陽建斌,鄭光洪
(成都紡織高等??茖W(xué)校,四川成都611731)
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無水染整加工技術(shù)—超臨界二氧化碳流體的應(yīng)用進展
陽建斌,鄭光洪
(成都紡織高等??茖W(xué)校,四川成都611731)
摘要采用超臨界二氧化碳流體技術(shù)開發(fā)無水染整加工技術(shù)代替耗水、并產(chǎn)生大量污水的傳統(tǒng)染整工藝,在一定程度上能減少環(huán)境污染和水資源的消耗,是一種可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)技術(shù)。介紹了超臨界二氧化碳流體染整加工技術(shù)的優(yōu)點,闡述了超臨界二氧化碳流體在合成纖維、天然纖維及織物的前處理、染色和整理加工中的發(fā)展現(xiàn)狀,以及存在技術(shù)難題。
關(guān)鍵詞超臨界二氧化碳染整
印染工業(yè)消耗了巨大的水資源,是水污染的重要來源。我國的“每噸纖維印染用水量”一般為300噸-400噸。印染過程中產(chǎn)生的廢水量非常大,達到印染企業(yè)用水量的70%-90%。印染廢水是從練漂、染色、印花和后整理等多道工序中產(chǎn)生的,含有大量染料、洗滌劑、堿、硫化物、各種鹽類等,以及淀粉、木質(zhì)素、纖維素等有機物,其COD、BOD值較高,污染性很強。
印染行業(yè)水耗較多、廢水排放量大,一直受到國家實施節(jié)能減排和清潔生產(chǎn)的重點關(guān)注。國務(wù)院發(fā)布的《工業(yè)轉(zhuǎn)型升級規(guī)劃(2011-2015)》中提出“支持重點節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材技術(shù)和設(shè)備的推廣應(yīng)用”,對污染物排放強度高的印染等行業(yè),“加強清潔生產(chǎn)審核,組織編制清潔生產(chǎn)推行方案、實施方案和評價指標(biāo)體系,推動企業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)改造,提高新建項目清潔生產(chǎn)水平”,并且提出“重點淘汰74型染整設(shè)備、浴比大于1:10的棉及化纖間歇式染色設(shè)備等落后設(shè)備”。國家發(fā)改委公布的“2015年產(chǎn)業(yè)振興和技術(shù)改造專項工作方案”中提到“印染清潔化及節(jié)水生產(chǎn)技術(shù)制造示范:低溫、小浴比、無水、少水等節(jié)能、節(jié)水生產(chǎn)技術(shù),節(jié)水15%以上”。
傳統(tǒng)的染色過程以水作為介質(zhì),起著分散和溶解染料與助劑、潤濕和溶脹纖維等重要作用,似乎沒有水就無法染色。過去總認為水是取之不盡、用之不竭、方便廉價的自然資源。但是,隨著自然界淡水資源逐漸短缺,水污染日益嚴重?,F(xiàn)在,為了減少染色加工的用水量和染色污水,人們進行大量研究,致力于開發(fā)節(jié)水或無水的染色技術(shù)。
超臨界流體技術(shù)發(fā)展迅速,已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、食品、材料制造等領(lǐng)域,有著廣闊的發(fā)展前景。超臨界CO2流體(supercritical carbon dioxide fluid)適用于分離、提純、萃取等工藝過程,具有許多優(yōu)點,包括:具有較好的滲透性、擴散性;對有機物溶解能力強,選擇性好;CO2價廉易得,與有機溶劑相比運行費用較低;CO2無毒、惰性且易于分離[1]。超臨界CO2流體具有這些特殊性質(zhì),可以應(yīng)用到紡織材料的退漿、棉纖維上蠟質(zhì)的去除,天然纖維和合成纖維材料的染色,紡織材料的防紫外等功能整理[2]。
1超臨界CO2流體染色的優(yōu)點
