超臨界二氧化碳無(wú)水染色工程化技術(shù)研究

朱進(jìn)梅(中國(guó)紡織科學(xué)研究院北京中麗制機(jī)工程技術(shù)有限公司， 北京 100025)

超臨界二氧化碳無(wú)水染色工程化技術(shù)研究

朱進(jìn)梅(中國(guó)紡織科學(xué)研究院北京中麗制機(jī)工程技術(shù)有限公司， 北京 100025)

本文以中國(guó)紡織科學(xué)研究院與大連工業(yè)大學(xué)等單位共同研發(fā)的“1000L復(fù)式超臨界二氧化碳無(wú)水染色工程化技術(shù)研究”開發(fā)項(xiàng)目為例，介紹了該項(xiàng)目的染色工藝及設(shè)備，指出了超臨界二氧化碳無(wú)水染色技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中需要解決的問(wèn)題。

超臨界二氧化碳；無(wú)水染色；工程化

1 引言

近幾年來(lái)，我國(guó)在超臨界二氧化碳無(wú)水染色技術(shù)上已經(jīng)取得了顯著的成果，但是隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)厲，“十三五”紡織工業(yè)綠色發(fā)展提出，要解決印染行業(yè)的環(huán)保瓶頸，原液著色、超臨界二氧化碳無(wú)水染色等技術(shù)擁有廣闊空間，同時(shí)也亟待完成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)超臨界二氧化碳無(wú)水染色工程化技術(shù)的開發(fā)，中國(guó)紡織科學(xué)研究院與大連工業(yè)大學(xué)等單位共同研發(fā)建設(shè)了科技項(xiàng)目——“1000L復(fù)式超臨界二氧化碳無(wú)水染色”，該項(xiàng)目是產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的典型，將會(huì)促使染整技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入全新領(lǐng)域，給無(wú)水染色技術(shù)注入新的活力。

2 超臨界二氧化碳無(wú)水染色技術(shù)

2.1 超臨界二氧化碳流體的性質(zhì)及優(yōu)點(diǎn)

⑴ 二氧化碳既不能燃燒，也不支持燃燒，無(wú)毒，價(jià)錢低，使用起來(lái)比較安全，對(duì)空氣也不會(huì)造成污染。

(2)二氧化碳分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱，極性小，是一種溶解能力強(qiáng)的溶劑，根據(jù)相似相溶的原理，二氧化碳可以作為有機(jī)反應(yīng)的溶劑，也可作萃取劑，通過(guò)調(diào)節(jié)溫度和壓力，能控制二氧化碳流體的溶解性分離出不同態(tài)的有機(jī)物。

(3)二氧化碳能適用于多種反應(yīng)條件，既可以作反應(yīng)劑，也可以作萃取劑。

(4)二氧化碳不但為反應(yīng)提供了惰性環(huán)境，而且可以循環(huán)使用，節(jié)約能源和資源。

(5)二氧化碳本身也可以作為反應(yīng)物，直接參與聚合等反應(yīng)[1]。

表1 各種狀態(tài)下二氧化碳的性質(zhì)

由上表可看出，從擴(kuò)散系數(shù)來(lái)看，超臨界二氧化碳比液態(tài)大數(shù)百倍，說(shuō)明向固體基質(zhì)中的滲透超臨界狀態(tài)比液體快得多，超臨界的密度又接近于液態(tài)時(shí)的密度，所以溶解性比較好。當(dāng)二氧化碳的溫度≥31.05℃，壓力≥7.53MPa的時(shí)候，會(huì)達(dá)到超臨界狀態(tài)，在超臨界范圍內(nèi)的物質(zhì)既不是氣體，也不是液體，兼具氣體和液體的雙重特性。而水的臨界溫度是374.15℃，臨界壓力為22.13MPa，所以與水相比，應(yīng)用二氧化碳的超臨界技術(shù)要容易得多。

