散毛纖維超臨界二氧化碳染色

閆 俊, 費 小 猛, 杜 冰, 鄭 來 久

( 大連工業大學 遼寧省清潔化紡織重點實驗室, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

傳統的散纖維染色在染色前將散纖維裝入染籠,壓實后將染籠吊入主缸中,直接啟動循環主泵,染液在主泵作用下,從染籠的多孔芯軸噴出,通過纖維層,再回到循環主泵,不斷由內向外循環進行染色[1-2]。染色結束后,需要放掉殘液,加多道清水進行洗滌或皂洗去除纖維上的浮色,然后吊出染籠取出纖維后脫水烘干[3]。因此,染色耗水量大,環境污染嚴重[4]。針對現有的傳統散纖維染色的不足,作者提出了散纖維超臨界二氧化碳(SC-CO2) 染色新技術,以二氧化碳代替傳統染色中的水作為染色介質[5],通過對壓力、溫度、時間等因素的控制實現無水染色[6]。

1 實 驗

1.1 材料與設備

精梳羊毛纖維,活性分散翠藍2G-SF；SC-CO2染色裝置(自主研制),低溫等離子體改性實驗儀(自主研制),SF 600電子測色配色儀,722s分光光度計,Y571W 紡織品摩擦色牢度儀。

1.2 方 法

1.2.1 纖維改性

羊毛纖維結構復雜,最外層的鱗片及正皮質等結構對染料上染纖維會有一定的阻礙作用,降低染料的上染率,因而通常情況下,羊毛纖維的SC-CO2染色一般都會對羊毛進行改性實驗。本實驗采用的是課題組設計的低溫等離子改性實驗儀,使織物在等離子體改性處理過程中,等離子體中的分子、原子和離子滲入到紡織材料表面,從而對纖維表面進行改性。

改性設備:PLASMA-Ⅱ低溫等離子體改性實驗儀,大連工業大學與上海紡織科學研究院聯合研制。

工藝參數:處理功率3 000 W,電極距10 mm,濕度75%,處理時間6 min。

工藝流程:纖維→烘干→等離子處理→取樣。

1.2.2 染色機理

染料首先溶解在超臨界CO2流體中,溶解的染料隨流體的流動靠近纖維界面,靠近纖維界面到一定距離后,通過布朗運動接近纖維,染料被纖維表面吸附,向纖維內部進行擴散,形成氫鍵或范德華力。

1.2.3 工藝流程及參數

依次將染料、散纖維原料置入超臨界二氧化碳染色裝置中；加熱使其溫度為70～150 ℃,開啟高壓系統使其壓力為20～30 MPa,在此條件下染色60～100 min；釋壓并保持在4～5 MPa、25～40 ℃進行二氧化碳和染料的回收；釋壓、降溫至常態得染色纖維。裝置工藝流程見圖1。

圖1 超臨界CO2染色流程圖

2 結果與討論

2.1 影響因素分析

2.1.1 壓 力

在超臨界流體中,隨著壓力的升高,染料溶解度也會跟著提升。在一定溫度下提高壓力,SC-CO2密度增大,特別是在15～25 MPa,密度隨著壓力的增大而增大的效果比較明顯,超過這個區域,隨著溶解度增加變得變緩,密度的增大也變得緩慢。本實驗選擇17～25 MPa的壓力,保持纖維與染料的質量比為10∶1,在染色溫度110 ℃條件下染色90 min,觀察流體壓力對上染率的影響。

由圖2可知,在17 MPa壓力下,纖維的上染率較低,隨著壓力增加,染料的溶解逐漸增大,當壓力到達23 MPa后,染料上染率增加的速率變緩。這是因為壓力的增大對染料上染率有兩方面的影響:一方面,壓力的增大,可以使更多染料溶解在超臨界流體中,對染料上染率增大有幫助;另一方面,隨著染料更容易在流體中溶解,對已經上染到纖維上的染料也有溶解的作用,影響染料在流體與纖維中的分配系數,不利于染色。綜合兩方面影響,在溫度恒定的情況下,壓力過高對提高染料的上染率不再有明顯作用,且提高設備的運行成本。因此,壓力控制在25 MPa左右為宜。