超臨界CO2流體是指CO2在高于臨界溫度(Tc=31℃)和臨界壓力(Pc=7.2Mpa)條件下的非凝縮性的密度流體狀態(tài),即在Tc以上將CO2氣體壓縮到高于Pc以上,CO2密度可以從氣體到液體的范圍內(nèi)進行大幅度地連續(xù)變化。超臨界CO2流體體系的性質(zhì)兼具氣體和液體性質(zhì),粘度和擴散系數(shù)接近氣體,而密度和溶劑化能力接近液體。通過改變體系的溫度和壓力這兩個操作變量,可以調(diào)節(jié)流體的密度、粘度(分子間距離),使其具有特定的物理性質(zhì)。超臨界CO2流體用于萃取、色譜法分離以及精制物質(zhì)等,例如萃取啤酒花、天然產(chǎn)物提取等[3]。
眾所周知,染色加工耗水量多,電能和熱能消耗量大,使用的化學(xué)藥品多,染色后排出的廢水中含有未固著的染料和助劑,回收困難,污水處理困難,為了達到逐漸提高的污水排放標(biāo)準(zhǔn)需要不斷的增加水處理成本。顯然,常規(guī)的染色方法將越來越難以適應(yīng)國家節(jié)水減排工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。表1列舉超臨界CO2流體染色技術(shù)的一些優(yōu)點[4]。
表1 超臨界CO2流體染色技術(shù)的優(yōu)點
總的來說,超臨界CO2染整技術(shù)具有無水染色、工藝流程短和環(huán)保優(yōu)勢。無水染色。沒有廢水污染,是生態(tài)環(huán)保的染整工藝;工藝流程短,節(jié)省烘燥所需的能源。上染速度快,染色時間短;染色后降低壓力,CO2流體與染料、纖維分離,CO2流體可回收循環(huán)利用;纖維材料不需要進行染后烘干過程。
2滌綸纖維紡織材料的前處理和染色
2.1超臨界CO2流體技術(shù)用于前處理
傳統(tǒng)的以水為介質(zhì)的上漿和退漿工藝消耗大量能源,產(chǎn)生許多污水。無水上漿和退漿方法用超臨界CO2流體作溶劑,通過洗滌萃取作用去除織物上的漿料,并且能循環(huán)利用漿料。超臨界CO2流體可以作為洗滌液、煮練液,通過萃取作用去除蠟質(zhì)、油劑。如果把無水退漿和無水染色聯(lián)合為兩浴一步法短流程工藝,或許能更好地開發(fā)超臨界CO2流體技術(shù)。
2.2超臨界CO2流體技術(shù)用于滌綸纖維及其織物的染色
1991年德國西北纖維研究中心(DTNW)E.Schollmeyer首次發(fā)表了有關(guān)在超臨界CO2流體中用分散染料染色滌綸纖維的論文,開創(chuàng)新型的無水染色技術(shù)。超臨界二氧化碳作為染色介質(zhì)時,二氧化碳分子和滌綸分子間不會形成氫鍵,分子間不會形成類似水中的“冰山結(jié)構(gòu)”或簇狀體,容易進入纖維結(jié)構(gòu)致密的結(jié)晶區(qū)域,對纖維有很強的增塑作用,可以降低纖維的玻璃化溫度,增加纖維分子鏈的活動性和自由擴散體積,在溫度較低的情況下便可染色。實驗證明超臨界CO2流體對聚酯纖維具有增塑作用,伴隨著處理過程的膨化和收縮,其結(jié)晶度通常增大,并容易產(chǎn)生微孔。經(jīng)超臨界CO2流體染色后,聚酯的熱穩(wěn)定性提高[5]。
有人采用原位光學(xué)法通過帶石英視窗的高溫高壓平衡釜測定超臨界二氧化碳介質(zhì)中聚酯薄膜樣品的體積溶脹率及相應(yīng)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。在扣除了熱膨脹導(dǎo)致的樣品體積變化后,隨著平衡溶脹壓力的提高,樣品中CO2含量增加,PET聚酯薄膜樣品被增塑軟化,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度顯著降低[6]。
