等离子体协同纤维素酶对亚麻织物性能的影响

孙 丽，王秋红

(大连工业大学 纺织与材料工程学院，辽宁 大连 116034)

0 引 言

亚麻是一种重要的纺织用纤维，因其独特的纤维结构，致使其染色性能较差，这严重制约着高档亚麻产品的开发[1]。而天然染料也存在着上染率低、色牢度差等问题，使得天然染料上染亚麻织物更是难上加难。因此，改善亚麻织物基于天然染料染色性能的研究具有非常重要的意义。等离子体对纺织材料的作用只发生在其表面，不但不会影响材料的自身性质，而且低碳、环保[2－6]。而纤维素酶作为一种水解酶，通过对天然纤维素的降解和水解，不仅可以改善纤维表面光洁度，使纤维变得柔软，并且能够在一定程度上提高亚麻织物的吸湿渗透性[7－10]。因此，这两种纤维表面处理技术是实现纺织面料纯天然化、开发“绿色纺织品”的重要途径。

本文主要研究和比较了纤维素酶前处理和等离子体处理以及纤维素酶协同等离子体处理对亚麻织物基于天然苏木染料染色后亚麻试样的物理机械性能和染色性能的影响。

1 实 验

1.1 试样与试剂

亚麻坯布，市购；苏木，市购；纤维素酶；渗透剂JFC；平平加O；冰醋酸，分析纯；氢氧化钠。

1.2 仪器设备

低温等离子体改性实验仪，上海市纺织科学研究院与大连工业大学联合研制；扫描电镜，JSM－6460LV，日本电子公司；可见光分光光度计，V－5000，上海元新仪器有限公司；分光测色计，CM－3600d，KONICA MINOLTA SENSING，INC；电子织物强力试验仪，YG065，莱州市电子仪器厂；电脑式透气性测试仪，YG461E，宁波纺织仪器厂；电脑控制硬挺度仪，LLY－01B，莱州市电子仪器有限公司；电子天平，PB203－N，上海天平仪器厂；纺织品摩擦色牢度仪，Y571w，无锡纺织机械厂；耐洗色牢度试验机，SW－8A，无锡纺织机械厂；数显恒温水浴锅，奥特温度仪器厂。

1.3 实验方法

1.3.1 低温等离子体处理工艺

低温等离子体改性实验仪所采用的电极为25cm×25cm长方形325＃筛网电极，板间距可在0～10mm调节。两块电极均嵌入厚度为6mm的玻璃阻挡介质中。对织物进行表面改性处理时直接将样品水平放在下端阻挡介质的表面，设定好处理参数后开始放电，处理一定时间后，停止放电，取出样品。

1.3.2 染色工艺

染料采用苏木提取液。浴比1∶50，pH为6，JFC 2g／L，平平加 O 2%(o.m.f.)，40 ℃始染，升温至90℃，保温60min，染完后充分水洗，烘干。

1.3.3 纤维素酶前处理工艺

纤维素酶处理亚麻织物合理的工艺条件为：纤维素酶用量2g／L，温度55℃，时间90min，pH 5.5，浴比1∶25。

1.3.4 扫描电镜分析

采用JSM－6460LV型扫描电镜观察经纤维素酶、等离子体处理以及等离子体与纤维素酶协同处理后的亚麻试样表面形貌的变化。

1.3.5 上染率

对处理后的亚麻织物进行染色，测定染色前后染液的光密度，根据公式计算上染率。

式中：K为上染百分率；m、n为染色前后染液稀释倍数；A0、A1为染色前后染液m／n倍后的光密度。

1.3.6 色差分析

本研究染色织物的色度指标采用CM－3600d分光测色计进行测定，通过分光测色计测定染色布样的亮度值L＊；色度a＊(代表偏红或偏绿值大小，＋a＊：偏红；－a＊：偏绿)，b＊(代表偏黄或偏蓝值大小，＋b＊：偏黄；－b＊：偏蓝)；以未经染色的本白布样作为参比试样，c＊(代表彩度值)，并由分光测色计自动计算出综合色差ΔE。

