棉织物染整前处理工艺与助剂的研究与发展

张庆法,张会敏,李长娟,张庆富,肖 雁,郎中院

(鲁泰纺织股份有限公司,山东 淄博 255100)

棉织物的前处理工艺是纺织生产加工中的重要部分,退浆、煮练、漂白是其主要环节,其中退浆主要是为将织物上的浆料去除;煮练主要是为去除天然杂质;漂白主要是为去除天然色素,从而提高织物的白度和鲜艳度。传统前处理工艺一般有强碱加入,存在高能耗、高污染等问题[1],与我国所提出的绿色发展有所不符,而低温、低碱、节能等新工艺的出现提供了问题解决思路[2]。

1 前处理工艺研究进展

1.1 生物酶在前处理中应用

生物酶的专一高效性降低了前处理所需温度,并大幅减少了反应时间和碱的用量,且经过生物酶处理得到的棉织物在白度以及在性能上表现优异。单种生物酶催化条件温和,很容易达到最佳催化条件,但是前处理一般需要多种生物酶共同作用才能达到最佳效果,而不同生物酶之间所需的催化条件不同,所以实现生物酶的复配具有一定难度,这也是不少学者一直需要解决的问题[3]。目前生物酶的种类很多,可应用于棉织物的酶类主要有淀粉酶、纤维素酶、果胶酶、蛋白酶、漆酶等,目的是去除棉纤维上的杂质。

淀粉酶主要应用在退浆过程中,催化条件温和,具有需水量小、退浆效率高等优点[4]。纤维素酶和果胶酶通常使用在煮练过程中,两种酶所需的催化条件相似,复合使用可较好发挥协同作用,更好地去除纤维上的天然杂质。漆酶可以与色素中酚型和芳香胺型化合物发生氧化反应,达到去色效果,但漆酶的催化条件较高,应用工艺受限,目前很少应用在织物漂白过程中[5]。由于生产设备与科学理论存在一定滞后,生物酶在前处理工艺中的普及还需要进一步研究。

1.2 超声波技术在前处理应用

超声波具有较好的方向性和穿透性,在液体中会产生强烈的空穴效应,且在液体中传播距离远,损耗小[6]。此外,超声波在介质中传播时可以促进某些反应的进行,降低反应条件要求[7]。

超声波的空穴作用,能从多方面影响前处理过程中的处理效果,具有生产效率高、纤维素纤维损伤性少等优势。在退浆过程中,反复的气泡破裂提高了溶质的可溶性,使其更容易水洗去除,从而提高退浆率;在煮练过程中,超声波的剧烈震荡使工作液混合更加充分,增强了反应效果,且对纤维空隙中的杂质具有一定清洗效果,过程产生的气泡能够减少蜡质在纤维上的吸附,更易去除,提升煮练效果[8];漂白过程中是利用空穴效应增大了纤维内比表面积从而提高反应效率,并且此效应还会破坏纤维色素的发色体系从而达到去色的效果[9]。

超声波技术的应用,对棉织物的前处理起到了较好的辅助作用,减少了助剂的用量,降低了能耗和污染,但因设备与成本问题,目前还只限于实验室,实现工厂的规模化生产仍有一段距离。

1.3 臭氧在前处理的应用

臭氧作为一种新型漂白剂,具有氧化电位高、耗水少、产物无污染等优点,在纸浆漂白领域已得到广泛应用,在前处理工艺中处于起步阶段,目前主要应用在辅助精练和漂白两方面,其强氧化性会破坏棉织物上的蜡质酯键和果胶的分子链,并将其从纤维上去除。此外,色素的显色基团也会因其破坏而达到去色效果。但非选择强氧化性具有一定弊端,会对纤维素造成一定损坏,导致纤维强力降低[10],工艺还有很大改善空间。张杰[11]研究了棉织物臭氧漂白工艺,织物白度效果好且棉籽壳含量降低明显,能耗也有所下降。

臭氧在棉织物前处理中的应用降低了生产成本,提高了生产效率,显著减少了能耗与排污量,且漂白效果卓越,但由于臭氧的非选择强氧化性会损伤纤维的强力,所以需要进一步优化工艺。

1.4 超临界CO2在前处理的应用

CO2流体在棉织物前处理工艺中主要作为介质存在,由于其本身极性较低,一般需要加入表面活性剂形成微乳液来改善其溶解度问题。超临界CO2微乳液作为介质可很好地改善前处理水耗大的问题,并减少了废水排放,同时也会加快反应速率,是一种绿色环保的新工艺,但缺点是其稳定性不能保证,受外界条件影响大。石伟[12]以超临界CO2为反应介质,研究了一种绿色环保的退浆工艺,有效减少了化学品的使用与废水的排放,对实现纺织行业绿色生产具有一定的意义。

1.5 二氧化氯在前处理阶段的应用

二氧化氯很早就应用于消毒、纸浆漂白等领域,由于技术的进步,逐步在棉织物处理中得到应用,反应过程主要是与纤维上的色素分子以及木质素等发生反应,生成物溶于水,从而可以有效地去除杂质而不伤害纤维本身,相比其他方法在对提升纤维白度的同时不影响其强力,且对棉籽壳的去除有显著效果[13]。

