染整新技术研究进展yd14221
雷开臣 武汉纺织大学 湖北 武汉43O073
收稿日期:⒛11ll⒋⒛
作者简介:雷开臣(1987-)男,硕士在读,研究方向为环保性纺织化学品;纺织品染整新技术
原载:染整技术2011/10;11-17
【摘要】介绍近年来染整新技术的进展,指出未来的染整趋势将会是生态染整、物理染整、仿生染整、无水、少水染整、高信息网络和高自动化染整和新纤维和新组织结构染整等,染整将会朝着生态和清洁方向发展。
【关键词】染整技术;生态;仿生;自动化
【中图分类号】TS190. 文献标识码:A 文章编号:1005-935O(2011)10-0O11-O7
在染整生产加工过程中,使用了大量对环境有影响和妨碍人体健康的染化料及助剂,其生物降解性差,毒性大,游离甲醛含量高,重金属离子的含量超标等。这些染化料及助剂以气体、液体、固体的形态排放而污染环境,危害人类的健康[l],同时染整加工过程会消耗大量的能源和水,因此染整行业可以说是高耗能、高耗水、高污染的行业。随着科技的进步和生活质量的提高,人们对于环保能源的意识越来越强,所以,节能减排、绿色染整、生态染整等是人们对环保能源的重要性有了充分认识以后,对染整加工技术提出来的一个努力方向与最终目标。很多国家和地区都对环境能源问题制定了相关的应对机制,如欧洲近年来提倡的3E系统(效率Efficient、经济Economy、生态Eco1ogy)、3R生产机制(一次准确性Rightfirsttime、快速反应性Rapidresponsibility、重现性Reproducibi1ity)、4R原则(节省Reduction、回收Recovery、回用Reuse、循环Recyc1e),欧盟的REACH法规等等,同时我国的“十二五”规划纲要也作出了明确的要求,在纲要中首次提出了“绿色发展”的概念,并且独立成篇,展现了坚持科学发展的决心与信心。
目前,国内外关于染整加工新技术的研究和开发浪潮高涨,一些具有创新性、前瞻性和实用性的新技术被开发出来,极大地提高了染整业的环保节能水平,使染整行业朝着生态和清洁方向发展。
1 生态染整技术
生态染整是指纺织产品在染整生产加工过程中是安全、生态的,对人体和环境不产生有害影响,不会破坏资源和污染环境,从原料、产品的设计、加工和应用整个过程都建立在生态和清洁生产的体系上。
l.l 生态染料
合成染料随着石油化工的发展而飞速发展,几乎取代了天然染料,然而,在合成染料的原料、中间体以及成品中,有些对生物和生态环境有很大的危害,因此,一些对生物和环境有害的染料被禁止生产和使用,同时,随着资源问题的出现,石油资源的消耗开始显现出合成染料的原料的不足,因此,人们开始对天然染料、新型生态环保染料产生了浓厚的兴趣。
1.1.1 天然染料
天然染料是指从植物、动物或矿产资源中获得的、很少或没有经过化学加工的染料。其主要来源是植物(根、茎、叶、花、果),动物或天然彩色矿石。天然染料根据来源可分为植物染料、动物染料和矿物染料[2-3]。细菌、真菌、霉菌等微生物产生的色素也可作为天然染料。英国研究人员指出:掌状革菌、粗毛纤孔菌等大型真菌都可以作为天然染料用于染色。日本蚕丝昆虫农业技术研究所与蚕丝商社合作研究,发现了能产生青紫色色素的微生物并使之用于染色[4]。天然染料可用于纤维素纤维,蛋白质纤维以及部分合成纤维。运用传统的染色工艺对织物进行染色,上染率及织物色牢度都较差。近年来,天然染料染色在工艺和技术上有了很大提高,获得了理想的染色效果。