1.3.7 拉伸性能测定

采用YG065型电子织物强力试验仪进行测试，参照标准为GB／T 3923.2—1998。

1.3.8 透气性测定

采用YG461E型电脑式透气性测试仪测试织物的透气性，采用15cm×15cm布样进行透气率测试。测试标准为GB／T 5453—1997。

1.3.9 刚柔性测定

采用LLY－01B型电脑控制硬挺度仪测定亚麻织物刚柔性，参照标准为 GB／T 7689.4—2001。

1.3.10 色牢度检测

染色织物的摩擦、皂洗牢度分别按GB 251—1995、GB 250—1995进行测定。

2 结果与讨论

2.1 等离子体处理对亚麻织物染色性能的影响

2.1.1 真空度对亚麻织物染色性能的影响

在低温等离子体处理工艺为放电功率70W、处理时间120s、极间距离3mm的条件下，改变不同的真空度条件，探讨等离子体真空度对亚麻织物上染率和色差值的影响，其结果如图1所示。从图1可以看出，上染百分率和色差值首先随真空度的增加而增大，至0.02MPa后逐渐随真空度的增加而呈下降的趋势。当真空度为0.02MPa时，上染百分率和色差值达到最大值。这可能是因为当真空度过低，低温等离子体活性粒子相互碰撞的机会增多，同时能量损耗相对增多，不利于活性基团和亲水基团的生成。然而当真空度过高时，等离子体产生的活性粒子会相对越少，造成纤维表面受到活性粒子轰击的次数也相对越少，不利于活性基团的生成，造成亚麻纤维与染料的亲和力下降。故等离子体真空度选择0.02MPa为宜。

图1 等离子体真空度与上染率和色差值的关系Fig.1 Relation between vacuum degree and dyeuptake percentage and color difference

2.1.2 放电功率对亚麻织物染色性能的影响

在低温等离子体处理工艺为真空度0.02MPa、处理时间120s、极间距离3mm的条件下，改变不同的放电功率处理条件，探讨等离子体功率对亚麻织物上染率和色差值的影响，其结果如图2所示。

图2 等离子体放电功率与上染率和色差值的关系曲线Fig.2 Relation between power and dye－uptake percentage and color difference

由图2可知，等离子体放电功率对亚麻织物上染百分率和色差值会产生一定影响。随着放电功率的增加，上染率和色差值先增加后减小。这主要是由于随着放电功率的增加，等离子体能够引发的高速粒子数量增多，能量也越大，对纤维表面的轰击和刻蚀作用加重，结晶度下降，有利于染料的上染，所以染色后的织物颜色较深，即色差值较大。但是放电功率过高时，产生活性粒子的数量增多，相对碰撞的几率增大，能量损耗相对增多，不利于活性基团的生成，导致染料上染亚麻织物较困难。所以，最佳的放电功率为90W。

2.1.3 等离子体处理时间对亚麻织物染色性能的影响

在低温等离子体处理工艺为真空度0.02MPa、放电功率90W、极间距离3mm的条件下，改变不同的放电时间处理条件，探讨等离子体处理时间对亚麻织物上染率和色差值的影响，其结果如图3所示。从图3可以看出，在一定范围内，上染率和色差值随着等离子体处理时间的增加而增大，但当时间增加到3min时，上染率和色差值达到最大值，分别为19.10%和40.76。这是由于亚麻织物经一定时间作用后，在其表面产生大量活性自由基，在空气中发生氧化反应，导入羟基、过氧基、羧基等一系列亲水基团，提高了织物的亲水性能，促使染料大分子易于进入纤维内部。然而随着处理时间的增加，上染率和色差值逐渐下降，最终达到平衡。这是因为等离子体处理随着时间的增加，在反应后期刻蚀速度大于自由基的生成速率，自由基的数量逐渐减小，亚麻纤维的无定形区遭到破坏，在一定程度上影响亚麻织物的染色性能。综上所述，等离子体处理的最佳时间为3min。

综上所述，低温等离子体改性实验最佳处理工艺条件为真空度0.02MPa、功率90W、处理时间3min。

图3 等离子体处理时间与上染率和色差值的关系曲线Fig.3 Relation between time and dye－uptake percentage and color difference

