黃 潔, 倪冬棟, 倪學林, 陳文興, 傅雅琴
(1.浙江理工大學 材料科學與工程學院,杭州 310018; 2.浙江蠶緣家紡股份有限公司,浙江 嘉興 314500)
蠶絲是一種具有代表性的天然纖維,擁有質(zhì)輕和良好的光澤、強度、彈性、可染性和吸濕性等優(yōu)點,其制品具備良好的保暖性、透氣性等服用性能[1-2],因而廣受贊譽。絲綿是由蛹襯、下繭及次繭等加工而成的,可用作綿絮、被用填充物材料等,是蠶絲產(chǎn)品重要的組成部分。根據(jù)2019年《中國絲綢年鑒》統(tǒng)計,中國絲綿產(chǎn)量在蠶絲產(chǎn)品中占比已經(jīng)超過30%,是中國傳統(tǒng)絲綢產(chǎn)品最重要的品類之一。以天然蠶絲纖維為原料加工而成的絲綿被,對于人體皮膚及心血管有保健功效;且蠶絲纖維的熱傳導率極小,相同規(guī)格下蠶絲被的保暖性比綿花被和化纖被高出3倍,透氣性效果是羽絨被的2倍,使用保暖舒適,深受消費者的喜愛。
絲綿按生產(chǎn)方式可以分為手工絲綿和機制絲綿[3]。由于機制絲綿的生產(chǎn)效率高,因此,現(xiàn)階段市場上銷售的絲綿絕大部分為機制絲綿。機制絲綿的生產(chǎn)一般需要經(jīng)過制綿、脫膠和后處理等工序[4-5]。主要制綿流程為將下繭、蛹襯或次繭和統(tǒng)號繭等利用打綿機滾取并切割成絲綿片,得到的絲綿片一般含有20%~30%的絲膠及蛹油和雜質(zhì)。一般而言,絲綿成品的性能主要與原料的品質(zhì)和脫膠工藝有關。絲綿片除了需要進行脫膠處理[6-8]外,還需進一步去除雜質(zhì),從而使得到的絲綿更加柔軟干凈。因此,在脫膠過程中除了加入碳酸鈉、去油靈、泡花堿等脫膠劑外[9],還會用到大量的雙氧水,通過雙氧水的強氧化性增加絲綿的清潔度和蓬松度;脫膠后的絲綿經(jīng)過清洗、脫水、晾干,即可得到品質(zhì)良好的絲綿成品。但是,雙氧水屬于易爆易燃化學品[10],運輸和儲存中存在一定的安全隱患,而目前的絲綿生產(chǎn)廠家規(guī)模較小,安全防護措施級別相對較低。
因此,絲綿生產(chǎn)企業(yè)和安全部門均迫切希望在機制絲綿的生產(chǎn)過程中,避免使用雙氧水,研究和開發(fā)適用于去除絲綿片雜質(zhì)且安全可靠的氧化劑體系,對于進一步提升機制絲綿生產(chǎn)工藝的安全性具有十分重要的意義。過碳酸鈉是一種環(huán)保型的固體氧化劑,常被用來降解有機有害物質(zhì)[11-12];其分解后,可以產(chǎn)生過氧化氫和碳酸鈉;另外,臭氧也是一種常見的強氧化劑,具有廣譜抗菌性能,在醫(yī)療衛(wèi)生和材料表面改性等領域有著廣泛的應用[13-14]。由于可以用臭氧發(fā)生機即時產(chǎn)生臭氧,因此不存在運輸和儲存的風險。
為此,本文創(chuàng)新性地設計了利用過碳酸鈉脫膠和碳酸鈉-臭氧聯(lián)用脫膠兩種替代雙氧水方法對絲綿進行脫膠,并對兩種方法脫膠的效果進行了分析和研究。
分析純碳酸鈉(天津市永大化學試劑開發(fā)中心),分析純過碳酸鈉(上海阿拉丁生化科技有限公司),未脫膠絲綿片(浙江蠶緣家紡股份有限公司)作為試驗樣,商品化的優(yōu)等品機制絲綿(浙江蠶緣家紡股份有限公司),生產(chǎn)中按脫膠過程使用雙氧水,編號為Tx20180015,作為參照樣。
JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社SEM),ET-200型臭氧發(fā)生裝置(中山市小欖永誠水族有限公司)。