圖2 壓力與上染率的關系

2.1.2 溫 度

溫度對溶解度有兩方面的影響:一方面隨溫度升高,溶質的蒸汽壓增大,CO2萃取能力增加,即提高了染料的溶解度,增大了上染率；另一方面隨著溫度的升高,超臨界流體密度會相應降低,二氧化碳分子間的距離相應增大,對流體滲透纖維能力、溶解染料的能力都有所影響。本實驗選擇保持25 MPa 壓力,分別對纖維在70～150 ℃染色90 min,觀察溫度對染料上染率的影響。

由圖3可以看出,當溫度從70 ℃增加到100 ℃時,染料的上染率增加比較明顯;當溫度從100 ℃繼續往上升時,上染率雖然還在增加,但速率變緩,增加的幅度不明顯。因此,要獲得比較高的上染量,染色溫度可控制在120 ℃左右。

圖3 染色溫度與上染率的關系

2.1.3 時 間

由于超臨界流體中的染料上染是一個纖維表面吸附、擴散的過程。在染色初期,染料只是吸附到纖維表面,上染率低,隨著染色時間的延長,染料往纖維內部進行擴散并固著。本實驗在染色溫度120 ℃、壓力25 MPa、纖維與染料的質量比在10∶1的條件下,研究染色時間對上染率的影響。

由圖4可以看出,隨著染色時間延長,染料的上染率也在不斷增大。當染色進行到30 min時,上染率就已經達83.4%；60 min時,染料的上染率達到92%。但是其后,即使增加時間,染料的上染率也不再明顯增加,說明此時染色已經飽和,即達到了超臨界染色的動態平衡。

圖4 時間與上染率的關系

2.2 織物色牢度測試

對染色后的毛纖維進行紡紗、織造,形成織物,對織物進行色牢度檢測,主要檢測耐洗牢度和耐摩擦牢度,方法參考GB/T 3921.3—1997。結果(表1)表明,毛纖維色牢度指標均達到服用要求。

表1 毛纖維色牢度測試結果

3 結 論

(1)采用活性分散翠藍2G-SF實現散毛纖維超臨界二氧化碳染色,通過研究流體壓力、染色時間、溫度及染料用量等因素,確定染色最佳工藝條件為:溫度120 ℃,壓力27 MPa,時間90 min,分離壓力5 MPa。

(2)利用超臨界二氧化碳對散毛纖維直接染色可達到傳統水浴染色效果,纖維耐洗、耐摩擦色牢度均可達到GB 18401—2003的要求,具有染色工藝流程短、纖維染色質量好、環境效益顯著的特點,可實現清潔化生產,符合當前節水節能的低碳經濟政策。

[1] 鄭來久,劉志偉. 羊毛等離子體改性對超臨界CO2染色效果的影響[J]. 印染, 2005, 20(6):7-9.

[2] CABRAL V F, SANTOS W L F. Correlation of dye solubility in supercritical carbon dioxide[J]. Journal of Supercritical Fluids, 2007, 40(8):163-169.

[3] FREITAG J, YOKOYAMA Y. Measurements of the solubilities of derivatized amino acids in supercritical carbon dioxide[J]. Fluid Phase Equilibria, 2007, 257(7):201-206.

[4] BANCHERO M, MANNA L. Effect of the addition of a modifier in the supercritical dyeing of polyester[J]. Coloration Technology, 2010, 126(2):171-175.

[5] YAN Jun, ZHENG Laijiu. Study on dyeing of the plasma modification silk fabric in supercritical carbon dioxide[C]. Proceedings of the 7th China International Silk Conference, 2010:662-667.

[6] 郎慶勇,魏建謨. 超臨界流體萃取技術的應用及展望[J]. 巖礦測試, 1998, 17(3):216-223.