導(dǎo)語(yǔ)：小議超臨界二氧化碳在紡織中的應(yīng)用一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要闡述了超臨界二氧化碳流體的特性和染色原理，介紹了目前國(guó)內(nèi)外的合成和天然紡織纖維應(yīng)用超臨界二氧化碳流體染色的研究近況，分析其在紡織印染工業(yè)中獲得廣闊的發(fā)展前景所需要解決的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞超臨界二氧化碳；染色原理；合成纖維；天然纖維

1前言

超臨界染色(supercriticalfluiddyeing，簡(jiǎn)稱sfd)，也叫無(wú)水染色(waterlessdyeing)，于1989年由德國(guó)西北纖維研究中心的科學(xué)家schollmeyer等發(fā)明，從這時(shí)起，各國(guó)科學(xué)家投入大量人力、物力研究無(wú)水染色新技術(shù)。

無(wú)水染色在世界范圍內(nèi)被視為對(duì)傳統(tǒng)印染業(yè)的革命，傳統(tǒng)織物染色需大量用水和化學(xué)助染劑，屬高耗能、高污染行業(yè)，而無(wú)水染色具有工藝簡(jiǎn)單、流程短，不用助劑、染色后不用清洗、染料利用率高，并從源頭上杜絕廢水的生成等優(yōu)點(diǎn)。

超臨界二氧化碳染色工藝的發(fā)展將給傳統(tǒng)印染工業(yè)帶來(lái)質(zhì)的飛躍，從能源節(jié)約和生態(tài)環(huán)境的觀點(diǎn)來(lái)看，這一革新的技術(shù)都是很有意義的。

2超臨界流體的特性

常規(guī)條件下物質(zhì)一般有三態(tài)，即氣、液、固三態(tài)。這三種狀態(tài)在常壓條件下可相互轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變可用相圖加以說(shuō)明(圖1)

圖1純凈物質(zhì)的相圖

當(dāng)某一種物質(zhì)被壓縮到其臨界壓力和加熱到臨界溫度之上時(shí)，其氣相和液相就成為超臨界。臨界點(diǎn)有溫度和壓力兩個(gè)坐標(biāo)，即分別為臨界溫度(tc)和臨界壓強(qiáng)(pc)。在臨界點(diǎn)之上物質(zhì)將成為超臨界流體，其性質(zhì)位于典型氣體和液體之間，并兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)。

能形成超臨界流體的化合物有多種，但考慮到達(dá)到超臨界狀態(tài)的難易，使用時(shí)的安全性、化合物的穩(wěn)定性以及是否容易獲得等因素，最常用的為二氧化碳。二氧化碳是一種無(wú)色﹑無(wú)臭、不燃、不爆、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性又容易獲得的非極性氣體，當(dāng)超過(guò)二氧化碳的臨界溫度(31.1℃)和臨界壓力(7.39mpa)時(shí)，即超過(guò)臨界點(diǎn)后，二氧化碳轉(zhuǎn)變到超臨界流體狀態(tài)。超臨界二氧化碳對(duì)物體具有很強(qiáng)的滲透作用，對(duì)物質(zhì)的溶解能力比氣體大得多，甚至超過(guò)液體，它的密度是氣體的數(shù)百倍，接近于液體，但其粘度又同氣體相等，它的擴(kuò)散系數(shù)是氣體的1左右，但又比液體大數(shù)百倍。超臨界流體對(duì)溶質(zhì)的溶解度取決于其密度，密度越高，溶解度越大。當(dāng)改變其壓力和溫度時(shí)，密度即發(fā)生變化，從而導(dǎo)致溶解度發(fā)生變化。超臨界流體染色就是利用超臨界流體的這些特性發(fā)展起來(lái)的染色技術(shù)。

3超臨界co2的染色原理

二氧化碳是非極性分子，只能溶解非極性或極性低的染料。在染色過(guò)程中，染料首先溶解在超臨界二氧化碳流體中，溶解的染料隨染液的流動(dòng)逐漸靠近纖維界面→染料進(jìn)入動(dòng)力邊界層(難以流動(dòng))靠近纖維界面到一定距離后，主要靠自身的擴(kuò)散接近纖維→染料迅速被纖維表面吸附(它們之間的分子作用力足夠大)→染料將向纖維內(nèi)部擴(kuò)散轉(zhuǎn)移(纖維內(nèi)外產(chǎn)生用量差或者內(nèi)外染料化學(xué)位差)。

