2.2.4测试方法：
2.2.4.1失重率：将试样在处理工艺前后在105℃下烘干1小时，在放入干燥器中冷却30分钟后称重，并按公式（1）计算失重率。
失重率=（W0 – W1）/ W0 × 100% （1）
W0——织物初始重量；W1——织物处理后重量。
2.2.4.2色差：将每块试样在ND—1001DP Color/color-difference meter色差仪上分别测三个不同点的色差，计算平均值。
2.2.4.3毛效：将试样裁成5×25cm大小，测量试样在30分钟内铬酸钾的爬升高度。
2.2.4.4蓬松度：使用Y531厚度仪，对试样先后施以轻压50g和重压500g，并分别测出试样在两种压力下的厚度。在一块试样上测量三个不同的点，按公式（2）计算出蓬松度，取其平均值。
蓬松度B=（T0 - TS）/TS × 100%
（2）
T0 —— 织物轻压厚度；TS —－
织物重压厚度。
2.2.4.5柔软度：将试样裁成2×15cm大小在Ieyeeriki柔软度仪上进行测试。按公式（3）计算出织物的刚度，用刚度来反映织物的柔软度。刚度越小，柔软度越好。
B=(L4×M)/(8×G) g.cm
(3)
B—柔软度
L2=H2+G2 H—仪器水平刻度cm G—仪器垂直刻度cm M—仪器每平方厘米重量g
2.2.4.6收缩率：测出试样上同一小方格的长宽，算出面积，按公式（4）计算收缩率。
收缩率=（S0 – S1）/S0 × 100%
（4）
S0——坯布小方格的面积；
S1——处理后织物小方格的面积
2.2.4.7起毛起球评级：将织物裁成直径为10cm的圆形试样，按照《GB/T.4802.1/1997纺织品 织物起球实验 原轨迹法》，参照毛织物起毛起球参数（即起球30次）进行测试并评级。
2.2.4.8断裂强力：将织物裁成5×20cm大小试样三块，在YG026织物强力机测试试样在10cm拉伸长度下的断裂强力，计算平均值。
2.2.4.9各项牢度：
a.耐磨擦色牢度的测定
采用GB 3920-83纺织品耐磨擦色牢度实验方法。仪器选用Y571-A染色摩擦牢度试验机（浙江温州纺织仪器厂）
b.耐汗渍色牢度实验方法
采用GB 5713-85纺织品耐汗渍色牢度实验方法，仪器选用YG 631汗渍牢度仪（无锡纺织仪器厂）。
c.耐洗色牢度实验方法
采用GB 3921-83纺织品耐洗色牢度实验方法，仪器选用SW-12耐洗色牢度试验机（无锡纺织仪器厂）。
d.耐晒牢度
用WKE-6-H型日晒牢度仪进行日晒牢度测定。
§3. 结果与讨论
3.1 天然彩色棉结构的初步分析
3.1.1横截面的显微镜观察：
|
|
|
图1绿色天然彩棉横截面显微镜照片 图2棕色天然彩棉横截面显微镜照片
图1、图2可以看出，天然彩色棉横截面与普通白棉相似，都呈带有胞腔的腰圆型。天然彩棉的色彩呈片状，主要分布在次生胞壁内。棕色系天然彩色棉纤维较细，截面比较圆润，胞腔较小；绿色系天然彩色棉纤维较粗，胞腔较大，呈U型。由此可见棕色系天然彩棉成熟度较高，绿色系成熟度较低。
3.1.2红外光谱分析：
图3 普通白棉与绿色天然彩棉红外光谱图
上曲线 普通白棉 下曲线 绿色彩棉
从红外光谱图可以看出，绿色彩棉化学结构与普通白棉基本相似，但在2900附近，出现2850及2917三级氢特征吸收峰，1646附近，出现1738羰基特征吸收峰，说明彩棉结构中可能存在羰基，其发色原理与羰基有关。
3.2生态整理对天然色彩的影响：
3.2.1杂质色素与天然色彩
有研究表明，原棉杂质色素主要存在于棉籽壳。棉籽壳的组成见表1。
表1 棉籽壳的组成
|
层次 |
层次名称 |
组 织 成 分 |
|
|
细胞壁 |
细胞腔内 |
||
|
1 |
表皮层 |
果胶、纤维素、半纤维素 |
含氮物、色素 |
|
2 |
外色素层 |
纤维素 |
含氮物、色素 |
|
3 |
无色细胞层 |
木质素、纤维素 |
|
|
4 |
栅状细胞层 |
木质素、纤维素 |
|
|
5 |
