1970年代中东石油危机后,世界能源非常紧张。由于印染行业中前处理工序的能源消耗在总能耗中占较大比例,促使西方国家印染工作者致力于研究高效低耗的短流程前处理工艺。与此同时,随着精细化工和电子技术的发展,开发了各种高效前处理助剂和精密自动测控仪器,更为合理缩减或合并前处理工序提供了可能性。自此,印染行业短流程前处理工艺得到迅速发展。但直至1980年代中期,我国才开始对短流程前处理工艺进行研发。1990年代初期,国内各印染企业开始推广短流程前处理工艺,特别重视高效稳定剂和精练剂的选用,对单元设备进行合理组合,并重视强化水洗等关键工序。1990年代中期,不少企业已广泛采用短流程前处理汽蒸和冷轧堆工艺,并提出了冷轧堆工艺轧卷堆后加强热碱处理的新理论。
冷轧堆工艺可分为轧卷堆、热碱处理、高效水洗三个相互紧密衔接的阶段。第一阶段主要是使杂质溶胀及对织物进行氧化漂白;第二阶段主要是对氧化产物的化学降解,加速碱水解、皂化反应及棉蜡的乳化、分散和增溶等物理化学反应;第三阶段是将已降解、皂化、碱水解、乳化的杂质,用大量流动水冲洗干净。在退浆工段,冷轧堆在过去被认为最难处理的纯棉厚重紧密织物上也获得了成功。近年来,短流程前处理工艺已广泛应用于各类织物,与之配套的助剂和设备有了较大进展,产品质量也有了进~步提高。在该工艺基础上,又开发了酶氧工艺和无碱工艺等环保型工艺。
1.7.1 工艺种类和工艺务件选择
(1)短流程前处理工艺的种类
传统前处理工序分为退浆、煮练和漂白三步,短流程前处理工艺就是将这三步合并为二步或一步,其工艺种类较多,按工序合并方式不同可分为以下两类:
①二步法工艺
织物先经退浆,再经碱氧一浴煮漂的二步法工艺。由于碱氧一浴中碱浓度较高,易使双氧水分解,需选择优异的氧漂稳定剂。此工艺的关键是退浆及随后的洗涤必须充分,以最大程度地去除浆料和部分杂质,减轻煮漂工序的压力,并使双氧水稳定分解。此工艺适用于含浆较重的纯棉厚重紧密织物。
织物先经退煮一浴,再经常规漂白的二步法工艺。由于漂白为常规传统工艺,因而对于稳定剂的要求不高,一般稳定剂都可使用。此工艺碱浓度较低,双氧水分解速率相对较慢,对纤维损伤较小,工艺安全系数较高,但浆料在强碱浴中不易洗净,从而会影响退煮效果。为此,退煮后必须强化水洗。该工艺适用于浆料不重的纯棉中薄织物及涤棉混纺织物。
②一步法工艺
退煮漂一浴汽蒸法工艺。在浓碱度和高温条件下,双氧水会快速分解而加重织物损伤。若要改善此问题,则需降低烧碱和双氧水浓度,并加入性能优良的耐碱稳定剂,但又会降低退煮效果,尤其对重浆和含杂量大的纯棉厚重织物有一定难度,故此工艺适用于涤棉混纺织物和轻浆的中薄织物。纯棉厚重织物则可根据实际情况,采用一步半汽蒸工艺,即烧毛后轧退浆液(氧化剂退浆)→卷装堆放3—4 h→高效水洗→轧碱氧液→履带箱100℃汽蒸1 h→高效水洗。
冷轧堆一步法工艺。这是在室温条件下的碱氧一浴法工艺,由于温度较低,尽管碱浓度较高,但双氧水的反应速率仍然很慢,故需高浓度的化学品和长时间的堆置才能使反应进行充分,从而达到半制品的质量要求。冷堆法同样需要工作液的充分渗透(高给液)。由于作用温和,对纤维的损伤较小,因而此工艺可广泛运用于各种棉织物,其碱氧用量要比汽蒸工艺高出50%~100%。欲取得好的效果,其关键在于热碱处理和水洗。由于浆料、果胶质经氧化裂解后,在碱液中的溶解能力提高,并促进杂质的碱水解及皂化、乳化反应的进一步进行,若冷堆后立即用大量热水冲洗,上述反应不充分,反而不利于浆料、果胶质及棉蜡的去除。
