乌拉草纤维, 为经过2 h水煮+3次碱煮(每次碱煮时间为1 h)得到, 天津工业大学提供; 磷酸氢二钠(含量99%)、柠檬酸(含量99.5%), 分析纯, 天津市赢达稀贵化学试剂厂生产; 漆酶(酶活10 000 U· g^-1), 黄色液体, 夏盛纺织有限公司生产; 柔软剂(乳白色液体), 上海印染水洗日化助剂。

试验采用Box-Behnken设计方法^{[13, 14, 15]}, 根据漆酶使用条件及前期预试验效果, 以漆酶用量、溶液pH、温度为因素。设计三因素三水平的响应曲面试验。

其中浴比为1:20, 漆酶的用量范围为12%~18%(相对于纤维质量的百分比); 溶液的pH范围为5~6, 缓冲溶液的配比如表1所示, 采用蒸馏水进行配制, 并使用酸碱滴定管对pH进行微调。设计因素水平编码如表2所示, 表中-1、0、1代表自变量水平, 以纤维木质素含量Y₁、纤维直径Y₂、断裂强度Y₃为评价指标。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 缓冲溶液的配比 Table 1 The ratio of buffer solution pH 0.2 mol· L-1 Na2HPO4/mL 0.1 mol· L-1 C6H8O7· H2O/mL 体积 Volume/mL 5 515 485 1 000 5.5 580 420 1 000 6 631.5 368.5 1 000

表1 缓冲溶液的配比 Table 1 The ratio of buffer solution

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 乌拉草纤维提取的因素水平及编码 Table 2 The factor levels and coding of the Carex meyeriana fibers extraction 因素 Factors 代码Code 水平Level 编码 Coding 真实值 True value -1 0 1 漆酶用量 Laccase dosage/% x1 X1 12 15 18 pH x2 X3 5 5.5 6 温度 Temperature/℃ x3 X2 20 40 60 Note: The relationship between encoding value and true value of the independent variable is xx1=(X1-15)/3, x2=(X2-5.5)/0.5, x3=(X3-40)/20. 注:自变量编码值与真实值之间的关系为x1=(X1-15)/3, x2=(X2-5.5)/0.5, x3=(X3-40)/20。

表2 乌拉草纤维提取的因素水平及编码 Table 2 The factor levels and coding of the Carex meyeriana fibers extraction

参照标准《GB 5889-86苎麻化学成分定量分析方法》^[16] 测试纤维的木质素含量。参考标准《SN/T 2672-2010.纺织原料细度试验方法(直径)显微镜投影仪法》^[17] , 使用4.0版生物图像电脑分析系统(北京泰克仪器有限公司)测试纤维的直径, 试样个数为30根。参考标准《ASTM D3822 Standard Test Method for Tensile Properties of Single Textile Fibers》^[18], 使用Instron万能强力机(美国Instron)测试纤维的断裂强度, 试样个数为20根。

采用Z16APOA型超景深三维显微系统(徕卡微系统有限公司)对漆酶最优处理前后纤维的整体状态进行观察, 观察之前先将约0.5 g的纤维团置于5 cm的圆筒内, 使用200 g的砝码压2 min, 再用镊子轻轻拿出于200倍的放大倍数下观察, 以便于观察纤维的柔软曲折状态。

采用TM-1000型扫描电子显微镜(日本日立公司)观察纤维的横截面及纵向结构, 横截面观察之前使用哈氏切片器和火棉胶制备纤维横截面样品。

采用Nicolet iS50型傅里叶变换红外光谱仪(Thermo Scientific 有限公司)测试纤维的红外光谱图, 测试样品为一团纤维。

采用DB DISCOVER with GADDS 型X射线衍射仪(美国BRUKERAXS公司)测试纤维的结晶度, 根据Segal公式计算纤维结晶度:

CrI=(I₀₀₂-I_am)/I₀₀₂× 100%.