内色素层 |
纤维素 |
含氮物、色素 |
大多数棉籽壳实际上只有第一层和第二层，并无木质素存在，各层之间由果胶相联，肉眼看到的黑褐色主要是分布在初生胞壁中。天然色彩分布主要在次生胞壁中（见图1、图2），因此有可能通过纤维素酶和果胶酶的协同作用，去除杂质色素，而保留所需的天然色素。
3.2.2生态整理剂对天然色彩的影响：
本文采用淀粉酶退浆、纤维素酶和果胶酶协同作用去毛--除杂--柔软，作为生态整理剂。
3.2.2.1淀粉酶退浆剂对天然色彩的影响：
分别采用碱退浆和淀粉酶退浆，测定失重、色差。结果见表2。
表2 退浆对天然色彩的影响
|
退浆剂 |
失 重% |
色差△Ε |
|
碱 |
8.7 |
7.2 |
|
退浆酶DT |
4.1 |
7.8 |
|
退浆酶GT |
3.1 |
7.0 |
表2可见，无论是碱退浆或酶退浆都使天然色彩加深。退浆酶DT为低温酶，退浆酶GT为高温酶，低温酶DT退浆率高而色差明显，因此选用DT进行退浆。
3.2.2.2 纤维素酶和果胶酶混合整理剂对天然色彩的影响：
为彻底去除果胶等杂质，达到除杂、柔软效果，需采用果胶酶与纤维素酶协同作用。因本文收集到的果胶酶为酸性，因此采用酸性纤维素酶。固定果胶酶用量不变，分别采用酸性纤维素酶1、复配未改性酸性酶BFS_Q；改性纤维素酶2；改性纤维素酶3对天然彩棉进行处理，测定失重、色差。结果见表3。（处理条件：果胶酶用量：2.2g/l; 纤维素酶用量：3g/l; PH：5, 温度：50℃ 时间：60min ）
表3 酸性纤维素酶对天然色彩的影响
|
纤维素酶 |
失重% |
色差△Ε |
|
1 |
3 |
9.07 |
|
BFS-Q |
4 |
8.58 |
|
2 |
2 |
9.73 |
|
3 |
3 |
9.40 |
改性酸性纤维素酶2;3失重小于未改性酸性酶，而色差大。改性酸性纤维素酶2比3活力大，但损伤小,色彩保留好，因此本文选择2为主要生态整理剂。并与复配未改性酸性酶BFS-Q对照。
3.3.生态整理工艺条件探讨：
3.3.1工艺条件正交试验：
为考察纤维素酶用量、PH值、时间对彩棉服用性能的影响，固定果胶酶用量（2.2%o.w.f）、温度50℃、浴比1:12不变，本文设计三因素、三水平正交试验。分别考察它们对失重、断强、毛效、色差、蓬松度、柔软度的影响。试验结果见表4。
表4 正交试验表
|
编号 |
纤维素酶2 %o.w.f |
PH |
时间 |
失重% |
断强 纬向N |
毛效 cm/30min |
色差 |
蓬松度% |
柔软度g.cm |
|
1 |
3.4 |
4.0 |
60 |
1.96 |
295.7 |
9.8 |
7.70 |
6.7 |
15.39 |
|
2 |
3.4 |
4.5 |
90 |
2.27 |
296.3 |
11.3 |
8.10 |
6.4 |
15.52 |
|
3 |
3.4 |
5.0 |
120 |
1.63 |
284.0 |
10.5 |
7.70 |
7.3 |
15.32 |
|
4 |
4.4 |
4.0 |
90 |
1.98 |
269.3 |
10.9 |
7.23 |
7.3 |
15.13 |
|
5 |
4.4 |
4.5 |
120 |
2.48 |
278.0 |
11.7 |
7.30 |
5.6 |
15.58 |
|
6 |
4.4 |
5.0 |
60 |
1.83 |
271.3 |
8.5 |
7.43 |
8.1 |
15.35 |
|
7 |
5.4 |
4.0 |
120 |
2.32 |
281.0 |
11.3 |
7.43 |
3.8 |
15.08 |
|
8 |
5.4 |
4.5 |
60 |
1.98 |
299.7 |
9.8 |
7.87 |
2.4 |
15.60 |
|
9 |
5.4 |
5.0 |
90 |
1.91 |
274.0 |
9.8 |
7.67 |
2.6 |
15.66 |
