(duì)數(shù)碼印花印制圖案的逼真度、層次感等也有重要影響。因此，數(shù)碼印花較傳統(tǒng)染色加工對(duì)織物前處理要求更加嚴(yán)格，印花前應(yīng)注意煮練是否均勻、白度是否一致等[10]。

酶和堿退漿效果的對(duì)比以退漿率和失重率為主要表征[11-15]。失重率可反映退漿率，間接表征織物上漿料的去除情況。但以失重率代替退漿率并不嚴(yán)謹(jǐn)，淀粉酶退漿去除淀粉漿料，而堿退漿除可去除淀粉漿料，也可以在一定程度上去除其他漿料及部分雜質(zhì)，即對(duì)于退漿工藝，失重率并不能完全區(qū)分出淀粉酶與堿退漿的區(qū)別。

本文將前處理分為退漿和精練-漂白一浴2個(gè)階段，分段研究織物失重率的變化。使用α-淀粉酶對(duì)棉織物進(jìn)行浸漬退漿處理，分析酶處理時(shí)各因素對(duì)退漿失重率的影響；再對(duì)退漿織物進(jìn)行精練-漂白一浴處理，計(jì)算退漿后織物的精練-漂白一浴失重率。測(cè)試前處理所得織物的失重率、白度、毛效、斷裂強(qiáng)力、COD值等，并將處理所得織物用于數(shù)碼印花，測(cè)試印制效果。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料、試劑與儀器

1.1.1 原料與試劑 純棉細(xì)平布(市售，紗線線密度19.5 tex,織物密度236根/10 cm)；α-淀粉酶SD(市售)；氯化鈣(東營(yíng)集美化工有限公司)；滲透劑JFC(上海德茂化工有限公司)；冰乙酸、氫氧化鈉(天津市凱通化學(xué)試劑有限公司)；雙氧水、尿素、防染鹽S、六偏磷酸鈉(天津市百世化工有限公司)；鄰苯二酸氫鉀、重鉻酸鉀、濃硫酸、硫酸銀、硅酸鈉(天津市津北精細(xì)化工有限公司)；精練滲透劑DQ-1253(廣東德美精細(xì)化工股份有限公司)；碳酸氫鈉(天津市天力化學(xué)試劑有限公司)。

1.1.2 儀器 BP221S電光學(xué)天平(德國(guó)賽多利斯公司)，全能試色機(jī)(廈門瑞比精密機(jī)械有限公司)，W1602-HW低浴比上漿機(jī)(亞美紡織機(jī)電有限公司)，HJ-S1800型導(dǎo)帶式數(shù)碼印花機(jī)(鴻盛數(shù)碼科技股份有限公司)，數(shù)碼印花蒸化機(jī)(亞美紡織機(jī)電有限公司)，WSB-3A智能式數(shù)字白度計(jì)(寧波紡織儀器廠)，YG871毛細(xì)管效應(yīng)測(cè)定儀(泉州市美邦儀器有限公司)，YG028織物強(qiáng)力機(jī)(寧波紡織儀器廠)，Data Colour SF300型電腦測(cè)色儀(思維士科技公司)，Y571B型摩擦色牢度儀(寧波紡織儀器廠)，NDJ-1B旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(上海昌吉儀器公司)，COD-571型雷磁化學(xué)需氧量(COD)測(cè)定儀(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)。

1.2 退漿工藝

1.2.1 酶退漿 坯布→浸漬熱水(60 ℃，5 min)→擠干→浸漬酶液(60～90 ℃，30 min)→熱水洗(80 ℃， 5 min)→溫水洗(40 ℃，5 min)→冷水洗。

1.2.2 堿退漿[16]坯布→浸漬熱水(60 ℃，5 min)→擠干→浸漬堿液(100 ℃，30 min)→熱水洗(80 ℃，5 min)→溫水洗(40 ℃，5 min)→冷水洗。

