陈麟国 张红娟 丁磊 裴刘军 王际平
摘 要:随着生活水平的提高,人们对服装的舒适度愈发重视,碱减量技术在改善涤纶织物的手感方面有着广泛应用,然而涤纶碱减量技术也有着许多缺点。针对涤纶碱减量技术存在的问题,结合碱减量技术的原理以及目前清洁生产的发展背景,着重介绍了利用促进剂提高涤纶碱减量效果的方法,并分析了促进剂的作用机制,基于使用促进剂的优缺点,指出未来促进剂的发展方向,提出碱减量与涤纶染色一浴进行是精炼涤纶染整加工流程、提高生产效率的有效方法,以期对纺织行业的可持续发展提供指导。
关键词:涤纶;碱减量;促进剂;生态染整;促进机制
中图分类号:TS190.2 文献标志码:A 文章编号:1009-265X(2023)06-0061-11
在环境保护意识不断增强的社会背景下,减少危化品使用是纺织行业追求可持续发展的重要目标之一[1-2]。为克服涤纶织物舒适性差的缺点,目前最为常用的处理方法是利用高浓度液碱对涤纶织物进行碱减量处理,但该方法存在耗碱量大、污染严重、污水处理成本高等问题[3-5]。同时,由于液碱属于危化品,在实际生产过程中对作业工人来说存在很大安全隐患,故而开发碱减量过程减少碱用量的方法非常必要。通过碱减量促进剂实现碱用量的降低,且保留传统碱减量处理织物优良性能,是实现可持续发展的重要方向之一。
涤纶碱减量促进剂种类繁多,目前报道的有季铵盐阳离子表面活性剂、明胶蛋白促进剂、离子液体等[6-7]。通过使用这些促进剂,可不同程度上降低碱用量,降低过量使用碱液导致废水处理问题和环境污染。在减少碱用量的同时,可以对织物性能进行优化,更好地控制纤维的质量,提高产品的稳定性和一致性。近年来,对于碱减量促进剂的开发以及使用,已取得明显进展。
1 涤纶碱减量技术的发展背景及原理
涤纶织物是一种性能优良、应用广泛的纺织品,但其存在吸湿性差、易起静电等问题,制约了其作为高端纺织品材料的市场前景。堿减量处理之后,可改善涤纶纤维自身的缺陷,赋予其良好的悬垂性、保水性等优点[8-10]。从纤维的表观形态来看,涤纶纤维的截面形状通常为圆形,纵向形态为表面光滑、细度均匀的圆柱体,光滑的纤维表面易发生光的全反射,产生“极光”问题。但是在碱减量处理后织物的纤维表面发生刻蚀,同时由于微小沟槽和凹坑的存在,会增加光线漫反射,削弱涤纶纤维产生的全反射,消除了织物“极光”问题,涤纶织物的染色性和悬垂性也得以改善,具有仿真丝特性[11-13],纤维处理前后扫描电镜如图1所示。一般传统碱减量处理是通过用液碱对涤纶纤维进行表面改性,液碱的作用机理为:在碱性水解中,来自碱的氢氧根离子攻击聚酯大分子主链上缺电子的羰基碳,致使酯键断裂,并产生羟基和羧酸酯端基[14-15]。涤纶碱减量处理会使得织物表面产生刻蚀,形成凹坑,增大了纤维的比表面积。
传统的碱减量工艺通常使用高温和较浓的烧碱溶液处理涤纶织物,工业中常用液碱浓度高,且工艺中往往需要高温处理,碱减量废水中含有大量的游离碱具有pH值高、化学需氧量(COD)高等特点。而且处理后的织物在使用前需要进行酸洗和水洗,无法直接用于染色,与普通印染废水混合后再处理,会增大印染废水的处理难度和成本[16-18]。王小艳等[19-20]对碱减量工艺进行了优化,利用高耐碱分散染料先对涤纶织物进行染色,然后再进行碱减量;结果表明后碱减量的染色涤纶织物相比预碱减量处理织物具有更好的K/S值,可以在达到相同表观颜色的条件下使用更少的染料,其原因主要是由于碱减量过程中纤维形貌变化导致;图2为涤纶在氢氧化钠溶液中的分解反应机理。后碱减量工艺使得织物既保留了碱减量的优点又能节省用水和染料,但是缺点是要求染料是耐碱性的、成本高,且目前市面上耐碱分散染料的色系较少,所以后碱减量工艺的泛用性不是很广。
除了对碱减量工艺进行调整以外,Shukla等[21-22]从溶解烧碱的溶剂入手,通过将NaOH溶解在醇和水中,分别对涤纶纤维进行碱减量处理,与在NaOH醇溶液处理的织物相比,NaOH水溶液具有更高的减量率。醇中溶剂化的氢氧化钠分子比氢氧化钠水合物分子的尺寸和极性小,因此氢氧化钠醇溶液对涤纶的排斥性较小。乙醇溶剂分子比甲醇分子的空间位阻大,与纤维的作用机会减少,从而减量率要小于NaOH甲醇溶液处理织物的减量率。从实际应用方面来看,通过添加促进剂来减少碱减量工艺中的液碱用量是一种极为有效的方法,在节能减排和环境保护方面具有重要的意义。因此,对碱减量促进剂进行研究,可以为提高涤纶织物性能及拓展相关应用奠定基础。
