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节能减排的新型染整技术

时间:2012/8/25  来源:广东省纺织工程学会  阅读:4143次

贾永堂
(五邑大学纺织服装学院)

  目前,为了达到节能减排的目的,出现了许多新型染整技术。

  取得生产实效、并在不断完善进步的清洁生产、节能减排的生态染整新方法和工艺有:生物酶前处理技术、冷轧堆染色、气流染色、退染一浴染色、数码喷墨印花、转移印花、涂料染色印花等;

  逐渐成熟的新兴染色方法有:超临界CO2染色、微胶囊染色等;

  正在不断地开发应用的新型染色技术有:低盐/无盐染色技术、低温氧漂技术、仿生发色技术、电化学染色技术、超声波及等离子体技术等等。

  下面主要介绍几种很有发展前景的高技术染整技术。

  一、超临界流体染色技术

  超临界流体是指温度、压力超过临界点后的流体,该流体同时具有气体和液体的性质,通过温度和压力的调节,能够转化为气态或液态。

  利用超临界CO2流体代替水作为染色介质,是一种新型生态染色技术。它的优点是:

  无废水排放,减少染料浪费和环境的污染;

  不需要进行染后烘干,既缩短了工艺流程,又节省了烘燥所需的能源,同时由于超临界CO2流体的低黏度和高分散性,使得染色速度更快。

  研究动态:

  目前,关于超临界CO2染色的研究主要有分散染料染色、活性分散染料染色、改性天然纤维的分散染料染色以及天然染料染色。

  用于分散染料的染色工艺一般为80~160℃ ,20~30 MPa,上染时间20~60 min,各项染色牢度可达到4~5级。这一染色技术正逐步应用于实际生产中。

  超临界CO2染色技术于1991年由德国西北纺织研究中心首先开发;

  1994年制造第一台只带有搅拌系统的静态超临界CO2染色设备;

  1995年,研制了带有染液循环系统的动态超临界CO2染色样机.

  日本投巨资分别于2001年和2004年设计制造了超临界流体染色设备。

  2005年荷兰的超临界流体经轴染色取得了成功。2010年荷兰DyeCoo公司生产的150磅生产型超临界染色设备,已在泰国进行无水T恤面料染色的生产,并在2011年以“DryDyeTM”商标批量上市。这是全球第一台真正意义上的超临界染色生产设备。

  阿迪达斯用泰国所提供的上述面料,制作了50000件DryDye T恤,这样就省下了整整1,250,000升水! T恤只是一个开始而已!阿迪达斯会继续使用DryDye面料制作服饰。

  单单一件T恤就可节省25升水,同时能够节省50%的能源和减少50%的化学排放。

  我国超临界流体染色的系统研究始于本世纪初。2001年,东华大学研制了我国第一台动态超流体染色小样机,并于2006年开发出我国第一台生产型超临界CO2染色样机。

  2002至2010年,光明化工研究设计院和大连工业大学研制了超临界流体染色装置。

  广东美晨高新分离技术有限公司于2006年开发了超临界流体染色设备,已通过中科院化学所组织的专家评估鉴定。

  二、微胶囊技术

  微胶囊技术概述:

  微胶囊:将某种物质用某些高分子化合物或无机化合物,采用机械或化学方法包覆起来,制成颗粒直径1~500um、在常态下为稳定的固体微粒,而该物质原有的性质不受损失,在适当条件下它又可释放出来,这种微粒称为微胶囊。

  微胶囊技术应用领域:医学、农业、化妆品、造纸、食品、纺织

  微胶囊的分类:

  从芯材不同来分:

  单核:连续的芯材被连续的壁材包围。

  多核:芯材被分成若干部分嵌在壳材料的连续相中。

  复核:连续芯材被多层连续的壁材环绕的微胶囊。

  微胶囊在染整工业中的应用主要表现在以下几个方面:

  微胶囊染料(涂料)染色和印花;

  微胶囊功能整理剂;

  微胶囊加工制剂(消毒剂、洗涤剂、漂白剂等)。

  微胶囊染色技术:

  20世纪70年代,日本Matsui Shikiso公司首先发表了分散染料最适合微胶囊化方法的观点。

  80年代中期日本首次尝试将微胶囊用于纺织上,此后欧美的各种专利不断出现。

  大多数对微胶囊化分散染料研究目的是借助分散染料微胶囊化来满足特殊的染色效果,通过微胶囊破裂(而非缓释性能)发色,实现无序多点多色染色。

  最近几年,微胶囊的有效隔离和缓释性能替代染色中的匀染剂和分散剂,省去助剂,而且从根本上消除了由于助剂而带来的色度污染以及COD、BOD 负荷,使染色废液中仅含有微胶囊,只需要简单静置或过滤,废水指标达到国家一级排放标准,可回用或直接排放,节约用水和减轻废水处理负担,实现清洁生产。

