棉織物染整前處理工藝與助劑的研究與發展

張慶法,張會敏,李長娟,張慶富,肖 雁,郎中院

(魯泰紡織股份有限公司,山東 淄博 255100)

棉織物的前處理工藝是紡織生產加工中的重要部分,退漿、煮練、漂白是其主要環節,其中退漿主要是為將織物上的漿料去除;煮練主要是為去除天然雜質;漂白主要是為去除天然色素,從而提高織物的白度和鮮艷度。傳統前處理工藝一般有強堿加入,存在高能耗、高污染等問題[1],與我國所提出的綠色發展有所不符,而低溫、低堿、節能等新工藝的出現提供了問題解決思路[2]。

1 前處理工藝研究進展

1.1 生物酶在前處理中應用

生物酶的專一高效性降低了前處理所需溫度,并大幅減少了反應時間和堿的用量,且經過生物酶處理得到的棉織物在白度以及在性能上表現優異。單種生物酶催化條件溫和,很容易達到最佳催化條件,但是前處理一般需要多種生物酶共同作用才能達到最佳效果,而不同生物酶之間所需的催化條件不同,所以實現生物酶的復配具有一定難度,這也是不少學者一直需要解決的問題[3]。目前生物酶的種類很多,可應用于棉織物的酶類主要有淀粉酶、纖維素酶、果膠酶、蛋白酶、漆酶等,目的是去除棉纖維上的雜質。

淀粉酶主要應用在退漿過程中,催化條件溫和,具有需水量小、退漿效率高等優點[4]。纖維素酶和果膠酶通常使用在煮練過程中,兩種酶所需的催化條件相似,復合使用可較好發揮協同作用,更好地去除纖維上的天然雜質。漆酶可以與色素中酚型和芳香胺型化合物發生氧化反應,達到去色效果,但漆酶的催化條件較高,應用工藝受限,目前很少應用在織物漂白過程中[5]。由于生產設備與科學理論存在一定滯后,生物酶在前處理工藝中的普及還需要進一步研究。

1.2 超聲波技術在前處理應用

超聲波具有較好的方向性和穿透性,在液體中會產生強烈的空穴效應,且在液體中傳播距離遠,損耗小[6]。此外,超聲波在介質中傳播時可以促進某些反應的進行,降低反應條件要求[7]。

超聲波的空穴作用,能從多方面影響前處理過程中的處理效果,具有生產效率高、纖維素纖維損傷性少等優勢。在退漿過程中,反復的氣泡破裂提高了溶質的可溶性,使其更容易水洗去除,從而提高退漿率;在煮練過程中,超聲波的劇烈震蕩使工作液混合更加充分,增強了反應效果,且對纖維空隙中的雜質具有一定清洗效果,過程產生的氣泡能夠減少蠟質在纖維上的吸附,更易去除,提升煮練效果[8];漂白過程中是利用空穴效應增大了纖維內比表面積從而提高反應效率,并且此效應還會破壞纖維色素的發色體系從而達到去色的效果[9]。

超聲波技術的應用,對棉織物的前處理起到了較好的輔助作用,減少了助劑的用量,降低了能耗和污染,但因設備與成本問題,目前還只限于實驗室,實現工廠的規模化生產仍有一段距離。

1.3 臭氧在前處理的應用

臭氧作為一種新型漂白劑,具有氧化電位高、耗水少、產物無污染等優點,在紙漿漂白領域已得到廣泛應用,在前處理工藝中處于起步階段,目前主要應用在輔助精練和漂白兩方面,其強氧化性會破壞棉織物上的蠟質酯鍵和果膠的分子鏈,并將其從纖維上去除。此外,色素的顯色基團也會因其破壞而達到去色效果。但非選擇強氧化性具有一定弊端,會對纖維素造成一定損壞,導致纖維強力降低[10],工藝還有很大改善空間。張杰[11]研究了棉織物臭氧漂白工藝,織物白度效果好且棉籽殼含量降低明顯,能耗也有所下降。

臭氧在棉織物前處理中的應用降低了生產成本,提高了生產效率,顯著減少了能耗與排污量,且漂白效果卓越,但由于臭氧的非選擇強氧化性會損傷纖維的強力,所以需要進一步優化工藝。

1.4 超臨界CO2在前處理的應用

CO2流體在棉織物前處理工藝中主要作為介質存在,由于其本身極性較低,一般需要加入表面活性劑形成微乳液來改善其溶解度問題。超臨界CO2微乳液作為介質可很好地改善前處理水耗大的問題,并減少了廢水排放,同時也會加快反應速率,是一種綠色環保的新工藝,但缺點是其穩定性不能保證,受外界條件影響大。石偉[12]以超臨界CO2為反應介質,研究了一種綠色環保的退漿工藝,有效減少了化學品的使用與廢水的排放,對實現紡織行業綠色生產具有一定的意義。

1.5 二氧化氯在前處理階段的應用

二氧化氯很早就應用于消毒、紙漿漂白等領域,由于技術的進步,逐步在棉織物處理中得到應用,反應過程主要是與纖維上的色素分子以及木質素等發生反應,生成物溶于水,從而可以有效地去除雜質而不傷害纖維本身,相比其他方法在對提升纖維白度的同時不影響其強力,且對棉籽殼的去除有顯著效果[13]。

