酶鹽法羊毛纖維低溫染色研究

葉振敏，戴慶國

東華大學(xué)化學(xué)化工與生物工程學(xué)院，上海 201600

傳統(tǒng)工藝下，羊毛纖維的染色通常在高溫條件下進(jìn)行。羊毛纖維由于受到高溫和化學(xué)助劑的作用，損傷嚴(yán)重，直接造成了其手感下降，成紗時(shí)易斷等不足。低溫染色可以有效降低羊毛纖維的損傷，降低成紗斷頭率，改善其織物的手感，使最終成品保留羊毛原有的優(yōu)良性能。目前較為常見且有效的低溫染色法有：蟻酸法、尿素法、低溫等離子法、表面活性劑法等。但出于各式各樣的原因，此類方法無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

蛋白酶是生物催化劑能使鱗片層中角質(zhì)化的蛋白質(zhì)氨基酸中的肽鍵水解，使鱗片層龜裂或部分破壞，隨著酶處理的逐漸進(jìn)行，鱗片逐步脫落[1]。由亞硫酸鈉提供SO32-與二硫鍵中被活化S 原子結(jié)合，進(jìn)一步剝落鱗片層、破壞疏水層，使羊毛纖維上染料擴(kuò)散的孔道擴(kuò)大，提高滲透性，讓染料在較低的溫度（60℃）就能達(dá)到較好的上染率。文章主要分析確定酶鹽法的最佳工藝及其預(yù)處理后的羊毛纖維在低溫染色中與傳統(tǒng)染色工藝、低溫勻染劑預(yù)處理染色工藝的各類差異。

助劑低溫染色機(jī)制［2-4］主要如下：（1）助劑對羊毛的溶脹作用，使羊毛在較低的溫度區(qū)間發(fā)生膨脹，利于染料及酸劑的進(jìn)入，將上染區(qū)間前移；（2）助劑分子與羊毛纖維有特殊的親和力，在纖維外表形成一層薄膜包覆，同時(shí)這層薄膜對染料也有很好的親和力。通過這層薄膜對二者的親和作用使纖維和染料在低溫時(shí)就均勻吸附，有利于在溫度升高時(shí)，幫助染料迅速轉(zhuǎn)移至內(nèi)部完成上染；（3）有機(jī)類助劑主要是先打開羊毛纖維的二硫鍵及部分肽鍵，增加大量的染座。羊毛表面鱗片層相對含硫較多，因此該類助劑主要作用于羊毛表面鱗片，顯著增加了纖維與染料的親和性，使上染區(qū)間前移完成低溫上染。

1 材料及方法

1.1 材料及試劑

材料：羊毛毛條（精梳80 支，浙江允源毛紡）。

試劑：亞硫酸鈉（分析純，岳陽三湘化工），角蛋白酶（夏盛），乙酸（分析純，上海麥克林），氫氧化鈉（分析純，國藥），鹽酸（分析純，上海生工），低溫勻染劑GL-246（廣東旺鑫化工），酸性翠藍(lán)染料（上海山原化工）。

1.2 儀器及設(shè)備

UV-1100 紫外分光光度計(jì)（上海美譜達(dá)），恒溫水浴鍋（天津賽得利斯），電子天平（深圳榮惠電子），電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（紹興尚誠儀器），氣動(dòng)夾持電子強(qiáng)力機(jī)（昆山鷺工），Y151 纖維摩擦系數(shù)測定儀（南通三思機(jī)電），25 型pH計(jì)（大連貝爾分析儀器），耐洗色牢度試驗(yàn)儀SW-12A Ⅱ(溫州大榮紡織)，光學(xué)顯微鏡（奧林斯巴）。

1.3 各工藝流程及條件

（1）工藝流程。工藝1：毛條高溫染色→烘干→測試。工藝2：毛條酶鹽法預(yù)處理→低溫染色→烘干→測試。工藝3：毛條低溫勻染劑預(yù)處理→低溫染色→烘干→測試。工藝4：毛條直接低溫染色→烘干→測試。

（2）工藝條件。酶鹽法預(yù)處理：角蛋白酶4%（owf），50℃，pH 值=8，處理40min，浴比1 ∶30，撈出水洗，亞硫酸鈉6%（owf），50℃，處理20min，浴比1 ∶30。低溫勻染劑預(yù)處理：低溫勻染劑GL-246 5%（owf），40℃，處理30min。低溫染色：染料2%（owf），pH 值=3（甲酸調(diào)節(jié)），40℃入染，以2℃/min的速度升溫至60℃，保溫染色120min，浴比1 ∶50。

1.4 測試方法

上染百分率：在染色時(shí)間為5min、15min、30min、45min、60min、75min、90min、105min、120min、140min 時(shí)，分別自染液中準(zhǔn)確吸取殘液2mL，轉(zhuǎn)移至50mL 的容量瓶中用超純水稀釋至刻度。同時(shí)，為了避免染液本身受到其他因素的影響導(dǎo)致的吸光度改變，一組非染色用的空白染液與其他組別同時(shí)進(jìn)行相同的處理，以排除干擾。在紫外分光光度計(jì)最大吸收波長λmax=457nm 處測試吸光度Fx，按照公式計(jì)算染料的上染百分率（%）：

式中：Fx為染料殘液的吸光度；F0為標(biāo)準(zhǔn)染液的吸光度；F空為空白染液的吸光度。

斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長率：按照《紡織品 織物拉伸性能第2 部分：斷裂強(qiáng)力的測定（抓樣法）》（GB/T 3923.2—2013）進(jìn)行測定。測定后按以下公式計(jì)算強(qiáng)降率：

