超臨界二氧化碳無水染色工程化技術研究

朱進梅(中國紡織科學研究院北京中麗制機工程技術有限公司， 北京 100025)

超臨界二氧化碳無水染色工程化技術研究

朱進梅(中國紡織科學研究院北京中麗制機工程技術有限公司， 北京 100025)

本文以中國紡織科學研究院與大連工業大學等單位共同研發的“1000L復式超臨界二氧化碳無水染色工程化技術研究”開發項目為例，介紹了該項目的染色工藝及設備，指出了超臨界二氧化碳無水染色技術產業化進程中需要解決的問題。

超臨界二氧化碳；無水染色；工程化

1 引言

近幾年來，我國在超臨界二氧化碳無水染色技術上已經取得了顯著的成果，但是隨著環保要求的日益嚴厲，“十三五”紡織工業綠色發展提出，要解決印染行業的環保瓶頸，原液著色、超臨界二氧化碳無水染色等技術擁有廣闊空間，同時也亟待完成大規模產業化應用。

為了實現超臨界二氧化碳無水染色工程化技術的開發，中國紡織科學研究院與大連工業大學等單位共同研發建設了科技項目——“1000L復式超臨界二氧化碳無水染色”，該項目是產學研用相結合的典型，將會促使染整技術的發展進入全新領域，給無水染色技術注入新的活力。

2 超臨界二氧化碳無水染色技術

2.1 超臨界二氧化碳流體的性質及優點

⑴ 二氧化碳既不能燃燒，也不支持燃燒，無毒，價錢低，使用起來比較安全，對空氣也不會造成污染。

(2)二氧化碳分子結構對稱，極性小，是一種溶解能力強的溶劑，根據相似相溶的原理，二氧化碳可以作為有機反應的溶劑，也可作萃取劑，通過調節溫度和壓力，能控制二氧化碳流體的溶解性分離出不同態的有機物。

(3)二氧化碳能適用于多種反應條件，既可以作反應劑，也可以作萃取劑。

(4)二氧化碳不但為反應提供了惰性環境，而且可以循環使用，節約能源和資源。

(5)二氧化碳本身也可以作為反應物，直接參與聚合等反應[1]。

表1 各種狀態下二氧化碳的性質

由上表可看出，從擴散系數來看，超臨界二氧化碳比液態大數百倍，說明向固體基質中的滲透超臨界狀態比液體快得多，超臨界的密度又接近于液態時的密度，所以溶解性比較好。當二氧化碳的溫度≥31.05℃，壓力≥7.53MPa的時候，會達到超臨界狀態，在超臨界范圍內的物質既不是氣體，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，應用二氧化碳的超臨界技術要容易得多。

2.2 1000L復式超臨界二氧化碳無水染色工藝

整個工作流程主要由二氧化碳循環泵、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。在染色釜內設置有攪拌器，根據需要同時配有不銹鋼染色經軸和染色器皿。正常染色時，將織物卷繞在染色經軸上，放入染色釜，并裝在攪拌軸周圍。將染料放置在染料釜底，然后將容器關閉。接通設備后，超臨界二氧化碳通過循環泵、增壓泵進入染色釜，并且作為載體攜帶染料進入染色釜，然后將系統加熱到染色溫度，當達到恒定溫度時，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行攪拌。二氧化碳在整個染色過程中，不斷地反復循環通過高壓釜，然后經減壓閥減壓變為氣體后，通入大氣或回收使用。待染色完成后，將染色釜轉為常壓，便可取出干燥的染色布樣。

2.3 超臨界二氧化碳無水染色設備

中國紡織科學研究院與大連工業大學等共同研發的1000L復式超臨界二氧化碳無水染色工藝設備，采用了大流量內循環系統，其主要由染色系統、制冷系統、供熱系統、儀表系統、二氧化碳存貯系統、二氧化碳分離回收系統、加壓系統、安全保護系統與輔助系統。其染色釜具有內染和外染的功能，染色系統具有快開聯鎖安全保護功能。主要系統組成如下：

反應釜：纖維織物染色與整理的關鍵部件，具有聯鎖快開結構，采用自動化開關機構，滿足了單元快速操作的需要。內部設計易于裝卸的纖維架，可滿足纖維的染色要求。

高壓泵：采用柱塞泵，設計壓力40MPa，配有變頻控制系統。

CO2循環泵：通過變頻系統可調節循環泵流量；設計壓力為40MPa(耐壓)，壓頭1.6MPa。

制冷機組：采用氟里昂制冷機組，保證CO2及時液化。

分離器：設計壓力16MPa，設有快開結構，方便回收固體助劑。

冷凝器：設計壓力16MPa，作用是使CO2液化。

該裝置的控制系統包括壓力的自動控制、溫度的自動控制、流量的自動控制，安全聯鎖系統自動監測控制、閥門開關的自動控制等。全套裝置采用手動儀表控制和計算機自動控制雙系統，全套控制系統采用PLC控制方式。主管道的閥門可采用自動控制閥門，由自動控制系統完成操作，降低勞動強度。

3 超臨界二氧化碳無水染色工程化技術研究進程

圖1 1000L復式超臨界二氧化碳無水染色工藝流程圖

大連工業大學與中國紡織科學研究院等共同研發的第四代設備，“1000L復式超臨界二氧化碳無水染色設備”，目前，該項目已進入中試線階段，在散纖維、線、筒子紗和坯布染色方面具備了產業化條件，可滿足小批量、多品種的生產要求。經過大量的實驗，得出下列結論。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纖維具有優良的染色牢度，其中耐水洗牢度為4～5級，耐摩擦牢度為5級，日曬色牢度也可以達到4級以上[2]。隨著系統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濕性；并且在染色過程中，芳綸纖維大分子鏈段可以發生重排和重結晶，從而改善了纖維的熱性能，且未對纖維的機械性能造成損傷。

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

當溫度為120℃、壓力為23MPa、時間為40min、染料與纖維質量比4%時，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、耐摩擦牢度均可達到4～5級。

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的優化工藝為：溫度為120℃、壓力為17.5～31.5MPa。

3.3 芳綸

當溫度為140℃、壓力為30MPa、時間為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條件下進行超臨界二氧化碳流體染色。結果表明，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；且染色前經過水浸濕后，使用二氯三嗪分散染料染色2h后，羊毛纖維的固色率達到79%。

4 結語

超臨界二氧化碳無水染色工程化技術的開發，充分體現了清潔化、綠色化、環?；默F代工業加工理念，此項技術對于我國環保事業的發展，解決資源危機和能源危機，提高人們的生活質量方面，具有長遠的經濟效益、生態效益和社會效益。但到目前為止，要想從真正意義上實現超臨界二氧化碳無水染色技術的產業化，還需開展以下研究工作：

(1)在現有基礎上，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，開發抗紫外線、抗菌防臭、拒水拒油等功能面料。

(2)研究設備清洗技術，染料及注劑清除不徹底，殘留在釜體及管路中，會嚴重影響染色均勻性，而提高染色與整理過程的重現性和勻染性，是產業化生產的質量保障。

(3)開展多組分纖維材料超臨界流體染整技術基礎研究工作，有效保證超臨界二氧化碳無水染色技術的產業化。

[1]張慶富,楊文芳.超臨界CO2的應用技術及發展現狀[J].毛紡科技,2011,39(8)：49.

[2]張娟,鄭環達,鄭來久.超臨界二氧化碳染色工藝技術研究進展[J].染料與染色,2015,52(4)：26.