海澜集团和东华大学纺织学院所承担的国家“863”高新技术项目——“天然染料制备及其在生态纺织品开发与羊毛清洁生产中的应用技术”已经通过科技部的验收,纺织企业染色时使用化工染料产生的污染将会因为一种全新的植物染料的出现而得到改观,该项目成果填补多项国内空白,总体水平达到国际先进。
Pau1等[5]研究出一种不溶于水的橙色天然染料在形成油/水微乳液系统后对羊毛染色,发现染料主要溶解在这种0/W型微乳胶束中,溶解度有了很大的提高,染色时慢慢释放染料,染色效果得到了明显的改善。
Padma等[6]研究了用墨旱莲色素在超声波条件下对棉织物进行染色,结果使棉织物的染色深度增加,同时相比与传统染色方法,染色牢度也得到了提高。
1.1.2 新型环保型合成染料
目前,国内外对环保型合成染料的研究开发主要集中在活性染料和分散染料,同时还有一些直接染料,还原染料、酸性、阳离子染料等。这些开发的新型染料呈现出一次性上染率高、高吸尽率、高上染率、高固色率以及优异的色牢度的特点,同时符合生态和环境的要求。
DyStar公司新推出的四只分散染料[7],它们可达到一些著名运动服装品牌和零售商对染料的性能和生态指标的要求,这些指标涉及色牢度、生态环保和节能节水等。其中Dianix海军蓝XF-AR和Dianix黑XF-AR是两只新分子结构分散染料,具有优良的湿牢度和染浴中优异稳定性,因此,一次染色准确率高。此外新推出的三元混合染料Dianix金黄SF和Dianix蓝SF,它补充了已面市的Dianix SF系列红色染料,从而使深色三元混合色也可达到最高等级的色牢度。这些新推出染料不仅满足了大品牌服装的色牢度要求,而且可使其面料供货商改善生产效率。
黄山市普米特新材料有限公司开发出Reactex系列环保活性染料[8],3个系列20个品种高档活性染料产品符合欧盟活性染料标准,可替代国外同类产品,提高了国产活性染料在高端市场的占有率。
日本高桥练染开发出环保染料Dyestone[9],并研发出一套针对该环保染料的生态后整理固色加工技术Eco
Finish,专用于实现染色、印花等需要特效加工的技术。应用这种技术与染料,所有面料都可以在无黏合剂的情况下直接进行染料固色,由于不需要汽蒸、水洗等传统工序,因此能节省时间与成本,缩短工期。
1.1.3 纳米生态染料
顾名思义,纳米生态染料[lO]是指利用纳米技术改造染料,其产品粒子三维尺寸均小于100nm,而普通染料粒径小于175µm。纳米生态染料具有特殊的纳米结构,因而具有优良的色牢度、对纤维的无选择性,同时染料本身、印染过程以及印染产品都符合生态要求。
关士林等[ll]用纳米生态天然染料染色后,织物的干摩擦牢度均为4-5级,没有产生浮色,不用水洗,也不产生废水。目前关于纳米生态染料的合成技术及研究都还报道很少,但可以肯定的是在未来的印染行业有很大的应用前景。
l.2 生物染整技术
生物酶是具有催化功能的蛋白质,有高效性、专一性、低反应条件〈环保性等特性。目前生物酶在印染中的应用主要在前处理,用来去除纤维上的杂质;其次是后整理,主要是对纤维的表面进行改性。生物酶处理技术主要优点是整理效果永久;加工对环境的污染低。在染色中的应用还不是很成熟,还处在研发阶段,但是生物酶染整技术具有很好的应用前景。
1.3 物理染整技术
1.3.l 等离子体技术
等离子体是指全部或者部分电离的气体,气态物质在光、电、热等作用下产生不同程度的分子和电子的分离,形成大量的带电粒子和中性粒子体系,含有离子、电子、自由基、激发态分子和原子,它是一种区别于物质三态(固态、气态、液态)的另一种奇特的物质聚集态,即通常所说的物质“第四态”,这种聚集态中的负电荷总数和正电荷总数在数值上是相等的,宏观上呈现出电中性,因而又称为等离子体[I2]。一般将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体,前者又称为平衡等离子体,后者称为非平衡等离子体。在纺织染整加工中主要应用低温等离子体,低温等离子体的产生通常采用电晕放电和辉光放电两种。
