CN102732978B - 一种采用超声波的蚕丝脱胶工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用超声波的蚕丝脱胶工艺，属于蚕丝脱胶技术领域，其特征在于，包括以下步骤：根据浴比1：40-50，在装有超声波的练槽中注入所需容积的水，当水升温至75-90℃后，调节pH值9.5-10.5，投入蚕丝纱线或蚕丝织物，开启超声波，超声波频率20-80KHz，处理40-70min后，进行水洗。本发明具有环保性好，提高了脱胶效果等优点。

Description

一种采用超声波的蚕丝脱胶工艺

技术领域：

    本发明涉及一种蚕丝脱胶工艺，更具体的讲是涉及一种采用超声波技术对蚕丝进行脱胶的工艺。

背景技术：

蚕丝是蚕体内的丝液经吐丝吐出后凝固而成的纤维，称为茧丝。它由两根横截面呈近三角形或半椭圆形的丝朊（又称丝素）外包丝胶组成，还有色素、油蜡和无机物，它们存在于丝胶中。其中丝胶对丝素有一定的保护作用，但如果含量过多，会影响到丝素的光泽和手感以及丝纤维的工艺加工，而油脂、蜡质等杂质会给后加工带来一定的困难。因此，在染整加工之前，必须先除去大部分丝胶、油脂、蜡质等杂物，使丝纤维柔软、疏松、洁净。

丝素和丝胶都是蛋白质，基本组成成分均为氨基酸，但是它们的氨基酸种类和含量、分子排列、超分子结构以及所处位置都存在着很大差异。丝胶蛋白属球形蛋白，其中的极性氨基酸含量远比丝素蛋白的多，且分子排列紊乱，结晶度低。而丝素蛋白质呈直线形，结构简单且紧密，取向度和结晶度均较高。由于丝素和丝胶的组成和结构上的差异，导致了它们在溶解性、水解性和化学稳定性等若干性质上有所不同。如在水中，丝素不溶解，丝胶则能膨化和溶解；在酸、碱或酶的作用下，丝胶更容易被分解，丝素则显示出相当的稳定性。蚕丝织物精练实质就是利用丝素和丝胶的这些差异，采用适当的工艺和设备，除去丝胶而保留丝素，从而达到脱胶的目的。

目前蚕丝的脱胶方法分为微生物脱胶和化学脱胶两类，化学脱胶又根据采用的化学药品不同而有碱脱胶、皂碱脱胶、酸脱胶。碱脱胶容易损伤丝素，降低丝纤维的强伸度；酸脱胶不易控制，成本较高，而且生产中有挥发性刺激气味，损伤皮肤、衣服和设备，生产中极少使用。酶脱胶法在降低灰伤方面优于传统的酸和碱浴沸煮脱胶法，其脱胶质量优于皂碱法，技术上简单，易操作,且酶是天然蛋白质，容易生物降解，其污水比较好处理，利于环境保护，但是成本高,是影响其不能被广泛采用的主要原因。

当前，国内外真丝绸精练方法仍以皂碱法为主。传统的皂碱法脱胶工艺流程为：蚕丝织物→预处理→初练→复练→热水洗（90℃）→温水洗（60℃）→冷水洗→烘干。皂碱脱胶是生产实际中主要的蚕丝脱胶方法，脱胶后得到的丝纤维，其手感柔软滑爽，富有弹性，光泽好，但存在耗时长（需经历预处理、初练、复练和水洗这四个过程）、化学药剂用量大、脱胶后的丝织物容易泛黄等不足。

发明内容：

本发明的首要目的是提供一种环保性好、脱胶效果好的采用超声波的蚕丝脱胶工艺。

一种采用超声波的蚕丝脱胶工艺，其特征在于，包括以下步骤：根据浴比1：40-50，在装有超声波的练槽中注入所需容积的水，当水升温至75-90℃后，调节pH值9.5-10.5，投入蚕丝纱线或蚕丝织物，开启超声波，超声波频率20-80KHz，处理40-70min后，进行水洗。

