棉织物表面色泽类污渍清洗效果影响因素研究

曹雪娇, 何 涛, 常付荣, 凌 雪, 韦玉辉,3

(1.安徽工程大学 纺织服装学院, 安徽 芜湖 241000; 2. 浙江理工大学 纺织科学与工程学院(国际丝绸学院),浙江 杭州 310018; 3.安徽苏立科技股份有限公司, 安徽 芜湖 241000)

棉织物以优良的服用性能成为最常用的面料之一,广泛用于服装面料、装饰织物和产业用织物。然而,良好的吸湿性使得棉织物很容易沾染环境中的液态污渍,水分蒸发后,污渍含有的色素会沉积在织物上改变织物原有的色泽,使其外观受到影响,降低棉织物的服用性能[1-3]。目前,对棉织物的研究主要集中在功能改性、纤维复合、染色固色、功能整理等方面[4-6],而关于棉织物表面色泽类污渍的吸附脱附、洗护处理等方面的研究报道甚少。对于污渍,血渍与药渍污染棉织物后易形成顽固性污渍,难以洗净,极大地影响织物的服用性能及使用寿命,因此,本文选择这两种污渍开展研究。

为探究棉织物表面色泽类污渍清洗效果的影响因素,本文从洗涤剂与洗涤方式两个方面来开展系统研究。在洗涤剂方面,选择一种非离子表面活性剂、两种阴离子表面活性剂[7]做主洗剂,四种生物酶[8, 9]作为辅助成分;在洗涤方式方面,引入超声波与微纳米气泡[10]两种新型洗涤方式。

1 实验

1.1 实验材料与仪器

1.1.1 实验材料

织物:全棉平纹机织物,克重为190 g/m2,厚度为0.37 mm,密度为240×260根/10cm。

污渍:人工血液(红色,工业级,东莞市创峰自动化科技有限公司);板蓝根冲剂(棕色,食品级,阿里健康大药房)

药品:经调研与文献收集(文献[11]-文献[13]),确定了洗涤剂的主要成分见表1。

表1 洗涤剂的主要成分

1.1.2 实验仪器

YH-C30001高精度电子天平(三丰精密量仪(广东)有限公司)、SHA-BA水浴恒温振荡器(常州市国旺仪器制造有限公司)、WSB-3A智能数字白度测试仪(温州百恩仪器有限公司)、DF101S磁力搅拌器(上海予英仪器有限公司)、VGT-1860QTD超声波清洗机(深圳市春霖超声波科技有限公司)、LX-Q6824微纳米气泡(重庆鑫乡科技有限公司)、家用涡轮洗涤器、SEM3200电镜扫描仪(国仪量子技术股份有限公司)。

1.2 实验过程

1.2.1 污渍布的制备

红色污染液的制备:将人工血液与去离子水按照1:2比例混合制成血渍污染液。

棕色污染液的制备:将板蓝根冲剂与100 ℃热水按照1:20比例混合并搅拌至完全溶解得到药渍污染液。

污渍布的制备:常温条件下, 将不锈钢托盘放置在水平工作台上,倒入配制好的污染液,戴上手套, 把试样放入污染液中至完全浸没。浸泡10 min后取出,自然晾干即可。

1.2.2 洗涤剂的配制

将一定量的纯净水加入烧杯,并置于水浴锅中,在60～65 ℃温度下不断搅拌,并逐步加入表面活性剂(酶与烷基酚聚氧乙烯醚OP-10须冷却至室温后添加)等成分,待一种成分全部溶解后再加入其他成分,直至所有成分溶解。配制完成后测定溶液PH是否为中性,若是,则将其转移至离心管中并置于无光、阴凉处保存;若不是,则利用柠檬酸钠调整,直至为中性。最终配置的洗涤剂中表面活性剂含量为20%、助剂含量为5%、酶含量为1 000 μ/g、其他组分总含量小于5%。

1.2.3 清洗实验

本文选择不同的洗涤方式、洗涤剂配方做单因素实验。单因素实验具体变量设计如表2所示。

表2 单因素实验变量表

针对每种污染布,先进行洗涤剂配方的单因素实验(洗涤方式预设为a,温度为40 ℃,转速为1 000 r/min,主洗次数为1次,主洗时间为30 min,主洗浴比为1:10,洗涤剂用量为1 g/L,漂洗次数为2次,漂洗浴比为1:30[14]),以获得不同污渍对应的清洗效果最好的洗涤剂配方。之后,再进行洗涤方式的单因素实验(超声波为40 khz,微纳米气泡泡量为25 mg/L,其余条件与洗涤剂配方的单因素实验相同[10]),获得不同污渍对应的洗涤效果最好的洗涤方式。

1.3 测评指标

1.3.1 洗净率

采用白度测试仪对污染布洗涤前后的白度进行测试,并利用公式(1)计算洗净率:

(1)