3.3.2最佳工艺条件选择：
工艺条件对整理效果极差值分析见图4。极差值分析可以看出，工艺条件对整理效果影响比较大的指标是毛效和蓬松度。其中纤维酶用量对蓬松度（去毛效果）影响比较大；时间对毛效（润湿性）影响比较大；pH值对两项指标均有影响。 工艺条件各因素水平对整理效果影响的综合分析见表5。
表5工艺条件各因素水平对整理效果影响的综合分析
|
工艺条件 |
色差 |
毛效 |
失重 |
强力 |
蓬松度 |
柔软度 |
|
纤维素酶用量 |
Ⅰ |
Ⅱ |
Ⅰ |
Ⅰ |
Ⅲ |
Ⅱ |
|
PH |
Ⅱ |
Ⅱ |
Ⅱ |
Ⅱ |
Ⅱ |
Ⅰ |
|
时间 |
Ⅱ |
Ⅲ |
Ⅰ |
Ⅰ |
Ⅱ |
Ⅲ |
去毛--除杂—柔软是生态整理的主要目的。蓬松度是织物去毛效果的主要指标之一。适当蓬松度说明织物手感富于弹性，过度蓬松度说明织物表面易于起毛球。蓬松度较低说明织物表面光洁度好，纹理清晰。毛效是衡量织物润湿性的重要指标，毛效高，说明杂质去除比较干净。纤维素酶用量大固然对去毛有利，但会影响色差、失重和强力，因此纤维素酶用量采用Ⅱ水平（3.4%owf）。本文采用果胶酶最佳PH值为3-5,纤维素酶最佳pH值为4.5-5.5,二者混合使用，正交试验证明pH值Ⅱ水平（4.5）对毛效和蓬松度都是最佳值。整理时间对其它因素影响不大，仅对毛效有显著影响，故时间选择Ⅲ水平。综合考虑以上因素，最佳工艺条件选择：
果胶酶BFS-G用量： 2.2%(o.w.f)
纤维素酶用量：3.4% (0.w.f)
pH 4.5
浴比： 1：12
温度： 50℃
时间： 120min
3.4 生态整理后天然彩色棉机织物的服用性能：
根据正交试验筛选出的最佳工艺，对天然彩棉进行生态整理；（退浆后，分别用改性酸性纤维素酶2—生态整理a；复配未改性酸性纤维素酶BFS-Q—生态整理b）,然后测定色差、毛效、失重、强力、蓬松度、柔软度、起毛起球、色牢度；并与常规整理进行对比。试验结果见表6。
表6绿色天然彩棉机织物生态整理与常规整理的服用性能对比
|
分类 性能 |
坯布 |
常规整理 |
生态整理a |
生态整理b |
|||
|
毛效 cm |
T |
0.3 |
5.4 |
12.8 |
14.3 |
||
|
W |
0.0 |
4.3 |
11.8 |
12.0 |
|||
|
失重率 % |
退浆 |
--- |
8.0 |
4.7 |
4.7 |
||
|
精练 |
---- |
0.77 |
2.0 |
2.6 |
|||
|
断裂强度N |
T |
457 |
322 |
328 |
327 |
||
|
W |
277.5 |
241 |
266.7 |
255.3 |
|||
|
柔软度 g.cm |
T |
15.9 |
15.7 |
14.8 |
14.9 |
||
|
W |
15.8 |
15.6 |
14.5 |
14.6 |
|||
|
色差ΔE |
0.0 |
7.2 |
6.5 |
6.4 |
|||
|
蓬松度% |
29.93 |
13.2 |
8.9 |
10.1 |
|||
|
面积收缩率% |
---- |
16.3 |
16.3 |
16.3 |
|||
|
起毛起球 级 |
3-4 |
---- |
5 |
5 |
|||
|
牢度评级 |
摩擦牢度 |
干 |
4-5 |
4-5 |
4-5 |
4-5 |
|
|
湿 |
4 |
4 |
4 |
4 |
|||
|
汗迹牢度 |
酸 |
4-5 |
4-5 |
5 |
5 |
||
|
碱 |
4-5 |
4-5 |
4-5 |
4-5 |
|||
|
日晒牢度 |
4 |
3 |
3 |
3 |
|||
|
皂洗牢度 |
4-5 |
4-5 |
4-5 |
4-5 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.4.1色差情况对比：