2.2 1000L復(fù)式超臨界二氧化碳無(wú)水染色工藝

整個(gè)工作流程主要由二氧化碳循環(huán)泵、分離器、冷凝器、高壓泵、染色釜、染料釜等組成，其中染色釜和染料釜均為高壓釜。在染色釜內(nèi)設(shè)置有攪拌器，根據(jù)需要同時(shí)配有不銹鋼染色經(jīng)軸和染色器皿。正常染色時(shí)，將織物卷繞在染色經(jīng)軸上，放入染色釜，并裝在攪拌軸周圍。將染料放置在染料釜底，然后將容器關(guān)閉。接通設(shè)備后，超臨界二氧化碳通過(guò)循環(huán)泵、增壓泵進(jìn)入染色釜，并且作為載體攜帶染料進(jìn)入染色釜，然后將系統(tǒng)加熱到染色溫度，當(dāng)達(dá)到恒定溫度時(shí)，將高壓染色釜加壓到工作壓力，然后在恒定不變的溫度和壓力條件下進(jìn)行攪拌。二氧化碳在整個(gè)染色過(guò)程中，不斷地反復(fù)循環(huán)通過(guò)高壓釜，然后經(jīng)減壓閥減壓變?yōu)闅怏w后，通入大氣或回收使用。待染色完成后，將染色釜轉(zhuǎn)為常壓，便可取出干燥的染色布樣。

2.3 超臨界二氧化碳無(wú)水染色設(shè)備

中國(guó)紡織科學(xué)研究院與大連工業(yè)大學(xué)等共同研發(fā)的1000L復(fù)式超臨界二氧化碳無(wú)水染色工藝設(shè)備，采用了大流量?jī)?nèi)循環(huán)系統(tǒng)，其主要由染色系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、二氧化碳存貯系統(tǒng)、二氧化碳分離回收系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)。其染色釜具有內(nèi)染和外染的功能，染色系統(tǒng)具有快開聯(lián)鎖安全保護(hù)功能。主要系統(tǒng)組成如下：

反應(yīng)釜：纖維織物染色與整理的關(guān)鍵部件，具有聯(lián)鎖快開結(jié)構(gòu)，采用自動(dòng)化開關(guān)機(jī)構(gòu)，滿足了單元快速操作的需要。內(nèi)部設(shè)計(jì)易于裝卸的纖維架，可滿足纖維的染色要求。

高壓泵：采用柱塞泵，設(shè)計(jì)壓力40MPa，配有變頻控制系統(tǒng)。

CO2循環(huán)泵：通過(guò)變頻系統(tǒng)可調(diào)節(jié)循環(huán)泵流量；設(shè)計(jì)壓力為40MPa(耐壓)，壓頭1.6MPa。

制冷機(jī)組：采用氟里昂制冷機(jī)組，保證CO2及時(shí)液化。

分離器：設(shè)計(jì)壓力16MPa，設(shè)有快開結(jié)構(gòu)，方便回收固體助劑。

冷凝器：設(shè)計(jì)壓力16MPa，作用是使CO2液化。

該裝置的控制系統(tǒng)包括壓力的自動(dòng)控制、溫度的自動(dòng)控制、流量的自動(dòng)控制，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制、閥門開關(guān)的自動(dòng)控制等。全套裝置采用手動(dòng)儀表控制和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制雙系統(tǒng)，全套控制系統(tǒng)采用PLC控制方式。主管道的閥門可采用自動(dòng)控制閥門，由自動(dòng)控制系統(tǒng)完成操作，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 超臨界二氧化碳無(wú)水染色工程化技術(shù)研究進(jìn)程