(2)工艺条件选择原则
短流程前处理工艺是将练漂工序从三步改为二步或一步,原三步所要去除的浆料、果胶质、棉蜡等杂质,要集中在一步或二步中去除,这就必然要增加烧碱和双氧水的用量。与常规氧漂液浓度相比,其碱浓度要提高100倍以上;双氧水用量常规氧漂为4~6 g/L,短流程工艺为10—18 g/L;另外还需添加各种高效助剂,以加速各类反应。因此,对短流程工艺条件的要求非常严格。关于短流程工艺条件的制定,总的原则是要选择一个适宜的反应速率,使各类去杂反应在加工时间内基本完成,并使两类反应能保持平衡,即一方面要完成漂白去杂反应,同时又要避免纤维的氧化反应过剧。影响反应速率的因素很多,主要有温度、时间、pH值和烧碱、双氧水和稳定剂等的用量。因此,工艺条件要按坯布的类型及规格、纤维原料的品种、加工要求、设备条件和水质等因素来确定。
1.7.2短流程前处理工艺的关键点
(1)短流程前处理工艺是前处理工序的发展方向,但它不能完全取代传统工艺,必须根据织物的品种特点、客户要求以及最终用途,并结合织物组织规格和纤维原料的实际质量,因地因品种制定适宜的短流程前处理工艺。
(2)严格掌握双氧水漂白的工艺条件。加工时要控制好双氧水的反应速率,使杂质的去除程度达到半制品质量指标,同时纤维素的损伤也力求最小。因此,必须合理选择工艺配方,正确制定工艺条件,掌握好烧碱、双氧水和各种助剂的用量,并制定合理的工艺参数。
(3)工艺中的注意事项
①采用高给液设备
无论是汽蒸法还是冷堆工艺,要采用高给液设备,使处理的织物有较高的带液量(轧余率),这是短流程前处理工艺取得较好效果的关键。由于生坯棉织物具有拒水性,在工作液中还需适量添加耐碱、稳定性好的渗透剂。同时,依靠机械的浸轧作用来排除织物内部空气,使织物内外产生压力差,帮助工作液快速渗透到织物纤维内部。为保证打卷时织物的带液量、张力和线速度的前后一致,应采用中心辊主动驱动的中卷方式(中心传动),而不能采用被动的打卷方式。
②碱氧工作液温度
浸轧碱氧工作液时,始液温度不能高于布面温度,以室温为宜,这是一个很容易被忽视的关键问题。若液温高于布温,则当织物浸入工作液中时,织物内空隙中所含空气将受热膨胀而阻碍工作液渗入。另外,始液温度低还可防止双氧水的分解。
③堆置温度
采用冷轧堆工艺时,打卷后的堆置温度是保持室温还是提高至40~60℃,需根据实践而定。由于织物吸附碱和双氧水时是放热反应,一般冷堆时织物温度保持在30℃左右;若采用加热温堆工艺,可加快化学反应速率,缩短堆置时间,但其关键点是要保持温度的恒定,否则在无自动测控温度的设备上,很易造成布卷内外及布卷各片段问的效果不一致,同时也会增加能耗和双氧水分解速率,降低双氧水的利用率,所以堆置温度必须认真控制。
④不断优化工艺条件
由于短流程工艺碱氧耗量较大,而浓度变化范围较小,如碱量不足将影响毛效,碱量过高则影响白度,甚至使织物强力下降。可采用中心旋转法以优化工艺,它能从最少的试验中得到最大量的信息,根据回归方程的预测值,用计算机绘制二维恒值图,从而直接找出最优化区域,但使用的试验仪器和条件必须对所有试验都保持一致。
⑤强化水洗
冷堆工艺中,在冷堆后首先必须经102℃的高温热碱处理,随后经高效强化水洗,可选用高温低水位蛇行逐格倒流的高效水洗设备。
1.7.3常见疵病成因及克服办法
(1)强力下降