1.3 精練-漂白一浴工藝

將經(jīng)酶、堿退漿后的織物浸軋?zhí)幚硪?氫氧化鈉12 g/L，雙氧水8 g/L，硅酸鈉6 g/L，DQ-1253精練滲透劑5 g/L)后，于100 ℃汽蒸30 min，取出經(jīng)過(guò)熱水洗、溫水洗及冷水洗。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 失重率 織物失重率可直觀反映退漿后織物的退漿率?？椢锿藵{前及退漿后需置于恒溫恒濕箱內(nèi)烘干24 h，并稱量退漿前后質(zhì)量，計(jì)算織物退漿失重率

Ri=(W0-Wt)/W0×100%

式中：W0、Wt分別為退漿前、后織物質(zhì)量。同理可計(jì)算織物精練-漂白失重率。

1.4.2 白度 使用WSB-3A型自動(dòng)白度計(jì)測(cè)定織物的亨特白度(Wh)，同一織物的不同部位測(cè)試5次，取平均值。

1.4.3 毛細(xì)效應(yīng) 在溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度65%±3%的標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下對(duì)試樣進(jìn)行調(diào)濕。參照FZ/T 01071—2008《紡織品毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》，使用毛細(xì)管效應(yīng)儀，測(cè)定織物試樣30 min時(shí)液體芯吸高度的最大值。

1.4.4 斷裂強(qiáng)力 在溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度65%±3%的標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下對(duì)試樣進(jìn)行調(diào)濕。參照GB/T 3923.1—2013《紡織品織物拉伸性能第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》測(cè)定織物斷裂強(qiáng)力。試樣尺寸為60 mm×250 mm(沿經(jīng)向裁剪)，拆去長(zhǎng)邊紗線，使有效寬度為50 mm。

1.4.5 織物得色量 用Data Colour SF300型電腦測(cè)色儀，D65光源，10°觀察視角，測(cè)定數(shù)碼印花織物的表觀顏色深度(K/S、L、C值)。

1.4.6 色牢度 參照GB/T 29865—2013《紡織品色牢度試驗(yàn)?zāi)湍Σ辽味?小面積法》測(cè)試織物耐摩擦色牢度。

1.4.7 化學(xué)需氧量 參照GB/T 29599—2013《紡織染整助劑 化學(xué)需氧量(COD)的測(cè)定》測(cè)試退漿廢液COD值。

2 結(jié)果與討論

2.1 浸漬溫度對(duì)失重率的影響

當(dāng)α-淀粉酶質(zhì)量濃度為2 g/L，pH為7，氯化鈣質(zhì)量濃度為5 g/L，滲透劑質(zhì)量濃度為2 g/L時(shí)，在不同浸漬溫度下對(duì)坯布進(jìn)行浸漬退漿處理及精練-漂白一浴處理。測(cè)定織物在2個(gè)階段下的失重率，結(jié)果如圖1所示。

圖 1 失重率隨浸漬溫度的變化Fig.1 Variation of weight loss rate with impregnation temperature

從圖1可看出，隨著浸漬溫度的升高，退漿失重率呈現(xiàn)先上升后減小的趨勢(shì)。由于溫度較低時(shí)，漿料未完全溶脹，仍與織物牢固結(jié)合，當(dāng)溫度逐漸升高，酶的活性逐漸提高，反應(yīng)速度加快，淀粉漿料在高溫下發(fā)生充分溶脹，在機(jī)械力的作用下，經(jīng)過(guò)酶水解的漿料很容易從織物上剝離、脫落。但100 ℃已超出α-淀粉酶的最適溫度，酶活性受到一定影響，導(dǎo)致退漿失重率下降。α-淀粉酶可迅速將淀粉分解成短鏈糊精和低聚糖，對(duì)淀粉漿料的分解具有顯著作用[17-18]。織物通過(guò)精練-漂白處理后，去除了殘留漿料及一些天然雜質(zhì)，質(zhì)量再次發(fā)生變化。