天然彩棉的主要特色是保证种植和染色“零污染”，后整理过程除必须无污染外，还必须保证对天然色彩无影响。令人兴奋的是，无论常规整理还是生态整理都使天然彩棉织物色泽明显加深。常规常规整理略好于生态整理。原纤维横截面显微镜观察已经表明，天然彩棉色彩分布在纤维内部的次生胞壁内。退浆后，去除纤维表面浆料覆盖层，使分布在纤维次生胞壁内天然色彩有所显现。经进一步整理，去除了纤维表面部分杂质覆盖层，同时有部分色彩向纤维细胞壁迁移,进一步显露出彩棉的天然色彩。结果见图5、图6。
|
|
|
图5 经生态整理后天然彩棉截面显微镜照片 图6常规碱处理后天然彩棉截面显微镜照片
图5表明，经生态整理，色彩向纤维壁迁移，但多数色彩保留在内部。纤维壁破损处，色彩移向纤维表面。图6表明，常规整理在碱作用下，纤维剧烈膨胀，胞腔几乎消失，胞壁更薄，天然色彩明显向胞壁迁移。因此碱处理会使彩棉颜色更鲜艳。生态整理纤维膨胀小于常规整理，原因在于，生态整理pH为酸性，常规整理pH为碱性，棉纤维对碱性更为敏感。
相同处理条件下，不同纤维素酶产生色差不同。纤维素胞壁适当变薄，可以使色彩加深，但胞壁破损过度，也会引起色彩流失。未改性酸性酶对纤维素主链和端基均有降解作用，过度降解，引起天然色彩的流失。基因改性纤维素酶主要降解纤维素端基，不会对纤维素胞壁产生过度降解，控制得当，天然色彩可显现最佳效果。纤维失重与色差关系见图7。
3.4.2色牢度情况：
在解决致癌染料问题时，人们越来越多地考虑到天然色素染色。但天然色素染色的关键问题是如何提高染色牢度。天然色素分子量比较大，难于渗透到纤维内部，上染率低，与纤维附着力小，水洗或摩擦很容易使天然色素剥离。提高固色率的方法又难于摆脱化学助剂。
天然彩棉的情况恰恰相反。天然色素存在于纤维内部，只有通过水洗、摩擦等机械作用或化学、生物等降解作用，适当剥除表面覆盖层，才能充分显色。正是由于天然色素分子量大，所以也不易从纤维内部脱出。天然彩棉得天独厚的优势是摩擦、皂洗牢度优良，经生态整理和常规整理后可达到4-5级。
与游离的天然色素相似的是，天然彩棉所含色素耐光性较差，日晒牢度较低，但也可达到3-4级。十分有趣的是，天然彩棉下机坯布的日晒牢度较高，可达到4级，经整理后反而有所下降。目前对天然彩棉化学结构、染料结构尚没有深入的分析，日晒变色机理尚不清楚，推测可能是因为表层覆盖物对紫外线有一定的吸收或反射作用，保护了内层的色彩，去掉保护层后，日晒牢度变差。
3.4.3毛效对比
天然彩棉下机坯布毛效几乎为0，说明基本不润湿。常规处理后，毛效有所提高，生态整理毛效明显好于常规整理。存在于棉纤维中杂质的主要成分是果胶质、腊质、脂肪、蛋白质、灰分等，它们分布在纤维表面的初生胞壁中。这些杂质影响了织物的渗透效果。传统碱煮练的主要目的就是除去这些杂质，提高下机坯布的润湿性。毛效是衡量润湿性效果的重要指标。
长期以来，人们认为影响织物润湿性的主要因素是非水溶性的蜡质、脂肪和蛋白质。有研究表明，蜡质含量与润湿性并无直接关系。用石油醚对棉织物萃取4小时后蜡质含量分别为0.0897%和0.0875%，但测定毛效均为0。英国M.Michelle等人分别单独用果胶酶、纤维素酶、脂肪酶、蛋白酶处理下机坯布，观察水接触角。结果证明，除纤维素酶稍有作用外，单独用果胶酶、脂肪酶、蛋白酶处理，对水润湿性几乎没有影响。当果胶酶、纤维素酶混合使用时，织物润湿性有显著提高。
棉纤维初生胞壁的杂质中，纤维素占的比重最大，（约54%）, 因此单独用纤维素酶对提高润湿性有一定作用，但不明显。原因是果胶质作为粘合剂将其它杂质粘合起来，不连续地覆盖在纤维表面，使得纤维素酶难以充分接触纤维素杂质。单独使用果胶酶，也不能改善润湿性，可能因为果胶质也分布在非纤维素成分的下面，果胶酶难以接近。纤维素酶与果胶酶混合处理，产生增效作用，可能因为通过纤维素酶对纤维素杂质的部分水解，促使果胶酶接近果胶质。果胶质的水解，既有助于纤维素酶的进一步作用，又有助于解除其它杂质成分之间的附着力，使杂质脱离纤维母体，从而提高了织物的毛效。