产生原因①碱浓过高,碱氧用量比例不当,工艺条件未掌握好,导致两类反应失去平衡;②稳定剂不符要求、失效或用量不足;③使用过热蒸汽时未给湿,汽蒸时间过长;④发生故障,停机时间过长。
克服办法①采用中心旋转法优化工艺,根据品种特点、客户要求和原料质量等制定合理工艺,并严格掌握工艺条件,及时检查和纠正;②使用优质混合型(吸附型+络合型)稳定剂;③如采用过热蒸汽,必须给湿后进行;④若中途停车过久,应及时用水冲洗。
(2)破洞
产生原因①工作液中含有重金属离子,水质中铁离子含量超标(<0.2 mg/L);②反应过程中织物与铁质接触,或织物上有铁锈渍;③水管中残存脱落的铁屑,特别是在停工一段时间后;④采用的稳定剂不符合要求或失效。
克服办法①若发现坯布上有锈渍,用草酸洗净;②定期化验水质,如金属离子超标,则更换水源;③开车时要放去水管内存水,喷射口要包扎纱布;④采用合适的混合型稳定剂,化学品要过滤后才可使用。
(3)毛效不高
产生原因①碱氧用量比例不当,工艺条件掌握不好;②冷堆后未经高温热碱处理,水洗温度不符合要求,水洗不充分;③浸轧工作液时液温高于布温;④轧液上卷时带液量不高,并采用被动打卷。
克服办法①制定合理工艺,浆料、果胶质和棉蜡等杂质必须去净;②冷堆后首先必须经高温热碱处理,然后再经高效水洗;③浸轧工作液的温度必须低于布温;④提高带液量,采用中心辊主动驱动的打卷方法。
(4)白度不足和不匀
产生原因①双氧水浓度过低,汽蒸时间不足,碱氧用量比例不当,工艺条件未掌握好,导致两类反应失去平衡;②加液和轧液不匀;③采用被动打卷方式,打卷后又采用加温堆置,前后温度不一致,导致布卷内外及各片段间效果不一致。
克服办法①制定合理工艺,及时调整碱氧浓度,严格掌握工艺条件,按时检查,及时纠正;②检查轧辊和加液方式,保证轧辊压力和加液左右均匀一致;③采用中心辊主动驱动的打卷方式,如加温堆置,则必须保证前后温度一致;④强化水洗。
(5)手感粗糙
产生原因采用水玻璃为稳定剂,沉积在织物上的硅酸盐未洗净。
克服办法①采用非硅稳定剂;②漂后用2~3 g/L纯碱和净洗剂高温水洗。
(6)皱条及横向压皱印
产生原因①打卷时操作不当,布卷不齐导致边皱;②浆料未退净,预热时温度未达到工艺要求,加工导布辊不平整,并沾有纱头、污物等;③预热时蒸汽管直接喷向布面,蒸汽过大,带液量不高,蒸箱内堆布过厚,蒸箱底下水位过低。
1.7.4酶氧无碱新工艺
为减轻前处理工艺对环境的污染,国内外都在研发生物酶工艺,以替代传统的烧碱工艺和短流程碱氧工艺。由于生物酶制剂具有特有的专一性、高效性、反应条件低、可自然降解、水耗少、易洗净、去杂好、环保无害、耗能少、流程短和质量好等诸多优点,已成为印染前处理工艺的发展方向。
目前已开发用于前处理的生物酶品种有淀粉酶、果胶酶、纤维素酶、脂肪酶、蛋白酶、过氧化氢酶和葡萄糖氧化酶等,在江苏、浙江、上海、山东、河北、陕西、广东、湖北等省市的机织、针织印染行业中都有应用报道,并取得了较好效果。
(1)江苏某印染厂采用轧酶冷堆(退煮~浴),然后进行常规氧漂,效果较好。
工艺流程轧酶冷堆(IAO淀粉酶3 g/L、果胶酶3 g/L、纤维酶1g/L、渗透剂8 g/L、精练剂WZ-1 8 g/L,温度50℃、pH值7—8、室温堆置16 h)→水洗→烘干→常规氧漂(100%H2O26g/L、水玻璃7 g/L、渗透剂8 g/L、精练剂WZ-1 4 g/L,100℃汽蒸1 h、pH值10~11、轧余率100%)。