經(jīng)過(guò)退漿和精練-漂白一浴2個(gè)階段后，織物上的漿料及雜質(zhì)基本完全去除。從圖1可知，在退漿階段，失重率小的織物在精練-漂白一浴階段失重率變大，反之在退漿階段失重率大的織物在精練-漂白一浴階段失重率變小，4組實(shí)驗(yàn)的2個(gè)階段總失重率基本持平?？梢耘袛啻伺鞑忌系臐{料為復(fù)合漿料[19]，不僅含有淀粉，而且還含有其他化學(xué)漿料，其他化學(xué)漿料在精練-漂白一浴工序中被去除。因此90 ℃為該淀粉酶的最適處理溫度。

2.2 酶質(zhì)量濃度對(duì)失重率的影響

當(dāng)浸漬溫度為90 ℃，pH為7，氯化鈣質(zhì)量濃度為5 g/L，滲透劑質(zhì)量濃度為2 g/L時(shí)，在不同酶質(zhì)量濃度條件下對(duì)坯布進(jìn)行浸漬退漿處理及精練-漂白一浴處理。測(cè)定織物在2個(gè)階段下的失重率，結(jié)果如圖2所示。

圖 2 失重率隨酶質(zhì)量濃度的變化Fig.2 Variation of weight loss rate withenzyme concentration

由圖2可知，對(duì)照組在無(wú)退漿劑時(shí)，仍有一定的退漿作用，這是因?yàn)楦邷卮偈節(jié){料發(fā)生一定的溶脹，但這種溶脹作用不會(huì)太明顯，因?yàn)榈矸刍蚱渌麧{料不會(huì)發(fā)生水解，使得退漿效果較實(shí)驗(yàn)組差。在精練-漂白一浴處理時(shí)，通過(guò)堿、氧化劑等的作用，漿料被去除掉一部分，但由于退漿過(guò)程未使用退漿劑，在精練-漂白一浴階段也無(wú)法完全去除漿料。

在有足夠底物且不受其他因素影響時(shí)，酶促反應(yīng)的速率隨著酶的質(zhì)量濃度增大而增大，表現(xiàn)為退漿失重率隨酶質(zhì)量濃度增大而增大；但當(dāng)酶質(zhì)量濃度超過(guò)一定量時(shí)，隨著酶質(zhì)量濃度的增大，退漿率不會(huì)再大幅提升。這主要是因?yàn)楫?dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度，酶活性不僅受到質(zhì)量濃度的影響，此時(shí)激活劑、滲透劑、pH值及處理時(shí)間等均會(huì)對(duì)酶退漿效果產(chǎn)生一定影響。因此，該淀粉酶最適質(zhì)量濃度為3 g/L。

2.3 處理液pH對(duì)失重率的影響

當(dāng)浸漬溫度為90 ℃，酶質(zhì)量濃度為3 g/L ，氯化鈣質(zhì)量濃度為5 g/L，滲透劑質(zhì)量濃度為2 g/L時(shí)，在處理液pH不同的條件下對(duì)坯布進(jìn)行浸漬退漿處理及精練-漂白一浴處理。測(cè)定織物在2個(gè)階段下的失重率，結(jié)果如圖3所示。

圖 3 失重率隨處理液pH的變化Fig.3 Variation of weight loss rate with the pH of treatment solution

酶分子結(jié)構(gòu)通常都具備電解質(zhì)所擁有的某些特性，溶液酸堿度的變化直接影響到酶的解離狀況及其所帶的電荷，尤其是可影響到酶空間結(jié)構(gòu)上活性部位的電離情況。在pH值為6時(shí)，處理液同時(shí)帶正電和負(fù)電，有利于酶與底物充分結(jié)合；當(dāng)酸性過(guò)強(qiáng)或堿性過(guò)強(qiáng)，電荷狀態(tài)發(fā)生改變，從而影響酶的活性。因此淀粉酶的最適pH為6。

2.4 鈣離子濃度對(duì)失重率的影響

當(dāng)浸漬溫度為90 ℃，酶質(zhì)量濃度為3 g/L，處理液pH值為6，滲透劑質(zhì)量濃度為2 g/L時(shí)，在氯化鈣質(zhì)量濃度不同的條件下對(duì)坯布進(jìn)行浸漬退漿處理及精練-漂白一浴處理。測(cè)定織物在2個(gè)階段下的失重率，結(jié)果如圖4所示。

