陳海宏，趙其明

（五邑大學 紡織服裝系，廣東江門 529020）

超聲波在酶氧退煮漂一浴中的應用

陳海宏，趙其明

（五邑大學 紡織服裝系，廣東江門 529020）

通過正交試驗，確定了酶氧退煮漂一浴中超聲波處理棉織物的最優(yōu)工藝，并采用掃描電鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）、熱重分析（TGA）研究了超聲波處理對棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)、結(jié)晶形態(tài)和熱穩(wěn)定性能的影響.得出：最佳超聲波處理工藝為凈棉酶用量為4.0 g/L，30%雙氧水用量為16 mL/L，溫度為70℃，時間為50 min，pH為10～10.5，浴比為1∶30，超聲功率密度為0.55 W/cm2；將超聲波技術應用于酶氧一浴中，棉纖維的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，棉纖維細胞壁出現(xiàn)裂紋和分絲帚化，棉織物的結(jié)晶度增加，熱穩(wěn)定性變差.

棉織物；超聲波；生物酶；酶氧一浴；熱分析；X射線衍射

頻率高于20 kHz的聲波通常被稱為超聲波.超聲波的高頻振動傳遞給介質(zhì)后，會令介質(zhì)產(chǎn)生超聲振蕩，形成近乎真空的空腔泡（即氣體溶于介質(zhì)內(nèi)部）.在超聲波機械振動作用下，氣泡定向擴散并不斷增大，當聲壓達到一定值時，氣泡會突然閉合，在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，最終崩潰.這種微小氣泡振動、膨脹、閉合和崩潰等一系列動力學過程稱為聲空化[1-2].超聲波技術就是利用超聲振蕩產(chǎn)生的聲空化效應形成強大的沖擊力，這種效應增大并更新非均相反應界面，強化傳質(zhì)和傳熱過程，提高反應物分子的活性并增加相互碰撞的幾率.這種特殊的物理環(huán)境，可以用于紡織工業(yè)的退漿、煮練、漂白及短流程前處理工藝[3].傳統(tǒng)堿氧退煮漂一浴前處理短流程工藝可縮短工藝流程，從而節(jié)省能耗，但其對織物的強力損失大，且不利于環(huán)保[4].近年來隨著酶工程的發(fā)展，有關研究人員進行了可替代堿氧一浴工藝的酶氧一浴前處理研究[5-9].將超聲波技術應用于酶氧一浴工藝，通過聲空化效應對棉纖維細胞壁的作用，可加速酶分子的活性和擴散速率，并增強雙氧水對纖維作用的可及度，從而提高退煮漂效率.本文將超聲波技術應用于棉織物的酶氧一浴退煮漂前處理工藝，在探討最優(yōu)前處理工藝的基礎上，分析超聲波處理對棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)、結(jié)晶形態(tài)和熱穩(wěn)定性能的影響.

1 試驗部分

1.1 試驗材料與設備

實驗所用材料包括：純棉平紋坯布，市售；30%過氧化氫，分析純；凈棉酶GX-1，固體，百勝化工有限公司產(chǎn)品；pH緩沖液.

實驗所用設備包括：28 kHz L-1200槽式超聲波發(fā)生器；NoVa Nano SEM430掃描電子顯微鏡；STA409綜合熱分析儀，Panalytical X′Pert PRO型X射線衍射儀；電子恒溫不銹鋼水浴鍋；101-O型電熱鼓風干烘箱；JA5003A型電子天平；pHS-25型實驗室酸度計；WSB-V型智能白度測定儀；YG871型毛細效應測定儀；YG026pc-250型電子強力機.

1.2 處理工藝

（1）常規(guī)酶氧一浴處理工藝：坯布預處理（90℃，10 min）→酶氧處理液（凈棉酶4.5 g/L，雙氧水12 mL/ L，溫度95℃，處理時間60 min，pH=10～10.5，浴比1∶30）→熱水洗（90℃，1次）→冷水洗（1次）→烘干（105℃，1.5 h）.