进一步的设置在于：所述的调节pH值是通过加入pH调节剂实现，pH调节剂选自碳酸钠、硅酸钠的任意一种或两种。

pH调节剂采用碳酸钠2-3g/L；或硅酸钠2-3g/L；或碳酸钠0.5g/L和硅酸钠2-3g/L组成的混合碱。

所述的pH调节剂为单独加入或和保险粉一起加入，保险粉用量为0-0.5g/L。

所述练槽为超声波专用练槽，包括槽体，槽体的上部设有开口，槽体的底部或侧面安装超声波振动板，超声波发生器安装于槽体外，超声波发生器通过高频线与超声波振动板相连接。

超声波振动板为单一一块振动板或者由多块振动板组装而成，超声波振动板为单频，或是双频、三频的周期性切换式。

水洗仍在装有超声波的练槽上进行，水洗采用清水洗2-3道，其中：第一道水洗为中高温水浴(80～90℃)，超声波20～80KHz、时间5～10min；第二道水洗为温水浴(40～50℃)，超声波20～80KHz、时间5～10min；第三道水洗为室温水洗，超声波20～80KHz、时间5～10min。

所述的超声波处理工艺处方如下：

脱胶温度：75℃-90℃

硅酸钠用量：3g/L

或碳酸钠用量：2g/L-3.0g/L

脱胶时间：40min-50min

浴比：1:40～50 

超声波频率：20～80kHz。

采用超声波对蚕丝纱线进行处理，工艺处方如下：

碳酸钠：3g/L

浴比：1:40

温度：75℃

时间：40min

超声波频率：60kHz。

采用超声波对蚕丝织物进行处理，工艺处方如下：

碳酸钠：2g/L

浴比：1:40

温度：90℃

时间：50min

超声波频率：60kHz。

本发明的工作原理如下：

本发明主要利用弱碱对丝胶球状蛋白的溶胀、水解作用，并借助于超声波的空化作用、直进流作用，使丝胶逐步水解脱落，而内层的丝素不受损伤。

丝胶处于丝素的外层，由较多极性氨基酸组成，属于球状蛋白，分子链呈无序状态，结构较松。在弱碱的作用下，丝胶肽链羧酸基团发生电离而带负电荷，破坏了肽链间的盐键，改变了肽链的酮式结构，拆散了肽链之间的氢键，加剧了丝胶在水溶液的膨胀与溶解（见图2）。碱的进一步作用，使肽键逐渐发生水解，成肽链碎片或氨基酸而脱落下来。而内部的丝素由于属于纤维状蛋白，结构较紧，在弱碱性条件不足以引起结构与性能变化而不受损伤。

肽链在碱性溶液中的反应式如下：

 超声波在液体中具有独特的的空化作用、加速度作用及直进流作用，对液体和丝胶直接、间接的作用，使溶解与水解的丝胶产物被分散、乳化、剥离而对蚕丝的脱胶起到协同作用，替代了传统皂碱脱胶法中表面活性剂的作用。

超声波的空化作用就是超声波以每秒两万次以上的压缩力和减压力交互性的高频变换方式向液体进行透射。在减压力作用时，液体中产生真空核群泡的现象，在压缩力作用时，真空核群泡受压力压碎时产生强大的冲击力。

超声波的直进流作用是超声波在液体中沿声的传播方向产生流动的现象称为直进流。声波强度在0.5W/cm²时，肉眼能看到直进流，垂直于振动面产生流动，流速约为10cm/s。通过此直进流使被清洗物表面的微油污垢被搅拌，污垢表面的清洗液也产生对流，溶解污物的溶解液与新液混合，使溶解速度加快，对污物的搬运起着很大的作用。

