棉织带丝素蛋白丝质化后处理工艺

范小红 徐国平 刘玉 唐三湘

摘 要：为进一步提高传统棉织物产品高端化应用，以桑蚕丝下脚料为原料来提取丝素蛋白，并配制成混合水溶液，再以浸轧的方式将其附着在棉织带表面。采用正交试验方法对浸轧工艺参数进行优化设计，并通过扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）对丝素在棉织带的表面及截面形貌进行分析，考察丝素附着形态。结果表明，最佳浸轧工艺参数为：丝素蛋白溶液质量分数7%，浸轧温度80 ℃，浸轧压力0.2 MPa。丝素蛋白通过浸轧方式附着于织带表面及部分渗入棉织带内部。

关键词：丝素蛋白;棉织带;正交试验;浸轧工艺;形态特征

中图分类号：TS195.6

文献标志码：A

文章編号：1009-265X（2020）02-0076-04

Abstract：To further improve the application of traditional cotton fabrics in high-end fields， silk fibroin was extracted from mulberry offcut， made into blended aqueous solution， and then adhered onto the surface of cotton fabric with padding technique.The technology parameters of padding were optimized with orthogonal experimental design.The surface and sectional morphologies of fibroin on cotton ribbon were analyzed with scanning electron microscope （SEM） and energy disperse spectroscopy （EDS） to study the adhering morphology of fibroin.It was found that the optimum padding technology parameters were as follows： 7% of silk fibroin solution mass fraction， 80 ℃ of padding temperature， and 0.2 MPa of padding pressure.Silk fibroin was adhered to the surface of cotton ribbon by padding and partially infiltrate into the ribbon.

Key words：silk fibroin; cotton ribbon; orthogonal test; padding technique; morphological characteristics

天然桑蚕丝主要由丝素蛋白和丝胶构成。中国是桑蚕丝生产和应用大国，在生产桑蚕丝过程中会产生较多下脚料和废弃物，提取丝素蛋白的来源广，且可对其进行回收利用。丝素与人体具有良好的亲和性，是一种天然的“绿色整理剂”，可用其对织物进行整理以赋予产品亲肤、贴身的功效[1-2]。而棉织物作为一种传统纺织产品，广受消费者喜爱，但棉织物本身固有的耐磨性、弹性差等缺点限制了其作为高端产品开发与应用的范围。有研究表明，丝素整理后的棉织物抗皱性，耐磨性能得到一定的改善[3]。目前，研究人员正尝试通过改善或赋予棉织物一定功能，期望扩大其产品高端化应用[4-7]。因此，如何将棉制品与丝素蛋白有效地结合是一项值得研究的课题。

本研究以桑蚕丝下脚料为原料，经脱胶，溶解，提纯制备丝素蛋白粉，配制成丝素蛋白溶液。采用浸轧的方式将丝素蛋白溶液整理到棉织带上，并以增重率作为评判指标，同时研究丝素在织带上的分布情况，对浸轧工艺进行优化设计，得出最佳工艺参数。将纯棉织带的天然优点与丝素蛋白具有的人体亲和性进行结合，为产品升级、提高附加值提供参考。

1 实 验

1.1 材料与设备

1.1.1 实验材料

桑蚕丝、棉织带（宽2.5 cm）（浙江三鼎织造有限公司）;去离子水（实验室自制）;氯化钙、碳酸钙、乙醇（杭州高晶精细化工有限公司）;聚乙二醇（上海麦克林生化科技有限公司）;透析袋（杭州米克化工）。

1.1.2 实验仪器与设备

DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器（杭州惠创仪器设备有限公司）;SPS401F型电子分析天平（奥豪斯仪器（上海）有限公司）;9070A型电热鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）;QZR-5型喷雾干燥器（无锡市林洲干燥设备有限公司）;P-AO型轧车（绍兴鸿靖纺织机械设备有限公司）;JSM-5610LV型扫描电镜、INCA能谱仪（JEOL）。