2.2 等离子体与纤维素酶联合处理工艺对亚麻

织物性能的影响

2.2.1 扫描电镜分析

亚麻织物经纤维素酶、纤维素酶与低温等离子体协同处理可以引起亚麻织物表面形态的变化，采用扫描电镜研究亚麻表面形态的变化，如图4所示。从图4中可以观察出，经纤维素酶处理的亚麻试样，纤维表面的大部分杂质被去除；而经过等离子体和纤维素酶协同处理的亚麻试样，其表面的杂质被很好地去除掉，纤维束较清晰，纤维之间的分离度明显改善，但是，亚麻试样在协同处理的过程中也受到了轻微的损伤，数纤维表面有些单纤维脱离出来，这会使织物的强力受到一些影响。同时可以观察发现，亚麻试样表面还形成一些微小的凹坑，使得纤维表面的粗糙度增加，有利于水分子在亚麻表面吸附，改善亚麻的吸湿渗透性能。

图4 亚麻表面形态比较Fig.4 SEM images of linen fabric

2.2.2 织物拉伸性能的变化

亚麻织物拉伸性能的变化见表1。从表1可以看出，经等离子体和纤维素酶协同处理的亚麻织物强力下降的较明显，这是由于织物表面被等离子体高能粒子撞击而刻蚀，同时织物表面被引入亲水性基团，织物润湿性提高，利于酶分子进入纤维内部，与纤维充分作用，增大了纤维素的无定形区，导致试样的强力下降。

表1 织物拉伸性能测试Tab.1 Test results of tensile properties

2.2.3 织物透气性、硬挺度的变化

织物透气性和硬挺度的测试结果见表2。由表2可知，等离子体与纤维素酶协同处理的亚麻织物透气性较好，而抗弯刚度和弯曲长度变小，说明协同处理后的亚麻试样柔软性变好。这是因为织物表面被等离子体高能粒子撞击而刻蚀，引入部分自由基和含氧基团，酶分子更容易进入到纤维内部与纤维发生作用，同时经等离子体作用，可降低亚麻织物表面的结晶度。而纤维素酶处理可使纤维表面部分剥蚀，等离子体产生的活性粒子更容易进入纤维内部，协同作用效果显著。

表2 织物透气性和硬挺度测试Tab.2 Test results of permeability and stiffness

2.2.4 上染率和色差分析

由表3可见，经过低温等离子体和纤维素酶联合处理后的亚麻织物的染色性能优于其他处理条件下的亚麻织物。大分子的纤维素酶不易渗入到纤维内部，只能攻击存在于结晶表面的、可接近的链端。而等离子体可使纤维表面产生许多裂纹，能够提高结晶区的可接近性。用等离子体作为前处理可提高纤维素酶处理的效果，并进一步改进纤维的特性。而纤维素酶处理可使纤维表面部分剥蚀，等离子体产生的高能粒子更容易进入纤维内部和接触更大的纤维面积，容易使酶与亚麻作用。同时经等离子体处理后的亚麻织物受到高能活性粒子的作用，增大了染料与纤维之间的作用力，有利于染料上染亚麻织物。

表3 上染百分率和染色色差值的对比Tab.3 Comparison of dye－uptake percentage and color difference

2.2.5 色牢度分析

由表4所示，经过低温等离子体和纤维素酶协同处理的亚麻织物的摩擦牢度和耐皂洗牢度均优于其他处理条件下的亚麻织物，协同作用效果较明显，易于染料更好地吸附在织物表面。

表4 染色牢度对比Tab.4 Comparison of linen fabrics′fastness

3 结 论

低温等离子体对亚麻织物天然苏木染料染色性能有一定的影响，最佳的等离子体处理工艺为真空度0.02MPa、功率90W、处理时间3min。等离子体与纤维素酶协同处理对亚麻织物苏木染料的染色性能优于单独使用等离子体或酶处理工艺，并且其摩擦牢度和耐皂洗牢度均比未处理和单独使用等离子体和酶处理工艺的亚麻织物高1级左右。等离子体与纤维素酶协同处理后的亚麻织物的拉伸性能指标有所下降，但是透气性和柔软性优于未处理的亚麻织物以及单独使用等离子体或纤维素酶处理工艺的亚麻织物。

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