圖1 1000L復(fù)式超臨界二氧化碳無(wú)水染色工藝流程圖

大連工業(yè)大學(xué)與中國(guó)紡織科學(xué)研究院等共同研發(fā)的第四代設(shè)備，“1000L復(fù)式超臨界二氧化碳無(wú)水染色設(shè)備”，目前，該項(xiàng)目已進(jìn)入中試線階段，在散纖維、線、筒子紗和坯布染色方面具備了產(chǎn)業(yè)化條件，可滿足小批量、多品種的生產(chǎn)要求。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，得出下列結(jié)論。80%條件下，芳綸1313纖維可以獲得最大的染色牢度。染色芳綸1313纖維具有優(yōu)良的染色牢度，其中耐水洗牢度為4～5級(jí)，耐摩擦牢度為5級(jí)，日曬色牢度也可以達(dá)到4級(jí)以上[2]。隨著系統(tǒng)溫度與壓力的逐漸提高，可以增加芳綸1313纖維表觀不均勻度與纖維潤(rùn)濕性；并且在染色過(guò)程中，芳綸纖維大分子鏈段可以發(fā)生重排和重結(jié)晶，從而改善了纖維的熱性能，且未對(duì)纖維的機(jī)械性能造成損傷。

3.4 棉纖維

利用活性分散紅染料在80℃、23MPa、2h超臨界二氧化碳條件下染色，隨后在140℃、6MPa、1h條件

3.1 滌綸纖維

當(dāng)溫度為120℃、壓力為23MPa、時(shí)間為40min、染料與纖維質(zhì)量比4%時(shí)，滌綸纖維可以取得較好的染色效果，且染色后的纖維耐水洗牢度、耐摩擦牢度均可達(dá)到4～5級(jí)。

3.2 錦綸66

超臨界二氧化碳條件下使用乙烯砜型活性分散染料，上染錦綸66的優(yōu)化工藝為：溫度為120℃、壓力為17.5～31.5MPa。

3.3 芳綸

當(dāng)溫度為140℃、壓力為30MPa、時(shí)間為70min、染料用量為4.5%、二氧化碳流量50g/min、載體用量為下進(jìn)行固色，可以取得較好的固色效果。

3.5 羊毛纖維

采用乙烯基型分散染料和二氯三嗪型分散染料，在112℃、23MPa、2h條件下進(jìn)行超臨界二氧化碳流體染色。結(jié)果表明，隨著染色溫度和壓力的增大，羊毛纖維的K/S值也逐漸增大；且染色前經(jīng)過(guò)水浸濕后，使用二氯三嗪分散染料染色2h后，羊毛纖維的固色率達(dá)到79%。

4 結(jié)語(yǔ)

超臨界二氧化碳無(wú)水染色工程化技術(shù)的開發(fā)，充分體現(xiàn)了清潔化、綠色化、環(huán)保化的現(xiàn)代工業(yè)加工理念，此項(xiàng)技術(shù)對(duì)于我國(guó)環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，解決資源危機(jī)和能源危機(jī)，提高人們的生活質(zhì)量方面，具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益。但到目前為止，要想從真正意義上實(shí)現(xiàn)超臨界二氧化碳無(wú)水染色技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，還需開展以下研究工作：

(1)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，利用功能性高分子材料或功能性天然材料，研究纖維織物的特種功能整理技術(shù)，開發(fā)抗紫外線、抗菌防臭、拒水拒油等功能面料。

(2)研究設(shè)備清洗技術(shù)，染料及注劑清除不徹底，殘留在釜體及管路中，會(huì)嚴(yán)重影響染色均勻性，而提高染色與整理過(guò)程的重現(xiàn)性和勻染性，是產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的質(zhì)量保障。

(3)開展多組分纖維材料超臨界流體染整技術(shù)基礎(chǔ)研究工作，有效保證超臨界二氧化碳無(wú)水染色技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。

[1]張慶富,楊文芳.超臨界CO2的應(yīng)用技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀[J].毛紡科技,2011,39(8)：49.

[2]張娟,鄭環(huán)達(dá),鄭來(lái)久.超臨界二氧化碳染色工藝技術(shù)研究進(jìn)展[J].染料與染色,2015,52(4)：26.