式中, CrI为结晶度, I₀₀₂为主结晶峰002的最大衍射强度, I_am为2θ =18 ° 时无定形区衍射峰的强度。

采用Design-Expert 8.0中的Box-Behnken方法对响应曲面试验结果进行模型的建立和显著性分析。用Origin软件对响应曲面试验结果、FTIR结果及XRD结果进行画图处理。

响应曲面法试验结果如表3所示。其中试验组合是按照表2的因素水平及编码, 通过Box-Behnken方法设计的, 木质素含量、直径、断裂强度是评价指标。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 响应曲面实验结果 Table 3 The response surface test results 试验序号 Test number 漆酶用量 Laccase dosage/% pH 温度 Temperature/℃ 木质素含量 Lignin content/% 直径 Diameter/μ m 断裂强度 Fracture strength/MPa 1 -1 -1 0 8.54 46.18 169.29 2 1 -1 0 9.55 49.44 148.04 3 -1 1 0 10.55 49.68 183.03 4 1 1 0 11.04 53.79 166.28 5 -1 0 -1 10.05 49.47 154.21 6 1 0 -1 12.54 59.58 141.01 7 -1 0 1 8.44 44.85 168.71 8 1 0 1 7.04 42.24 164.02 9 0 -1 -1 12.04 57.94 139.12 10 0 1 -1 13.19 60.12 164.02 11 0 -1 1 9.04 47.83 168.98 12 0 1 1 11.54 54.12 189.21 13 0 0 0 7.74 42.56 201.51 14 0 0 0 7.77 42.76 201.49 15 0 0 0 7.71 43.12 200.44 16 0 0 0 7.79 42.97 200.62 17 0 0 0 7.80 43.08 201.41

表3 响应曲面实验结果 Table 3 The response surface test results

采用Design Expert 软件对试验结果进行回归模型建立, 以Y₁、Y₂、Y₃为响应值, 以X₁、X₂、X₃为因变量, 拟合得到模型1、2和3(表4)。这3个模型的R²值分别为0.987 0、0.992 7和0.985 5, 都非常接近1, 说明拟合模型可靠性高, Y₁、Y₂、Y₃建立的回归整体模型均为极显著(P< 0.000 1)。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 拟合得到的数学模型 Table 4 The mathematical model fitting 模型Model 拟合方程Fitting equation R2 F P 1 Y1=246.79+0.86X1-88.31X2-0.34X3-0.09X1X2-0.02X1X3+ 0.03X2X3+0.01 X12+8.19 X22+4.11× 10-3 X32 0.987 0 59.23 < 0.0001 2 Y2=834.19+0.45X1-284.68X2-1.14X3+0.14X1X2-0.05X1X3+ 0.10X2X3+0.05 X12+25.68 X22+0.01 X32 0.992 7 105.84 < 0.0001 3 Y3=-2 036.43+63.66X1+584.32X2+5.29X3+0.75X1X2+0.04X1X3- 0.13X2X3-2.38 X12-51.90 X22-0.06 X32 0.985 5 52.93 < 0.0001

表4 拟合得到的数学模型 Table 4 The mathematical model fitting

纤维木质素含量拟合模型方差分析如下:X₁、X₂、X₁X₃均为显著影响项(P< 0.05)(表5), X₃项为极显著项(P< 0.000 1)。由F值可得, 三因素对乌拉草纤维木质素含量的影响大小为X₃> X₂> X₁。

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 方差分析结果 Table 5 The result of variance analysis 模型 Model 木质素含量Lignin content 直径Diameter 断裂强度Fracture strength F P F P F P X1 7.47 0.029 2 42.53 0.000 3 24.58 0.001 6 X2 56.93 0.000 1 51.23 0.000 2 47.47 0.000 2 X3 154.01 < 0.000 1 278.79 < 0.000 1 66.63 < 0.000 1 X1X2 0.60 0.463 1 0.28 0.614 3 0.32 0.590 0 X1X3 33.70 0.000 7 62.25 < 0.000 1 1.14 0.321 1 X2X3 4.06 0.083 8 6.50 0.038 1 0.43 0.533 4