3.4.4蓬松度及起毛起球对比：
绿色天然彩棉纤维短，长度只有普通白棉70-80%，强力差，织物表面极易起毛。彩棉下机坯布蓬松度高达23.93%，起毛起球只能达到3-4级。常规整理后，蓬松度有所下降，但织物表面光洁度仍不理想，一般需要经烧毛处理。经生态整理后，织物蓬松度显著下降，约比常规处理下降3-5%，起毛起球现象有显著改善,可达到5级。宏观表面观察，织物光洁度明显改善，纹路清晰；显微镜观察，纱线表面绒毛明显减少。改性酸性纤维素酶对主链降解少，对端基降解多，因此“生物抛光”效果好于复配酸性纤维素酶。试验表明，生态整理有可能在除杂、提高毛效的同时，达到“生物抛光”，代替烧毛。
3.4.5柔软度对比
常规整理对天然彩棉柔软度基本没有改善，主要起到除杂、提高润湿性的效果。目前彩棉整理方法，要提高柔软度，必须施加柔软剂。生态整理，除了达到去毛、除杂、提高润湿性目的外，同时对织物柔软度有一定提高。这主要是纤维素酶对纤维素的降解作用形成的。生态整理a与生态整理b效果基本相同。
3.4.6失重情况对比：
退浆失重率：碱退浆失重率大于酶退浆。原因是浆料内可能含有某些聚乙烯醇，经碱溶胀可以去除，而淀粉酶对此没有效果，只能去除淀粉浆料。另外，碱对纤维中脂肪、蜡质等也有去除作用。精练失重率：
生态整理失重率大于常规整理。果胶酶与纤维素酶协同作用，通过降解果胶质和纤维素，起到去毛--除杂--柔软作用。生态整理a失重小于生态整理b；因为生态整理a 采用改性酸性酶。
3.4.7强力损伤对比：
常规整理经向强力损失29.5%; 纬向强力损失13%；生态整理经向强力损失28.2%,纬向强力损失4%；生态整理b经向强力损失28.4%;纬向强力损失8%。生态整理强力损失小于常规整理。 失重是酶降解作用强弱的重要标志之一。但失重带来的强力损失，是长期以来影响纤维素酶在轻薄织物上应用的主要障碍。天然彩棉成熟度低，纤维短，强力小，强损问题更为突出。基因改性纤维素酶的出现使失重和强损问题的解决出现转机。
改性纤维素酶对纤维主链降解作用比较弱，主要降解织物表面绒毛纤维。强力损失比较小；普通酸性纤维素酶经复配后，强力损失也会减小，在失重2.6%时，纬向强力损失8%，虽比改性酶多4%,但比常规少5%。
§4.结论
4.1天然彩棉形态结构和化学结构与普通白棉相似，所不同的是，彩棉次生胞壁内含有天然色素，被纤维初生胞壁杂质层和浆料层覆盖。此色素含有羰基发色基团；纤维短，强力差，成熟度低。
4.2天然彩棉无须染色、且天然色彩需经剥除表面覆盖层才能显现的独特性质，决定了经淀粉酶、果胶酶、纤维素酶协同作用的生态整理，剥除表面浆料覆盖层和杂质覆盖层，不但对天然色素没有破坏，反而使其充分显色，并保持良好的摩擦牢度和皂洗牢度。
4.3天然彩棉退浆后，可通过淀粉酶、果胶酶、纤维素酶协同生态整理，同时达到去毛—精练—柔软效果，有可能实现彩棉机织物烧毛、精练、柔软三步合一，缩短生产流程、减少污染。同时在整理过程中摆脱化学助剂，有可能实现从种植到成衣的“零污染”。
4.4 生态整理的最佳工艺是：
果胶酶BFS-G用量： 2.2%(o.w.f)；纤维素酶用量：3.4% (0.w.f)；pH ：5.0；浴比：1：12；温度：50℃； 时间：120min。主要生态整理剂纤维素酶以改性酶2失重小，强损少，去毛效果好。复配未改性酶BFS_Q毛效、柔软度好于2,牢度指标相近。
4.5经生态整理绿色天然彩棉机织物色泽加深，除日晒牢度3级以外，皂洗、摩擦、汗渍牢度均可达到4-5级。失重、强力损失小于常规处理；毛效可达到11-14cm/30cm；起毛起球可达到4-5级；柔软度好于常规整理。
参考文献：
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2.刘昌龄译 印度 《colourage》,1998.10.p17-19
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