  技术核心:先将染料作为芯材制成微胶囊。

  染色时,直接将染料微胶囊投入染浴,利用纤维、染浴和胶囊中染料的浓度差,使染料不断释放、吸附和上染纤维,实现无助剂染色。

  利用微胶囊隔离和缓释的作用,不仅染色均匀性能够得以较好的保证,还可以达到染料的“零”排放和纤维的免水洗等目的,实现清洁生产。

  研究动态:

  如埃及研究者对活性染料微胶囊应用于羊毛和丝绸染色进行了研究。最终染色产品的色牢度和摩擦牢度等均比常规染色高,并且染色后的残液几乎无色,染浴可以再利用,为产业生产提供了一个经济环保的染色工艺。

  东华大学率先将分散染料微胶囊染色应用于锦纶6、PTT和涤纶织物的染色上,对相应的染色温度、浴比、保温时间等参数及废水的回用进行了探讨和研究。最终染色产品干湿摩擦牢度、皂洗牢度和沾色牢度与传统染色工艺相当,都达到了4~5级,且废水的COD和BOD值比常规染色工艺低得多。

  其他研究者研究了天然色素姜黄微胶囊染色。染色后织物的摩擦及皂洗牢度不经过还原清洗就可达到4级以上,优于纯姜黄素染色。

  微胶囊后整理技术:

  东华大学以聚氨酯为壁材,防蚊剂为芯材,制备了防蚊微胶囊整理剂,该整理剂应用到蚊帐上,蚊帐具有明显的驱杀蚊效果,且耐久性良好。

  五邑大学以角鲨烷为芯材,聚氨酯为壁材,制备了角鲨烷微胶囊,用于织物的后整理,可对人体皮肤起到滋润保湿的功效。

  三、低盐/无盐染色技术

  活性染料染色要加入大量无机盐。

  低盐/无盐染色主要途径:

   (1)开发高直接性和对盐依存性低的染料。

   (2)开发新助剂或选用高盐效应的助剂。

   (3)开发新的染色工艺。

   (4)对纤维改性,提高对染料的吸附能力---直接有效解决活性染料染色问题的方法。

  色媒体无盐无碱染色技术:

  纤维阳离子改性能够较好的实现染料的无盐上染,但还不能完全解决需要加碱固色的问题。色媒体染色,可以实现在无盐、无碱、无尿素环境下与阴离子型染料或涂料进行常规染色,与传统染色相比,缩短了工艺流程,提高了染料利用率,减少了对环境的污染,节省了大量能源。

  技术核心---色媒体的制备。

  色媒体是一种含有羟基、氨基及亚氨基等活泼氢基团和含有异氰酸酯、环氧基、氯甲基等反应性功能团的一种预聚物。染色时用色媒体对纤维进行浸轧或喷涂预处理,向纤维引进阳离子染座从而使得阴离子染料或涂料迅速上染和固着。

  德美公司将色媒体无盐无碱染色用于棉针织布的染色研究已取得较好的效果;

  五邑大学研究了色媒体改性棉织物活性染料染色性能,结果表明,经色媒体处理后的棉织物,活性染料的快速上染,导致染色均匀性和染色牢度稍有降低,有待于进一步提高改善。

  五邑大学还探讨了色媒体改性棉织物酸性染料染色性能,结果表明,经色媒体处理后的棉织物,用酸性染料染色是可行的,为进一步实现毛/棉混纺织物一浴法染色提供了依据。

活性染料低盐染色技术:

  五邑大学研究了有机复配盐、无机复配盐对活性染料促染效果的影响,并申请了多项专利,其中《一种活性染料的促染剂及应用该促染剂的促染方法》专利已经获得授权。

  四、电化学染色技术

  还原染料染色时需要使用大量的强还原剂和碱剂,会产生大量含高浓度亚硫酸盐和硫酸盐的废水。为此,国外正在大力开展环境友好的还原染料染色新技术的研究。

  电化学染色技术反应条件温和、氧化还原电位可控、还原剂可再生、消耗化学品和水少、废水排放少,正成为还原染料染色方法中最具有吸引力的新方法。

  电化学还原染色方法有三种:

  1. 直接电化学还原

  2. 间接电化学还原

  3. 电催化氢化

  直接电化学还原法:

  在直接电化学还原过程中,染浴中悬浮的染料颗粒与电极表面直接接触而被还原。

  直接电化学还原存在电流效率低、还原速率慢的缺陷。目前,电化学染色技术研究主要集中在间接电化学还原和催化加氢上。

  间接电化学还原法:

