不同处理对黄麻纤维木质素去除及织物性能的影响

董爱学，钱柿汝，范雪荣

(江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏无锡214122)

我国黄麻资源丰富，其产量占世界总产量的20%［1］。黄麻纤维具有吸湿散热性好、抗菌、抗紫外等优点，且易于生物降解，是一种生态环保型材料。黄麻面料因其抗菌性能、挺括和自然的特色深受国内外市场和消费者的青睐。从长远来看，黄麻纺织业将是极具发展潜力的生态纺织产业［2］。但由于黄麻纤维中非纤维素杂质的含量较高，纤维粗硬，弹性低，可纺性差，使得其产品的应用受到了很大限制，目前仅多用于低档纺织品，如麻袋等。为扩大黄麻应用领域，提高产品附加值，必须对其进行精炼除杂处理。

目前麻纤维的精炼国内较多采用的是以碱煮为主的化学工艺，此方法虽然时间短、速度快，但同时存在成本高、污染严重、纤维损伤等问题。近些年来，生物法及生化联合法精炼备受关注，国内外许多科技工作者也已进行了多方面的探索［3－6］。黄麻纤维是麻纤维中木质素含量最高的，木质素的存在是影响黄麻纤维性能的主要因素之一，同时也是较难被去除的一类非纤维素杂质［7］。本文研究了漆酶及与木聚糖酶、草酸铵联合处理对黄麻纤维中木质素的去除作用及其对黄麻机织布褶皱、力学性能的影响，以期为黄麻纤维的酶法精炼提供参考。

1 材料与仪器

1.1 实验材料

100%黄麻机织布 (经沤麻后成纱织造，7S/4×7S/4，常熟市奥村龙泰织造有限公司);漆酶Denilite IIS(工业品，Novozymes公司);木聚糖酶 (湖南尤特尔公司);草酸铵、浓硫酸、氢氧化钠、苯、乙醇等均为分析纯。

1.2 实验仪器

Nicolet is10傅里叶变换红外光谱仪 (赛默飞世尔科技有限公司，中国);YG(B)541D型全自动数字式织物褶皱弹性仪 (温州方圆仪器有限公司);YG(B)026D－250型电子织物强力机 (温州大学纺织标准仪器厂)。

2 实验方法

2.1 黄麻机织布化学成分含量测定

参照国家标准GB 5889－86《苎麻化学成分定量分析方法》对黄麻机织布各化学成分进行定量分析测试。

2.2 黄麻机织布处理工艺

①漆酶单独处理:反应体系为0.1 M磷酸盐缓冲液 (pH 5)，浴比20∶1，漆酶5 g/L，50℃下恒温震荡反应并维持浴比，8 h后取出布样，水洗晾干。

②木聚糖酶、漆酶联合处理:先进行木聚糖酶处理，反应体系为0.1 M醋酸缓冲液 (pH 5)，浴比20∶1，木聚糖酶5 g/L，50℃下恒温震荡反应8 h并维持浴比，然后经①步骤漆酶处理。

③草酸铵、木聚糖酶、漆酶联合处理:先进行草酸铵处理，浴比20∶1，草酸铵5 g/L，沸煮2 h，而后再经②步骤木聚糖酶、漆酶联合处理。

2.3 木质素去除率测定

参照国家标准GB 5889－86《苎麻化学成分定量分析方法》对不同处理后黄麻机织布中的木质素含量进行测试，木质素去除率为处理织物样与对照织物样木质素含量之比。

2.4 红外光谱 (FT－IR)测试

对处理前后黄麻机织布进行衰减全反射 (ATR)红外光谱扫描。扫描范围4000 cm－1－650 cm－1，扫描次数32次，分辨率4 cm－1。

2.5 织物褶皱性能测试

对处理前后黄麻机织布褶皱性能进行测试，具体方法参照国家标准GB/T 3819－1997《纺织品织物折痕回复性的测定回复角法》。

2.6 织物力学性能测试

对处理前后黄麻机织布力学性能进行测试，具体方法参照国家标准GB/T 3923.1－1997《纺织品织物拉伸性能第1部分:断裂强力和断裂伸长率条样法》。

3 结果与讨论

3.1 纯黄麻机织布纤维化学成分分析

纯黄麻机织布纤维主要化学成分含量测定结果如表1所示。

表1 黄麻纤维机织布主要化学成分含量Tab．1 Contents of main chemical components of jute fiber fabric

由表1可知，黄麻纤维机织布中的非纤维素杂质主要有脂蜡质、水溶性物质、果胶、半纤维素、木质素等。织物中残留果胶的含量并不高，影响纤维性能的非纤维素杂质主要是半纤维素和木质素，各占15%左右。为改善黄麻纤维性能，扩展其应用领域，这些杂质的去除很有必要。生物精炼的主要原理就是利用酶作用的专一性，使酶只与纤维中某一化学组分作用，并使其从混合物中脱离，而保留纤维中有用的组分［3］。

3.2 木质素去除效果分析

参考GB 5889－86，以72%浓硫酸水解法对不同处理后黄麻机织布中的木质素进行定量测定，并计算其木质素去除率，结果见表2。

表2 不同处理后黄麻机织布的木质素去除率Tab.2 Rates of delignification of jute fabric by different treatments

漆酶能够降解木质素而生成木质素的低聚物，黄麻机织布经漆酶处理后，部分木质素可被降解而去除。木聚糖酶能够水解黄麻纤维中的半纤维素，草酸铵能够去除残留的果胶，与半纤维素和果胶结合的木质素也随之从纤维上脱落下来，从而起到去木质素作用，同时使更多的木质素暴露在纤维表面，有利于漆酶的催化降解。

