黃 潔, 倪冬棟, 倪學(xué)林, 陳文興, 傅雅琴

(1.浙江理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)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(qiáng)度、彈性、可染性和吸濕性等優(yōu)點(diǎn),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(yù)。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(guó)絲綢年鑒》統(tǒng)計(jì),中國(guó)絲綿產(chǎn)量在蠶絲產(chǎn)品中占比已經(jīng)超過(guò)30%,是中國(guó)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(duì)于人體皮膚及心血管有保健功效;且蠶絲纖維的熱傳導(dǎo)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(fèi)者的喜愛(ài)。

絲綿按生產(chǎn)方式可以分為手工絲綿和機(jī)制絲綿[3]。由于機(jī)制絲綿的生產(chǎn)效率高,因此,現(xiàn)階段市場(chǎng)上銷(xiāo)售的絲綿絕大部分為機(jī)制絲綿。機(jī)制絲綿的生產(chǎn)一般需要經(jīng)過(guò)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(hào)繭等利用打綿機(jī)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(guān)。絲綿片除了需要進(jìn)行脫膠處理[6-8]外,還需進(jìn)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(guò)程中除了加入碳酸鈉、去油靈、泡花堿等脫膠劑外[9],還會(huì)用到大量的雙氧水,通過(guò)雙氧水的強(qiáng)氧化性增加絲綿的清潔度和蓬松度;脫膠后的絲綿經(jīng)過(guò)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(xué)品[10],運(yùn)輸和儲(chǔ)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(hù)措施級(jí)別相對(duì)較低。

因此,絲綿生產(chǎn)企業(yè)和安全部門(mén)均迫切希望在機(jī)制絲綿的生產(chǎn)過(guò)程中,避免使用雙氧水,研究和開(kāi)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(duì)于進(jìn)一步提升機(jī)制絲綿生產(chǎn)工藝的安全性具有十分重要的意義。過(guò)碳酸鈉是一種環(huán)保型的固體氧化劑,常被用來(lái)降解有機(jī)有害物質(zhì)[11-12];其分解后,可以產(chǎn)生過(guò)氧化氫和碳酸鈉;另外,臭氧也是一種常見(jiàn)的強(qiáng)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(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[13-14]。由于可以用臭氧發(fā)生機(jī)即時(shí)產(chǎn)生臭氧,因此不存在運(yùn)輸和儲(chǔ)存的風(fēng)險(xiǎn)。

為此,本文創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了利用過(guò)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(duì)絲綿進(jìn)行脫膠,并對(duì)兩種方法脫膠的效果進(jìn)行了分析和研究。

1 試 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

分析純碳酸鈉(天津市永大化學(xué)試劑開(kāi)發(fā)中心),分析純過(guò)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(yàn)樣,商品化的優(yōu)等品機(jī)制絲綿(浙江蠶緣家紡股份有限公司),生產(chǎn)中按脫膠過(guò)程使用雙氧水,編號(hào)為T(mén)x20180015,作為參照樣。

JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡(日本電子株式會(huì)社SEM),ET-200型臭氧發(fā)生裝置(中山市小欖永誠(chéng)水族有限公司)。

1.2 測(cè)試方法

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(huì)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(duì)蠶絲進(jìn)行脫膠處理。由于絲膠在水中等電點(diǎn)的pH值在4.7左右,因此,一般會(huì)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(guò)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(guò)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(guò)碳酸鈉替代雙氧水進(jìn)行脫膠時(shí),可以不再添加碳酸鈉,而是直接利用過(guò)碳酸鈉分解得到的碳酸鈉,進(jìn)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(jìn)行計(jì)量。根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)過(guò)碳酸鈉對(duì)蠶絲綿片的脫膠工藝如下:

脫膠時(shí),稱取一定量的過(guò)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(guò)碳酸鈉溶液,按照1︰150的浴比,對(duì)絲綿片進(jìn)行煮沸脫膠,時(shí)間為30 min,重復(fù)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(shì),在堿性環(huán)境下的電極電勢(shì)在1.2～4.0,具有強(qiáng)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(guò)碳酸鈉相比,由于沒(méi)有產(chǎn)生碳酸鈉等堿性物質(zhì),因此,為了與使用過(guò)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(shì)計(jì)算所需要的臭氧量。根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)碳酸鈉-臭氧對(duì)蠶絲綿片的脫膠工藝如下:

脫膠時(shí),按照1︰150的浴比,用質(zhì)量濃度為0.5 g/L的Na2CO3溶液對(duì)絲綿片進(jìn)行煮沸脫膠,同時(shí)往溶液中通入流速為100 mg/(L·h)的臭氧,時(shí)間為30 min,重復(fù)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(cè)試

殘膠率是評(píng)價(jià)絲綿質(zhì)量的指標(biāo)之一。根據(jù)FZ/T 40004—2009《蠶絲含膠率試驗(yàn)方法》,分別檢驗(yàn)過(guò)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(jì)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(cè)試

參照GB/T 6529—2008《紡織品 調(diào)濕和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣》規(guī)定的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)大氣(簡(jiǎn)稱三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)大氣),即溫度(20±2) ℃、相對(duì)濕度(65±5)%下,對(duì)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(jìn)行24 h的調(diào)濕。再參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24252—2019《蠶絲被》,分別對(duì)試樣進(jìn)行含雜率測(cè)試。同樣以Tx20180015作為參照樣,進(jìn)行含雜率測(cè)試,并與試樣進(jìn)行比較。

