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新型染色技術的開發與應用

發布時間:2018-03-27

目前,紡織品染色主要存在以下問題:染色牢度如耐水洗色牢度、耐摩擦色牢度、日曬色牢度、耐酸堿汗漬色牢度等還不能同時達到較高等級,使人體在服用過程中因摩擦、出汗等導致染料溶落而威脅人們的健康;越來越多的高功能高性能新材料纖維、新型纖維或者多組分纖維等相繼出現并不斷創新,使原有的紡織品染色工藝及染料需要不斷創新和改進;紡織品染色過程中染料、能浪費嚴重,排污量大且生產效率低下,越來越多的傳統染色方法已不符合生態性要求。近來,紡織工業“十二五”綱要的提出,給紡織品染整發展指明了方向,即要重點發展無水及少水印染、廢水回用、資源綜合應用等高新技術,為實現行業的清潔生產、節能減排及可持續發展提供技術支撐。在“十一五”及“十二五”指導下,已經有不少生態染色新方法和工藝相繼出現并不斷完善,如冷軋堆染色、氣流染色、退染一浴染色等已取得生產實效,一些新興的染色方法如超臨界CO2染色、微膠囊染色等亦逐漸成熟,越來越多的新型染色詞匯也不斷出現在行業術語中。

1、微懸浮體染色技術(MSD)

微懸浮體染色技術(MSD)是西安工程大學紡織與材料學院以邢建偉教授為首的技術研究小組發明并命名、屬于我國擁有完全知識產權的一項新型染整技術,國外還未見報道。MSD技術是通過在軋染浴中使用微懸浮體化染色助劑,使染料分子形成細小的微懸浮體顆粒并均勻地分散在染浴中,再通過浸軋使其進入纖維及紗線空隙中,隨著染浴溫度升高,微懸浮體顆粒逐漸解體,釋放出染料進入纖維內部進而固著。研究表明,MSD技術具有如下優勢:

①染料由于微懸浮體顆粒的“包埋”而受到保護。染料與堿劑的接觸幾率降低,染料水解減少,染制同等色度織物時使用的染料用量減少;染毛/腈混紡纖維時,也由于染料受到保護而降低了不同纖維問染色時的沾色現象。

②染料以微懸浮顆粒的形式先吸附到纖維上,再進行擴散和固著,能夠保證染料均勻上染纖維。由于其勻染性好,在染蛋白質纖維時,可以快速升溫上染(3oC/min),不僅有效地降低了高溫下纖維的損傷,還節省了工藝時間和能耗。

③MSD技術所采用的微懸浮體化染色助劑不對染料分子產生化學作用,被染織物的色澤和色牢度基本不會受到影響。

④使用MSD技術染真絲織物,可以完全不用無機鹽促染,降低了鹽對纖維表面的損傷,同時降低了污染。

⑤使用MSD技術勿需企業改變目前的軋染設備及工藝,應用簡單、經濟適用。

目前,常州月夜燈芯絨有限公司已經成功進行了純棉燈芯絨織物的微懸浮體軋染染色,成功建立了一個年產2 000萬m純棉燈芯絨織物與普通純棉織物微懸浮體軋染染色示范基地。實踐生產證明.加工每萬米棉織物平均可節約染料用量26.78 kg,加工每噸棉織物平均可減少廢棄染料的排放量為3.6 kg左右。微懸浮體染色技術具有環保、節能和染色性能優越等特點,但該技術目前還處于發展階段,對于所染織物品種的研究還不夠全面,還局限在羊毛、蠶絲或狐貍絨等蛋白質纖維和棉纖維,對于其他天然及合成纖維的研究尚少。目前應用該技術的廠家不多,還應加強新技術的宣傳力度,擴大規模。

2、微膠囊染色技術

微膠囊用于紡織品染色的技術核心是先將染料作為芯材制成微膠囊。染色時,直接將染料微膠囊投入染浴,利用纖維、染浴和膠囊中染料的濃度差,使染料不斷釋放、吸附和上染纖維,實現無助劑染色。利用微膠囊隔離和緩釋的作用,不僅染色均勻性能夠得以較好的保證,還可以達到染料的“零”排放和纖維的免水洗等目的,實現清潔生產。

國內,東華大學化學與化工學院對于分散染料微膠囊染色的研究較為突出,他們對染色的方法、微膠囊的制備以及相應的工藝和裝置進行了一套較為全面的研究并申請了專利。率先將分散染料微膠囊染色應用于錦綸6、PTT和滌綸織物的染色上,對相應的染色溫度、浴比、保溫時間等參數及廢水的回用進行了探討和研究。最終染色產品干濕摩擦牢度、皂洗牢度和沾色牢度與傳統染色工藝相當,都達到了4~5級,且廢水的COD和BOD值比常規染色工藝低得多。近來,羅艷等進一步對分散染料微膠囊染色進行了非條件配色研究和改善PTT染色中低聚物的影響的研究。結果表明,微膠囊分散染料染色可以改善常規染色條件下不能配色的分散染料配伍性,可以改善PTT染色中低聚物對染料提升性能和染色速率等的不利影響。該技術已經與多家染色廠合作取得了部分生產規模實驗的成功。