2 涤纶碱减量促进剂的发展现状
涤纶织物的碱减量加工是纺织工业中广泛采用的工艺,通过减小纤维的直径和重量,达到获得光滑的表面和增加织物服用性能的目的[23]。在碱减量加工中,减量率随碱浓度的增加而增加,但传统碱减量中NaOH的利用率较低。通过添加促进剂,可以提高碱的利用率。促进剂种类大致可分为季铵盐类、磷酸脂类、渗透剂、胺类、醇类、苯酚类等化合物,其中季铵盐类应用较普遍。相比其他技术,促进剂的使用,更加经济、方便,可以有效减少传统碱减量中液碱的用量。
2.1 季铵盐阳离子表面活性剂
碱减量加工应用最多的一类促进剂就是季铵盐阳离子表面活性剂,其通式如图3所示。
图3中,R为甲基;R1为C12~C18烷基;R2为甲基、羟乙基、苄基或其他含碳长链;X为Cl-、Br-、NO-3等。常用的季铵盐阳离子表面活性剂如表1所示。在促进效果方面:1227(十二烷基二甲基苄基氯化铵)>SN(十八烷基二甲基羟乙基硝酸铵)>CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)>1231(十二烷基三甲基溴化铵),且疏水碳链长短以及取代基是分子结构层面上影响促进剂的催化作用的主要因素。季铵盐阳离子表面活性剂的作用主要是:通过带正电的季铵离子携带氢氧根离子进攻羰基碳原子,以促进涤纶大分子中发生酯键的水解。
王宗舞等[24]研究了促进剂1227的添加对涤纶碱减量改性效果的影响,发现季铵盐表面活性剂中碳原子数为12~16,含苄基的季铵氯化物的促进效果最好。但是单一促进剂的使用存在着强力损伤过大,减量不匀,处理织物发黄的问题。Gawish等[25]研究了一系列由四甲基乙二胺与季铵化剂十六烷基溴,苄基氯合成的阳离子表面活性剂,合成过程如图4所示,并发现在相同的工艺条件下(100~130 ℃),十六烷基甲基溴化铵可加速水解,且根据促进用量的不同,可以达到15%~25%的减量率。
2.2 明胶蛋白促进剂
明胶是胶原的水解产物,具有极其优良的物理性质,如亲和性、高度分散性、亲水性、韧性等。明胶具有一定的表面活性,浸润性以及胶体保护性,在碱减量的过程中可以起到溶胀纤维,降低表面张力的
作用。范云丽等[26]研究阳离子明胶蛋白助剂复配对促进涤纶碱减量率和减量速率的影响,并讨论二者复配对涤纶织物服用性能及分散染料上染色性能的影响,发现阳离子明胶蛋白助剂应用于涤纶织物的碱减量工艺中,可以促进涤纶织物碱减量,与不添
加阳离子明胶蛋白助剂的对照组相比可以提升5%的减量率,同等条件下可以减少37.5%的碱用量。该促进剂在织物表面有一定量吸附,其上的极性基团有可能与涤纶上的酯基结合,减弱吸附在涤纶上的氢氧根离子与织物发生催化水解作用,处理织物表面刻痕均匀,可以有效解决织物强力损伤过大的问题,不同促进剂处理的涤沦织物表面形貌如图5所示。何志军等[27]通过将明胶蛋白高分子溶液涂覆涤纶织物,把涤纶织物的高强度、高弹性与明胶蛋白等天然高分子的人体亲和性、舒适性进行有机结合,制成功能性涤纶织物,从而提高了涤纶的吸湿性、透气性。但是促进剂的回收利用存在问题,成本较高,虽然一定程度上减少碱的使用,但是对环境的污染问题没有得到显著改善。
2.3 新型涤纶碱减量促进剂的合成
为了进一步降低液碱用量,马志鹏等[28]以甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)和二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)為单体,水相溶液聚合制备新型碱减量促进剂P(DMC-DMDAAC),合成过程如图6所示,并将合成产物用于涤纶碱减量处理探究优化工艺条件及碱用量,发现聚阳离子促进剂具有
明显的减量效果,减量率从9%提高至21%,与季铵盐表面活性剂相比,促进效果要高4~5倍,而且可以在10 g/L液碱中使用,降低碱减量操作中的液碱用量33%,但是强力损伤较大。这种新型促进剂本质上是一种阳离子聚合物,促进剂中含有强阳离子水溶性季铵盐基团,在涤纶碱减量过程易吸附氢氧根离子,从而达到促进水解的效果。