二氧化氯的使用同样解决了前处理过程中产生的高能耗与废液问题,且不伤害纤维本身,但由于自身较为活泼不利于运输储存,且存在易爆等缺点,成本较高,制约了它的发展。

1.6 电化学在前处理的应用

因电化学工艺很早就应用在纸浆漂白上,利用电解法制得了含氯和含氧的漂白剂,这些为其在棉织物的前处理工艺中的应用提供了思路,与传统工艺相比,电化学法在一定程度上解决了高能耗和高污染的问题,符合绿色可持续发展要求,应用广阔,目前研究出一种更合适的电解液体系是该领域的重要方向。

2 前处理助剂研究进展

2.1 表面活性剂

印染助剂80%是表面活性剂,就表面活性剂的发展而言,许多传统表面活性剂性能单一,无法同时满足织物处理所需的多种性能要求。比如JFC的润湿性好,但乳化和净洗性差,且浊点低等;十二烷基苯磺酸钠的净洗能力强,但润湿性很差。鉴于这些不足,从协同效应与增效作用出发,基于其工作原理,将两种以上的多类型表面活性剂与其他无机物复配来制备复配助剂成为了一个新方向[14]。其中所用助剂包括非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂等。非离子表面活性剂大多是由不同环氧乙烷加成类的AEO和APEO,或者是两者混合后的产品;阴离子表面活性剂以AS和ABS居多,根据表面活性剂的基本原理进行复配从而达到协同增效的结果。

随着生活水平的提高和科学技术的发展,人们也不断意识到化学品的毒害性和生物降解性问题。基于此,近年来研发了多种新型表面活性剂,具有绿色环保等特点,其中主要包括α-烯基磺酸钠盐(AOS)、脂肪酸甲酯α-磺酸钠(MES)、脂肪醇聚氧乙烯羧酸盐(AEC)、3,4-烷基二苯醚和二磺酸盐(ADPEDS)等。

AOS具有优异的生物降解性,在硬水中去污能力强、皮肤刺激性小,其主要由烯基磺酸盐、羟基磺酸盐、二磺酸组成,内部结构决定了其性能;脂肪酸甲酯α-磺酸钠(MES)表面活性剂由天然油脂获得,去污能力强并且具有较高的钙皂分散力与生物降解率,毒性低。除了在洗涤剂中作为活性物使用,也在皮革脱脂、染料、农药等领域用作分散剂,其去污能力优于AOS,对生态环境与人体伤害小,只需5天就可生物降解为CO2与H2O,其生物降解性优异[15]。

AEC极易溶于水且具有耐硬水性能,兼具阴离子和非离子表面活性剂的特性,温和不刺激,具有较好的湿润性跟渗透性。烷基二苯醚和二磺酸盐是由α-烯烃与二苯醚在酸催化作用下进行烷基化反应,然后进行磺化,最后中和得到。因其特殊的结构,使之具有良好的去污性、污垢分散性与高度化学稳定性,如果二苯醚二磺酸的单烷基变换为双烷基,性能更加优异,主要由美国生产,具有易溶解、抗氧化、抗热分解等特点。

2.2 Gemini 表面活性剂

Gemini表面活性剂是由两个传统表面活性剂分子之间的特殊基团以化学键方式进行连接而成的一种新型表面活性剂,分为阳离子、阴离子、非离子和两性离子等类型。阳离子Gemini表面活性剂居多,其中代表产品有连接基带羟基的阳离子型Gemini表面活性剂等。阴离子型Gemini表面活性剂品种多样,主要分为羧酸盐、磷酸酯盐、硫酸酯盐和磺酸盐,部分产品已经投入产业化。非离子型活性剂分为两大类:糖类衍生物和醇醚化合物,其中糖类衍生物降解性高、原料易得,被广泛关注。

Gemini表面活性剂因其特殊结构,具备诸多优点,比如优异的润湿性、水溶性,对有机物具有很强的增溶效果,独特的流变性与粘弹性等,唯一不足之处就是价格昂贵,这也是目前难以产业化应用的原因。

2.3 氧漂活化剂

双氧水是一种优良的氧化型漂白剂,目前氧漂活化剂的代表有TAED活化剂、NOBS活化剂、TBCC活化剂等。TAED是最早应用于双氧水漂白的活化剂,无色无味无毒,生物易降解,缺点是水溶性不高[16];NOBS化学性能低于TAED,可以在更低的温度下获得较佳的漂白效果,但因其是含酯的表面活性剂,具有酯基的化学特性,因此在强碱介质中会发生水解。TBCC整体效果优于NOBS,因此受到青睐,但其毒性制约着其发展。

3 结语

棉织物传统前处理工艺能耗高、水耗高、污染大,不能满足国家的绿色发展方针,随着科研的不断深入,新技术、新工艺逐渐应用到染整领域,必将推动我国染整前处理领域的发展,为实现绿色染整提供了实施路径。