超声波的加速度作用是液体粒子推动产生的加速度。对于频率较高的超声波，空化作用就很不显著了，这时主要靠液体粒子超声作用下的加速度撞击粒子对污物进行超精密清洗。

基于空化作用、直进流作用，超声波在蚕丝弱碱脱胶过程发挥以下作用：

① 超声波空化效应首先可使胶质层产生大量裂缝，然后形成大量碎片并进入液体中。较大碎片又继续被粉碎成极小颗粒，在超声波作用下迅速乳化和分散，避免了重新吸附蚕丝纤维表面。

② 超声波的能量足以使丝胶与丝素之间的键合断裂，从而使丝素和丝胶的结合变松，有利于练液中碱的渗透与扩散作用，加速碱的作用，且作用显得更加均匀。

③ 超声波的空化作用进一步疏松生丝束和织物组织结构，使其外表面积增加，从而增大了与碱的作用面积，使其脱胶效果更为明显。

④ 超声波的直进流作用，使丝素表面的丝胶碎片被搅拌，同时使丝胶表面的清洗液产生对流，从而丝胶水解的氨基酸及肽链碎段能迅速地溶解在溶液中而被移走。

超声波技术因其独特的空化作用，在清洗行业中已被普遍采用。本发明利用超声波技术，并与弱碱的作用相结合，对蚕丝织物进行脱胶处理，获得了较好的脱胶效果，大幅度缩短加工时间，降低化学试剂的用量，省去了肥皂或精练剂等表面活性剂的使用，防止精练剂残留所引起的织物泛黄这一现象的产生，并减少废水含污率和排放量。

本发明的有益效果如下：

1、本发明对传统的丝绸精练槽进行改进，从而实现了超声波对蚕丝织物脱胶。

2、通过影响超声波蚕丝脱胶的各种因素，确定最佳的蚕丝织物超声波脱胶工艺处方，经检测，具有突出的脱胶效果。

3、避免了既有的皂碱法的大剂量化学药剂使用，也避免了机械振荡式脱胶对蚕丝纤维的损伤，缩短了脱胶处理时间，具有突出的环保性和经济性。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明：

图 1为本发明专用练槽的结构示意图；

图2为脱胶温度对蚕丝脱胶率的影响；

图3为精炼剂浓度对蚕丝脱胶率的影响；

图4为硅酸钠用量对蚕丝脱胶率的影响；

图5为碳酸钠用量对蚕丝脱胶率的影响；

图6为脱胶时间对蚕丝脱胶率的影响；

图7为浴比对蚕丝脱胶率的影响；

图8为机械振荡处理后的蚕丝织物扫描电镜图；

图9为超声波处理后的蚕丝织物扫描电镜图。

具体实施方式：

1、试验材料、方法和装置

1.1试验材料：

未脱胶的蚕丝坯布（素绉缎）由浙江富丽达丝绸有限公司提供，克重108.5g/㎡。未脱胶的蚕丝筒子纱由浙江雅士林领带服饰有限公司提供，细度48tex。

1.2试验装置：

如图1所示，本发明对传统的丝绸精炼槽进行改进，本发明的超声波专用练槽，包括槽体1，槽体1的上部设有开口10，槽体1的底部或侧面安装超声波振动板2，超声波振动板2的尺寸和功率可以根据槽体1的大小相适配，超声波振动板2可由单一一块振动板或者由多块振动板组装而成。超声波发生器3安装于槽体1外，超声波发生器3通过高频线4与超声波振动板2相连接。超声波振动板2的频率范围为20-80KHz,可以选择单频，或者是双频、三频的周期性切换式。超声波功率可以数控调节，调节范围为10-100%。

1.3试验方法：

利用图1所示的专用练槽对蚕丝织物进行脱胶，本发明采用的脱胶方法，其步骤如下：

根据浴比在练槽中注入所需容积的水，当水升温至75-90℃后，加入pH调节剂和保险粉，投入织物，开启超声波，处理40-70min后，进行水洗。水洗仍在装有超声波的练槽上进行，水洗采用用清水洗2-3道，具体如下：第一道水洗为中高温水浴(80～90℃)，超声波20～80KHz、时间5～10min；第二道水洗为温水浴(40～50℃)，超声波20～80KHz、时间5～10min；第三道水洗为室温水洗，超声波20～80KHz、时间5～10min。