2.4 离子液体
离子液体,也称为熔融盐,由于具有许多独特的性质,离子液体作为未来的溶剂正受到越来越多的关注,有着取代现有的有机溶剂的前景。一般说来,离子液体被描述为熔点低于100 ℃的完全电离介质[29]。
由有机阳离子和有机或无机阴离子组成[30]。这类流体的主要优点之一是在理论上可以产生许多可能的阴阳离子组合[31]。根据Holbrey等[32]的研究,潜在合成的离子液体的数量将达到万亿的数量级(多达1018种可能性)。图7和图8是离子液体中出现的典型的一些阳离子和阴离子结构。
离子液体属于复合型离子表面活性剂,有着许多优点:a)微小的挥发性:微小的挥发性是离子液体最著名的性质之一,与有机分子溶剂相反,这提供了通过蒸馏去除产品的可能性,而不会进一步受到溶剂的污染,并且还导致大气污染或吸入人体中毒的低风险[33]。b)良好的热稳定性:离子液体通常是不可燃的,在高于传统有机分子溶剂的温度下保持热稳定性。这意味着,当在离子液体中进行化学反应时,可以避免爆炸危险。c)广泛的溶解性:离子液体的溶剂性往往比传统的有机分子溶剂更强,可以选择或设计它们来溶解各种有机和无机气体、液体和固体;离子液体也可以溶解天然聚合物和合成聚合物,离子液体溶解物质的能力取决于许多因素,特别是它的极性和离子的配位性质。d)广阔的反应特性:离子液体既可以用作反应介质,也可以用作催化剂,这为实现有机合成和催化中的各种新反应提供了广阔的前景。离子液体应用在纺织印染行业,可实现生产的低碳环保与节能减排。董召勤等[34]研究了在具有不同碳原子数的1-烷基-3-甲基咪唑溴离子液体存在下的碱水解(即CnMImBr(n=8, 12, 14, 16)),并将它们与十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)进行了比较。该研究发现,碳链较长的CnMImBr可以作为新型促进剂,这是因为聚酯对碳链较长的离子表面活性剂或阳离子表面活性剂的吸附能力较高。刘褔胜等[35]以离子液体1-正丁基-3-甲基咪唑氯盐为溶剂,酸性功能化离子液体1-甲基-3-(3-磺丙基)-咪唑硫酸氢盐作为催化剂,研究了PET的水解,发现在170 ℃条件下,4.5 h后涤纶就会完全降解。Musale等[36]将离子液体[BMIM]Cl分别添加到NaOH水溶液和NaOH甲醇溶液处理PET织物,对比发现[BMIM]Cl在NaOH甲醇溶液中的减量率更高。曹机良等[37]研究了离子液体和烷基咪唑双子离子液体作为涤纶织物碱减重催化剂,并将其分别与CTAB和1227进行了比较,发现离子液体和烷基咪唑双子离子液体均可用于碱减量且减量效果更好,由于反应的不可逆性,必须控制碱水解的速度,否则强力损伤过于严重,最佳减量率在24%左右。
尽管离子液体有着如此多的优势,但其某些特性仍存在许多问题,阻碍了其在工业规模上的发展。离子液体的主要局限性是:a)高成本:高成本这无疑是最具限制性的因素之一。当前与普通有机溶剂相比,离子液体的价格很高,即使是工业化生产也是如此。离子液体的高成本不仅取决于原材料的价格,尤其取决于其制造工艺的复杂性以及所需的质量。b)高粘度:高粘度大多数离子液体的粘度与油相当,比典型的有机溶剂大几个数量级。这种高粘度在许多工业应用中是一个主要缺点,主要依赖于传质和混合。c)毒性和生物降解性问题:离子液体通常被认为是绿色溶剂,由于其挥发性可以忽略不计,不可燃性和可回收利用,产品收率高。此外,对离子液体在自然环境中的毒性、生物降解性和流动性研究较少。
2.5 其他添加剂
在碱减量处理浴中加入其他添加剂,降低碱用量,促进涤纶在处理浴中水解,以达到节约能源,保护环境的目的。曹机良等[38]在涤纶碱减量处理浴中添加苯甲醇,发现可降低碱用量,同时相对较低的温度条件下进行碱减量处理,但是促进剂合成较为复杂,成本较高。吕名秀等[39]通过探究苯甲醇和氯化钠对涤/粘交织物碱减量的影响,发现在苯甲醇加入的条件下,加入氯化钠可以有效提高减量率,降低碱用量,氯化钠的加入可以促进涤纶水解,在一定程度内氯化钠质量浓度越大越有利于水解反应的进行。但是缺点是需要加入较多的苯甲醇,苯甲醇易燃易爆且有毒,对于废水的排放问题难以解决。