1.2.4 壓縮率和回復(fù)率測(cè)試

將絲綿樣品在三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)大氣下調(diào)濕24 h后,參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24252—2019《蠶絲被》附錄D《填充物壓縮回彈性試驗(yàn)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(cè)試其壓縮率和回復(fù)率,每組試樣重復(fù)3次試驗(yàn),計(jì)算平均值。以Tx20180015作為參照樣進(jìn)行測(cè)試,并與試樣進(jìn)行比較。

1.2.5 白度測(cè)試

自制攝像系統(tǒng),固定相機(jī)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(jìn)行拍照,采用Photoshop中RGB模式對(duì)經(jīng)過(guò)不同脫膠工藝的絲綿相同位點(diǎn)的白度進(jìn)行測(cè)試表征,保證試驗(yàn)的可靠性。以商業(yè)化樣品(Tx20180015)作為參照樣進(jìn)行白度測(cè)試,并與試樣進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 絲綿的殘膠率

殘膠率可用于檢驗(yàn)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(guò)兩種脫膠方法處理后,再進(jìn)行殘膠率測(cè)試,得到過(guò)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(guò)碳酸鈉、碳酸鈉-臭氧體系對(duì)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(guò)碳酸鈉、碳酸鈉-臭氧聯(lián)用處理兩種方法均能達(dá)到商業(yè)化生產(chǎn)絲綿的脫膠要求,均符合蠶絲被國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)優(yōu)等品的殘膠率(≤5%)的要求。

2.2 絲綿纖維表面形貌

本文利用掃描電子顯微鏡對(duì)脫膠前后絲綿纖維的表面形態(tài)進(jìn)行觀察,結(jié)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(guò)過(guò)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(guò)過(guò)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。

2.3 絲綿的含雜率

絲綿的雜質(zhì)主要來(lái)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(biāo)不僅會(huì)使蠶絲被的品質(zhì)下降,還容易滋生細(xì)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(duì)不同脫膠方法處理后的絲綿進(jìn)行含雜率測(cè)試,結(jié)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(yàn)采用的過(guò)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24252—2019《蠶絲被》優(yōu)等品的標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試結(jié)果顯示,過(guò)碳酸鈉和臭氧均對(duì)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(dá)到優(yōu)等品要求。

2.4 絲綿的壓縮率和回復(fù)率

絲綿的壓縮率和回復(fù)率也是衡量絲綿使用性能和品級(jí)的重要指標(biāo)。本文參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24252—2019《蠶絲被》,測(cè)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(fù)率是衡量其壓縮回彈性能的2個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《蠶絲被》的要求,優(yōu)等品填充物的回復(fù)率不小于92%,壓縮率不小于45%;一等品的回復(fù)率不小于87%,壓縮率不小于40%;合格品則無(wú)要求。由表3測(cè)試結(jié)果顯示,過(guò)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(fù)率指標(biāo)完全達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《蠶絲綿》對(duì)優(yōu)等品的要求,進(jìn)一步顯示了脫膠工藝的可行性。

此外,進(jìn)行測(cè)試時(shí)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(cè)試結(jié)果顯示,過(guò)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(wú)明顯差別。

2.5 絲綿的白度

本文采用Photoshop中RGB模式對(duì)經(jīng)過(guò)不同脫膠工藝的絲綿白度進(jìn)行測(cè)試,測(cè)得相關(guān)結(jié)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(cè)試不同工藝脫膠絲綿的色值。結(jié)果表明,過(guò)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(guò)了過(guò)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(jiàn),絲綿經(jīng)過(guò)過(guò)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(guò)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(yīng)結(jié)束即變成水,具有很好的環(huán)保功能,對(duì)后續(xù)的清洗、干燥、加工等步驟無(wú)影響。雖然與常規(guī)的雙氧水相比,采用過(guò)碳酸鈉或臭氧的工藝,成本大約提升20%,但由于本身在整個(gè)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(jìn)一步推廣應(yīng)用。

3 結(jié) 論

絲綿脫膠過(guò)程中使用的雙氧水在運(yùn)輸、儲(chǔ)存過(guò)程中存在易燃易爆等風(fēng)險(xiǎn),為解決該問(wèn)題,本文創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了過(guò)碳酸鈉脫膠和碳酸鈉-臭氧聯(lián)用脫膠兩種方法對(duì)絲綿片進(jìn)行脫膠。通過(guò)試驗(yàn)分析和研究,得出如下結(jié)論:

1) 過(guò)碳酸鈉、碳酸鈉-臭氧對(duì)絲綿的脫膠效果與商業(yè)化使用雙氧水制備的產(chǎn)品無(wú)明顯差異,殘膠率為3%～4%,符合優(yōu)等絲綿對(duì)殘膠率(≤5%)的要求;

2) 過(guò)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(guò)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(dá)到優(yōu)等品標(biāo)準(zhǔn),絲綿蓬松度、白度與商業(yè)化的優(yōu)等品無(wú)明顯差異。

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