笔者认为,该工艺对纤维强力损伤较小处理效果基本达到传统工艺水平,特别适合含浆量较低的纯棉轻薄织物。但由于堆置时间较长,成本较高,氧漂时设定的pH值(10—11)稍高(最佳值10.5—10.8),会使双氧水提前加速分解,可作进一步改进。
(2)江苏某印染厂采用先酶退浆后酶精练氧漂工艺,练漂效果好。
工艺流程 轧酶退浆(L40淀粉酶1 g/L、渗透剂8022 g/L、精练剂WZ-1 2 g/L,90℃汽蒸1 h、pH值7~8)→水洗→烘于→酶精练(果胶酶0.5 g/L、纤维素酶0.5 g/L、渗透剂8022g/L,温度70℃、pH值8~9、室温堆置4 h)→水洗→烘干→常规氧漂(100%H202 6 g/L、水玻璃3 g/L、渗透剂802 2 g/L,100℃汽蒸l h、pH值10~11)→热水洗(95℃)→烘干
上述工艺堆置时间短,处理时间比冷堆法缩短10 h以上,成本较低(酶的用量少),退浆效果好,特别是废水污染程度大大降低,其COD值比传统工艺降低10倍以上,特适合含浆重的高支高密厚重纯棉织物的练漂,值得推广。工艺中某些参数还有待优化,如轧酶(纤维素酶、果胶酶)温度为70℃,而据文献资料,纤维素酶的最适温度为40~60℃,如温度升高10℃,其反应速率将增加1~2倍,但会影响纤维强力。氧漂时pH值定为lO~11,而其最佳pH值为10.5~10.8。
(3)生物酶前处理工艺在各种纤维上的应用
①彩棉织物
江苏某印染厂、北京纺研所等单位在彩棉织物的前处理工艺中应用生物酶处理。彩棉织物无需漂白、染色,但需通过染整加工去除杂质、茸毛,并解决其手感粗糙、不吸水和服用性能差等问题。彩棉不耐碱,经碱处理后,变色严重,天然色泽受到影响,故不宜采用传统的退浆、漂白、丝光工艺,而应采用酶处理工艺。通过高温酶退浆、水洗,剥除纤维表面的覆盖层,使天然彩棉充分显色,并保持良好的色牢度,同时起到去毛、除杂、柔软和增深色泽的作用。彩棉中的杂质主要为果胶质、蜡质、蛋白质和灰分等,分布在初生胞壁中,易产生折印堆置横档,故车速要慢,生产时不能停车,水洗必须充分。其工艺流程为:浸轧酶液(苏宏2000L 3 g/L,渗透剂JFC 5 g/L)→汽蒸2 min→水洗(热洗)→烘干→柔软处理。经高温酶处理后毛效有所提高(5 cm/30 min),但仍不理想。笔者认为,上述工艺可增加一道复合酶(果胶酶、脂肪酶)处理,以提高毛效,增加吸水性。
②牛奶蛋白纤维织物
山东某印染厂在牛奶蛋白纤维织物上采用生物酶工艺,获得较好效果。由于牛奶蛋白纤维为多肽结构,不耐烧碱,易泛黄,故采用酶退浆和弱碱条件下的氧漂工艺。其流程为:轧酶液(BF 7658 3 g/L、NaCI 9—12g/L、渗透剂2~3 g/L,轧酶温度55~65℃,轧余率110%~130%,pH值6~7,保温保湿)→松堆4—5 h→水洗(90℃以上)→烘干→弱碱氧漂(100%H202 10g/L,纯碱10g/L,精练剂12 g/L,稳定剂6 g/L,渗透剂1 g/L,80℃汽蒸30 min)。
③锦棉交织物
江苏某针织集团在锦棉交织物上采用精练酶煮漂一浴工艺,取得较好效果,其工艺流程为:浸轧酶液(精练酶4%,50%H202 4%~6%,浴比l:10,95℃×40 min)→水洗→中和去氧水洗。
该工艺助剂用量少,工艺流程短,pH值8.5—9.5,不用NaOH,能最大限度保持锦纶原有特性,对棉纤维有持久的柔软作用,可大幅度减少COD、污水处理费用,降低成本,但对棉纤维的去杂不理想,应增加高效精练助剂。