超声波处理工艺处方如下：

练液pH值              9.5-10.5；

保险粉                 0-0.5g/L；

超声波频率             20-80KHz；

温度                   75-90℃；

浴比                   1：40-50；

时间                   40-70min。

练液的pH值可以采用碳酸钠2-3g/L；硅酸钠2-3g/L；或碳酸钠0.5g/L和硅酸钠2-3g/L组成的混合碱来进行调节。

1.4效果检测：

脱胶率的测定：将脱胶前后的试样在140-145℃下烘干90min后，放入玻璃干燥器中，于室温下平衡30min后称得的质量为脱胶前后的干重量，直至恒重。由下式计算出试样的脱胶率：

试样脱胶率(％)= [(脱胶前干重一脱胶后干重)／ 脱胶前干重]×100。

蚕丝纱线强力测试方法：将蚕丝纱线用台式双立柱电子万能材料试验机进行强力测试，测试长度为10cm，根据《GB/T3923.1—1997纺织品织物拉伸性能第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定条样法》测定，记录断裂强力与断裂伸长率。

蚕丝纱线扫描电子显微镜测试方法：将蚕丝纱线于SNG-3000扫描电子显微镜（韩国SEC CO. LTD 公司）下放大不同倍数进行观察。

、各种因素对脱胶效果的影响。

根据上述脱胶方法，分别调整脱胶温度、精练剂浓度、硅酸钠用量、碳酸钠用量、脱胶时间、浴比及超声波频率等工艺参数，并分别统计分析其对脱胶效果的影响，如图2-图8所示，同时，以机械振荡、超声波处理为对照实施例，分别统计分析其脱胶效率如图9所示。

注：以下实施例分别对蚕丝织物、蚕丝纱线进行处理并进行分析，除特别有单独说明外，所述的脱胶工艺及参数同时适用于蚕丝织物、蚕丝纱线。

2.1温度对脱胶效果的影响：

2.1.1蚕丝织物

根据本发明的脱胶方法：碳酸钠0.5g/L，硅酸钠3g/L，精练剂5g/L，浴比为50：1，超声波频率60kHz，变化温度分别为75℃、80℃、85℃、90℃，脱胶时间均为50min，检测其脱胶率与温度关系如图2所示。

2.1.2蚕丝纱线

根据本发明的脱胶方法：碳酸钠0.5g/L，硅酸钠3g/L，精练剂5g/L，浴比为50：1，超声波频率60kHz，变化温度分别为50℃，60℃，70℃，80℃，90℃，脱胶时间均为40min，脱胶率与温度关系如图2所示。

由图2可知：温度对蚕丝织物的脱胶率影响较大，几乎呈直线状上升。当温度为90℃，脱胶率达到23.7349℅。温度低于90℃时，脱胶率呈下降的趋势。而对于蚕丝纱线来说，温度70℃时，其脱胶率达到22.47%，温度升到80℃时，脱胶率达到24.87%。由此可以看出对于蚕丝纱线来说，脱胶温度75℃就能达到理想的脱胶效果。

因此，在实际脱胶处理时，可以根据织物组织结构的松紧程度，设计合适的脱胶温度，结构紧密厚实的蚕丝织物，其脱胶温度可以设计在较高的温度，而结构疏松轻薄的织物，可以降低其脱胶温度，综合而言，控制脱胶温度在75-90℃之间为最佳。

