陳佳月,樊武厚,*,田 睿,梁 娟,康建平,翁華滿

(1.四川省紡織科學(xué)研究院,四川 成都610083;2.高技術(shù)有機(jī)纖維四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都610083;3.四川益欣科技有限責(zé)任公司,四川 成都610083)

苧麻纖維由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和果膠等成分構(gòu)成,其纖維素占比高達(dá)65%～75%,為纖維素含量最高的麻類纖維[1]。苧麻纖維質(zhì)量輕、強(qiáng)力大、耐磨、透氣,具有防霉抗菌、導(dǎo)濕快干等優(yōu)點(diǎn),可廣泛用于高檔面料、服裝鞋帽、床上用品、家居裝飾和醫(yī)用包裝等產(chǎn)品中[1-2]。且苧麻作為我國特有的麻纖維品種,其種植面積廣、資源豐富。因此基于苧麻纖維的功能性紡織品的開發(fā)具有重要的研究價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

苧麻纖維的纖維素含量與傳統(tǒng)的棉纖維相比仍有較大差距,使其后續(xù)加工存在較大難度。通過脫膠來提高苧麻纖維的纖維素占比,能夠顯著提高苧麻纖維的加工性能和品質(zhì),極大推動苧麻纖維的高值化利用。目前,苧麻纖維的脫膠主要采用生物脫膠和化學(xué)脫膠2種方法。前者利用芽孢桿菌、厭氧菌、好氧菌等天然微生物在繁殖過程中分泌的酶來分解苧麻中的膠質(zhì),使高分子量的果膠、半纖維素分解為易溶于水的小分子物質(zhì)而與纖維素分離。后者則是利用苧麻纖維中膠質(zhì)成分和纖維素在酸、堿或氧化條件下的穩(wěn)定性差異,通過煮練、水洗和物理機(jī)械手段使膠質(zhì)與纖維素分離。傳統(tǒng)的生物脫膠方法受制于環(huán)境條件,導(dǎo)致脫膠時間長、產(chǎn)品制成率低、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題?；瘜W(xué)脫膠法雖具有工藝條件可控、脫膠速度快、不受環(huán)境因素限制等優(yōu)勢,但卻存在設(shè)備投資費(fèi)用高昂、廢水排放量大、生產(chǎn)能耗高等問題[3-7]。針對生物脫膠和化學(xué)脫膠的不足,通過常溫堿煮[8]、預(yù)氧化[9]等化學(xué)處理手段,并輔之以生物酶或混合菌種處理等生物處理手段[10],將2種方法相融合,成為當(dāng)前提高苧麻纖維脫膠效率的發(fā)展趨勢[11]。

文中利用乙二胺四乙酸二鈉來螯合苧麻纖維細(xì)胞壁中的鈣鎂離子,使不溶性果膠酸鈣轉(zhuǎn)化為可溶性果膠酸鹽,削弱果膠對纖維素及其他膠質(zhì)組分的粘結(jié)和包覆。在復(fù)合酶處理階段,利用果膠酶、漆酶的協(xié)同作用,加強(qiáng)處理液對苧麻的內(nèi)部滲透,增強(qiáng)酶對膠質(zhì)復(fù)合體的降解作用。在堿精煉階段,利用纖維素與半纖維在Na OH 溶液中的溶解性差異去除半纖維素,并利用煮練劑中表面活性劑的凈洗、乳化、分散作用,防止已脫除膠質(zhì)在纖維表面的重新粘附,進(jìn)一步鞏固脫膠效果。采用生物脫膠與化學(xué)脫膠相結(jié)合的方法,研究了苧麻纖維的堿性復(fù)合生物酶脫膠工藝,以期精簡其生物化學(xué)脫膠工藝流程,在溫和的低堿條件下提高苧麻纖維的脫膠效率,為苧麻纖維的高效脫膠提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料