圖 4 失重率隨鈣離子質(zhì)量濃度的變化Fig.4 Variation of weight loss rate withcalcium ion concentration

Ca2+能使酶蛋白的構(gòu)象保持穩(wěn)定，從而維持α-淀粉酶的活性和穩(wěn)定性[20]，使酶在高溫時(shí)仍保持著高活性；而且氯化鈣在酶作用時(shí)起“搭橋”作用，它首先與酶結(jié)合, 再與底物結(jié)合成酶-金屬-底物的復(fù)合物, 以發(fā)揮酶對(duì)底物的催化作用[21]。從圖4可以看出，鈣離子質(zhì)量濃度對(duì)酶促反應(yīng)的效率有很大的提升作用，但鈣離子濃度過(guò)高反而會(huì)抑制酶活性，因此氯化鈣的添加必須適量。本實(shí)驗(yàn)中，最佳鈣離子質(zhì)量濃度為5 g/L。

2.5 滲透劑濃度對(duì)失重率的影響

當(dāng)浸漬溫度為90 ℃，酶質(zhì)量濃度為3 g/L ，處理液pH值為6，氯化鈣質(zhì)量濃度為5 g/L時(shí)，在滲透劑質(zhì)量濃度不同的條件下對(duì)坯布進(jìn)行浸漬退漿處理及精練-漂白一浴處理。測(cè)定織物在2個(gè)階段下的失重率，結(jié)果如圖5所示。

圖 5 失重率隨滲透劑質(zhì)量濃度的變化Fig.4 Variation of weight loss rate with penetrant concentration

棉織物上存在天然伴生的油脂、蠟質(zhì)等雜質(zhì)，使得織物難以被潤(rùn)濕、滲透，因此，通過(guò)表面助劑分子中的親水基團(tuán)與固液相作用，降低織物與溶液間的表面張力，使試劑容易向纖維內(nèi)部滲透，使酶更加有效地催化分解漿料[22]。由圖5可知，適當(dāng)?shù)臐B透劑JFC可以提高酶的活性，但當(dāng)滲透劑質(zhì)量濃度高于一定值后，對(duì)酶促反應(yīng)起到抑制作用，使酶對(duì)織物上的漿料不能完全分解，導(dǎo)致退漿失重率下降。因此確定該滲透劑的最佳質(zhì)量濃度為2 g/L。

由本實(shí)驗(yàn)確定了此α-淀粉酶退漿的最佳工藝為浸漬溫度90 ℃，酶質(zhì)量濃度3 g/L，處理液pH值6，氯化鈣質(zhì)量濃度5 g/L，滲透劑質(zhì)量濃度2 g/L。

2.6 酶退漿與堿退漿工藝對(duì)比

以傳統(tǒng)堿退漿工藝對(duì)坯布進(jìn)行退漿處理。酶退漿及堿退漿后織物進(jìn)行精練-漂白一浴處理。織物在2個(gè)階段的失重率及白度、毛效、斷裂強(qiáng)力、廢液COD結(jié)果見(jiàn)表1，酶退漿織物的失重率數(shù)據(jù)來(lái)自2.5。

表 1 酶處理與堿處理棉織物性能對(duì)比Tab.1 Comparison of properties of cotton fabrics treated with enzyme and alkali

由表1可知，酶處理和堿處理的織物的白度、毛效較坯布均有較大改善。淀粉酶的退漿工藝使坯布上的淀粉漿料得到明顯去除，但剩余漿料及其他雜質(zhì)仍需在后續(xù)的精練-漂白工序中去除。而傳統(tǒng)堿退漿工藝可以去除淀粉、PVA等大多數(shù)漿料，而且在退漿過(guò)程中其對(duì)坯布上的雜質(zhì)也有一定的分解和去除作用，可以減輕后續(xù)精練的負(fù)擔(dān)，因此酶退漿失重率比堿退漿失重率小。但坯布上的漿料、油劑及其他雜質(zhì)的量是一定的，因此正如2.1所述，退漿階段失重率大，則精練-漂白失重率就??；反之亦然。