此外,酯胺交换反应也应用于涤纶的表面功能化,氨解可以在不影响聚合物本体性能的情况下改善聚合物表面,提高亲水性和生物相容性。胺类化合物攻击聚酯主链,破坏聚合物链,一端产生酰胺基,另一端产生羟基[40]。涤纶的氨解反应机理[41]以及氨基分子与涤纶反应如图9、图10所示。氨解在涤纶织物上的有效作用,该织物具有更好的润湿性、舒适性、手感和染色性能。聚酯的氨解可以通过胺的官能度和分子大小在速率、阳离子密度和渗透深度上进行控制,特别是控制胺分子在聚合物中的扩散[41-43]。乙二胺(EDA)和三氨基三乙胺(TAEA)等小分子胺可以很容易地进入聚合物的酯键,因此氨解反应将发生得更快。不同种类的胺的氨解途径的不同在于胺的分子复杂性和结构以及在溶液中可能发生的副反应。此外,空间位阻也可能对反应的动力学有很大的影响。例如,用EDA、三乙烯四胺(TETA)和四乙烯五胺(TEPA)对聚对苯二甲酸乙二醇酯的表面进行化学修饰,不同的处理时间产生不同的特征。当TETA在表面附近反应并产生表面裂纹而不分层时,EDA的酰胺化程度最高。此外,TEPA是最温和的反应物,在样品表面产生了酰胺基团,没有明显的变质。这三种胺的反应活性不同,生成了不同链长的聚酯。EDA在涤纶织物上的氨解通过研究发现,随着反应时间的延长,PET表面的氨基密度增加,但是对纤维的损伤过大,周建风等[44-45]使用乙二胺进行胺解,可以在聚酯纤维表面形成胺和羧酸官能团,显著提高了涤纶织物的亲水性,力学性能保持良好,改善了EDA对织物的损伤过大的问题,反应机理如图11所示。
使用生物酶进行处理[46-48],是一种相对较新的,有趣且环保的替代方案,为获得更好的整理效果提供了可能性。但存在如下不足:a)对涤纶织物的处理效率过低。b)涉及使用复杂的生物催化剂,限制了其应用。c)需要添加缓冲物质,并沿解聚向反应混合物重新加酶。d)生物酶对处理条件要求较高,易失活,且处理时间长,不易产业化。
上述方法中实际应用有限,且经常伴随着PET手感硬化或生产成本增加的问题。因此,对能够更容易、更有效地应用于涤纶纤维的后整理技术有很大的需求。卵磷脂是一种磷脂,由于卵磷脂对纺织纤维具有亲和力的化学结构,具有能够形成脂质体的特性[49]。脂质体形式的卵磷脂技术被用来改善纺织品的染整性能和减少废水污染[33, 50-51]。脂质体被定义为具有由包裹一定体积的脂泡双层组成的结构。这些结构通常由磷脂酰胆碱(PC)组成,其亲水部分由磷酸盐和胆碱基团组成,疏水部分由两个长度不等的碳氢链组成[52-53]。El-zawahry等[54]以大豆卵磷脂和硬脂酸为原料,分别以制备了3种阳离子脂质体,作为促进剂对涤纶织物进行碱减量,并从化学相互作用方面证实了,处理后的涤纶织物亲水性和可染性等表面性能发生改善。由于制备工艺复杂,难以产业化推广。故目前使用结合促进剂对涤纶进行碱减量处理是如今工业化大生产的主流,且可一定程度上减少污水排放。
3 促进剂的作用机制
近年来,人们对涤纶的碱性条件下水解机理已经进行了充分研究,但是对于以季铵盐阳离子表面活性剂为主的促进剂作用机制却鲜有报道。促进剂作用机制如下,主要过程分为3个阶段:
a)离子交换:加入织物之前,处理浴中液相的季铵盐阳离子表面活性剂在碱性条件下,卤素离子X-会与OH-发生交换,呈现动态平衡的过程。
b)相轉变过程:加入织物后,加热处理过程中,涤纶大分子中羰基极性导致羰基氧原子上的电子云密度升高而带部分负电,带正电的季铵离子能够快速吸附到纤维表面。由于季铵碱中季铵离子通过离子键可以快速将氢氧根离子带入到酯键反应区域附近,增加了羟基负离子进攻纤维的能力,如图12(a)所示。
c)酯基水解:与纤维结合的氢氧根离子,受到季铵离子的电荷约束,在一定范围内不断地振动,削弱了水化作用,氢键减少,使着氢氧根离子有着较高的化学活泼性,此时空间中若存在酯基,氢氧根离子转移到羰基碳原子上,发生亲核反应,生成具有较大张力的正四面体结构中间。在水的作用下,发生酯基断裂,从而完成水解反应。反应过程如图12(b)所示。
4 结 语
碱减量是改善涤纶织物服用性能的关键工艺,而碱减量促进剂是碱减量工艺中的关键助剂,它可以提高碱减量效率,减小织物在强碱中的损伤。然而随着涤纶织物的应用场景更加多样化,对于碱减量促进剂的要求会越来越高,传统的碱减量促进剂已经不能满足需求。