1.2.1 絲綿片的脫膠
蠶絲由絲素和絲膠組成,其中,絲素為纖維狀蛋白,在熱水中會產(chǎn)生溶脹;而絲膠為球狀蛋白,在熱水中容易溶解[15]。因此,可以利用絲素和絲膠在熱水中的溶解度不同,對蠶絲進行脫膠處理。由于絲膠在水中等電點的pH值在4.7左右,因此,一般會加入碳酸鈉等堿性試劑加快蠶絲的脫膠速度[16]。在未脫膠的蠶絲綿片中,由于存在雜質(zhì)等因素,除了碳酸鈉外,往往還需要加入氧化劑增加脫膠后蠶絲綿片的潔凈度和白度,常用的氧化劑為雙氧水。
過碳酸鈉在水中分解的方式如下式所示:
(1)
由式(1)可以看出,過碳酸鈉可以在水中分解,產(chǎn)物既有Na2CO3,也包含雙氧水。因此,從理論上分析,用過碳酸鈉替代雙氧水進行脫膠時,可以不再添加碳酸鈉,而是直接利用過碳酸鈉分解得到的碳酸鈉,進而使絲膠溶解脫除。為此,根據(jù)分解得到碳酸鈉溶液質(zhì)量濃度與常規(guī)絲綿脫膠工藝的碳酸鈉質(zhì)量濃度一致的原則,進行計量。根據(jù)以上原理設計過碳酸鈉對蠶絲綿片的脫膠工藝如下:
脫膠時,稱取一定量的過碳酸鈉,溶解在去離子水中,配制成質(zhì)量濃度為0.78 g/L的過碳酸鈉溶液,按照1︰150的浴比,對絲綿片進行煮沸脫膠,時間為30 min,重復3次后,分別用溫水、清水洗凈至pH值為中性,再在60 ℃干燥箱中烘干,得到脫膠后的絲綿。
臭氧有較高的電極電勢,在堿性環(huán)境下的電極電勢在1.2~4.0,具有強氧化性[17]。因此,理論上臭氧可以去除絲纖維表面的色素和污漬,且在氧化還原后的產(chǎn)物為氧氣,與用雙氧水所產(chǎn)生的氣體相同。從原理上分析,臭氧替代具有可行性。但與過碳酸鈉相比,由于沒有產(chǎn)生碳酸鈉等堿性物質(zhì),因此,為了與使用過碳酸鈉的脫膠工藝一致,需要加入與常規(guī)絲綿脫膠工藝中質(zhì)量濃度一致的碳酸鈉,并根據(jù)電極電勢計算所需要的臭氧量。根據(jù)以上原理設計碳酸鈉-臭氧對蠶絲綿片的脫膠工藝如下:
脫膠時,按照1︰150的浴比,用質(zhì)量濃度為0.5 g/L的Na2CO3溶液對絲綿片進行煮沸脫膠,同時往溶液中通入流速為100 mg/(L·h)的臭氧,時間為30 min,重復3次后,分別用溫水、清水洗凈至pH值為中性,再在60 ℃干燥箱中烘干,得到脫膠后的絲綿。
1.2.2 殘膠率測試
殘膠率是評價絲綿質(zhì)量的指標之一。根據(jù)FZ/T 40004—2009《蠶絲含膠率試驗方法》,分別檢驗過碳酸鈉和臭氧-碳酸鈉兩類脫膠工藝脫膠后的絲綿的殘膠率和商業(yè)化絲綿的殘膠率。按下式計算絲綿試樣的殘膠率W:
(2)
式中:M0、M分別為絲綿試樣脫膠前后烘干的質(zhì)量。
1.2.3 含雜率測試
參照GB/T 6529—2008《紡織品 調(diào)濕和試驗用標準大氣》規(guī)定的三級標準大氣(簡稱三級標準大氣),即溫度(20±2) ℃、相對濕度(65±5)%下,對脫膠后絲綿樣品和商業(yè)化的優(yōu)等品絲綿樣品(參照樣)進行24 h的調(diào)濕。再參照標準GB/T 24252—2019《蠶絲被》,分別對試樣進行含雜率測試。同樣以Tx20180015作為參照樣,進行含雜率測試,并與試樣進行比較。
1.2.4 壓縮率和回復率測試