二氧化氯的使用同樣解決了前處理過程中產生的高能耗與廢液問題,且不傷害纖維本身,但由于自身較為活潑不利于運輸儲存,且存在易爆等缺點,成本較高,制約了它的發展。

1.6 電化學在前處理的應用

因電化學工藝很早就應用在紙漿漂白上,利用電解法制得了含氯和含氧的漂白劑,這些為其在棉織物的前處理工藝中的應用提供了思路,與傳統工藝相比,電化學法在一定程度上解決了高能耗和高污染的問題,符合綠色可持續發展要求,應用廣闊,目前研究出一種更合適的電解液體系是該領域的重要方向。

2 前處理助劑研究進展

2.1 表面活性劑

印染助劑80%是表面活性劑,就表面活性劑的發展而言,許多傳統表面活性劑性能單一,無法同時滿足織物處理所需的多種性能要求。比如JFC的潤濕性好,但乳化和凈洗性差,且濁點低等;十二烷基苯磺酸鈉的凈洗能力強,但潤濕性很差。鑒于這些不足,從協同效應與增效作用出發,基于其工作原理,將兩種以上的多類型表面活性劑與其他無機物復配來制備復配助劑成為了一個新方向[14]。其中所用助劑包括非離子表面活性劑、陰離子表面活性劑等。非離子表面活性劑大多是由不同環氧乙烷加成類的AEO和APEO,或者是兩者混合后的產品;陰離子表面活性劑以AS和ABS居多,根據表面活性劑的基本原理進行復配從而達到協同增效的結果。

隨著生活水平的提高和科學技術的發展,人們也不斷意識到化學品的毒害性和生物降解性問題。基于此,近年來研發了多種新型表面活性劑,具有綠色環保等特點,其中主要包括α-烯基磺酸鈉鹽(AOS)、脂肪酸甲酯α-磺酸鈉(MES)、脂肪醇聚氧乙烯羧酸鹽(AEC)、3,4-烷基二苯醚和二磺酸鹽(ADPEDS)等。

AOS具有優異的生物降解性,在硬水中去污能力強、皮膚刺激性小,其主要由烯基磺酸鹽、羥基磺酸鹽、二磺酸組成,內部結構決定了其性能;脂肪酸甲酯α-磺酸鈉(MES)表面活性劑由天然油脂獲得,去污能力強并且具有較高的鈣皂分散力與生物降解率,毒性低。除了在洗滌劑中作為活性物使用,也在皮革脫脂、染料、農藥等領域用作分散劑,其去污能力優于AOS,對生態環境與人體傷害小,只需5天就可生物降解為CO2與H2O,其生物降解性優異[15]。

AEC極易溶于水且具有耐硬水性能,兼具陰離子和非離子表面活性劑的特性,溫和不刺激,具有較好的濕潤性跟滲透性。烷基二苯醚和二磺酸鹽是由α-烯烴與二苯醚在酸催化作用下進行烷基化反應,然后進行磺化,最后中和得到。因其特殊的結構,使之具有良好的去污性、污垢分散性與高度化學穩定性,如果二苯醚二磺酸的單烷基變換為雙烷基,性能更加優異,主要由美國生產,具有易溶解、抗氧化、抗熱分解等特點。

2.2 Gemini 表面活性劑

Gemini表面活性劑是由兩個傳統表面活性劑分子之間的特殊基團以化學鍵方式進行連接而成的一種新型表面活性劑,分為陽離子、陰離子、非離子和兩性離子等類型。陽離子Gemini表面活性劑居多,其中代表產品有連接基帶羥基的陽離子型Gemini表面活性劑等。陰離子型Gemini表面活性劑品種多樣,主要分為羧酸鹽、磷酸酯鹽、硫酸酯鹽和磺酸鹽,部分產品已經投入產業化。非離子型活性劑分為兩大類:糖類衍生物和醇醚化合物,其中糖類衍生物降解性高、原料易得,被廣泛關注。

Gemini表面活性劑因其特殊結構,具備諸多優點,比如優異的潤濕性、水溶性,對有機物具有很強的增溶效果,獨特的流變性與粘彈性等,唯一不足之處就是價格昂貴,這也是目前難以產業化應用的原因。

2.3 氧漂活化劑

雙氧水是一種優良的氧化型漂白劑,目前氧漂活化劑的代表有TAED活化劑、NOBS活化劑、TBCC活化劑等。TAED是最早應用于雙氧水漂白的活化劑,無色無味無毒,生物易降解,缺點是水溶性不高[16];NOBS化學性能低于TAED,可以在更低的溫度下獲得較佳的漂白效果,但因其是含酯的表面活性劑,具有酯基的化學特性,因此在強堿介質中會發生水解。TBCC整體效果優于NOBS,因此受到青睞,但其毒性制約著其發展。

3 結語

棉織物傳統前處理工藝能耗高、水耗高、污染大,不能滿足國家的綠色發展方針,隨著科研的不斷深入,新技術、新工藝逐漸應用到染整領域,必將推動我國染整前處理領域的發展,為實現綠色染整提供了實施路徑。