因此,碱减量促进剂的开发可从下列角度出发:
a) 在有效减小液碱用量的同时,且保留液碱处理的最佳条件下合成新型促进剂,增加织物的功能性,如明胶蛋白试剂在提高服用性能的情况下还可起到一定的纤维修复作用。
b) 通过增加促进剂之间的复配研究,探究其作用机制,得到节省成本以及效果最佳的处理配方。
c) 碱减量技术的发展也可以运用到涤纶织物的碱减量染色一浴体系之中,在省去还原清洗步骤的同时还可以减少能源消耗,更加环保高效。
d) 运用促进剂降低碱减量处理中的碱浓度,给一些耐碱分散染料的pH适用范围提供更多的可能,为碱性染色技术提供更多发展空间。
基于节能减排的目的,本文对碱减量促进剂的发展方向提出以上展望,为推动涤纶织物碱减量技术的产业化和纺织印染行业的可持续发展提供借鉴。
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Research progress on alkali deweightingpromoter for polyester fabrics
CHEN Linguo ZHANG Hongjuan DING Lei PEI Liujun WANG Jipinga,b
Abstract: Polyester fiber is currently the most widely used synthetic fiber. However, its poor moisture absorption, susceptibility to static electricity, and other issues have hindered its market prospects as a high-end textile material. Alkali reduction treatment can improve the inherent defects of polyester fiber, resulting in a soft and smooth texture, a pleasant sheen, good drapability, water retention, and other advantages. Meanwhile, this treatment makes it has the characteristics of imitated silk. Nevertheless, the traditional alkali reduction process for polyester involves excessive use of alkali, making it difficult to process. Finally, it requires a large amount of acid to neutralize. As a result, there are many problems, such as high energy consumption, serious environmental pollution, and serious damage to the fabric. Additionally, the liquid alkali is also a dangerous chemical, so safety problems should be considered. All these problems seriously restrict the sustainable development of the polyester textile industry. Therefore, reducing the amount of liquid alkali with promoters is currently the most convenient, environmentally friendly, and easily implementable improvement method in the alkali reduction technology.