  染料不是在电极表面被直接还原,而是采用一种媒介作为电子载体,使氧化还原反应分别发生在阴极表面和染料颗粒表面,因此被称作间接电化学染色。

  电催化氢化:

  在电化学作用下,利用电还原产生活性的氢原子,对不饱和化合物催化加氢的方法。是一种“绿色”的氢化反应过程。电催化氢化的原理可用靛蓝的电催化氢化反应表示。

  电化学染色技术氧化还原电位可控、还原剂可再生、绿色环保,正成为还原染料染色方法中最具有吸引力的新方法。而间接电还原方法和电催化氢化方法是目前最有可能工业化的方法。

  然而,目前电化学还原的效率仍然较低,电化学还原理论的基本规律有待深入研究,尤其需要研究新型的电极材料、电催化材料,设计有效的电极及电解池结构以解决染料的传质问题和还原速率问题。

  五、低温氧漂技术

  H2O2漂白工艺存在的问题:

  需要高温;

  需要强碱;

  体系的稳定性易受外界影响。

  上述问题可能导致的消极结果:

  (1)不利于节能、环保;

  (2)容易损伤纤维。

  解决的办法:

  (1)应用更好的双氧水稳定剂;

  (2)设计新的能发挥H2O2漂白能力的低温/高效漂白工艺;

  (3)寻找新的低温漂白体系---新的氧化体系(过氧酸)。

  H2O2/活化剂低温漂白体系:

  体系的组成:H2O2 +活化剂  

  活化剂通常为酯类或酰胺类化合物,在碱性溶液中,它们能与双氧水阴离子( HOO-)反应,生成过氧酸。

  该体系在浴中产生的过氧酸具有很强的低温漂白能力,在40℃到70℃的温度条件下处理纤维素纤维,能在较短的时间内获得今人满意的白度。

  活化剂的种类很多。目前,在欧洲和美国得到成功应用的主要是:

  * TAED (Tetra Acetyl Ethylene Diamine)

           四乙酰基乙二胺

  * NOBS (Nonanoyloxybenzen Sulfonate)

          壬酰基氧苯磺酸钠

  H2O2/活化剂体系也是一个基本无污染的体系。以TAED为例,TAED本身以及其反应产物均无毒,且可生物降解,降解的最终产物为二氧化碳、水、氮和氨。

  浙江理工大学、东华大学分别研究了双氧水漂白体系中加入活化剂壬酰氧基苯磺酸钠 (NOBS)的低温漂白工艺,获得了最优的工艺条件,形成H2O2/NOBS低温活化漂白系统。  

  浙江理工大学还将该工艺用于棉/多组分织物前处理工艺中,解决了多元纤维面料各组分纤维漂白适应条件的冲突造成某组分纤维损伤严重或另乙组分纤维漂白不足的难题,具有明显的节能节水降耗的效果。

  五邑大学研究了两种促活剂四乙酰乙二胺(TAED)和4-(2-癸酰基氧乙氧基羰基氧)苯磺酸钠(OBA)在棉织物低温氧漂中的应用效果,研究表明:两种促活剂都能在60℃~70℃的温度起作用,织物的白度与传统高温漂白(90℃)相当,而强力保留率提高了10%。

  六、仿生发色

  仿生发色是指模仿某些昆虫和鸟类如蝴蝶、孔雀羽毛的发色机理,直接利用光线的折射反射或干涉等原理进行发色。其“染色”概念已不是传统的染色概念,仿生发色几乎不用染料或色素,而是将染色与纤维结构设计、合成加工结合起来,只要材料的折射率和尺寸不发生改变,所得到的颜色也不会消失,可以真正做到对环境无污染。

  目前关于仿生发色的研究尚少。日本基于自然界蝴蝶生态特性,开创性地研制出了结构生色纤维Motphotex丝。国内,亦有研究者对甲虫及蝴蝶颜色做了系统的研究。

  国内研究者还通过研究孔雀羽毛的结构,给研究者们提出了一个新的研究方向。

  随着当今纳米技术和生物工程的发展,仿生发色将逐渐成为可能,这将给纺织品染色带来一次新的革命。

  结语

  上述新型染整技术大都还处在实验室阶段,离工业化生产有一定的距离,要真正利用这些新技术促进染整行业的转型升级,实现节能、减排、环保的目标,还应加强以下工作:

  解放思想,提高认识,加强宣传,加大投入,加强产学研合作,使新兴的染整技术尽早脱离实验室阶段而进入产业化研究;同时加强相关技术人员或研究人员的培训和培养,使新技术能够得以掌握和运用。

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