近年来低温等离子体技术作为一种简便、快速、生态、清洁的染整加工技术,在各种纤维的改性中等到广泛的应用,利用低温等离子体对纤维表面进行刻蚀处理,使织物表面粗糙化,减少对光的表面反射,提高织物的表观色深;利用低温等离子体的高反应性,可在纤维的表面引进亲水基团和对染料具有亲和力的基团;利用低温等离子体的高活性,使纤维表面活化,产生自由基,从而引发单体在纤维表面接枝聚合,使纤维表面的亲水性、渗透性等发生改变,以利于染整加工[l3]。
低温等离子体技术在实验室的研究取得了很多成果,但在工业化中用的很少。据报道,由中科院微电子所和中国纺织科学研究院江南分院联合研制的常压等离子体共性技术设备在绍兴通过中国纺织工业协会鉴定,该设备应用于棉布轧染的前处理流程,可节能减排约30%。据了解,利用等离子体技术进行棉布轧染前处理是多个国家正在研究的课题,但目前只是在实验室做小样面料的实验,尚未制成能满足实际工业生产需求的样机。此次工业用常压等离子技术处理设备的成功研制,是推动等离子技术在纺织印染工业生产领域广泛使用的一大突破。
1.3.2 高频技术
高频场发生器能产生高频范围在10-50MHz的电磁波,能用此加工纺织品,其间能量会发生转换,如高频引起纤维内水分子激剧振荡而转化为热能可用于纺织品的烘干;又可协合化学活性物,在适当pH值条件下,弥补化学反应势能的不足,足以使纤维材料内的各种杂质,如丝胶、麻胶、油污脂质、内源性色素等快速分解,并迅速脱离原来的位置而被强制逼到纤维表面,然后被相对低温的水冲洗掉:还适合于淀粉酶、蛋白酶、胶酶、纤维素酶、脂肪酶等处理过程中酶解催化的加速作用,以大大缩短时间过程和时间[l4]。
在传统的染整工艺中添加高频场处理可有效地提高处理质量、减少纤维损伤、改进综合手感、节约能耗、减少废水量、节约助剂,这种处理手段的开发是可行的。
1.3.3 辐射技术[15]
(1)紫外辐射
紫外线是波长为100-400nm的电磁波,紫外线有广泛的应用,用紫外线处理纺织品的优点是:一方面它具有很高的能量,能够对纺织材料进行改性或加工,另一方面它不需在真空状态,或不需使用专门的气体,只需在常压空气中就能加工。利用紫外线辐射来改善棉织物的染色性能,紫外线辐射改善羊毛染色和印花性能,大大提高羊毛对染料的吸附和固着能力;紫外线辐射改善蚕丝的染色和印花性能,对蚕丝进行紫外线低温染色试验,发现可以显著提高某些染料的上染率,同时可节约能源。紫外线还可用于双氧水漂白,光催化脱色等[l6]。
(2)激光辐射
激光辐射纤维后,会使纤维的性能和形态发生变化,如纤维表面形态有明显变化,出现沿纤维轴向取向的所谓圆筒状花纹,即与纤维轴向呈直角的褶状凹凸纹,同时纤维表面的结晶度有所下降,即引起纤维表层部分的非结晶区结构增多。利用这些性能变化可获得一些特别的功能,如利用表面凹凸纹状特征可起增深作用,激光辐射后的纤维染色,染料的扩散深度明显增加,总的说来,经激光辐射后,纤维染色的透染性和上染速度都有所增加。
激光还可以进行表面光化学反应改性,被改性的部位对光的反射和对染料的吸附性能均有明显的变化,因此只要有规律地局部辐射激光,就可以在织物上形成图案,或经过染色后产生不同颜色或深浅的图案,达到印花的效果。
此外激光辐射还可以用于活性染料固色、雕刻和工艺测试及控制等等。
(3)微波辐射