（2）酶氧一浴中超聲波處理工藝：坯布預處理（90℃，10 min）→酶氧處理液→熱水洗（90℃，1次）→冷水洗（1次）→烘干（105℃，1.5 h）.超聲波酶氧一浴處理工藝中，由于試樣上與超聲波震源距離不同的各點所受到的超聲波作用能量大小不同，因此，必須對試樣進行攪拌，以防止能量作用不均.采用正交試驗法確定超聲波酶氧一浴處理的最優(yōu)工藝.影響超聲波酶氧一浴處理效果的主要因素有凈棉酶用量（A）、雙氧水用量（B）、溫度（C）、時間（D）和超聲波功率密度（E）等，每個因素設計了4個水平.依據(jù)單因素實驗結(jié)果所確定的4個水平值如表1所示.

表1 正交試驗的因素與水平Tab.1 Factors and levels of orthogonal experiment

1.3 性能測試

（1）形態(tài)結(jié)構(gòu)觀測：使用NoVa Nano SEM430掃描電子顯微鏡對棉纖維的表面形貌進行觀測，并拍攝成像.

（2）結(jié)晶度測定：使用Panalytical X′Pert PRO型X射線衍射儀進行棉纖維結(jié)晶度測量.測試條件為掃描速度2°/min，取樣間隔0.2°，在2θ為5°～70°范圍內(nèi)讀取數(shù)據(jù)，以分峰法計算棉纖維的相對結(jié)晶度.

（3）熱性能分析：使用STA409綜合熱分析儀進行TGA分析.測試條件為氮氣流量20 mL/min，升溫速率20℃/min，溫度范圍40～800℃.

（4）棉織物的白度、毛效及斷裂強力測定：使用WSB-V型智能白度測定儀（GB/T 8424.2-2001）測定烘干平衡后織物的白度；使用YG871型毛細效應（FZ/ T 01071-2008）測定儀按標準定時法（30 min）測定織物的毛效；使用YG026pc-250型電子強力機（GB/ T3923-1997）測定棉織物經(jīng)向的斷裂強力.

2 結(jié)果與討論

2.1 最優(yōu)工藝探討

超聲波酶氧一浴處理最優(yōu)工藝的正交實驗結(jié)果如表2所示.

表2 試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果分析Tab.2 Experiment data and result analysis

由表2可知，對于白度來說，5個因素的極差大小順序為：凈棉酶用量（A）＞溫度（C）＞雙氧水用量（B）＞超聲波功率密度（D）＞時間（E），最優(yōu)方案為A3B4C3D4E1；對于毛效來說，5個因素的極差大小順序為：凈棉酶用量（A）＞溫度（C）＞功率密度（D）＞雙氧水用量（B）＞時間（E），最優(yōu)方案為A4B2C3D4E1.綜合考慮白度和毛效2個指標，并考慮到成本因素，確定的最優(yōu)工藝方案為A3B2C3D4E1，即凈棉酶用量為4.0 g/L，雙氧水用量為16 mL/L，溫度為70℃，時間為50 min，超聲功率密度為0.55 W/cm2.

2.2 超聲波對棉織物前處理效果的影響

為探討超聲波對棉織物前處理效果的影響，分別測試了經(jīng)超聲波酶氧一浴和常規(guī)酶氧一浴兩種方法前處理之后所獲棉織物的白度、毛效及斷裂強力，結(jié)果如表3所示.為使兩種前處理方法具有較好的可比性，超聲波酶氧一浴前處理工藝采用2.1中得到的最優(yōu)工藝，常規(guī)酶氧一浴前處理工藝采用1.3.1中的常規(guī)酶氧一浴處理工藝.

表3 酶氧一浴工藝比較Tab.3 Comparison of different processes

由表3比較可知，在超聲波酶氧一浴處理的最優(yōu)工藝條件下，當凈棉酶用量、溫度和時間均降低情況下，處理后棉織物的白度、毛效以及斷裂強力與常規(guī)酶氧一浴處理棉織物相比均有所提高.

2.3 超聲波處理對棉纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

為了解酶氧一浴中超聲波處理對棉纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，本文對超聲波處理前后的棉纖維進行了掃描電鏡觀察，其形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

由圖1（b）可以看出，經(jīng)超聲波處理后，棉纖維的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，棉纖維的天然扭曲減少，纖維變得較為圓潤、順直，表面變得粗糙；由圖1（c）可知，棉纖維表面出現(xiàn)裂紋和分絲帚化.這可能是聲空化作用所產(chǎn)生的微射流作用于棉纖維細胞壁的結(jié)果.裂紋可使棉纖維的比表面積增加，潤濕性提高，進而改善其多相反應性能.