表5 方差分析结果 Table 5 The result of variance analysis

纤维直径拟合模型方差分析如下:X₁、X₂、X₁X₃、X₂X₃均为显著影响项(P< 0.05)(表5), 且X₃、X₁X₃项为极显著项(P< 0.000 1)。由F值可得, 三因素对乌拉草纤维直径的影响大小为X₃> X₂> X₁。

纤维断裂强度拟合模型方差分析如下:X₁、X₂均为显著影响项(P< 0.05), X₃项为极显著项(P< 0.000 1)。由F值可得, 三因素对乌拉草纤维断裂强度的影响大小为X₃> X₂> X₁。

根据方差分析结果, 选择其中漆酶用量与温度交互作用于纤维木质素含量、漆酶用量与温度交互作用于纤维直径、pH与温度交互作用于纤维直径几个显著的因素进行分析。

由漆酶用量和温度对纤维木质素含量的响应面及等高线图看出, 在固定的较低温度时, 纤维木质素的含量随着漆酶用量的增加呈现缓慢增加的趋势, 变化趋势较小, 在固定的较高温度下, 纤维木质素的含量随着漆酶用量的增加呈先减小后基本不变的趋势。在固定的每一个漆酶用量下, 纤维木质素含量随着温度的升高呈先减小后增大的趋势(图1)。

图1

Fig.1

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	图1 AC因素对纤维木质素含量的响应面及等高线图Fig.1 Lignin response surface and contour plot of AC

由漆酶用量和温度对纤维直径的响应面及等高线图看出, 在固定的较低温度时, 纤维直径随着漆酶用量的增加呈现缓慢增加的趋势, 变化较小, 在固定的较高温度下, 纤维直径随着漆酶用量的增加呈先减小后增大的趋势。在固定的每一个漆酶用量下, 纤维直径随着温度的升高呈先减小后增大的趋势。因素对纤维直径的影响与对纤维木质素含量的影响呈现相似的变化趋势, 是因为木质素去除的越多, 纤维脱胶越好, 分散程度越好, 间接影响纤维直径的变化(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 AC因素对纤维直径的响应面及等高线图Fig.2 Diameter response surface and contour plot of AC

由pH和温度对纤维直径的响应面及等高线图看出, 在其中一个因素固定(pH或温度), 纤维直径随着另外一个因素(温度或pH)的增加均是呈现先较小后增大的趋势(图3)。

图3

Fig.3

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	图3 BC因素对纤维直径的响应面及等高线图Fig.3 Diameter response surface and contour plot of BC

由Design Expert软件分析得到乌拉草纤维在漆酶用量14.44%, pH为5.46, 温度为46.69 ℃时的综合性能最优, 预测得到的纤维木质素含量为7.38%, 直径为41.65 μ m, 断裂强度为201.92 MPa。受试验条件限制, 验证试验的参数设置为:漆酶用量14%, pH为5.5, 温度为47 ℃, 得到的纤维木质素含量为7.71%, 纤维直径为40.06 μ m, 断裂强度为203.46 MPa。试验值与预测值非常接近, 证明了预测的可靠性。

超景深三维显微系统测试可以解决相机拍摄的放大倍数、清晰度不够的问题; 解决扫描电镜观察立体物时, 不能使整个物体清晰地呈现在同一张图片的不足。

从漆酶处理前后乌拉草纤维的超景深三维图(图4)可以看出, 处理前的乌拉草纤维的细度均匀度差, 纤维粘连在一起形成粗的纤维束, 而处理后的乌拉草纤维细度均匀度好, 纤维较细, 且纤维脱胶更好, 更加分散。在相同时间、相同压力作用下, 处理前的乌拉草纤维产生较明显的折痕, 而处理后的乌拉草纤维弯曲较自然, 因此, 处理后的乌拉草纤维较漆酶处理前的乌拉草纤维更加柔软。

图4

Fig.4

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	图4 乌拉草纤维的超景深图片 注:a, 为漆酶处理前; b, 为漆酶最优处理后。放大倍数均为200倍。Fig.4 The image of the Carex meyeriana fibers Note: a, before the laccase treatment; b, after the laccase treatment. Magnified 200 times.