苧麻纖維(原麻,四川玉竹麻業(yè)有限公司),果膠酶(工業(yè)品,上?？档囟魃锟萍加邢薰?,漆酶(工業(yè)品,南京德居生物科技有限公司),Na OH、亞硫酸鈉、碳酸鈉、乙二胺四乙酸二鈉(分析純,成都市科龍化工試劑廠),滲透劑JFC(分析純,上海灃瑞化工有限公司)。

1.2 工藝及方法

在浴比1∶20、溫度100 ℃條件下,通過乙二胺四乙酸二鈉水溶液(6 g/L)對苧麻纖維浸泡預(yù)處理2 h。待處理液溫度降至50 ℃后,通過Na OH 調(diào)節(jié)體系p H值至9.5,并采用不同濃度的果膠酶/漆酶復(fù)合酶繼續(xù)處理3 h。隨后,在浴比1∶20、溫度100 ℃條件下,將復(fù)合酶處理的苧麻纖維加入由滲透劑JFC(2 g/L)、十二烷基苯磺酸鈉(3 g/L)、亞硫酸鈉(2 g/L)和碳酸鈉(3 g/L)組成的煮練液中,在不同濃度Na OH 條件下繼續(xù)處理3 h,水洗至中性后烘干得脫膠苧麻纖維。

1.3 性能測試

殘膠率是脫除膠質(zhì)前后試樣干重的差值與原試樣的比值,直接反映苧麻纖維的脫膠效果,殘膠率越低脫膠效果越好。殘膠率根據(jù)GB∕T 5889-1986《苧麻化學(xué)成分定量分析方法》測定。

液體芯吸高度是表征纖維毛細(xì)效應(yīng)的重要指標(biāo),反映纖維對水分的傳導(dǎo)功能,液體芯吸高度值越大,纖維的吸濕排汗性越好。液體吸芯高度根據(jù)FZ∕T 01071-2008《紡織品毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》測定。

白度是評定物質(zhì)表面白色程度的指標(biāo),在紡織領(lǐng)域一般指距離理想白色(以高純度硫酸鋇為標(biāo)準(zhǔn)白度100度)的程度,白度值越高,越有利于后續(xù)染色加工。白度根據(jù)GB 5885-86《苧麻纖維白度試驗(yàn)方法》測定。

束纖維強(qiáng)度是指纖維拉斷時所能承受的最大負(fù)荷,束纖維強(qiáng)度越大,纖維的可紡性越強(qiáng),對后續(xù)加工越有利。纖維斷裂強(qiáng)度根據(jù)GB/T 5882-1986《苧麻束纖維斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)方法》測定。

2 結(jié)果和分析

2.1 堿性果膠酶濃度對體系苧麻脫膠的影響

在Na OH 濃度2 g/L、漆酶2 g/L條件下,考察了不同果膠酶濃度(10～60 g/L)對苧麻纖維殘膠率、毛細(xì)效應(yīng)、白度及斷裂強(qiáng)度的影響,如圖1所示。隨著果膠酶濃度從10 g/L增加至40 g/L,苧麻纖維的殘膠率從19.5%減少至16.4%。液體芯吸高度從5.6 c m 快速增加至8.5 c m。繼續(xù)增加果膠酶濃度至60 g/L,上述2項(xiàng)指標(biāo)幾乎保持不變。同時,隨著果膠酶濃度從10 g/L 增加至30 g/L,苧麻纖維的白度從22度快速增加至28.8度。繼續(xù)增加果膠酶濃度至60 g/L,苧麻試樣白度無明顯提高。隨著果膠酶濃度從10 g/L 增加至60 g/L,苧麻纖維的束纖維強(qiáng)度從2.06 c N/dtex持續(xù)增加至2.99 c N/dtex,提高了31%。