2.4 超聲波處理對棉纖維結(jié)晶形態(tài)的影響

圖2為酶氧一浴中超聲波處理前后棉纖維的XRD譜圖.

經(jīng)計算，超聲波處理后的棉纖維相對結(jié)晶度比處理前上升了1.86%.分析其原因：一方面，超聲波處理時，聲空化作用使晶區(qū)和非晶區(qū)中有結(jié)晶缺陷的部分分開，結(jié)晶受到?jīng)_擊波的刻蝕作用而使結(jié)晶度下降；另一方面，超聲波最優(yōu)處理中的凈棉酶用量、溫度和時間均降低，即作用棉纖維的條件較常規(guī)酶氧處理工藝溫和.后者對棉纖維的結(jié)晶度影響更大.

2.5 超聲波處理對棉纖維熱性能的影響

圖3所示為酶氧一浴中超聲波處理前后棉纖維的TGA曲線.表4所示為各裂解階段的裂解溫度范圍和失重率.

由圖3可知，棉纖維的熱裂解可以分為3個階段:①初始裂解階段，主要表現(xiàn)為纖維物理性能的變化及少量失重；②主要裂解階段，主要表現(xiàn)為失重速率很快，失重量很大，裂解的大部分產(chǎn)物在這一階段產(chǎn)生；③殘渣裂解階段，主要表現(xiàn)為殘渣碳含量越來越高.由表4可知，經(jīng)超聲波處理的棉纖維和未經(jīng)超聲波處理的棉纖維的主裂解段失重率分別為73.96%和66.69%，即前者的失重率比后者多7.27%，證明經(jīng)超聲波處理后的棉纖維熱穩(wěn)定性降低.其原因可能是在超聲波引發(fā)的高溫和高壓熱核點作用下，水中的氧氣易形成高能自由基和棉纖維大分子作用，使得棉纖維被氧化[2].

表4 棉纖維TG熱分析Tab.4 TG analysis about cotton fiber

3 結(jié)論

（1）棉織物酶氧退煮漂一浴中最優(yōu)超聲波處理工藝為：凈棉酶用量4.0 g/L，30%雙氧水用量16 mL/L，溫度70℃，時間50 min，pH值10～10.5，浴比1∶30，超聲功率密度0.55 W/cm2.

（2）超聲波最優(yōu)處理工藝中的凈棉酶用量、溫度和時間均降低，達到了節(jié)能省時的效果，且處理后棉織物的白度、毛效以及斷裂強力均有所提高.

（3）超聲波處理后，棉纖維表面結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，纖維表面出現(xiàn)了裂紋和分絲帚化.裂紋可使棉纖維的比表面積增加，有助于提高棉纖維的潤濕性，從而改善其多相反應性能.但通過TGA分析，棉纖維的熱穩(wěn)定性有所降低.

（4）超聲波處理不會引起棉纖維基本結(jié)構(gòu)的變化，仍保持結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)共存的狀態(tài).

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Application of ultrasonic treatment in simultaneous desizing-scouring and bleaching process of enzymes

CHEN Hai-hong，ZHAO Qi-ming
（Department of Textile and Clothing，Wuyi University，Jiangmen 529020，China）

The optimum process of ultrasonic treatment connected with simultaneous desizing-scouring and bleaching（SDSB）of enzyme GX-1 for cotton greige fabric is obtained on the basis of single-factor experiments and orthogonal experiment.The influences of ultrasonic treatment in SDSB process of enzymes on morphology structure，thermal performance and crystallinity of cotton fibers are analyzed through scanning electron microscope（SEM），X-ray diffraction（XRD）and thermal gravimetric analysis（TGA）.The experiment results indicate that the optimum conditions are showed as enzyme GX-1 for 4.0 g/L，30%H2O2for 16 mL/L，temperature for 70℃，time for 50 min，pH for 10-10.5，bath ratio for 1∶30，and ultrasonic power for 0.55 W/cm2.After ultrasonic treatment，the cotton fiber cell walls appear cracks and fibrous fibrillation，and the cotton fiber crystallinity decreases slightly，and the thermal stability declines.

cotton fabric；ultrasonic；enzyme GX-1；SDSB；TGA；X-ray diffraction

book=4,ebook=125

TS101.8

A

1671－024X（2010）04－0064－04

2010-04-22

陳海宏（1984—），男，碩士研究生.

趙其明（1964—），男，教授，碩士生導師．E-mail：zhqm@wyu.cn