超臨界CO2噴染方法和裝置的研究進展

高召濤， 王威強，*， 胡德棟， 孫發(fā)玉， 易紹興

(1.山東大學 機械工程學院， 山東 濟南 250061；2.山東大學 魯南超臨界流體技術(shù)研究所， 山東 濟南 250061；3.青島科技大學 機電工程學院， 山東 青島 266061)

“十三五”期間，我國紡織行業(yè)成效顯著。如今，我國的纖維加工總量超過世界總量的50%；紡織品服裝出口額占世界份額的34%，占國內(nèi)出口額的12%；紡織品服裝貿(mào)易順差占國內(nèi)比重的71%。據(jù)中國科學院報告稱：紡織產(chǎn)業(yè)已整體達到世界先進水平，并且在我國制造業(yè)中走在了第一梯隊[1]。

據(jù)中國工業(yè)和信息化部發(fā)布的《紡織工業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016～2020)》[2]，要求在“十三五”期間從生態(tài)文明建設的新高度上實現(xiàn)紡織行業(yè)向綠色、低碳方向發(fā)展，以實現(xiàn)紡織工業(yè)的轉(zhuǎn)型。2020年，中央經(jīng)濟工作會議確定將“碳達峰”和“碳中和”工作作為要抓好的八項重點任務，從而實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)打好污染防治的攻堅戰(zhàn)。在水資源緊缺，傳統(tǒng)紡織染整行業(yè)水資源污染嚴重的今天，超臨界流體染色技術(shù)(supercritical fluids dyeing, SFD)因其優(yōu)秀的特性而逐漸被大量的國內(nèi)外學者研究[3-9]。由于超臨界流體染色是一種無水染色技術(shù)，采用超臨界流體作為染料的溶劑，從源頭上解決了傳統(tǒng)紡織水染行業(yè)水資源浪費和污染嚴重的問題，使得超臨界CO2(supercritical CO2, SC-CO2)染色技術(shù)具有巨大的發(fā)展前景[10-14]。

目前在研究的超臨界流體染色方法主要分為以下4種：超臨界流體經(jīng)軸染色方法[15-16]、超臨界流體噴射染色方法[17-19]、超臨界流體卷染方法[20-21]以及超臨界流體噴染方法。在超臨界流體染色方法中，超臨界流體噴染方法由于其既具有以往的超臨界流體染色綠色無污染的優(yōu)點，又具有傳統(tǒng)噴染輕便簡單的優(yōu)點，在無水染色中具有廣闊的研究前景。筆者將對超臨界CO2噴染方法和裝置現(xiàn)狀進行總結(jié)評述，并最終對超臨界CO2噴染技術(shù)的發(fā)展進行了展望。

1 超臨界CO2噴染方法研究現(xiàn)狀

1.1 超臨界CO2噴染方法的研究現(xiàn)狀

自1988年起，DeutschesTextilforschungszentrum NordWest e. V. (DTNW)公司的Schollmeyer等[22]發(fā)表了第一個關(guān)于運用超臨界CO2作為溶劑溶解染料來上染織物的專利之后，由于超臨界CO2在上染織物方面的各種優(yōu)越性，各個國家的學者開始紛紛投入到超臨界CO2染色的設備設計、工藝設計和機理研究中[23-25]。

超臨界流體噴染方法的流程如圖1所示。CO2經(jīng)過加壓后達到超臨界狀態(tài)，然后溶解有充分染料的超臨界CO2由噴嘴噴向被染物，被染物在CO2的快速降壓膨脹區(qū)內(nèi)實現(xiàn)織物的上染，上染后的CO2被收集起來用于下一次對織物的染色循環(huán)。

1—染料溶解釜；2—噴嘴；3—被染物；4—染料回流收集器；5—染色單元；6,7—CO2儲罐；8—加壓裝置。圖1 超臨界流體噴染工藝流程Figure 1 Process flow chart of supercritical fluid spray dyeing

2011年，王威強教授課題組[26]授權(quán)的第一項關(guān)于超臨界流體噴染方法的國家發(fā)明專利“超臨界流體噴染裝置”主要由放布輥、卷布輥、導布輥、噴嘴和染后回收裝置構(gòu)成，如圖2所示。工作過程中，織物在放布輥和卷布輥的帶動下移動。該裝置勻染性和連續(xù)性好，具有上染色度快，生產(chǎn)效率高的優(yōu)點。但是該裝置在噴射過程中，織物受到高壓噴射而極易損壞。