2.22.精练剂对脱胶效果的影响：

根据本发明的脱胶方法：碳酸钠0.5g/L，硅酸钠3g/L，温度：蚕丝织物90℃，蚕丝纱线为75℃；脱胶时间蚕丝织物50min，蚕丝纱线为40min；浴比均为50：1，超声波频率60kHz，变化精练剂浓度分别为0g/L，1g/L，2g/L，3g/L，4g/L，5g/L，统计检测结果得精练剂浓度与脱胶率关系如图3所示。

从图3数据可以看出：精练剂的加入及用量变化对脱胶效果影响不明显，这可能是超声波的空化与直进流作用已经替代与超越了精练剂的渗透、乳化与分散等作用。因此，在本发明的超声波处理方法中，以不添加精炼剂为佳，这样，利用超声波的协同作用，可以节省传统皂碱法中精练剂的使用。

2.3.硅酸钠用量对脱胶效果的影响：

根据本发明的脱胶方法：碳酸钠0.5g/L，温度：蚕丝织物90℃，蚕丝纱线为75℃；脱胶时间：蚕丝织物50min，蚕丝纱线为40min；浴比均为50：1，超声波频率60kHz，变化硅酸钠浓度分别为1g/L，2g/L，3g/L，统计检测结果得硅酸钠浓度与脱胶率关系如图4所示。

从图4可以看出：硅酸钠用量对脱胶效果影响较为明显，无论是蚕丝织物还是蚕丝纱线，硅酸钠用量为3g/L为较佳，其脱胶率分别达到23.19%和23.71%。说明，碱用量达到一定时才能达到理想的脱胶效果。

2.4.碳酸钠用量对脱胶效果的影响：

由于硅酸钠的长期使用，会造成硅垢，因此对单独用碳酸钠进行试验。温度：蚕丝织物90℃，蚕丝纱线为75℃；脱胶时间：蚕丝织物50min，蚕丝纱线为40min；浴比均为50：1，超声波频率60kHz，改变碳酸钠的用量1.0-4.0 g/L，统计检测结果得碳酸钠浓度与脱胶率关系如图5所示。

从图5数据可以看出：对蚕丝织物而言，因为脱胶温度较高，所以纯碱的影响较蚕丝纱线较小，当纯碱的用量达到2g/L时，脱胶率已经达到24.45%。而对于蚕丝纱线而言，因脱胶温度较低，所以需要更高的纯碱用量才能达到理想的脱胶率，当纯碱的用量超过3.0g/L，获得非常好的脱胶率。

2.5.脱胶时间对脱胶效果的影响

根据本发明的脱胶方法：碳酸钠0.5g/L，硅酸钠3g/L，温度: 蚕丝织物90℃，蚕丝纱线为75℃，浴比:1:50，超声波频率:60kHz时，变化脱胶时间分别为10 min、20 min、30 min、40 min、50min，统计检测结果得脱胶时间与脱胶率关系如图6所示。

从图6数据可以看出：随着脱胶时间的增长，脱胶率呈上升趋势，但是，当到达一定时间后，上升趋势开始不明显，对于蚕丝织物而言，脱胶时间50min时脱胶率达到23.45%，而对于蚕丝纱线而言，脱胶时间为40min时，已经达到较理想的脱胶效果，脱胶率达到23.71%。

2.6.浴比对脱胶效果的影响

根据本发明的脱胶方法：蚕丝织物：碳酸钠2g/L，90℃，50min；蚕丝纱线：碳酸钠0.5g/L，硅酸钠3g/L，75℃，40min；超声波频率均为60kHz时，统计检测结果得浴比与脱胶率关系如图7所示。

从图7可以看出：无论是蚕丝织物还是蚕丝纱线，随着浴比的增大，其脱胶率也随之提高。这是因为在相同的化学药剂质量浓度（g/L）下，随着浴比增大，练液中碱的绝对含量逐渐增大，与丝胶的反应容量也在不断增大。从数据看出，浴比控制在1:40～50达到理想的脱胶效果。