微波指频率为300-3000000MHz,波长1mm-1m的电磁波。微波对物体的穿透性比较好,并且微波振动和材料极性分子的偶极振动频率相似,很容易被极性分子吸收。在染整加中的各种染化料和助剂等也都是极性分子,在微波辐射极性物质分子时,极性物质分子能吸收微波,使转动和自旋运动速率加快,内能增加而转化为热量产生热效应,同时,有些物质的化学基团还可以对微波的选择性吸收,从而促进基团的旋转振动,因此在化学方面表现为有选择地提高某些化学反应的速率,起到高效催化剂的作用,此为微波的非热效应[17]。利用微波的热效应和非热效应可以提高上染率、匀染性、色牢度等,可以对印花织物进行烘干固色,同时微波技术高效节能,且易于控制,适于自动化和连续的染整加工。
l.3.4 超临界二氧化碳技术
超临界二氧化碳具有扩散系数高、传质速率快、粘度低、混合性好、密度高、介电系数低,能与某些有机物完全互溶等特点[18],超临界二氧化碳染色是一种新型的生态环保染色技术,染色速度快,匀染和透染性好,无需使用染色助剂,染料可重复使用,可以彻底消除染色废水的产生,可以省去染色加工中的烘燥过程,节约能源,节约成本,对环境不会产生危害。有多种品种的纤维适于超临界二氧化碳的染色,一些难染的合成纤维也可进行正常染色,但目前仅适用于一些经过选择的合成纤维,对天然纤维的染色还需要进行一些改进,才能达到所需的效果[l9],同时超临界二氧化碳萃取设备绝大部分为高压容器,对设备及其配套设施相对要求较高,投入较大,产业化和工业化还有一点困难[2Ol,还需要进行改进。
据报道,辽宁省高校纺织重点实验室研发的超临界二氧化碳无水染色技术与工程化设备取得了重大突破,该科研成果达到国际先进水平,为解决纺织染整行业的水污染和二氧化碳的综合利用提供了新的解决方案[2l]。
1.3.5 超声波技术
超声波是人们听觉无法感知的振动波,其频率为18kHz-10MHz,超声波在传播时需要有一具有弹性的介质,它有纵波和横波,在固体中纵波和横波都能传递,而在气体和液体中只能传递纵波。超声波在传递时方向性好,穿透力强,在传播的时候会产生机械效应、热效应和空化效应[22]。
在前处理过程中,利用超声波的机械效应、热效应以及空化效应所引起的乳化、分散、净洗等作用,可以节约能源,可以加速浆料的膨化和脱离,较少纤维损伤,提高退浆率:还可以使粘附在纤维上的污物和油垢表面张力降低,在各个表面上和低处起着清洁作用,同时空化作用使污物和油垢得以乳化,协助清除油垢和污物,而且在漂白中超声波的空化作用可以使纤维内部的比表面积加大,增大与化学试剂的比表面接触,加快反应速率,同时有助于破坏发色体系,从而起到消色的作用[23]。
超声波的辅助染色也有明显的改善,可以减少加工时间,降低能耗相污染。孙德帅等[24]超声波染色研究结果表明,超声波可使染料聚集体解聚,加快染料在纤维中的扩散,使染色的时间明显减少。据报道,欣悦印染有限公司与江南大学合作研发的全新超声波技术获得成功,它消除了工序中的诸多不稳定因素,率先将超声波技术真正应用于染整生产。
l.3.6 泡沫技术
泡沫染整是以空气代替水作为载体,将整理剂、染料或涂料、化学药剂的工作液制成一定发泡比的泡沫,在施泡装置系统压力、织物毛细效应及泡沫润湿能力作用下,迅速破裂排液并均匀地施加到织物上。目前较成熟泡沫工艺有泡沫整理、泡沫印花、泡沫染色等[25-26]。泡沫染整加工具有通用性、加工柔性、节水、节能、节约化学药剂,以及生产率提升等优点,同时对环境的污染小,由于这些优点使国内外都在对泡沫染整加工技术进行研究。近年来,国外泡沫染整加工技术发展很快,而国内近年来由于清洁生产、节能减排的呼声越来越高,染整行业正陷于高耗水、高耗能、高污染的发展瓶颈,而泡沫染整加工无疑能突破这一瓶颈的桎梏。