了解和分析各種染料在超臨界條件下的溶解度、擴散性等性能是十分必要的,而且遇到的困難較大。龍家杰等[7]采用由帶可視化窗口的高壓腔體、紫外、可見光譜檢測器及軟件控制系統(tǒng)和成像系統(tǒng)等組成的在線監(jiān)測系統(tǒng),觀察超臨界CO2流體的形成及其對活性分散紅GG染料的溶解、上染真絲纖維過程中流體溶解染料的實時變化。當(dāng)系統(tǒng)壓力和溫度超過臨界點時,出現(xiàn)均相的超臨界CO2流體;溶解時間達120min,染料溶解達平衡;染色時間超過60min,超臨界CO2流體中染料濃度明顯下降。
在超臨界CO2染色條件下采用"卷層法"考察分散染料在滌綸織物中的擴散滲透過程,結(jié)果表明染料在滌綸織物中的擴散滲透參數(shù)隨著溫度的升高而減小,隨著壓力的增高而增大[8]。
在超臨界條件下,各種染料存在不同的上染速率,工藝條件的細微變化都會導(dǎo)致染色不勻,有必要選擇淺、中、深等不同的三原色,以利于實際生產(chǎn)中的拼混染色。E.Schollmeyer研究小組發(fā)現(xiàn)滌綸纖維吸收的各種染料的量不僅受染色溫度、壓力和時間的影響,也受到染色設(shè)備的影響,容易產(chǎn)生色差。應(yīng)用混合染料染滌綸時,發(fā)現(xiàn)每一種變化都會引起亮度、飽和度和色相的變化。用三種染料拼色時,染色固著的染料總量少于用兩種或一種染料所固著的染料總量,說明幾種染料競爭進入纖維的受染位置。應(yīng)用三種染料拼染時,當(dāng)溫度不變的條件下增加壓力,發(fā)現(xiàn)所吸附染料量的比例產(chǎn)生變化,紅色染料增多,藍色、黃色染料則減少。可能是藍色染料和黃色染料分子量小于紅色染料,較易泳移,以致染座讓給紅色染料。樣品在低溫下條件下變化壓力進行染色,色變更加明顯。另一方面,染色溫度對吸收的染料量影響最大。溫度愈高,吸收的染料愈多。在某些情況下,130℃條件下染色的纖維吸收的染料量比70℃下染色的纖維吸收的染料量要多40-50倍[9]。
有實驗分析了分散染料三原色(C.I.分散橙30,C.I.分散藍79和C.I.分散紅167)在超臨界CO2流體介質(zhì)中對滌綸染色的拼色性能。結(jié)果表明,三只染料在超臨界CO2染色中的上染速率與水浴染色基本一致,提升力與水浴染色相似,具有良好的配伍性。在超臨界CO2的拼色染色中,該三原色染料對纖維的上染量略小于各染料單獨染色時的上染量,染料之間會相互影響[10]。
東華大學(xué)戴瑾瑾等[11]研究了超臨界CO2流體染色條件對滌綸筒子紗內(nèi)、中和外層的染色勻染性,實驗說明隨著超臨界流體流量增大,滌綸筒子紗的染色均勻性提高;染液的正反循環(huán)是勻染的必要條件,以5min-10min換向一次,筒子紗內(nèi)中外的染色均勻性良好,上染率和染色重現(xiàn)性較好。
染色釜清洗比較困難。實驗表明,染后殘余染料的清洗通常需要在超臨界條件下運行7次,每次30min。如果增大清洗流體壓力或升高清洗流體溫度等,則可提高清洗效率,縮短系統(tǒng)的清洗時間[7]。
由于染色釜內(nèi)的100-300個大氣壓的高壓氣體狀態(tài),通過普通傳動軸使釜內(nèi)染色軸轉(zhuǎn)動或使繩狀織物轉(zhuǎn)動,其密封性能很難達到工藝要求。這就造成超臨界染色釜內(nèi)的織物大多保持靜態(tài),僅僅依靠超臨界CO2流體的循環(huán)運動,容易形成染色不均勻。目前,很多中試程度的超臨界染色裝置采用經(jīng)軸流體循環(huán)式不帶攪拌的染色過程。德國西北紡織研究中心采用帶攪拌的靜態(tài)染色設(shè)備,只能用于松散的織物染色,無法對卷裝平幅織物或筒子紗染色,已淘汰作為教學(xué)示范用。通過在染色釜外安裝磁力傳動裝置使釜內(nèi)的磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動或攪拌來帶動織物運動或許能克服密封的難題。
