棉織物染整前處理工藝與助劑的研究與發(fā)展

張慶法,張會(huì)敏,李長(zhǎng)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(chǎn)加工中的重要部分,退漿、煮練、漂白是其主要環(huán)節(jié),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(zhì);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(tǒng)前處理工藝一般有強(qiáng)堿加入,存在高能耗、高污染等問(wèn)題[1],與我國(guó)所提出的綠色發(fā)展有所不符,而低溫、低堿、節(jié)能等新工藝的出現(xiàn)提供了問(wèn)題解決思路[2]。

1 前處理工藝研究進(jìn)展

1.1 生物酶在前處理中應(yīng)用

生物酶的專(zhuān)一高效性降低了前處理所需溫度,并大幅減少了反應(yīng)時(shí)間和堿的用量,且經(jīng)過(guò)生物酶處理得到的棉織物在白度以及在性能上表現(xiàn)優(yōu)異。單種生物酶催化條件溫和,很容易達(dá)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(dá)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(shí)現(xiàn)生物酶的復(fù)配具有一定難度,這也是不少學(xué)者一直需要解決的問(wèn)題[3]。目前生物酶的種類(lèi)很多,可應(yīng)用于棉織物的酶類(lèi)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(zhì)。

淀粉酶主要應(yīng)用在退漿過(guò)程中,催化條件溫和,具有需水量小、退漿效率高等優(yōu)點(diǎn)[4]。纖維素酶和果膠酶通常使用在煮練過(guò)程中,兩種酶所需的催化條件相似,復(fù)合使用可較好發(fā)揮協(xié)同作用,更好地去除纖維上的天然雜質(zhì)。漆酶可以與色素中酚型和芳香胺型化合物發(fā)生氧化反應(yīng),達(dá)到去色效果,但漆酶的催化條件較高,應(yīng)用工藝受限,目前很少應(yīng)用在織物漂白過(guò)程中[5]。由于生產(chǎn)設(shè)備與科學(xué)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(jìn)一步研究。

1.2 超聲波技術(shù)在前處理應(yīng)用

超聲波具有較好的方向性和穿透性,在液體中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的空穴效應(yīng),且在液體中傳播距離遠(yuǎn),損耗小[6]。此外,超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)可以促進(jìn)某些反應(yīng)的進(jìn)行,降低反應(yīng)條件要求[7]。

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

超聲波技術(shù)的應(yīng)用,對(duì)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(shè)備與成本問(wèn)題,目前還只限于實(shí)驗(yàn)室,實(shí)現(xiàn)工廠的規(guī)模化生產(chǎn)仍有一段距離。

1.3 臭氧在前處理的應(yīng)用

臭氧作為一種新型漂白劑,具有氧化電位高、耗水少、產(chǎn)物無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),在紙漿漂白領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用,在前處理工藝中處于起步階段,目前主要應(yīng)用在輔助精練和漂白兩方面,其強(qiáng)氧化性會(huì)破壞棉織物上的蠟質(zhì)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(tuán)也會(huì)因其破壞而達(dá)到去色效果。但非選擇強(qiáng)氧化性具有一定弊端,會(huì)對(duì)纖維素造成一定損壞,導(dǎo)致纖維強(qiáng)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(yīng)用降低了生產(chǎn)成本,提高了生產(chǎn)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(qiáng)氧化性會(huì)損傷纖維的強(qiáng)力,所以需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝。

1.4 超臨界CO2在前處理的應(yīng)用

CO2流體在棉織物前處理工藝中主要作為介質(zhì)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(lái)改善其溶解度問(wèn)題。超臨界CO2微乳液作為介質(zhì)可很好地改善前處理水耗大的問(wèn)題,并減少了廢水排放,同時(shí)也會(huì)加快反應(yīng)速率,是一種綠色環(huán)保的新工藝,但缺點(diǎn)是其穩(wěn)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(yīng)介質(zhì),研究了一種綠色環(huán)保的退漿工藝,有效減少了化學(xué)品的使用與廢水的排放,對(duì)實(shí)現(xiàn)紡織行業(yè)綠色生產(chǎn)具有一定的意義。

1.5 二氧化氯在前處理階段的應(yīng)用

二氧化氯很早就應(yīng)用于消毒、紙漿漂白等領(lǐng)域,由于技術(shù)的進(jìn)步,逐步在棉織物處理中得到應(yīng)用,反應(yīng)過(guò)程主要是與纖維上的色素分子以及木質(zhì)素等發(fā)生反應(yīng),生成物溶于水,從而可以有效地去除雜質(zhì)而不傷害纖維本身,相比其他方法在對(duì)提升纖維白度的同時(shí)不影響其強(qiáng)力,且對(duì)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(guò)程中產(chǎn)生的高能耗與廢液?jiǎn)栴},且不傷害纖維本身,但由于自身較為活潑不利于運(yùn)輸儲(chǔ)存,且存在易爆等缺點(diǎn),成本較高,制約了它的發(fā)展。

