对环境友好的羊毛表面改性技术研究

【摘要】： 作为结构最复杂的天然纤维之一，羊毛表面有鳞片覆盖，导致羊毛染色和化学处理的困难以及毡缩倾向。以氯化试剂剥除羊毛鳞片的方法是一种较好的羊毛表面变性处理方法，并被广泛的应用于实践之中。然而现代研究表明，在羊毛氯化加工过程中会产生污染环境的可吸收的有机卤化物(简称AOX)。所以研究和开发一代环境友好的羊毛变性技术对纺织工业生产和环境保护均有特殊的意义。物理变性技术的应用期待可以减少印染废水排放、缩短工艺流程，减少化学药剂用量和提高染色牢度，是减少印染污染的一种重要手段。本研究特别讨论了紫外线辐射和等离子体技术两种物理方法对羊毛的作用效果以及在羊毛变性处理方面的应用潜力。 本研究采用自行设计的紫外线辐射装置对羊毛进行紫外线照射处理，照射时间分别为40分钟和60分钟。通过X射线光电子能谱仪分析了处理前后羊毛纤维表面的化学变化，并在45℃，50℃，55℃和60℃等温度下染色以研究紫外线处理对羊毛染色性能的影响，测试了未处理和经紫外线照射处理的羊毛的毡缩率和紫外线照射作为蛋白酶减量预处理的效果。研究结果表明紫外线处理使羊毛纤维鳞片表层的胱氨酸氧化，二硫键断裂，但短时间的紫外线处理(60分钟)带来的化学改变仅局限于羊毛纤维的表面，纤维整体性能不受影响。紫外线辐射处理改善了羊毛纤维的染色性能。在研究了处理前后纤维的染色吸附和扩散性能后，发现处理后纤维染色扩散系数提高，染色吸附性能不变。紫外线辐射处理不影响毛织物的毡缩性能，但作为蛋白酶变性处理的预处理可以明显改善毛织物的抗起球性能。此外紫外线照射导致的织物泛黄很容易通过漂白去除，不会影响织物的服用性能和质量。 在低温等离子体技术研究中，采用辉光放电方式的氧气等离子体对羊毛分别处理1、2、3、5、10和15分钟，分析了处理前后纤维表面元素组成的变化，测试了处理前后织物的润湿时间、弯曲刚度、断裂强力、面积收缩率和碱溶解度以及纤维对染料的吸附性能、扩散系数和定向摩擦效应等指标。研究结果表明低温氧等离子体处理使羊毛纤维表层的脂肪酸分子链断裂，并形成新的含氧极性基团，增加了纤维表面的亲水性，润湿时间显著缩短。此外，低温氧等离子体处理导致鳞片表层胱氨酸的部分二硫键氧化并断裂。实验证实了等离子体处理可以破坏羊毛纤维染色的初始壁障。等离子体处理明显改善了羊毛纤维的染色性能和织物的防毡缩性能。由于物理刻蚀作用，等离子体处理可以增强纤维间抱合力，提高织物经向、纬向的断裂强力。低温等离子体处理只作用于羊毛纤维表面，羊毛纤维原有的优点近乎不变。 生物酶羊毛减量技术以其高效和环境友好的特点成为本课题研究的另一个重点。在国内外学者研究成果的基础上，本研究认为羊毛鳞片表层致密的二硫键交联不仅导致染料向纤维内部扩散困难，也使分子量很大的蛋白酶难以在鳞片层内扩散和发生催化作 摘要 用。基于以上认识，本研究在对低温染色有效的氨－盐预处理的基础上，采用过硫酸钠 氧化，亚硫酸氢钠还原和蛋白酶减量的联合处理，测试了处理前后羊毛试样的上染率。 减重率和面积收缩率，并利用正交表对相关处理条件进行优化。实验结果表明，优化的 氨－盐及蛋白酶联合处理工艺，可以适度地剥除羊毛表面的鳞片，同时达到羊毛低温染 色和防缩整理的双重目的。处理后的羊毛针织物甚至能够满足苛刻的机可洗要求，并且 从根本上摆脱了氯化试剂，避免了AOX对环境的污染。此外，以往的研究认为蛋白酶作 用是在氧化或还原预处理的基础上进行的。本研究则在实验中观察到了蛋白酶可以利用 羊毛在后续加工中产生的鳞片表面破损，对羊毛造成不均匀损伤的现象，从新的角度解 释了酶的不均匀作用。另外，本研究还在培养和开发专门作用于羊毛鳞片的新酶种方面 进行了尝试。 本文首次提出并讨论了应用非线性数学的分形理论研究处理前后羊毛鳞片形态变 化的问题，并通过计算给出了羊毛鳞片分形的尺度范围。针对鳞片的多阶分维数计算， 即同时提取鳞片的边缘曲线（一阶）的分维数dB （，2人 和表面形貌（h阶）分维数 D日门，3人 本研究采用了盒子维和离散分形布朗随机场的维数算法，利用计算机的图 像系统编程进行自动计算。本研究计算并比较了紫外线照射，等离子体处理、氨－盐预 处理、蛋白酶减量以及DCCA处理等不同处理方式的鳞片的分维数，并就各种处理的 鳞片分维数的变化与羊毛染色和毡缩等性能变化的联系进行了阐述。羊毛鳞片维数的建 立使以往对鳞片图形的定性描述变为定量的描述，为使用数学方法科学的解释各种处理 导致鳞片的变化及其内在规律打下基础。