近些年,德國染色工廠安裝的超臨界CO2流體染色裝置估計7臺以上,并將在歐洲、美國工業(yè)化,用于滌綸纖維織物的染色。其后日本在2002年公開了40L和400L的超臨界CO2流體染色裝置;美國正在研制1 kL的染色設(shè)備。荷蘭Dyecoo公司已經(jīng)開發(fā)出被認為是首臺使用超臨界二氧化碳替代水的商業(yè)染色機,用于聚酯織物的商業(yè)染色。DyeCoo公司的首臺生產(chǎn)機器于2007年在泰國Tong Siang有限公司(Yeh集團旗下公司)進行安裝生產(chǎn),每批次100-150公斤。DyeCoo和亨斯邁紡織染化事業(yè)部正在開發(fā)用于纖維素的活性染料,應(yīng)用于天然纖維面料中。阿迪達斯采用DryDye系列面料,制作5萬件T恤。
超臨界CO2流體染色可以徹底消除水的污染,節(jié)約80%的能源,不需要助劑,染色勻染性好,染料上染率高,染色在極短時間內(nèi)完成,不需要還原清洗,在染色過程中易于循環(huán)使用。分散染料可以在超臨界CO2流體中溶解,并擴散到滌綸纖維中。隨著溫度升高,染料在滌綸纖維中的擴散速率提高??刂茐毫梢哉{(diào)節(jié)染料在流體中的溶解度。因此,通過優(yōu)化超臨界CO2流體染色體系的溫度、壓力和流體循環(huán)頻率等工藝參數(shù)能較好地控制滌綸纖維及其織物的染色。
綜上所述,國內(nèi)外的理論研究與實踐都證明超臨界CO2流體染色技術(shù)在用分散染料對合成纖維織物、筒子紗的工業(yè)化染色是可行的。2005年我國印染行業(yè)染整加工合成纖維1500萬t,其中滌綸就占了1200萬t。進一步創(chuàng)新超臨界CO2流體染整技術(shù)和染色裝備,將給當(dāng)前的印染行業(yè)帶來一場劃時代的技術(shù)革命[12]。
3超臨界CO2流體技術(shù)用于天然纖維紡織材料的染色
在水中能上染纖維素纖維的活性染料、直接染料、還原染料等不能溶解于純的超臨界CO2流體,而能在超臨界CO2流體溶解的分散染料對多羥基的纖維素纖維沒有親和力。目前,可以對纖維素纖維做改性預(yù)處理,引入疏水性官能團,它可以提高分散染料對纖維的直接性,例如用苯甲酰氯改性,使分散染料獲得較高的上染率。還可以使用聚乙二醇或聚丙二醇浸漬纖維,它們能斷開纖維素大分子鏈間的氫鍵使纖維溶脹,提高纖維素對染料的親和性。
有人發(fā)現(xiàn)多元羧酸整理后的織物在超臨界CO2下染色可獲得較大的染色深度。最優(yōu)染色工藝參數(shù)是30Mpa,l20℃時,45 min。經(jīng)等離子體處理后的羊毛纖維進行超臨界CO2染色,固著率和上染率均有明顯改善[13]。
另一種方法是改變超臨界CO2流體的極性,加入極性共溶劑作為挾帶劑,例如水、乙醇或者甲醇等,提高超臨界流體對水溶性染料的溶解度,這樣活性染料、陽離子染料和金屬絡(luò)合染料可以在超臨界流體體系中對天然纖維素纖維紡織材料染色[5]。
鄭光洪[14]等在日本國立福井大學(xué)參與堀照夫研究小組的開發(fā)工作,獨立研究了超臨界CO2流體處理苧麻纖維,挾帶少量多元醚、醇、酮類化合物作為助溶膨化劑, 能有效去除纖維木質(zhì)素,使染料和助劑容易進入纖維孔道, 從而提高或改善苧麻織物的染整加工性能。超臨界CO2流體處理苧麻織物的最佳工藝條件為工作溫度120 ℃、壓力25Mpa、時間40 min、助溶劑0.1%。
一些科研小組開始研發(fā)適用超臨界的活性分散染料。通過篩選或者改性常用的分散染料或天然染料,引入三氯均三嗪、2-溴代丙烯酸、磺酰疊氮反應(yīng)性基團等活性基團,利用活性基團能夠與纖維素纖維反應(yīng)形成化學(xué)鍵,改善分散染料對天然纖維素纖維的親和力和染色性能,同時又能上染滌綸纖維、丙綸、聚乳酸纖維和高分子量聚乙烯纖維等。
S.K.Liao[5]等人采用實驗室合成的分散活性染料對尼龍66進行超臨界CO2染色,并與分散黃3比較。分散活性黃對尼龍66具有較好的上染率,與尼龍66纖維形成共價鍵,具有優(yōu)良的水洗牢度和耐光牢度。
4超臨界CO2流體技術(shù)用于功能纖維紡織材料
丙綸纖維、聚乳酸纖維、芳綸、高分子量高強聚乙烯纖維等纖維都具有比較好的功能性,例如耐海水性、生物可降解、耐高溫、高強度等,但是在水中染色時纖維的疏水性強、溶脹率低,造成染色困難。在超臨界CO2流體體系中,染料的溶解度提高,纖維的溶脹性增加,可以加快染料的上染,獲得很好的勻染和透染效果。