式中:R0为标准白布污染前的反射率;R为洗涤前污染布的反射率;R1为洗涤后污染布的反射率。

1.3.2 磨损率

通过高倍摄像机拍摄洗涤后织物的表面,以判断磨损程度。

1.3.3 形貌特征

采用SEM3200电镜扫描仪对洗涤前后面料的形貌特征进行观测,对比分析织物的形态变化。

2 实验结果与讨论

2.1 洗净率

图1所示为不同洗涤剂配方对两种污染布洗净率影响的实验结果,其中A、B、C三组为单一的表面活性剂加助剂配方,后六组为表面活性剂加酶复配配方,具体详见表2。

图1 洗涤剂配方的清洗效果

由图1可知,对于红色血渍来说,加酶的洗涤剂配方表现较好,除E外均高于前三组单一配方;对于棕色药渍而言,配方D、E洗净率较高,F表现最佳,G、H、I的洗净效果与单一表面活性剂加助剂配方相比基本持平仅略有提升。整体而言,无论是红色血渍还是棕色药渍,配方F的洗净率均最好,配方D次之。这说明,对于红色血渍,从单一表面活性剂加助剂配方来看,非离子表面活性剂比阴离子表面活性剂去污能力强;从复配酶之后的配方(D、H、I)来看,去污能力依次为十二烷基苯磺酸钠LAS>非离子表面活性剂>脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠AES;在以非离子表面活性剂做主洗剂的含酶配方(D、E、F、G)中,洗净率依次为脂肪酶>碱性蛋白酶>纤维素酶>菠萝蛋白酶。原因可能是,所用血渍材料为人工合成血液,含有大量的染料及表面活性剂,从实验结果可推测,十二烷基苯磺酸钠LAS与异构醇醚对该类染料及表面活性剂有较好的乳化、溶解效果,同时脂肪酶以及碱性蛋白酶会与合成血液中的表面活性剂产生较为强烈的化学反应,从而促进红色血渍的去除。对于棕色药渍,从单一表面活性剂加助剂配方来看,非离子表面活性剂与十二烷基苯磺酸钠LAS的去污能力基本持平,均强于脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠AES;从复配酶之后的配方(D、H、I)来看,去污能力大小依次为非离子表面活性剂>十二烷基苯磺酸钠LAS>脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠AES;在以非离子表面活性剂做主洗剂的含酶配方(D、E、F、G)中,洗净率大小依次为脂肪酶>碱性蛋白酶>菠萝蛋白酶>纤维素酶。主要原因是,所用药渍材料为板蓝根颗粒,非离子表面活性剂对板蓝根颗粒中的有机酸类(棕榈酸、苯甲酸等)、含硫类化合物(告依春、表告依春等)以及芥子苷类化合物有较为不错的清洗效果,脂肪酶除能促进表面活性剂起作用外还能对板蓝根颗粒中的吲哚类与喹唑类化合物起到针对性清洗作用,故整体的洗净率较为不错。

图2所示为不同洗涤方式对两种污染布洗净率效果影响的实验结果,洗涤配方选用清洗效果最佳的配方F,其中a为洗衣机,b为微纳米气泡,c为超声波,d为洗衣机+微纳米气泡,e为洗衣机+超声波,详见表2。

图2 洗涤方式的清洗效果

由图2可知,对于红色血渍,洗净率大小依次为d(洗衣机+微纳米气泡)>a(洗衣机)>e(洗衣机+超声波)>c(超声波)>b(微纳米气泡),其中a、d、e相差不大,b效果最差,表明仅使用洗衣机依靠机械搅拌力可以达到不错的去除红色血渍的效果,但是在有条件的情况下建议使用微纳米气泡作为辅助方式。对于棕色药渍,洗净情况有较为明显的梯度差异,洗净率依次为d(洗衣机+微纳米气泡)>a(洗衣机)>c(超声波)>e(洗衣机+超声波)>b(微纳米气泡), 其中方式d最为突出,洗净率可达94.85%,而方式b仅有36.67%,洗净率最低,表明单独使用微纳米气泡不利于衣物洗净。主要原因是,洗衣机可以提供较为合适的机械搅拌力,微纳米气泡是通过物理手段在水中产生大量微小气泡以及负氧离子,其气泡由于小尺寸优势,浮力更小,上升速度缓慢,可在水中持续存在,负氧离子能与表现为电正性的污渍结合。超声波是通过空化效应对织物表面和狭缝中的污渍起作用。鉴于上述原理,方式d(洗衣机+微纳米气泡)中洗衣机提供了强烈的机械搅拌力,微纳米气泡又产生了大量持续的微小气泡深入织物,且其产生的负氧离子能够与污渍中的正电荷结合,从而加速了去污过程,达到更好的洗净效果,所以相对于其他洗涤方式,方式d的洗涤效果最好。