1.2 丝素蛋白溶液的制备

称取20 g桑蚕丝与20 g透明皂，量取1 000 mL去离子水，在98 ℃的恒温水浴锅中煮50 min脱胶，重复清洗2次后烘干。将脱胶后的丝素放入摩尔比为1∶2∶8的CaCl2/C2H5OH/H2O混合溶液中，在75 ℃下溶解2 h，然后将丝素蛋白溶液冷却后抽气过滤去除不溶物，放入透析袋中透析72 h后，过滤去除溶液中的杂质，得到纯净的丝素蛋白水溶液，将上述溶液放置在进风温度195 ℃，出风温度80 ℃下进行喷雾干燥，即制成丝素蛋白粉[8]。将丝素蛋白粉于60℃的恒温水浴锅中充分溶解配制成质量分数为3%，5%，7%和9%的丝素蛋白溶液备用。

1.3 浸轧工艺与表征

根据已有文献[3-5]的记载，试验采用棉织带浸轧丝素蛋白溶液的方法对棉织带进行丝质化处理，并以棉织带的增重率作为考核指标。浸轧工艺过程主要涉及的因素有丝素蛋白溶液质量分数、浸轧温度和浸轧压力。

1.3.1 质量分数

取若干组棉织带在浸轧温度为60 ℃，浸轧压力为0.2 MPa条件下，分别在质量分数为3%，5%，7%，9%的丝素蛋白溶液中进行一浸一轧处理。将浸轧后的棉织带置于37 ℃恒温烘箱中烘燥1 h，烘干后称重。反复烘燥，称重，直到恒重为止，最后编号标记。

1.3.2 浸轧温度

取若干组棉织带置于质量分数为7%的丝素蛋白溶液中，在浸轧压力0.2 MPa，浸轧温度分别为60，70，80，90 ℃的条件下一浸一轧处理。后续棉织带烘燥、称重步骤参考1.3.1。

1.3.3 浸轧压力

取若干组棉织带置于质量分数为7%的丝素蛋白溶液中，在浸轧温度60 ℃，在浸轧压力分别为0.2，0.3，0.4，0.5 MPa的条件下一浸一轧处理。后续棉织带烘燥、称重步骤参考1.3.1。

1.3.4 正交试验优化

根据棉织带浸轧后得到的棉织带增重率，通过单个因素试验选定的丝素蛋白溶液质量分数、浸轧温度和浸轧压力分别为3%，5%，7%;60，70，80 ℃和0.2，0.3，0.4 MPa。以丝素蛋白溶液质量分数、浸轧温度和浸轧压力3个参数为自变量，以增重率为指标，进行正交试验，得出丝素蛋白溶液处理棉织带最优浸轧工艺参数。正交试验设计如表1所示。

1.3.5 增重率

采用烘干称重法测定增重率，分别将浸轧前和浸轧后的棉织带放入温度在37 ℃恒温烘箱中烘干直至恒重。用电子天平分别称重得到浸轧前和浸轧后的棉织带重量，增重率的计算如式（1）所示。

每种实验条件各测10次，且10次的增重率差值小于1%，取10次试验结果的平均值为此实验条件下的增重率。

1.3.6 棉织带丝质化后的表征

利用场发射扫描电子显微镜对试样的表面及截面形貌进行测试分析，同时利用电子能谱仪进行成份分析，加速电压为5 kV。

2 结果与讨论

2.1 单个因素对棉织带增重率的影响

2.1.1 质量分数对棉织带增重率的影响

图1为丝素溶液质量分数对棉织带增重率的影响。由图1可知，丝素蛋白溶液质量分数与增重率呈非线性关系，随着丝素蛋白溶液质量浓度的增大，增重率并没有线性增大。当丝素蛋白溶液质量分数在3%～7%范围内时，丝素增重率会随着丝素蛋白溶液质量分数的升高而提高。之后，质量分数进一步提高，增重率基本不变。丝素蛋白是由浸轧的作用附着在棉织带上，当浸轧量达到一定量时，多余部分将被轧辊挤去，质量处于稳定。因此确定丝素蛋白溶液质量分数的为3%，5%和7%。