超臨界二氧化碳流體染色的工藝過(guò)程很簡(jiǎn)單。染色通常是在15—35mpa的高壓下進(jìn)行，染色溫度根據(jù)織物(或纖維)的品種進(jìn)行調(diào)節(jié)，要大于纖維的玻璃化溫度，一般掌握在80—160℃，也可再高些。染色時(shí)間一般為10-120min。

圖2超臨界co2染色過(guò)程示意圖

超臨界織物的染色過(guò)程為(圖2)：將卷繞被染物的經(jīng)軸放在高壓染色釜中，把染料放入染料釜中，關(guān)閉壓力容器，二氧化碳被泵壓縮到超臨界狀態(tài)，并經(jīng)過(guò)加熱器加熱到規(guī)定溫度。超臨界二氧化碳流體溶解染料釜中的染料，并被送到染色釜中，染色流體通過(guò)循環(huán)泵循環(huán)，從而染料被纖維吸附(染色)。染色結(jié)束后，染液通過(guò)分離器被減壓。這時(shí)，二氧化碳變成氣體，其中的染料溶解性降低而沉淀，從而分離二氧化碳和染料。不含染料的二氧化碳被回收儲(chǔ)藏。另一方面，停止染色槽中的二氧化碳循環(huán)，開(kāi)啟高壓染色釜，取出染色物。

超臨界二氧化碳流體染色具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：(1)染色時(shí)不用水，無(wú)廢水污染；(2)染色物沒(méi)有烘干這一工序，即可縮短工藝流程，又節(jié)約能源；(3)上染速度快，勻染和透染性好，染色重現(xiàn)性也很好；(4)染料和二氧化碳易于回收利用；(5)不需要添加表面活性劑或其他助劑，不僅降低成本，提高染料的利用率，還有利于環(huán)境保護(hù)，減少污染；(6)適用的纖維品種較廣，一些難染的合成纖維也可染色。

4超臨界co2染色研究進(jìn)展

4.1滌綸纖維

關(guān)于滌綸超臨界二氧化碳染色的報(bào)道已經(jīng)很多，滌綸屬疏水性纖維，纖維結(jié)構(gòu)較緊密，結(jié)晶度高。當(dāng)用超臨界二氧化碳作為染色介質(zhì)時(shí)，雖然二氧化碳分子和滌綸分子間不會(huì)形成氫鍵，但是由于它分子小，分子間不會(huì)形成水中的“冰山結(jié)構(gòu)”或簇狀體，容易進(jìn)人纖維結(jié)構(gòu)致密的區(qū)域，對(duì)纖維有很強(qiáng)的增塑作用，可以降低纖維的玻璃化溫度，增加纖維分子鏈的活動(dòng)性和自由擴(kuò)散體積，所以在溫度較低的情況下便可染色。而且，有關(guān)超臨

界二氧化碳對(duì)滌綸形態(tài)和性能影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超臨界二氧化碳對(duì)纖維性能(拉伸性能、雙折射率及纖維形態(tài)的改變)沒(méi)有不利的影響。

e．schollmeyer研究小組最先利用汽巴公司提供的一系列染料對(duì)滌綸超臨界二氧化碳染色做了大量的研究實(shí)驗(yàn)。他們研究發(fā)現(xiàn)滌綸纖維吸收的各種染料的量不僅受染色溫度、壓力和時(shí)間的影響。更重要的是，雖然染色設(shè)備不影響吸收的染料的比率，但溫度和壓力的變化卻確實(shí)對(duì)它發(fā)生影響，從而產(chǎn)生色差。染色溫度對(duì)吸收的染料量影響最大。溫度愈高，吸收的染料愈多。在某些情況下，130℃條件下染色的纖維吸收的染料量比70℃下染色的纖維吸收的染料量要多40—50倍。