除了分散染料微膠囊的染色研究,其他染料的研究還尚少。孫曉竹等以天然色素姜黃為芯材,β—CD為壁材進行了微膠囊染色研究,確定了微膠囊化的最佳包合工藝為:溫度50oC,時間2 h,芯壁材比1:4,乙醇體積分數為50%。染色后織物的摩擦及皂洗牢度不經過還原清洗就可達到4級以上,優于純姜黃素染色。

埃及研究者E1.Zawahry M M等對活性染料微膠囊染色進行了研究。研究主要以70%乙酰丙酮改性后的大豆卵磷脂為壁材,活性染料為芯材,制得了最大粒徑約為16nm的微膠囊。并就羊毛染色進行了探討,確定了最佳染色工藝為:鹽用量10%(owf),溫度95℃,染色時間60 min,30 min后加入一定量的曲通100助染。最終染色產品的色牢度和摩擦牢度等均比常規染色高。埃及研究者還將活性染料微膠囊對絲織物進行了染色研究,與常規方法相比,它們的染色牢度差別不大,但染色后的殘液幾乎無色,染浴可以再利用,為產業生產提供了一個經濟環保的染色工藝。

3、“色媒體”無鹽無堿染色技術

2007年,廣東德美精細化工股份有限公司成功申請了“一種纖維材料改質的方法及其染色工藝”的發明專利,提出了“色媒體”無鹽無堿染色概念及一種新的清潔生產技術。色媒體無鹽無堿染色原理是纖維陽離子改性研究的發展與完善,纖維陽離子改性能夠較好的實現染料的無鹽上染,但還不能完全解決需要加堿固色的問題。德美公司研發并提出的色媒體染色,可以實現在無鹽、無堿、無尿素環境下與陰離子型染料或涂料進行常規染色,與傳統染色相比,縮短了工藝流程,提高了染料利用率,減少了對環境的污染,節省了大量能源。色媒體無鹽無堿染色技術的核心是色媒體的制備。色媒體是一種含有活潑氫和反應性功能團的預聚物,含氮量為5%~45%,其中至少含有羥基、氨基及亞氨基等活潑氫基團的一種,以及少量含有異氰酸酯、環氧基、氯甲基等反應性功能團的一種。染色時用色媒體對纖維進行浸軋或噴涂預處理,向纖維引進陽離子染座從而使得陰離子染料或涂料迅速上染和固著。德美公司將色媒體無鹽無堿染色用于棉針織布的染色研究已取得較好的效果,確定了棉針織布的色媒體改性工藝為:色媒體用量2%(owf),滲透劑DM一1231質量濃度1 g/L,60℃處理30 min。改性后的染色工藝為:染料用量5%(owf),60~80℃染色30 min。染色后織物強力保留率和手感均比傳統染色好,得色量也與傳統工藝相當,雖然親水性較傳統工藝差,但基本不影響服用。利用色媒體無鹽無堿染色技術,德美公司通過在染色機中將不同顏色的活性染料或涂料分別滴加或噴灑到纖維織物的相應位置,還實現了織物的多色彩染色,與傳統的印花工藝相比,簡化了工藝條件,減少了化學品用量,達到了環保節能目的。