2.1.2 浸轧温度对棉织带增重率的影响

图2为浸轧温度对棉织带增重率的影响。由图2可知，浸轧温度对棉织带增重率影响较小，虽然随着温度的升高，增重率有所提高，但涨幅并不大。当温度到达80 ℃以上时，棉织带的增重率变化接近平稳。由于温度升高，提高了丝素蛋白大分子的运动活跃度，使其与棉纤维产生交联。考虑到生产能耗和加工成本，故确定浸轧温度为60，70 ℃和80 ℃。

2.1.3 浸轧压力对棉织带增重率的影响

图3为浸轧压力对棉织带增重率的影响。由图3可看出，浸轧压力与棉织带增重率呈非线性关系，当浸轧压力在0.2～0.4 MPa时，增重率会随着浸轧压力的增加而下降。压力增大导致溶液流失增大，附着在棉织带上的絲素蛋白变少。浸轧压力由0.4 MPa升到0.5 MPa时，增重率变化趋于平稳，并没有太大变化。故选定浸轧压力为0.2，0.3，0.4 MPa。

2.2 正交试验分析棉织带增重率的影响

根据单个因素试验结果，以棉织带增重率为指标，采用正交试验方法对棉织带浸轧处理丝素蛋白溶液工艺进行优化，结果如表2所示。

由表2可得，3个因素影响程度大小为：丝素蛋白溶液质量分数>浸轧压力>浸轧温度;最优方案为A3B3C3，即当丝素蛋白溶液质量分数为7%，浸轧温度80 ℃，浸轧压力0.2 MPa时，棉织带增重率最高。但通过正交试验分析得出的最佳方案并不在所做试验中，因此按照最优方案的试验条件进行试验，结果如表3所示，增重率为13.58%。与表2试验结果相比，此时的棉织带增重率最高。

2.3 棉织带丝质化后形貌分析

棉织带丝质化后的各组分元素分析如图4所示。可知，在0.3，0.5，0.6 keV处出现了特征衍射峰，相对应的分别是C元素，N元素，O元素。而N元素主要来自后整理中的丝素蛋白，表明丝素蛋白已经成功附着于棉织带表面。

为进一步考察棉织带丝质化后的形貌，对其进行了场发射扫描电镜分析，结果如图5所示。由图5（a）

和图5（b）对比可知，丝素蛋白明显附着在棉织带的纤维表面，但分布并不均匀，出现少量囤积现象。这是由于喷雾干燥制得的丝素蛋白粉粒径大约在1～10 μm[9]，丝素蛋白粉颗粒直径分布不匀以及浸轧过程中受力不匀造成的。图5（c）中可看出，部分纤维截面被白色丝素蛋白包裹，并有部分渗入棉织带纤维缝隙。表明丝素蛋白通过浸轧的方式处理棉织带丝素蛋白不仅附着在织带表面，且渗入棉织带纤维缝隙之间。

3 结 论

a）制备丝素蛋白粉，配制成丝素蛋白溶液，棉织带浸轧处理丝素蛋白溶液。通过正交试验设计得到了最佳的浸轧工艺参数为丝素蛋白溶液质量分数为7%，浸轧温度80 ℃，浸轧压力0.2 MPa，此时的增重率最高为13.58%。3个因素影响程度大小为：丝素蛋白溶液质量分数>浸轧压力>浸轧温度。

b）通过扫描电镜和能谱分析表征丝质化后棉织带，得到丝素蛋白在棉织带表面附着并不均匀;丝素蛋白通过浸轧的方式不仅附着在棉织带表面且渗入棉织带纤维之间。

参考文献：

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