1.6 電化學(xué)在前處理的應(yīng)用

因電化學(xué)工藝很早就應(yīng)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(yīng)用提供了思路,與傳統(tǒng)工藝相比,電化學(xué)法在一定程度上解決了高能耗和高污染的問(wèn)題,符合綠色可持續(xù)發(fā)展要求,應(yīng)用廣闊,目前研究出一種更合適的電解液體系是該領(lǐng)域的重要方向。

2 前處理助劑研究進(jìn)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(fā)展而言,許多傳統(tǒng)表面活性劑性能單一,無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足織物處理所需的多種性能要求。比如JFC的潤(rùn)濕性好,但乳化和凈洗性差,且濁點(diǎn)低等;十二烷基苯磺酸鈉的凈洗能力強(qiáng),但潤(rùn)濕性很差。鑒于這些不足,從協(xié)同效應(yīng)與增效作用出發(fā),基于其工作原理,將兩種以上的多類(lèi)型表面活性劑與其他無(wú)機(jī)物復(fù)配來(lái)制備復(fù)配助劑成為了一個(gè)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(huán)氧乙烷加成類(lèi)的AEO和APEO,或者是兩者混合后的產(chǎn)品;陰離子表面活性劑以AS和ABS居多,根據(jù)表面活性劑的基本原理進(jìn)行復(fù)配從而達(dá)到協(xié)同增效的結(jié)果。

隨著生活水平的提高和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們也不斷意識(shí)到化學(xué)品的毒害性和生物降解性問(wèn)題。基于此,近年來(lái)研發(fā)了多種新型表面活性劑,具有綠色環(huán)保等特點(diǎn),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(yōu)異的生物降解性,在硬水中去污能力強(qiáng)、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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(nóng)藥等領(lǐng)域用作分散劑,其去污能力優(yōu)于AOS,對(duì)生態(tài)環(huán)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?xún)?yōu)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(rùn)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(jìn)行烷基化反應(yīng),然后進(jìn)行磺化,最后中和得到。因其特殊的結(jié)構(gòu),使之具有良好的去污性、污垢分散性與高度化學(xué)穩(wěn)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(yōu)異,主要由美國(guó)生產(chǎn),具有易溶解、抗氧化、抗熱分解等特點(diǎn)。

2.2 Gemini 表面活性劑

Gemini表面活性劑是由兩個(gè)傳統(tǒng)表面活性劑分子之間的特殊基團(tuán)以化學(xué)鍵方式進(jìn)行連接而成的一種新型表面活性劑,分為陽(yáng)離子、陰離子、非離子和兩性離子等類(lèi)型。陽(yáng)離子Gemini表面活性劑居多,其中代表產(chǎn)品有連接基帶羥基的陽(yáng)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(chǎn)品已經(jīng)投入產(chǎn)業(yè)化。非離子型活性劑分為兩大類(lèi):糖類(lèi)衍生物和醇醚化合物,其中糖類(lèi)衍生物降解性高、原料易得,被廣泛關(guān)注。

Gemini表面活性劑因其特殊結(jié)構(gòu),具備諸多優(yōu)點(diǎn),比如優(yōu)異的潤(rùn)濕性、水溶性,對(duì)有機(jī)物具有很強(qiáng)的增溶效果,獨(dú)特的流變性與粘彈性等,唯一不足之處就是價(jià)格昂貴,這也是目前難以產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的原因。

2.3 氧漂活化劑

雙氧水是一種優(yōu)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(yīng)用于雙氧水漂白的活化劑,無(wú)色無(wú)味無(wú)毒,生物易降解,缺點(diǎn)是水溶性不高[16];NOBS化學(xué)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(xué)特性,因此在強(qiáng)堿介質(zhì)中會(huì)發(fā)生水解。TBCC整體效果優(yōu)于NOBS,因此受到青睞,但其毒性制約著其發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

棉織物傳統(tǒng)前處理工藝能耗高、水耗高、污染大,不能滿(mǎn)足國(guó)家的綠色發(fā)展方針,隨著科研的不斷深入,新技術(shù)、新工藝逐漸應(yīng)用到染整領(lǐng)域,必將推動(dòng)我國(guó)染整前處理領(lǐng)域的發(fā)展,為實(shí)現(xiàn)綠色染整提供了實(shí)施路徑。