国外对泡沫染整加工设备研制已有10多年,比较著名的有英国AutoFoam公司生产的AutoFoam自动泡沫控制器,美国北卡罗来纳的GastonSystem有限公司的CFS(Chemica1Foam System)泡沫施加产品,意大利Bombi Meccanicasr1公司的连续泡沫混合系统等[27],但高昂的价格、滞后的售后服务等对国内的推广泡沫染整加工带来了困难。据报道,上海太平洋纺织机械成套设备有限公司印染机械分公司与东华大学合作研制成功一种具有独特技术的泡沫整理机,该泡沫整理机是典型的低给液节能型设备,保证在最小给湿量条件下化学药剂的均匀分布,完全符合绿色染整的发展方向,主要供纯棉、化纤及混纺织物作上浆、柔软、上树脂等各类泡沫整理使用[28]。另外,上海誉辉化工公司在大量泡沫整理实践生产的基础上,研发出了世界首台喷沫泡沫染色机——喷入式泡沫染色机。目前,该产品己在国内几家纺织企业试用,并达到了预期效果,不久将批量推向市场。该喷入式泡沫染色机利用处于国际领先地位的泡沫施加技术,创造性地解决了传统染色机泡沫在横向施加不匀的问题[29]。
1.4 电化学技术
电化学染色是一种全新的染色方法,将染液置于电场的环境下,利用电解液的离子定向移动和电极反应,以产生的电能代替或部分代替热能,在低于常规染色温度下进行染色的过程[30]。以期达到加快上染速率,提高上染百分率,节省染色时间和降低能耗的目的,同时降低了染色成本,降低了染色厂污水处理费用和减少环境污染。电化学阴极还原代替传统保险粉还原染色工艺,不但可以保持还原染料的优点,而且染液可重复使用,节约80%的化学试剂和大量的水。国内外学者对电化学技术在染整加工中的染色、漂白、废水处理等方面的应用己经有了一定的研究,取得了一定的成果。
德国Krantz公司推出了电化学染色机[31],当采用还原、靛蓝、硫化等染料进行染色时,可以不采用传统工艺所使用的烧碱、保险粉等药剂,而是通过电化学方法。将染浴介质回用,使得上述染料还原。这种方法的优点是节省了80%的化学药剂,水耗几乎为零,大大减少污染。美国加利福尼亚大学发明的电化学装置[32],主要用于无污染的精练与漂白。其基本原理是电极的阴极释放碱液,进行漂白与丝光,而阳极则产生酸,以中和残余的碱,可以杜绝废液的排放。
2 仿生染整技术
仿生染色[33-34]是指利用生物色素的特性(生态性、功能性和相容性),模仿生物中色素的结构、分布和功能,进行仿生染色,这是一种新的生态染色途径。仿生染色可以从以下方面进行:首先,开发仿生的新型染料或色素:其次,参照生物色素的相容性,开发出新的染色途径;第三,开发具有特殊功能的染料和进行多功能染色。
仿生染料的研发是国内外研究热点,但是新型的发色团确实也是研究的难点[35]。仿照生物色素的形成和它在生物中的分布相结合来设计染色,不仅是染料和纤维间的吸附问题,而是一个广泛的染色体系,当前国内外研究的“增强”或“增溶”染色就是一例。还要充分发挥色素的多功能性,不仅产生色效应,还可产生抗紫外线、催化、抗菌等功能性,更主要的是要开发生态性好的纤维、染料和助剂,耗水耗能低的工艺[36]。
3 无水、少水染整技术