式中：F原為原樣的斷裂強(qiáng)力；F1為染色完成后的斷裂強(qiáng)力。

纖維摩擦系數(shù)：按照單纖維摩擦系數(shù)測定方法規(guī)程進(jìn)行測定。

摩擦色牢度：按照《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐摩擦色牢度》（GB /T 3920—2008）進(jìn)行測定。

水洗牢度：按照《紡織品 色牢度試驗(yàn) 耐洗牢度》（GB/T 3921—2008）進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 角蛋白酶和亞硫酸鈉用量、pH 值、溫度、時(shí)間

使用控制變量法，調(diào)整其中一個(gè)變量，鎖定另外三種變量，通過光學(xué)顯微鏡觀察預(yù)處理后的羊毛纖維的鱗片層形態(tài)及其強(qiáng)降率來確定兩者聯(lián)合的作用效果。如圖1 所示，分別是未處理、處理不完全、處理完全、處理過度四種情況的羊毛形態(tài)。在大量樣本的總結(jié)下，歸總出以下酶鹽法處理工藝：角蛋白酶4%（owf），50℃，pH 值=8，處理40min，浴比1 ∶30，水洗，亞硫酸鈉6%（owf），50℃，處理20min，浴比1 ∶30。

圖1 酶鹽法預(yù)處理后羊毛在光學(xué)顯微鏡下的形態(tài)

2.2 不同工藝的染色時(shí)間與上染百分率

不同工藝的染色時(shí)間與上染百分率如表1 所示。

表1 不同工藝的染色時(shí)間與上染百分率

由表1 可知，直接對未處理的羊毛毛條進(jìn)行低溫染色最終上色率不佳；高溫染色法的上染速率最快，低溫勻染劑法次之但差異較小，酶鹽法略低于兩者；高溫染色法、酶鹽法、低溫勻染劑法最終上染率相當(dāng)。

2.3 各種工藝的成本計(jì)算

調(diào)研得知，印染廠加熱的手段多為蒸汽加熱。故加熱材料均以蒸汽計(jì)算，當(dāng)?shù)卣羝麅r(jià)格不考慮浮動(dòng)為205 元/t，每千克蒸汽約可以提供2400kJ 熱量。調(diào)研時(shí)染缸熱交換器效率約為0.75，故每千克蒸汽實(shí)際供熱約為1800kJ。

蒸汽消耗計(jì)算：C水=4.184kJ/kg·℃，C羊毛=1.36kJ/kg·℃，室溫計(jì)20℃。公式計(jì)算如下：

式中：X為每千克羊毛染色消耗的蒸汽量。

高溫染色蒸汽費(fèi)用約為2.58 元；低溫染色蒸汽費(fèi)用約為1.29 元。

不同工藝的每千克羊毛染色成本對比（不含染料）如表2 所示。

表2 不同工藝的每千克羊毛染色成本對比（不含染料）單位：元

由表2 可知，低溫勻染劑成本低于高溫染色法，結(jié)合表1 染色速率和上染率，性價(jià)比高；酶鹽法的理論價(jià)格雖然略高于高溫染色法，但在實(shí)際操作中，高溫染色時(shí)因溫度較高，熱量更易流失、損耗，會(huì)導(dǎo)致蒸汽費(fèi)用大于理論值，單從成本考慮仍可以采用。

2.4 不同工藝對織物的損傷情況

強(qiáng)降率和斷裂伸長率可以由儀器直接測得。但手感的定義模糊，主觀性較強(qiáng)，因此以纖維本身的順逆摩擦系數(shù)來代替手感以判斷纖維的性能優(yōu)劣，如表3 所示。

表3 不同工藝染色后毛條的強(qiáng)降率、斷裂伸長率、順逆摩擦系數(shù)

由表3 可知，羊毛毛條不處理直接進(jìn)行低溫染色的強(qiáng)降率最低，酶鹽法預(yù)處理次之，低溫勻染劑預(yù)處理再次之，高溫染色法處理最嚴(yán)重；低溫勻染劑預(yù)處理后的羊毛纖維斷裂伸長率下降嚴(yán)重，酶鹽法與不處理、高溫染色三者相近；從順逆動(dòng)靜摩擦系數(shù)看，手感順序應(yīng)是酶鹽法預(yù)處理、不處理、低溫勻染劑預(yù)處理、高溫染色。

2.5 不同工藝的摩擦色牢度

不同工藝染色后毛條的摩擦色牢度如表4 所示。

表4 不同工藝染色后毛條的摩擦色牢度

由表4 可知，高溫染色法的摩擦色牢度為四種工藝中最優(yōu)，酶鹽法的干摩擦色牢度和高溫染色法相近。

3 結(jié)論

低溫染色與傳統(tǒng)染色工藝相比，不需要龐大的熱量，可節(jié)約相當(dāng)?shù)馁Y源。并且低溫染色對羊毛纖維的損傷小，能保持羊毛纖維本身的優(yōu)良性能。同時(shí)，酶鹽法剝落了羊毛纖維的鱗片層，使其產(chǎn)品的檔次也得到了一定的提升。因此酶鹽法盡管相對高溫染色而言理論成本較高，但對于追求羊毛性能的高檔羊毛相當(dāng)適用。低溫勻染劑預(yù)處理后羊毛纖維的上染率高，色牢度較為優(yōu)秀，且成本極低，但由于其使羊毛纖維的斷裂伸長率明顯降低，可以看出纖維損傷嚴(yán)重，將影響后續(xù)成紗，應(yīng)該更多地將其應(yīng)用于低端羊毛。