將絲綿樣品在三級標準大氣下調(diào)濕24 h后,參照標準GB/T 24252—2019《蠶絲被》附錄D《填充物壓縮回彈性試驗方法》,各取不同脫膠工藝所得絲綿試樣60 g,在壓片和質(zhì)量分別為2 kg、4 kg的重錘下測試其壓縮率和回復率,每組試樣重復3次試驗,計算平均值。以Tx20180015作為參照樣進行測試,并與試樣進行比較。
1.2.5 白度測試
自制攝像系統(tǒng),固定相機和光源,在環(huán)境等其他條件都相同的情況下將不同試樣放在同一位置進行拍照,采用Photoshop中RGB模式對經(jīng)過不同脫膠工藝的絲綿相同位點的白度進行測試表征,保證試驗的可靠性。以商業(yè)化樣品(Tx20180015)作為參照樣進行白度測試,并與試樣進行比較。
殘膠率可用于檢驗絲綿的脫膠效果、脫膠工藝的合理性及制備絲綿的質(zhì)量。本文經(jīng)過兩種脫膠方法處理后,再進行殘膠率測試,得到過碳酸鈉、臭氧-碳酸鈉脫膠絲綿和商業(yè)化絲綿的殘膠率,如表1所示。
表1 不同脫膠方法處理絲綿的殘膠率Tab.1 Sericin residual rates of silk floss degummedby different processes
從表1數(shù)據(jù)可以看出,過碳酸鈉、碳酸鈉-臭氧體系對絲綿的脫膠程度與商業(yè)化的優(yōu)等品的差別不明顯,即過碳酸鈉、碳酸鈉-臭氧聯(lián)用處理兩種方法均能達到商業(yè)化生產(chǎn)絲綿的脫膠要求,均符合蠶絲被國家標準對優(yōu)等品的殘膠率(≤5%)的要求。
本文利用掃描電子顯微鏡對脫膠前后絲綿纖維的表面形態(tài)進行觀察,結果如圖1所示。
圖1 不同脫膠方法處理絲綿的纖維形態(tài)Fig.1 Morphology of silk fibers degummed by different processes
由圖1(a)可以看出,未脫膠蠶絲表面包覆了一層絲膠,表面黏附有大量的塊狀絲膠。如圖1(b)(c)所示,經(jīng)過過碳酸鈉或碳酸鈉-臭氧聯(lián)用處理后,絲纖維表面基本光滑,只殘留少量的微小絲膠粒子。如圖1(d)所示,商業(yè)化Tx20180015的優(yōu)等品絲綿,纖維表面基本平整,同樣只殘留少量的微小絲膠粒子。比較可以得出,經(jīng)過過碳酸鈉或碳酸鈉-臭氧聯(lián)用脫膠的絲綿的表面形貌與商業(yè)化優(yōu)等品絲綿的基本相同。
絲綿的雜質(zhì)主要來源于蠶蛹及蠶繭外層黏附的雜質(zhì),根據(jù)GB/T 24252—2019《蠶絲被》,蠶絲被的含雜率優(yōu)等品≤0.1%,一等品≤0.2%,合格品≤0.5%。含雜率超標不僅會使蠶絲被的品質(zhì)下降,還容易滋生細菌、產(chǎn)生異味,影響使用者的皮膚健康,甚至誘發(fā)皮膚疾病。本文對不同脫膠方法處理后的絲綿進行含雜率測試,結果如表2所示。
表2 不同脫膠方法處理絲綿的含雜率Tab.2 Impurity content of silk floss degummed by different processes
由表2可知,本試驗采用的過碳酸鈉脫膠、碳酸鈉-臭氧聯(lián)用脫膠兩種方法與商業(yè)化絲綿樣品Tx20180015的含雜率均低于0.1%,達到標準GB/T 24252—2019《蠶絲被》優(yōu)等品的標準。測試結果顯示,過碳酸鈉和臭氧均對絲綿片中的雜質(zhì)有良好的氧化作用,從而使絲綿中的雜質(zhì)含量大大降低,達到優(yōu)等品要求。