研究人員應(yīng)用混合染料染滌綸時(shí)，發(fā)現(xiàn)每一種變化都會(huì)引起的亮度、飽和度和色相的變化。用三種染料拼色進(jìn)行染色所固著的染料總量少于用兩種或一種染料所固著的染料總量，表明幾種染料爭(zhēng)相進(jìn)入纖維的受染位置。應(yīng)用三種染料，在溫度不變條件下增加壓力，引起吸附染料量比例增加的變化是，紅色染料較多，藍(lán)色、黃色染料則較少。認(rèn)為可能是藍(lán)色染料和黃色染料分子量小于紅色染料，較易泳移，以致染座讓給紅色染料。樣品在低溫下變化壓力進(jìn)行染色，色變更加明顯。因此，在這個(gè)問(wèn)題上，還需要進(jìn)一步探索研究。

4.2其他合成纖維

錦綸纖維可以在超臨界二氧化碳中實(shí)現(xiàn)無(wú)水染色，并能獲得很好的染色效果。和滌綸纖維染色相同，在一定的壓力(或溫度)條件下，錦綸上的染料上染量隨著溫度(或壓力)的升高而增加。用超臨界二氧化碳介質(zhì)染色，錦綸織物的耐磨擦牢度不低于水介質(zhì)工藝的染色牢度。

滌綸超細(xì)纖維(pet)織物用超臨界二氧化碳染色，可獲出色的勻染性和比水質(zhì)工藝更好的耐磨擦牢度。纖維素二醋酸酯(ct)、纖維素三醋酸酯(ca)的染色性都比常法染色好。除此之外，凱夫拉爾(kevler)纖維、諾梅克斯(nomex)纖維可在200℃條件下獲得良好的染色效果。聚丙烯纖維也可用某種分散染料染色，達(dá)到實(shí)用的染色濃度。斯潘德克斯纖維dolastan的染色也沒(méi)有問(wèn)題。

4.3天然纖維

目前，通常有以下幾種超臨界二氧化碳染色天然纖維的方法：

(1)溶脹劑和交聯(lián)劑浸漬處理。這種方法早期是采用8—20(owf)的高分子聚醚衍生物、聚乙烯氧化物和聚乙烯或聚丙烯乙二醇浸漬纖維。染色過(guò)程中，分散染料溶解在助劑中，通過(guò)助劑層向棉纖維空隙擴(kuò)散。該工藝的主要不足是助劑的浸漬和去除必須要采用兩步烘干工序。

(2)纖維改性。用疏水性基團(tuán)對(duì)纖維表面進(jìn)行永久改性，這些基團(tuán)可與分散染料相互作用，從而提高染料對(duì)纖維的親和力。根據(jù)已發(fā)表專利的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，烷基氨改性棉及棉/pet混紡織物不僅有較高的得色量，而且綜合牢度性能很好。在超臨界二氧化碳中隊(duì)改性天然纖維進(jìn)行染色的技術(shù)有廣闊的研究空間。

(3)用活性分散染料對(duì)未改性天然纖維染色。用可與纖維發(fā)生反應(yīng)并形成化學(xué)鍵的功能基團(tuán)對(duì)二氧化碳可溶分散染料進(jìn)行改性。表1列出的是目前已確定的活性基在纖維素及蛋白質(zhì)纖維上的固著率及纖維的色牢度性能。

表1反應(yīng)基對(duì)天然纖維超臨界co染后得色量及色牢度(級(jí))的影響

5結(jié)束語(yǔ)

超臨界二氧化碳流體染色方法已經(jīng)取得了實(shí)驗(yàn)室的初步成功，但仍存在一些需要解決的問(wèn)題：

(1)超臨界染色技術(shù)最大的缺點(diǎn)是設(shè)備高投資和高壓的安全性，100l的染色設(shè)備大約需要18xxxx—20xxxx元；高溫和超高壓條件下，設(shè)備具有潛在的危險(xiǎn)性。

(2)設(shè)備的清潔問(wèn)題。由于染色在一個(gè)循環(huán)體系中進(jìn)行，染色過(guò)程中染料將殘存于設(shè)備的管道中，這對(duì)換色帶來(lái)極大的不便。

(3)勻染性問(wèn)題。目前大部分設(shè)備不用攪拌裝置，在染色過(guò)程中易產(chǎn)生染色不均勻，增加流體的流速會(huì)增加對(duì)設(shè)備的要求和成本。

(4)二氧化碳的非極性限制了超臨界流體的多方面應(yīng)用，為了配合超臨界二氧化碳流體染色工藝需要研究各種專用纖維和染料。

(5)染色操作控制過(guò)程復(fù)雜，對(duì)生產(chǎn)人員的要求很高。

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