图5a为漆酶处理后乌拉草纤维放大2 000倍的横截面图, 图5b为放大4 000倍的横截面图。可以看到, 处理后乌拉草的单纤维细胞状态, 纤维横截面为不规则的多边形, 内部有中腔结构, 这种结构可以使纤维内含静止空气, 在寒冷的天气中, 起到隔热保暖的效果。中腔结构还有益于发挥纤维的毛细作用, 使织物具有优异的吸湿散湿性。图6为乌拉草纤维漆酶处理前后的纵向图, 可以看到, 漆酶处理前, 纤维已经产生分丝效果, 但是纤维之间还有很多点状胶质将其粘结在一起形成束纤维, 难于分离; 而经过漆酶处理后束纤维逐渐得到分离, 呈现明显的单纤维状态, 表面的胶质也得到去除, 说明乌拉草内的木质素得到了有效的去除。单纤维之间呈现出大量较明显的缝隙及孔隙, 这种结构使得纤维内富含氧气, 起到透湿吸湿的效果, 同时可以使在潮湿环境下生存繁殖的霉菌类代谢及生理活性受到抑制难以生存。

图5

Fig.5

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	图5 乌拉草纤维的横截面图 注:a为放大2 000倍; b为放大4 000倍, Fig.5 The cross section diagram of the Carex meyeriana fibers Note: a is magnified 2 000 times; b is magnified 4 000 times.

图6

Fig.6

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	图6 漆酶处理前(a)、后(b)乌拉草纤维的纵向图Fig.6 Longitudinal figure before(a) and after (b) the laccase treatment

观察漆酶处理前后乌拉草纤维的红外光谱图(图7), 其中在3 315 cm^-1处的特征吸收峰为OH的伸缩振动、2 915 cm^-1处带有肩峰的吸收峰为CH的伸缩振动, 1 265 cm^-1处为CH的弯曲振动, 1 030 cm^-1处为环状C-O-C的C-O伸缩振动, 808 cm^-1处为CH₂(CH₂OH)非平面摇摆振动, 均归属于纤维素的特征吸收峰。在1 737 cm^-1处为非共轭羰基振动, 归属于半纤维素。1 616、1 515 cm^-1处的吸收峰为芳香环的骨架振动, 归属于木质素。

图7

Fig.7

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	图7 乌拉草纤维的FTIR图Fig.7 The FTIR figure of the Carex meyeriana fibers

漆酶处理前后乌拉草纤维在3 315、2 915、1 265、1 030和808 cm^-1处的吸收峰强弱变化微小, 说明乌拉草纤维中的纤维素含量基本没有变化; 漆酶处理后的乌拉草纤维在1 737、1 616、1 515 cm^-1处, 吸收峰强度明显减弱, 且在漆酶处理后, 这些基团的吸收峰相较于漆酶处理前更加平滑, 说明经过漆酶脱胶处理后, 乌拉草内的非纤维素物质得到了有效的去除。

从漆酶处理前后乌拉草纤维的XRD图(图8)可以看出, 乌拉草纤维的X射线衍射曲线未发生明显的偏移现象, 表现为典型的纤维素Ⅰ 结构。

图8

Fig.8

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	图8 乌拉草纤维的XRD图Fig.8 The XRD figure of the Carex meyeriana fibers

由Segal公式计算后得到漆酶处理前的乌拉草纤维结晶度为57.09%, 漆酶处理后的乌拉草纤维的结晶度为64.53%。漆酶处理后的乌拉草纤维的结晶度有明显增加, 主要是因为漆酶处理去掉了纤维内大量的木质素, 导致纤维内的非结晶区减少, 纤维内部的分子有序程度提高, 结构更加规整, 分子排列比较有序。