絲綿的壓縮率和回復率也是衡量絲綿使用性能和品級的重要指標。本文參照標準GB/T 24252—2019《蠶絲被》,測得不同脫膠方法處理絲綿的壓縮率和回彈率,如表3所示。
表3 不同脫膠方法處理絲綿的壓縮率和回彈率Tab.3 Compression and resilience of silk floss degummedby different processes
絲綿的壓縮率和回復率是衡量其壓縮回彈性能的2個重要指標。根據(jù)國家標準《蠶絲被》的要求,優(yōu)等品填充物的回復率不小于92%,壓縮率不小于45%;一等品的回復率不小于87%,壓縮率不小于40%;合格品則無要求。由表3測試結果顯示,過碳酸鈉脫膠、臭氧-碳酸鈉聯(lián)用脫膠所得絲綿和商業(yè)化Tx20180015絲綿的壓縮率及回復率指標完全達到了國家標準《蠶絲綿》對優(yōu)等品的要求,進一步顯示了脫膠工藝的可行性。
此外,進行測試時所用不同絲綿樣品的質(zhì)量是相同的,因此壓縮回彈性能的高低一定程度上也能反映絲綿蓬松度的高低。測試結果顯示,過碳酸鈉脫膠、臭氧-碳酸鈉聯(lián)用脫膠基本不影響絲綿的蓬松度,所得絲綿的蓬松度與商業(yè)化優(yōu)等品Tx20180015絲綿無明顯差別。
本文采用Photoshop中RGB模式對經(jīng)過不同脫膠工藝的絲綿白度進行測試,測得相關結果如表4所示。
表4 不同脫膠方法處理絲綿的白度Tab.4 Whiteness of silk floss degummed by different processes
表4顯示了同等條件下在RGB色空間測試不同工藝脫膠絲綿的色值。結果表明,過碳酸鈉脫膠、碳酸鈉-臭氧聯(lián)用脫膠絲綿及Tx20180015絲綿樣品均有良好的白度性能,且經(jīng)過了過碳酸鈉脫膠、碳酸鈉-臭氧聯(lián)用脫膠后絲綿的白度與商業(yè)化絲綿樣品Tx20180015的白度相近。
綜上可見,絲綿經(jīng)過過碳酸鈉或碳酸鈉-臭氧聯(lián)用脫膠后在外觀、殘膠率、蓬松度、白度等方面與商業(yè)化產(chǎn)品具有一致的效果。過碳酸鈉分解產(chǎn)生的雙氧水和碳酸鈉-臭氧體系中的臭氧溶于水后形成的雙氧水反應結束即變成水,具有很好的環(huán)保功能,對后續(xù)的清洗、干燥、加工等步驟無影響。雖然與常規(guī)的雙氧水相比,采用過碳酸鈉或臭氧的工藝,成本大約提升20%,但由于本身在整個絲綿制備成本中所占的比重很小。因此,本文所研究的脫膠工藝生產(chǎn)成本可控,安全環(huán)保,值得進一步推廣應用。
絲綿脫膠過程中使用的雙氧水在運輸、儲存過程中存在易燃易爆等風險,為解決該問題,本文創(chuàng)新性地設計了過碳酸鈉脫膠和碳酸鈉-臭氧聯(lián)用脫膠兩種方法對絲綿片進行脫膠。通過試驗分析和研究,得出如下結論:
1) 過碳酸鈉、碳酸鈉-臭氧對絲綿的脫膠效果與商業(yè)化使用雙氧水制備的產(chǎn)品無明顯差異,殘膠率為3%~4%,符合優(yōu)等絲綿對殘膠率(≤5%)的要求;
2) 過碳酸鈉、碳酸鈉-臭氧處理得到的絲綿脫膠均勻,單根纖維表面平整光滑,與使用雙氧水制備的商業(yè)化產(chǎn)品基本一致;
3) 過碳酸鈉脫膠、碳酸鈉-臭氧聯(lián)用脫膠絲綿的含雜率和壓縮回彈性能均達到優(yōu)等品標準,絲綿蓬松度、白度與商業(yè)化的優(yōu)等品無明顯差異。
《絲綢》官網(wǎng)下載
中國知網(wǎng)下載