由表2可知，漆酶单独处理时木质素的去除程度并不高，仅有8%。联合处理可提高木质素的去除效率，其中木聚糖酶、漆酶联合处理可去除约20%木质素，草酸铵、木聚糖酶、漆酶联合处理木质素去除率可达30%。但总体来讲，两种生物酶对黄麻机织布上木质素的去除作用并不显著，这可能是由于生物酶只能作用到纤维的表面，即胞间层及初生层，对次生层无效的缘故。黄麻纤维中分布在次生层的木质素约为70%，胞间层的木质素仅占30%左右，生物酶仅能对胞间层的30%木质素起作用。Sen Gupta和Callow报道了黄麻沤麻亦只能去除初生胞壁中的木质素，并指出次生细胞壁的木质素即使是在强有机酸的作用下也不会膨胀［8］。

因此，若要更大程度地去除木质素，仍需与作用强烈的物理法 (蒸汽爆破，等离子体处理等)或化学法 (强碱、氧化剂处理等)联合处理。与纤维素酶进行联合处理也是一种可行的方法，纤维素酶能够水解黄麻中的纤维素，使木质素更多地暴露出来，这些裸露的木质素便可被漆酶催化降解进而去除［9］，但应同时控制纤维素酶的用量和作用时间，以防止纤维素过度水解，造成纤维强力严重损失。

3.3 黄麻机织布红外分析

对草酸铵、木聚糖酶、漆酶联合处理和未经处理的黄麻机织布进行衰减全反射红外光谱扫描，谱图如图1所示。参考相关文献［10］，确定了黄麻机织布红外光谱特征峰及归属，见表3。

图1 黄麻机织布对照样 (a)和处理样 (b)的衰减全反射红外光谱图Fig.1 ATR－FTIR spectra of the control(a)and the treated fabric(b)

1731 cm－1和1646 cm－1处为黄麻纤维中木质素羰基伸缩振动吸收峰，1594 cm－1和1506 cm－1处为木质素芳香族骨架振动，由图1可以看到处理后黄麻机织布吸收峰的强度均有所降低，表明经处理后黄麻机织布中木质素含量降低，这和前面木质素去除率的数据及分析结果一致。

表3 黄麻机织布的红外光谱特征吸收峰及归属Tab.3 Absorption peak assignment in FTIR spectra of jute fabric

纤维素和半纤维素中的单糖单元含有醚键，位于1242 cm－1－1031 cm－1处的C－O伸缩振动吸收峰为黄麻纤维中纤维素和半纤维素的特征吸收峰。由图1可以看到黄麻机织布经处理后此吸收峰的强度亦有微量降低，说明在处理过程中有部分半纤维素同时被除去，这是由于木聚糖酶对黄麻纤维中的半纤维素水解造成的。

3.4 黄麻机织布性能分析

对不同处理后黄麻机织布的褶皱性进行了测试，结果如图2所示。

图2 不同处理工艺后黄麻机织布的折皱回复角Fig.2 Fold resilience of jute fabric via different treatments

由图2可知，未经处理的黄麻机织布褶皱性较差，经不同处理后其折皱回复角均有不同程度的提高，其中以草酸铵、木聚糖酶、漆酶联合处理效果最好。

对不同处理后黄麻机织布的力学性能进行了测试，结果如图3和图4所示。

图3 不同处理工艺后黄麻机织布的断裂强力Fig.3 Breaking strength of jute fabric via different treatments

图4 不同处理工艺后黄麻机织布的断裂伸长率Fig.4 Breaking elongation of jute fabric via different treatments

由图3和图4可知，未经处理的黄麻机织布断裂强力高，纤维模量大，且断裂伸长率低，弹性差。经漆酶单独处理后，织物断裂强力有微量增加，断裂伸长率显著提高，在未降低纤维强力的情况下改善了其柔韧性。这可能是由于漆酶对木质素的降解聚合两方面作用引起的，纤维上未被漆酶去除掉的木质素其聚合度得到进一步提高，从而使纤维强力、弹性同时提升。木聚糖酶、漆酶联合处理和草酸铵、木聚糖酶、漆酶联合处理因对木质素和半纤维素等杂质去除较多，导致纤维强力下降，草酸铵、木聚糖酶、漆酶联合处理的黄麻机织布断裂强力已不足原麻一半。两种联合处理的黄麻机织布在强力下降的同时，断裂伸长有所增加，但不及漆酶单独处理的效果。

4 结论

漆酶单一处理仅能去除少量的木质素，联合处理可提高木质素的去除效率，以草酸铵、木聚糖酶、漆酶联合处理效果最好，去除率可达30%。

在ATR红外谱图中，草酸铵、木聚糖酶、漆酶联合处理后的黄麻机织布较未处理织物在1594 cm－1、1506 cm－1和1424 cm－1处的木质素芳香族特征吸收峰，1731 cm－1和 1646 cm－1处的木质素羰基特征吸收峰以及1242 cm－1－1031 cm－1处的半纤维素醚键特征吸收峰均有减弱，说明经草酸铵、木聚糖酶、漆酶联合处理后黄麻织物纤维表面木质素和半纤维素含量降低。

经处理后黄麻机织布折皱回复角提高，其中草酸铵、木聚糖酶、漆酶联合处理褶皱回复性最佳。漆酶单独处理后黄麻机织布断裂强力和断裂延伸率均提高，联合处理后断裂强力降低，断裂延伸率提高。

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