1—卷布輥；2—噴嘴；3—被染物；4—回流收集器；5—導布輥；6—放布輥。圖2 超臨界流體噴染裝置結(jié)構(gòu)Figure 2 Structure diagram of supercritical fluid spray dyeing device

2014年，出現(xiàn)了多孔式超臨界CO2噴染器[27]和鼠籠式超臨界CO2噴染器[28]。多孔式噴染器是將被染物貼附在多孔的染輥上，通過染輥的旋轉(zhuǎn)帶動了織物的運動，此裝置消除了噴射產(chǎn)生的張力對于織物的影響，但是染色時無孔處被染物的上染效果較差，織物整體的均勻性較差。多孔式噴染器結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。為了解決上述問題，鼠籠式噴染器將多孔板狀的染輥換成鼠籠狀，成功地解決了由于織物與支撐體之間過分貼合而造成的染色不均勻問題。鼠籠式噴染器結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

1—噴嘴；2—洗染輥；3—導輥；4—回流管；5—整流罩；6—鍵；7—軸承端蓋；8—側(cè)壁支撐板；9—阻流欄；10—密封元件；11—軸承。圖3 多孔式噴染器結(jié)構(gòu)Figure 3 Structure diagram of porous spray dyeing device

1—噴嘴；2—鼠籠式染筒；3—傳動支撐轉(zhuǎn)子；4—密封罩；5—整流罩；6—回流管；7—阻溢輥；8—導輥；9—側(cè)壁支撐板。圖4 鼠籠式噴染器結(jié)構(gòu)Figure 4 Structure of squirrel-cage dye spraying device

2014年，一種超臨界流體染色噴染紗線用噴射器 被提出，該裝置主要由噴嘴、噴嘴分布管、加熱流體管、高壓導嘴和低壓導嘴組成，如圖5所示。工作時，待染紗線從一端導入，從另一端導出，高壓導嘴位于內(nèi)側(cè)，低壓導嘴位于外側(cè)，染液從噴孔噴出后對紗線進行上染，染色后的染液從染液回流口流出，實現(xiàn)紗線的上染。該裝置具有結(jié)構(gòu)和操作簡便，均染性和連續(xù)性好，并且對紗線沒有損傷的優(yōu)點，但是該裝置噴嘴產(chǎn)生節(jié)流效應。

1—紗線；2—噴嘴；3—染液回流口；4—染液入口。圖5 超臨界流體染色噴染紗線用噴射器Figure 5 Enjector for supercritical fluid dyeing yarn

2015年，超臨界流體對噴染色裝置[30]被提出，該裝置主要由清洗單元、染色單元、漂洗單元、工作流體氣封單元和空氣氣封單元組成，如圖6所示。工作時，織物由一端進入裝置，依次經(jīng)過清洗、染色、染后漂洗實現(xiàn)織物的上染后，自另一端走出裝置。該裝置的最大特點是實現(xiàn)了對噴染色，消除了單側(cè)噴射引起的織物張力，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)化的規(guī)模生產(chǎn)，但是該裝置兩端的待染物邊緣處存在著泄露的問題。

1—被染物；2—清洗單元；3—對噴染色單元；4—漂洗單元；5—工作流體氣封單元；6—空氣氣封單元。圖6 超臨界流體對噴染色設備示意圖Figure 6 Schematic diagram of supercritical fluid counter-spraying dyeing device

2019年，為了解決兩端密封問題，采用非接觸迷宮密封結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)式超臨界流體對噴染色器[31]和收放式超臨界流體對噴裝置[32]被設計出來，如圖7～8所示。這2種裝置兩端采用迷宮密封結(jié)構(gòu)，密封效果良好，實現(xiàn)了織物的連續(xù)性染色。

1—噴染轉(zhuǎn)子；2—噴染定子；3—輸入流旋轉(zhuǎn)接頭組件；4—傳動組件；5—織物；6—放布組件；7—卷布組件；8—回流旋轉(zhuǎn)接頭組件；9—流體輸送管；10-A,10-B—支撐軸承組件；11-A,11-B—定子支座。圖7 旋轉(zhuǎn)式超臨界CO2對噴裝置Figure 7 Rotating supercritical CO2 counter-spraying dyeing device