传统的染整加工都要耗费大量的水,同时会产生大量的印染废水,处理困难,还会污染环境,因此无水、少水染整是染整工作者长期追求的目标。目前,无水、少水染整加工技术的研究主要有冷轧堆、湿短蒸、小浴比染色、气流雾化染色[37.38]、短流程染色等方法,也有对染整所用的染化料助剂进行研发,使其适用于小浴比的染色,同时使其对环境污染较小,还有对染整设备进行改进和进行受控染色,这些可大幅度减少传统染色工艺的耗水量,实现染色工艺的清洁生产,同时前面所述的物理染整技术也可以实现无水、少水染整加工的实现。目前关于无水、少水染整技术的研究取得了一些成果,香港立信公司推出的THEN AIRFLOW系列气雾染色机,可以适应高温高压和常压条件的染色要求,染色浴比降低到1:3;意大利BRAZZOLI(巴佐尼)公司采用INN0TECHNOLOGY——染液横动技术推出的INNOFLOWEXL匀流染色机,可以使活性染料中深色耗水量仅为40-50m3/t,且能获得很好的重演性和匀染效果[39]。另外据报道,江苏省江阴市雪豹精细化工研究所成功研发出国内首个无水印花技术,该技术节水无污染。
4 高信息网络和高自动化染整技术
计算机网络和高新技术高速发展同时,也带动了现代科学与技术的融合和染整技术的迅速发展,对染整行业产生了巨大冲击,使信息技术、数字技术、自动化技术、生物技术、激光技术、传感器技术及空气动力学技术等先进技术在染整行业和相关行业内得到普遍采用,并研发出不少新产品、新技术、新工艺、新设备、新助剂,从而促使染整行业的迅速发展,并向智能化、自动化、连续化、高速高效、高品质及节能环保等技术进步方向发展了一大步,从而实现高信息网络和高自动化染整。
目前国内外对高新技术的应用高度关注,荷兰Vanwyk公司研发出自动化液状和粉末化学品的配液和混合系统,对染色和整理设备相连的配液装置的软件进行改进,可在线测得整理化学品的消耗,自动配制补充液;Datatex ACI软件开发公司为纺织、服装、印染企业提供组织管理服务,在安装IT系统后,可在英特网上运行和维护,显著降低成本;日本的日阪制作开发的液流染色机的自动管理系统EDIC’s,可以适应重现性的要求,减少因认为错误而影响的质量,达到节能,降低成本的效果;谢水英等[40]针对染色机控制系统中的控制方式单一且自动化程度落后,同时对水、电资源浪费大等问题,设计了一套全新的控制方案。运用PLC及组合技术使系统实现集散控制,在相应环节上运用变频及智能PID技术,解决了染色机控制方式的单一、落后、实时性差等问题。
5 新纤维和新组织结构染整技术
随着科学技术的飞速发展,国内外纺织新材料发展迅猛,新纤维、多种纤维、多元化复合纺织材料越来越多,纺织品的组织结构会越来越复杂,越来越多元化,使纺织品具有功能化、新颖化、仿真化、个性化等特点,这些纺织品的附加值、技术含量较高,它们的染整加工也将会越来越复杂,越来越困难,因此,对新纤维和新组织结构染整技术的研发必然会成为未来的发展趋势。据报道,日本新泻县长岗市的LonRevise有限公司成功研发立体纺织品印染技术,该技术可以将立体纺织面料在印染过程中保持立体造型的模具,成功地对3000件立体纺织成型内裤产品进行了印染上色。该项技术可以在成衣阶段进行印染上色,故省去了缝制环节中耗工、耗时的花纹拼接工序,同时也克服了使用传统印染技术造成的花纹不完整、凹部与凸部上色不均匀,以及染料显色不稳定等问题。
6 结束语
随着人们对环保能源意识的增强和环保能源政策的严格实施,因此在染整行业出现节能减排、绿色染整、生态染整等概念,传统的水耗大、能耗大、污染大的染整技术己经越来越难以适应现代的染整技术要求了,将逐步被生态、物理、生物、无水以及少水染整技术给取代,未来的染整趋势将会是生态染整、仿生染整、无水、少水染整技术、高信息网络和高自动化染整和新纤维和新组织结构染整等,染整将会朝着生态和清洁方向发展。
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