2.2 磨损程度

图3所示为不同洗涤配方、洗涤方式下的两种污染织物的磨损程度图片。对于洗涤剂配方,由图3(a)可知,在仅有单一表面活性剂加助剂(配方A、B、C)时,经含脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠AES的配方C洗后织物的磨损程度最小,布样完整性最好,复配酶(配方D、H、I)之后,经含十二烷基苯磺酸钠LAS的配方H洗后织物的磨损程度最小;以非离子表面活性剂做主洗剂的含酶配方(D、E、F、G)中,经含脂肪酶的配方F洗后织物的磨损程度最低。结合2.1洗净率的讨论可知,在四种酶中,脂肪酶对红色血渍洗净效果最好,且洗后织物的受损程度最低,更适用于洗涤红色血渍。就洗涤方式而言,由图3(a)可知,利用微纳米气泡与洗衣机+微纳米气泡两种方式洗后织物的磨损程度较小。主要原因是,微纳米气泡在水中收缩到10 μm以下会受压爆裂,瞬间产生高温高压,释放爆裂能量,使活性氧分子溶解于水,而且由于其小尺寸的优势,浮力更小,上升速度缓慢,可以在水中持续存在,期间仅产生较弱的振动效果,故而对织物的伤害较小,并且在一定程度上还可以缓解由于洗衣机强烈的机械搅拌力带来的损伤;而洗衣机、超声波及洗衣机+超声波的洗涤方式不仅有较为强烈的机械搅拌力,而且超声波的振荡会引起水流的剧烈冲刷,进而使得织物磨损程度进一步加大。结合2.1洗净率的讨论可知,洗衣机+微纳米气泡的洗涤方式不仅可以达到优秀的去污效果,而且对织物仅产生较小的损伤,是很好的洗涤组合方式,有条件的情况下建议二者配合使用。

(a)血渍织物

对于洗涤剂配方,由图3(b)可知,经单一表面活性剂加助剂(配方A、B、C)以及复配酶配方(配方D、H、I)洗涤之后发现,经含十二烷基苯磺酸钠LAS配方洗后织物的磨损程度均最小,布样完整性最好;在以非离子表面活性剂做主洗剂的含酶配方(配方D、E、F、G)中,经含纤维素酶的配方G洗后织物的磨损程度最低。结合2.1洗净率的讨论,原因可能是纤维素酶仅作用于纤维素,而药渍中纤维素含量不高,故该酶对此种污渍不起作用,最终表现为洗净率较低但织物受损较小。对于洗涤方式,由图3(b)可知,实验结果与红色血渍的表现基本一致,但是微纳米气泡洗涤方式的优势在该种污渍上表现更为突出,洗衣机+微纳米气泡方式不仅明显缓解了洗衣机带来的损伤,更是大幅提高了洗净率。

2.3 形貌特征

表3所示为洗涤前后污染织物的形貌特征观测结果。由表3可知,污渍被织物吸附后(污染布一列),纤维有一定损伤,放大100倍时可以看到纤维经纬交织处排列凌乱,部分区域可见明显颗状污渍,放大到500倍时可以看到血渍污染织物的纤维严重受损,纤维表面不仅大量聚集着絮状污渍且可见明显纤维断头,药渍污染织物上也可见明显污渍颗粒藏于纤维组织表面及缝隙处;通过最佳洗涤配方与洗涤方式清洗后,在宏观图片中,有着肉眼可见的优异清洗效果,在放大100倍的微观形貌上,可看见洗后纤维排列整齐度大幅提升,放大500倍,可见吸附后的污渍颗粒均被清除,纤维毛糙程度有所改善。这说明,经最佳洗涤配方与洗涤方式组合清洗后,血渍与药渍可被有效去除且纤维损伤情况(整齐度、表面毛糙程度)有所改善,说明织物通过该组合清洗后可以得到较好保护。

表3 形貌特征观测结果

3 结论

通过洗涤方式(洗衣机、微纳米气泡、超声波、洗衣机+微纳米气泡、洗衣机+超声波)、洗涤剂配方(表面活性剂、酶、助剂)的单因素实验,系统探究了其对棉织物表面色泽类污渍(红色血渍、棕色药渍)清洗效果的影响。针对红色血渍,非离子表面活性剂去污能力优于阴离子表面活性剂,然而复配酶之后十二烷基苯磺酸钠LAS的表现优于非离子表面活性剂,所以在制作血污洗涤剂时可以根据需要选择不同的表面活性剂来达到更好的去污效果;针对棕色药渍,复配酶前后,非离子表面活性剂均优于阴离子表面活性剂,说明非离子表面活性剂在去除药渍时更有优势;实验所用两种污渍均对脂肪酶更加敏感,在配制加酶洗涤剂时可优先考虑脂肪酶;洗衣机+微纳米气泡的洗涤方式在多种方式中表现突出,除能高效去污外还能在一定程度上改善污染后受损的织物;最优洗涤剂配方与洗涤方式组合,可以针对不同色泽污渍进行高效去污并有效降低织物损伤。本研究可为洗涤剂研发提供理论依据,也可为洗衣机制造商开发更优洗涤模式提供技术参考。