1—放布輪；2—噴染套筒；3—套筒染液入口；4—噴染芯筒；5—卷布輪；6—織物出口收縮板；7—迷宮密封；8—芯筒染液入口；9—套筒支座；10—芯筒支座；11—織物進口展開板。圖8 收放式超臨界CO2對噴裝置Figure 8 Retractable supercritical CO2 counter-spraying dyeing device

2 超臨界CO2噴染裝置研究現(xiàn)狀

2.1 多孔式超臨界CO2紡布噴染實驗裝置

2014年，王明祿[33]83將圖3的結(jié)構(gòu)作了改進，改進后的裝置主要由噴嘴、染輥、阻溢輥、整流罩、彈簧壓緊裝置以及傳動裝置等構(gòu)成，該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖分別見圖9～10。

1—阻溢輥；2—側(cè)壁板；3—回流管；4—O形圈；5—染輥；6—溫度傳感器；7—密封墊片；8—夾套；9—整流罩；10—噴嘴；11—搖把；12—大同步帶輪；13—同步帶；14—小同步帶輪；15—支撐。圖9 多孔式超臨界CO2紡布噴染噴射器結(jié)構(gòu)Figure 9 Structure of porous supercritical CO2 spray dyeing ejector

圖10 多孔式超臨界CO2紡布噴染噴射器實物Figure 10 Physical picture of porous supercritical CO2 spray dyeing ejector

試驗時，用搖柄搖動染輥旋轉(zhuǎn)，與染輥同步轉(zhuǎn)動的大同步帶輪帶動同步帶驅(qū)動小同步帶輪，小同步帶輪帶動阻溢輥轉(zhuǎn)動，染輥兩側(cè)的彈簧裝置壓緊阻溢輥至染輥，此時阻溢輥與染輥圓周線速度一致，這樣實現(xiàn)了染輥和阻溢輥按照既定轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)，進而實現(xiàn)被染物的進給。在轉(zhuǎn)動過程中，彈片始終使阻溢輥壓緊染輥，保證了裝置的密封性。

2.2 超臨界CO2紗線噴染實驗裝置

2014年，王明祿[33]85按圖5設計構(gòu)思重新設計了實驗用超臨界CO2紗線噴染噴射器，該噴射器主要由噴孔管、噴孔分布管、流體入口管、流體出口管、高壓噴孔擋板和低壓噴孔擋板組成。該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖分別見圖11～12。工作時，待染紗從一端進入噴孔經(jīng)過噴染腔，從另一端導出，實現(xiàn)紗的上染過程。染液從流體入口管進入，由噴孔分布管將染液進行均布，使其達到均勻上染的效果；高壓染液從高壓噴孔噴出后迅速降壓，使染料分離，低壓氣體從低壓噴孔溢出。該噴射器根據(jù)功用的不同，中間腔體可以分別分隔成清洗腔、染色腔和漂洗腔。

1—噴孔分布管；2—噴孔管；3—流體入口管；4—高壓噴孔擋板；5—流體出口管；6—低壓噴孔擋板。圖11 實驗用超臨界CO2紗線噴染噴射器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 11 Structure diagram of experimental supercritical CO2 yarn spray dyeing ejector

圖12 實驗用超臨界CO2紗線噴染噴射器實物Figure 12 Picture of experimental supercritical CO2 yarn spray dyeing ejector

2.3 旋轉(zhuǎn)式超臨界CO2對噴染色器

2018年，?？∧衃34]按圖7構(gòu)思設計的旋轉(zhuǎn)式超臨界CO2對噴染色器主要由軸封組件、鍵、傳動輪、軸承組件、氣體收集罩、噴染轉(zhuǎn)子支撐組件、噴染轉(zhuǎn)子、噴染定子及O型圈組成，該染色器的結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖分別見圖13～14。運行時，首先將對噴染色器置于稱質(zhì)量顯示器上，然后連接各壓力表和管件，打開迷宮密封染色器的供流閥和回流閥，向染色器中通入CO2，待壓力穩(wěn)定時，測量泄露量，從而驗證染色器的迷宮密封可行性。