超臨界CO2作為未改性聚丙烯纖維染色媒介是可行的。在超臨界CO2染色體系中,染料與聚丙烯纖維的親和力比在水溶液中高得多,在120℃時采用萘環(huán)偶氮染料在低于30Mpa的壓力下就可以取得很好的染色結(jié)果,日曬牢度可以達到5級,升華牢度也能達到4-5級[15]。
超臨界CO2條件對纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的影響。研究發(fā)現(xiàn)不同條件超臨界CO2處理后聚乳酸纖維(PLA)微結(jié)構(gòu)和物理性能產(chǎn)生變化,隨著處理溫度、壓力和時間的增大,其斷裂強度和斷裂伸長率都相應(yīng)減?。籔LA纖維熔點、結(jié)晶度提高,取向度降低[16]。
利用超臨界CO2條件可以對合成纖維進行改性、接枝等處理。有人研究了以超臨界CO2為溶脹劑和攜帶劑協(xié)助丙烯酸丁酯(BA)固相接枝改性聚丙烯(PP)。實驗結(jié)果表明,在41℃、8.1 Mpa的超臨界CO2中溶脹4 h,再在80℃、常壓下反應(yīng)2 h,得到接枝率為3.95%的極性PP。表征結(jié)果顯示,接枝PP的熔點和表觀結(jié)晶度明顯下降,接觸角下降,熱穩(wěn)定性提高,極性和親水性明顯改善,有利于染色[17]。
5超臨界CO2流體技術(shù)用于紡織材料的功能整理
能夠溶于超臨界CO2流體的分散性熒光增白劑、苯并三唑類紫外線吸收劑、香精、防蟲劑等,都能用超臨界CO2流體技術(shù)對紡織材料進行功能整理。
有人采用苯并三唑類紫外線吸收劑UV-234,在超臨界CO2中對滌綸進行抗紫外整理。在處理溫度為393 K,處理時間90 min,壓力20 Mpa的工藝條件下,滌綸織物經(jīng)UV-234整理,UPF值可達60[18]。
Dyecoo公司和亨斯邁公司在超臨界CO2流體染整專用的染料和化學(xué)品領(lǐng)域進行合作。在超臨界CO2流體條件下對聚酯及其混合物制成的材料進行UVITEX?熒光增白整理,其高白藍色光暈效果和高色牢度遠優(yōu)于常規(guī)的漂白劑。
超臨界CO2流體具有溶解非極性物質(zhì)的特性,將某些非極性功能化學(xué)品沉積或摻雜到纖維及織物上,賦予織物特有的功能。超臨界CO2流體在各種不同底材上,包括紡織品上沉積含氟聚合物涂料,可以獲得超疏水表面的紡織品。將某些金屬離子材料在超臨界CO2流體條件下沉積或摻雜到織物上制備防輻射、防磁的紡織品。
超臨界CO2做非溶劑制備聚合物微孔膜具有傳質(zhì)系數(shù)高、聚合物膜干燥速度快且不破壞結(jié)構(gòu)、溶劑容易回收、CO2可循環(huán)使用、CO2的低毒性與環(huán)境友好性等特點。利用超臨界CO2能制備以聚苯乙烯(PS)、聚丙烯腈(PAN)、聚醚砜(PES)等為基體的閉合狀態(tài)的微孔聚合物膜,廣泛用于聚合物鋰離子電池、太陽能電池等新能源材料[19]。
利用超臨界流體合成和制備納米材料,并通過合適的方式賦予紡織品特定的納米材料性能。超臨界流體能制備從準(zhǔn)零維納米微粒到三維納米材料,從無機納米材料到有機聚合物納米材料,包括金屬硫化物、納米金屬、二氧化硅、二氧化鈦、碳納米管、富勒烯等都能以紡織品為載體制備應(yīng)用于電子、化工、制造、醫(yī)藥保健和環(huán)保等領(lǐng)域的新材料。
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第一作者:陽建斌(1969-),男,博士,教授,研究方向:染整技術(shù)。
文獻標(biāo)志碼:中國分類號:TS190 A
基金項目:四川科技支撐計劃“染整循環(huán)利用新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化開發(fā)”(2013GZ0005)
收稿日期:2015-03-19