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4、超臨界CO2染色技術

利用超臨界CO2,流體代替水作為染色介質,可以解決染色用水問題,減少染料浪費和環境的污染,同時由于超臨界CO2流體的低黏度和高分散性,使得染色速度更快,是一種新型生態染色技術。目前,關于超臨界CO2,染色的研究主要有分散染料染色、活性分散染料染色、改性天然纖維的分散染料染色以及天然染料染色。超臨界CO2,流體作為一種非極性溶劑,對分散染料有很好的溶解作用,其用于分散染料的染色研究最為深入且已取得了較多成功,相關染色工藝已較為成熟,一般為80~160℃,20~30 MPa,上染時間20—60 min,各項染色牢度可達到4~5級。這一染色技術正逐步應用于實際生產中。活性分散染料超臨界CO2染色主要是通過將活性基引入分散染料,從而實現染料在超臨界CO2,中溶解且能上染極性纖維。Schmidt A等副利用均三嗪和溴代丙烯酸分別對分散黃23進行改性,制成活性分散染料1和2,并將其分別用于纖維素纖維、蛋白質纖維及合成纖維的超臨界CO2染色研究。結果表明,2號染料染色性能較好且蛋白質纖維染色性能比纖維素纖維要好。但染色溫度較高時間較久(160oC,240 min)易造成纖維損傷。M van der Kraan等利用含乙烯砜或者二氯三嗪的活性分散染料對天然纖維及合成纖維進行超臨界CO2,染色研究,發現當在超臨界CO2系統中加入水,并不會影響染料在聚酯上的上染百分率,而對于錦綸、桑蠶絲和羊毛含有氨基的纖維,染料的上染百分率與超臨界CO2,和織物上的含水量有正相關性,當超臨界CO2,流體和織物的含水量達到飽和時,纖維的得色量達到最大且固著率均達到80%以上。這為超臨界CO2,應用于聚酯與錦綸、桑蠶絲或羊毛等混紡織物的加工提供了理論依據。通過對天然纖維進行改性,如麻芐基化或表面有機硅改性、羊毛蠶絲等離子處理以及棉的多元羧酸處理等,可以增加纖維與分散染料的親和力、提高纖維容納染料的能力等,實現天然纖維的分散染料超臨界CO2染色。據報道,我國大連工業大學同光明化工研究設計院產學研合作研究的天然纖維超臨界CO2,染色,已具備了散纖維和成衣藝術染色產業化生產條件,并于2010年通過鑒定,預計該項目的推廣應用可每年節約用水10~l5億t。天然染料超臨界CO2染色方面,國內外研究相對較少。大連輕工業大學首次利用超臨界CO2對姜黃色素進行了萃取染色一步法工藝研究,確定了最佳工藝條件為27MPa,140℃,染色60 min,最終樣品耐摩擦牢度和水洗牢度達到了3~5級。孫曉竹等以茶葉葉綠素為原料對牛奶纖維進行超臨界CO2染色,確定了最佳工藝為:染料用量3%(owf),pH值5,3 MPa,80℃,染色樣品各項牢度達到3~4級。

5、仿生發色

仿生發色是指模仿某些昆蟲和鳥類如蝴蝶、孔雀羽毛的發色機理,直接利用光線的折射反射或干涉等原理進行發色。其“染色”概念已不是傳統的染色概念,仿生發色幾乎不用染料或色素,而是將染色與纖維結構設計、合成加工結合起來,只要材料的折射率和尺寸不發生改變,所得到的顏色也不會消失,可以真正做到對環境無污染。

目前關于仿生發色的研究尚少。日本基于自然界蝴蝶翅瓣表面薄片的折射率、大小、形狀和厚度不同,通過薄膜干涉生色產生各種顏色的原理,開創性地研制出了結構生色纖維Motphotex絲。國內,亦有研究者對甲蟲及蝴蝶顏色做了系統的研究,指出甲蟲的三維光子晶體和蝴蝶的一維光子晶體結構是其顏色形成的主要因素。龔龔等通過研究孔雀羽毛的結構,發現其發色是由于孔雀羽毛小羽支中存在蛋白纖維的二維光子晶體結構,提出這些由黑色素棒、“黏合劑”和空氣構成的二維光子晶體結構,是孔雀尾羽產生靚麗色彩的主要原因,并給研究者們提出了一個新的研究方向。隨著當今納米技術和生物工程的發展,仿生發色將逐漸成為可能,這將給紡織品染色帶來一次新的革命。

6、染色功能整理一體化技術

染色功能整理一體化技術是由蘇州大學鄭敏等研究提出的一種新型染色技術,通過相轉移技術和微晶控制技術相結合,實現了無機納米粒子對纖維的染色和整理一體化。其工藝流程為:無機納米微晶分散體制備一軋染(軋液率85%~100%)一預烘(80oC,3 min)一焙烘(140℃,2 min),工藝流程簡單,對環境無污染,所得產品染色牢度和勻染性都較好,具有抗菌、防紫外(UPF指數達到80以上)、阻燃等功能。在用無機微晶水性分散體nano.super(R)對真絲進行染色和功能整理的研究中,該染色整理方法還表現出了快速、高效、節能等符合生態染色的優點,給紡織品染色提供了一個新的方向。

結束語:

隨著科技的發展及人們對紡織染色行業的關注,越來越多的新型紡織品染色技術接踵而至,它們要么是減少了水資源的浪費和污染,要么是提高了染色的性能和能源的利用,比傳統染色方法更符合生態標準,給行業實現清潔生產、摘掉其“污染大頭”的帽子帶來了希望。但對于目前所出現的新型染色方法,大都還處在實驗室階段,離工業化生產有一定的距離。要真正利用新型染色技術實現行業生態化,可以從以下方面加強:①對于新興的染色方法,研究者或研究機構本身要盡可能爭取資源或與廠家聯合研究,而相關單位對于有潛能的新型技術應大力協助和支持,使其盡早脫離實驗室階段而進入生產化研究。②對于取得一定研究成果的新型技術,應加強宣傳和利用,使其真正成為對行業和社會有用的技術力量。③在新技術新思想突飛猛進的時期,應加強相關技術人員或研究人員的培訓和培養,使新技術能夠得以掌握和運用,同時使更多的思想和創意融會貫通,最終實現整個行業的發展和進步。

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