由上可知,果膠酶濃度的提高能降低苧麻纖維的殘膠率,改善纖維毛細(xì)效應(yīng),提高白度和斷裂強(qiáng)度。綜合考慮以上4項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及成本因素,確定最佳的果膠酶濃度為40 g/L。通過在酶處理階段提高果膠酶濃度,在一定程度提高苧麻纖維的基本性能,但仍難滿足三級苧麻精干麻的要求。為此,嘗試通過繼續(xù)增大漆酶的濃度以進(jìn)一步提高苧麻纖維的脫膠效率。

圖1 果膠酶濃度對苧麻纖維殘膠率、毛細(xì)效應(yīng)、白度及斷裂強(qiáng)度的影響

2.2 漆酶濃度對體系苧麻脫膠的影響

在Na OH 濃度2 g/L和果膠酶40 g/L條件下,考察了不同漆酶濃度(4～12 g/L)對苧麻纖維殘膠率、毛細(xì)效應(yīng)、白度及斷裂強(qiáng)度的影響,如圖2所示。隨著漆酶濃度從2 g/L增加至10 g/L,苧麻纖維的殘膠率從16.4%減少至9.8%,液體的芯吸高度從8.5 c m 快速增加至10.3 c m,白度從28.8度快速增加至40.6度,束纖維斷裂強(qiáng)度從2.83 c N/dtex 快速增加至3.45 c N/dtex,束纖維強(qiáng)度基本接近精干麻三級品的技術(shù)要求(≥3.5 c N/dtex)。繼續(xù)增加漆酶濃度至12 g/L,苧麻纖維的上述4項(xiàng)指標(biāo)無顯著變化。

由上可知,在漆酶濃度不超過10 g/L 時,漆酶濃度的增加能顯著降低苧麻纖維的的殘膠率,改善纖維毛細(xì)效應(yīng)、提高白度和斷裂強(qiáng)度,脫膠效果比僅提高果膠酶濃度得到的苧麻纖維更好。綜合考慮以上4項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及成本因素,確定最佳的漆酶濃度為10 g/L。

圖2 漆酶濃度對苧麻纖維殘膠率、毛細(xì)效應(yīng)、白度及斷裂強(qiáng)度的影響

2.3 Na OH濃度對體系苧麻脫膠的影響

在果膠酶40 g/L 和漆酶10 g/L 條件下,考察了不同Na OH 濃度(4～12 g/L)對苧麻纖維殘膠率、毛細(xì)效應(yīng)、白度及斷裂強(qiáng)度的影響,如圖3所示。

隨著Na OH 濃度從2 g/L增加至10 g/L,苧麻纖維的殘膠率從9.8%快速減少至4.8%,液體芯吸高度從10.3 c m 快速增加至12.8 c m,白度從40.6度快速增加至50.1 度,束纖維斷裂強(qiáng)度從3.45 c N/dtex 快速增加至5.06 c N/dtex。繼續(xù)增大Na OH 濃度至12 g/L,苧麻纖維的各項(xiàng)指標(biāo)幾乎保持不變。因此,Na OH 的最佳濃度為10 g/L。

圖3 Na OH 濃度對苧麻纖維殘膠率、毛細(xì)效應(yīng)、白度及斷裂強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

利用預(yù)處理、酶處理和堿精煉的正向協(xié)同促進(jìn)作用得到苧麻纖維的優(yōu)化堿性復(fù)合生物酶脫膠工藝,篩選出復(fù)合酶和堿精煉處理階段最佳工藝條件為:將乙二胺四乙酸二鈉預(yù)處理的苧麻纖維通過果膠酶(40 g/L)和漆酶(10 g/L)復(fù)合酶在52℃處理3 h;隨后,100℃時在Na OH 溶液(10 g/L)進(jìn)一步處理3 h。處理后苧麻纖維的殘膠率為4.8%,斷裂強(qiáng)力為5.06 c N/dtex,白度為50.1度,其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到三級苧麻精干麻的要求。通過對苧麻纖維在果膠酶/漆酶復(fù)合生物酶的堿性脫膠工藝研究,為苧麻纖維的高效脫膠提供了新思路。