2.7.超声波频率与脱胶效果

根据本发明的脱胶方法：以蚕丝纱线为试验对象，碳酸钠3g/L， 75℃，40min，改变超声波频率分别为20kHz、60kHz，统计试验结果见表1：

表  超声波频率与脱胶率

从表1数据可看出：超声波频率对脱胶率有一定程度的影响，频率增大，脱胶率随之增大， 20～60kHz之间均能达到理想的脱胶效果。

2.8.超声波辅助脱胶与机械振荡辅助脱胶的效果比较

分别采用表2、表3中优化后的脱胶工艺，对蚕丝织物与纱线进行不同辅助方式脱胶试验，比较超声波辅助与机械振荡辅助的脱胶效果，并分别统计脱胶率、以及对蚕丝损伤的影响，见表2、表3、图8、图9所示：

表2：蚕丝纱线的脱胶效果比较

表格3、蚕丝织物的脱胶效果比较

从表2、表3的数据可以看出：

采用超声波辅助脱胶具有较好的脱胶效果，说明超声波的空化作用与直进流作用确实对蚕丝脱胶具有较好的协同作用。而在传统练槽脱胶中，由于其设备的限制，织物与练液的相对运动较弱。因此，需要耗更多的时间才能达到理想的脱胶效果。

从蚕丝强力数据看出，超声波辅助脱胶所获得的蚕丝强力和断裂伸长略低于机械振荡辅助脱胶所得的蚕丝，这是因超声波辅助脱胶的蚕丝其脱胶率更高之故。

进一步对两种不同方式脱胶所获得的蚕丝进行扫描电镜的观察，结果见图8、图9所示：

从图8、图9的扫描电镜照片可以发现，与机械振荡辅助脱胶相比，超声波辅助脱胶较净，蚕丝表面显得较为光洁，并没有起毛即“灰伤” 等表观物理损伤产生。

综上可以看出：基于超声波技术的蚕丝脱胶法，与传统的脱胶方法相比，能获得更好的脱胶效果，具有脱胶时间短、化学药剂用量省、废水排放少等优点，具有广阔的应用推广前景。

Claims (2)

1.一种采用超声波的蚕丝脱胶工艺，其特征在于，包括以下步骤：根据浴比1：40，在装有超声波的练槽中注入所需容积的水，当水升温至90℃后，加入碳酸钠2g/L，调节pH值9.5-10.5，投入蚕丝织物，开启超声波，超声波频率60KHz，处理50min后，进行水洗，脱胶率为24.24%；

所述练槽为超声波专用练槽，包括槽体，槽体的上部设有开口，槽体的底部或侧面安装超声波振动板，超声波发生器安装于槽体外，超声波发生器通过高频线与超声波振动板相连接；

水洗仍在装有超声波的练槽上进行，水洗采用用清水洗2-3道，其中：第一道水洗为中高温水浴80～90℃，超声波20～80KHz、时间5～10min；第二道水洗为温水浴40～50℃，超声波20～80KHz、时间5～10min；第三道水洗为室温水洗，超声波20～80KHz、时间5～10min。

2.一种采用超声波的蚕丝脱胶工艺，其特征在于，包括以下步骤：根据浴比1：40，在装有超声波的练槽中注入所需容积的水，当水升温至75℃后，加入碳酸钠3g/L，调节pH值9.5-10.5，投入蚕丝纱线，开启超声波，超声波频率60KHz，处理40min后，进行水洗，脱胶率为24.63%；

所述练槽为超声波专用练槽，包括槽体，槽体的上部设有开口，槽体的底部或侧面安装超声波振动板，超声波发生器安装于槽体外，超声波发生器通过高频线与超声波振动板相连接；

水洗仍在装有超声波的练槽上进行，水洗采用用清水洗2-3道，其中：第一道水洗为中高温水浴80～90℃，超声波20～80KHz、时间5～10min；第二道水洗为温水浴40～50℃，超声波20～80KHz、时间5～10min；第三道水洗为室温水洗，超声波20～80KHz、时间5～10min。