1，12—軸封組件；2—鍵；3—傳動輪；4,11—軸承組件；5,10—氣體收集罩；6,9—噴染轉(zhuǎn)子支撐組件；7—噴染轉(zhuǎn)子；8—噴染定子。圖13 旋轉(zhuǎn)式超臨界CO2對噴染色器結(jié)構(gòu)Figure 13 Structure of rotary supercritical CO2 spray dyeing device

圖14 旋轉(zhuǎn)式超臨界CO2對噴染色器實物Figure 14 Physical picture of rotary supercritical CO2 spray dyeing device

2.4 單噴嘴超臨界CO2對噴染色實驗裝置

2019年，袁淑英[35]設計的單噴嘴超臨界CO2對噴染色試驗裝置主要由氣瓶、截止閥、過濾器、冷凝器、加壓泵、染料盒、溶解釜、噴染釜、被染物、加熱油浴、壓力表(P)和溫度表(T)組成，該染色器的流程圖和實物圖分別見圖15～16。工作時，將CO2冷凝加壓后泵入到溶解釜中溶解染料，待溶解釜中CO2飽和后，打開噴染釜的開關(guān)，將溶解有染料的CO2直接噴到被染物上，同時在噴射過程中保持噴染釜的背壓和溫度，最終實現(xiàn)織物的上染。

1—CO2氣瓶；2,6,9,10—閥門；3—過濾裝置；4—冷凝器；5—加壓泵；7—染料盒；8—溶解釜；11—噴染釜；12—被染物；13—噴嘴；14—加熱油浴。圖15 單噴嘴超臨界CO2對噴實驗流程圖Figure 15 Flow chart of single nozzle supercritical CO2 counter-spraying experiment

圖16 單噴嘴超臨界CO2對噴實驗設備實物Figure 16 Physical picture of single nozzle supercritical CO2 counter injection experimental equipment

2.5 收放式超臨界CO2對噴染色器

2020年，孫發(fā)玉按圖8設計的收放式超臨界CO2對噴染色器如圖17所示。

1—支座；2—恒溫油箱；3—迷宮密封外筒；4—迷宮密封內(nèi)筒；5—外氣體分布器；6—分布板；7—內(nèi)氣體分布器；8—密封C型圈。圖17 收放式超臨界CO2對噴染色器結(jié)構(gòu)Figure 17 Structure of retractable supercritical CO2 spray dyeing device

該染色器主要由支座、恒溫油箱、迷宮密封外筒、迷宮密封內(nèi)筒、外氣體分布器、分布板、內(nèi)氣體分布器和密封C型圈等組成，該裝置的實物圖如圖18所示。工作時，將織物從一端依次通過左側(cè)迷宮密封內(nèi)外側(cè)之間間隙，中間氣體分布器分布板之間間隙，右側(cè)迷宮密封內(nèi)外側(cè)之間間隙，溶解有染料的超臨界CO2從中間接管和外側(cè)接管中通過到達噴染腔中，實現(xiàn)雙面噴射染色，染色后的氣體從中間兩側(cè)氣體出口流出，織物平直移動實現(xiàn)織物連續(xù)化的上染過程。

圖18 收放式超臨界CO2對噴染色器實物Figure 18 Physical picture of retractable supercritical CO2 spray dyeing device

3 結(jié)語

各國研究機構(gòu)和學者在超臨界CO2染色技術(shù)上積極地進行技術(shù)創(chuàng)新和實踐探索，取得了一定的成效，各種型式的染色設備被研制出來，但是距離清潔生產(chǎn)與未來工業(yè)化生產(chǎn)研發(fā)的需求還有一定差距。要真正實現(xiàn)工業(yè)化應用，就超臨界CO2噴染設備而言，還存在如下問題：

1) SCF噴染設備目前處于實驗室規(guī)模階段，對于工業(yè)化規(guī)模大型噴染設備的內(nèi)部流場和染色效果都是未知數(shù)，放大過程尚無明確的理論和可行的指導方案；

2) 工業(yè)化規(guī)模設備中，染色腔內(nèi)部流場的上染符合性和均勻性是否能夠滿足染色上染率和均勻度要求，迷宮密封處的泄漏量是否在可控范圍內(nèi)，都是需要深入研究的問題。