Currently, promoters are widely used to improve alkali utilization, reduce the environmental hazards of excessive alkali, and impart exceptional performance to fabrics. Promoters can be roughly categorized into quaternary ammonium salts, gelatin protein promoters, cationic polymers, ionic liquids, amines, alcohols, and others.Among them, quaternary ammonium salts are widely used. In terms of effectiveness, most promoters can accelerate the hydrolysis of polyester and reduce the amount of alkali required. And different promoters have different promotion mechanisms. Quaternary ammonium cationic surfactants mainly utilize positively charged quaternary ammonium ions to attack the carbonyl carbon atoms by carrying the hydroxide ions, further promoting the rapid hydrolysis of ester bonds in polyester macromolecules. Gelatin has certain surface activity, infiltration, and colloidal protection. In the process of alkali reduction, gelatin can play a role in swelling fiber and reducing surface tension. Some new alkali reduction promoters are mainly cationic polymers. They mainly adsorb more hydroxide ions through water-soluble quaternary ammonium cation groups, so as to achieve the purpose of promoting the hydrolysis of polyester. Ionic liquid is a kind of compound ionic surfactant and it can completely ionize in water. The cationic part of the ionic liquid has a long carbon chain and strong adsorption capacity for polyester. Its mechanism is similar with quaternary ammonium salts. There are some other additives that can also promote polyester hydrolysis. For example, ammonia mainly generates an amide group at one end and a hydroxyl group at the other end to destroy the polymer chain through the diffusion of amine molecules in the polymer. Alcohol can realize the purpose of surface functionalization of polyester through the exchange reaction of ester and amine.
The traditional alkali reduction treatment of polyester fiber has the following problems, such as high concentration of liquid alkali,great difficulty in processing, serious environmental pollution, and high energy consumption. All these problems seriously restrict the sustainable development of the polyester textile industry. The addition of promoters is an effective way to improve the utilization rate of alkali. The promoter can transfer and enrich the OH- in the solution on the fiber surface, and OH- is more likely to attack the carbon atoms in the carbonyl group with partial positive charge in the polyester molecule. As a result, the hydrolysis reaction of the polyester molecule becomes easy. Therefore, how to effectively use promoters to reduce the amount of liquid alkali has become a research hotspot to promote the sustainable development of polyester textiles.
The development of alkali reduction promoters can be started from the following perspectives: first of all, the new promoter is synthesized to increase the function of the fabric while effectively reducing the amount of liquid alkali and retaining the advantages of liquid alkali treatment. For example, the use of gelatin protein reagents can also play a certain role in fiber repair while improving the performance of fibers. By increasing the study of the combination of accelerators to explore the mechanism, the cost saving treatment formula with the best effect was obtained. The development of alkali reduction technology can also be applied to the alkali reduction dyeing one-bath system of polyester fabrics, which can reduce energy consumption and be more environmentally friendly and efficient. The use of promoters to reduce the alkali concentration provides more possibilities for the pH application range of some alkali-resistant disperse dyes, and development space for alkaline dyeing technology. This provides reference for promoting the industrialization development of polyester fabric alkali reduction technology and realizing the sustainable development of the textile printing and dyeing industry.
Keywords: polyester; alkali reduction; promoter; ecological dyeing and finishing; promotion mechanism
收稿日期:20230516 網络出版日期:20230607
基金项目:上海市青年科技英才扬帆计划项目(21YF1416000);国家自然科学基金青年项目(22108169);新疆生产建设兵团科技局重大项目(2019A0001)
作者简介:陈麟国(1996—),男,安徽蚌埠人,硕士研究生,主要从事纺织品前处理及应用性能方面的研究。
通信作者:张红娟,E-mail:hjz@sues.edu.cn