酶處理織物的斷裂強(qiáng)力略微有所下降但并不明顯，因?yàn)榈矸勖阜纸饬说矸蹪{料，紗線表面的漿膜受到破壞，紗線之間的緊密度和光滑度降低，使斷裂強(qiáng)力有所下降，試樣后續(xù)經(jīng)過(guò)精練-漂白工序也使斷裂強(qiáng)力下降，但由于酶只分解淀粉而并不與纖維反應(yīng)，因此強(qiáng)力并不會(huì)顯著降低。堿退漿對(duì)織物的強(qiáng)力損傷較大。酶退漿廢液的COD值較傳統(tǒng)堿退漿顯著降低，即廢液中有機(jī)污染物的含量更少，因此在后續(xù)廢水處理環(huán)節(jié)可以減少污染物的排放、節(jié)省更多的成本。

因此酶處理織物經(jīng)精練-漂白一浴處理后，各項(xiàng)指標(biāo)基本可以達(dá)到堿處理的效果，但酶處理在減少織物損傷、降低廢水COD值等方面比堿處理更具有推廣的價(jià)值。

2.7 數(shù)碼印花效果

分別將堿處理及酶處理的織物試樣用于數(shù)碼印花，如圖6所示。由圖6可以看出，印制三色楔形圖案時(shí)，沿織物經(jīng)向、緯向及圖形斜邊印制，均可達(dá)到較好的精度和輪廓清晰度，花型邊緣無(wú)滲化，酶處理織物可以達(dá)到同堿處理織物相同的花型印制要求。2種前處理方式的印制效果對(duì)比見(jiàn)表2。

(a) 酶處理

(b) 堿處理圖 6 數(shù)碼印花織物Fig.6 Digitally printed fabrics

表 2 數(shù)碼印花印制效果對(duì)比

由表2可以看出，經(jīng)過(guò)前處理工序后的數(shù)碼印花織物，酶處理織物的耐摩擦色牢度優(yōu)于堿處理織物；織物表觀顏色深度K/S值略小于堿處理織物但不明顯，這是因?yàn)閴A處理織物比酶處理織物更徹底(由表1失重率可知)，對(duì)織物的損傷更嚴(yán)重(由表1斷裂強(qiáng)力可知)，織物表面相對(duì)粗糙，而且堿對(duì)油脂、果膠等物質(zhì)的去除使得堿處理織物具有更好的潤(rùn)濕性，這2方面原因使織物在數(shù)碼印花時(shí)具有更好的上染率，但酶處理織物的數(shù)碼印花圖形色彩的明度L和飽和度C均優(yōu)于堿處理織物，因?yàn)槊柑幚砜椢锵鄬?duì)于堿處理織物表面更光滑，更有利于圖形色彩的還原。說(shuō)明酶處理織物在一定程度上可以達(dá)到較好的退漿效果，應(yīng)用于數(shù)碼印花時(shí)具有較好的印制效果，顏色飽和、純粹，色光純正，顏色鮮艷。

3 結(jié) 論

1) α-淀粉酶具有專一性，只分解淀粉漿料，對(duì)坯布上復(fù)合漿料中的其他化學(xué)漿料無(wú)退漿作用，其他殘留漿料可通過(guò)后續(xù)精練-漂白工序除去。

2) α-淀粉酶具有較好的退漿效果，且對(duì)織物強(qiáng)力無(wú)較大損傷，棉織物最優(yōu)退漿工藝為：α-淀粉酶質(zhì)量濃度3 g/L，氯化鈣質(zhì)量濃度5 g/L，滲透劑JFC質(zhì)量濃度 2 g/L，處理液pH為6，溫度90 ℃，保溫時(shí)間30 min，浴比40∶1。

3) 酶退漿棉織物應(yīng)用于數(shù)碼印花時(shí)具有良好的印制效果，對(duì)K/S值影響不明顯，顏色鮮艷，色光純正，印花輪廓清晰；耐摩擦色牢度較好，可達(dá)4級(jí)以上，且對(duì)棉織物強(qiáng)力無(wú)太大損傷。