④亚麻/棉混纺织物
常州出入境检验检疫局与某印染厂合作,对亚麻/棉混纺织物进行生物酶前处理加工,以替代传统的碱退浆煮练工艺。该工艺取消了氯漂工序,降低了废水中的COD值色度,减少了对纤维的损伤,避免了氯漂对环境的污染,实现了亚麻/棉混纺织物前处理的清洁生产。处理后织物的白度、润湿性、布面麻皮的去除和强力损失完全达到传统工艺水平,并缩短了流程。为去除麻皮,再在氧漂前增加一道含螫合剂EDTA与强氧化剂亚硫酸钾的处理,以加强对麻皮和杂质的去除(过硫酸钾不能与双氧水同浴处理亚麻/棉织物)。其工艺流程为:酶退浆(淀粉酶L-2000 3 g/L,带液量100%,90℃汽蒸60 min)→酶精练(果胶酶L-30000.4 g/L、木聚糖酶0.6 g/L、酸性纤维酶0.4 g/L、漆酶2 g/L、TX-10 5g/L、尿素10 g/L,50℃汽蒸90 min)→漂前处理(EDTA5 g/L、过硫酸钾2 g/L、TX-10 5 g/L、尿素10g/L,98℃汽蒸60 win)→氧漂(30%H2O2 30 g/L、水玻璃15g/L、TX-10 5 g/L、尿素10g/L,pH值lO.5—1l,98℃汽蒸60 min)。
1.8丝光轧-烘工序
丝光是将棉麻及其混纺织物在经纬方向施加一定的张力,并浸轧浓碱的加工工序,以期改善纤维性能。市场上要求纯棉织物的经纬向具有优良尺寸稳定性,得色丰满均匀,坯布长度利用率较高,以减少坯布原料成本的损耗。要达到上述要求,必须重视丝光工序。
丝光前后都需进行轧水烘燥,以适应后道工序的加工需要。如采用湿布丝光,则可免去丝光前的烘燥,但必须经过重型轧车轧去水分。一般烘燥前的轧余率要求在75%以下,重型轧车要求在60%以下,烘干后棉布含潮率要求在6%~7%。
1.8.1丝光原理
棉纤维在浓碱作用下发生膨化生成碱纤维,经水洗去碱后,称为丝光纤维素。丝光后棉纤维的物理结构发生了变化,主要是结晶度降低(未丝光的纤维素晶区占70%左右,丝光后其晶区只占50%~60%),无定形区增加,这也是丝光纤维比未丝光纤维染色得色深的原因。在浓碱液中,钠离子和氢氧根离子不仅能进入纤维的无定形区和品区,而且由于钠离子吸收水分子的能力很强,其还能把水分子带入。因此,分子间的空隙被膨化,纤维胞壁膨胀,使纤维变得更为圆润,能更好地反射光线,从而增加光泽。又因纤维被充分膨化,使纤维相互紧贴,减少了纱线的滑移,张力的存在使纤维排列整齐,增加了纤维分子间相互作用的活动力,从而提高了织物强力,并拆散了原来纤维分子键问的作用力。在张力存在下,原来弯曲的纤维分子键变得比较挺直,经水洗烘干后,分子键结合得更为牢固,故具有定形作用,既提高织物稳定性,又降低缩水率。
1.8.2影响丝光效果的因素
影响丝光效果的因素很多,主要为烧碱浓度、温度、作用时间、丝光时的张力和丝光后的去碱等。
(1)烧碱浓度
烧碱浓度是影响丝光效果的主要因素。试验发现,碱浓度105 g/L以下时,无丝光作用,必须在177g/L以上时,才真正起丝光作用。当碱浓度达240~280g/L时,纤维收缩膨胀才趋稳定,再提高浓度,丝光效果无明显改善。另外,由于空气中CO2的作用,碱液中含有一定量的纯碱。由于碱液不断地循环使用,织物上未去净的浆料、半纤维素等杂质也都会溶解于碱液中,因此,碱液黏度增高,对织物的渗透性变差,影响纤维膨化,造成丝光效果下降。所以加工时应尽量保持碱液的清洁。
(2)碱液温度
烧碱对纤维素作用时会放热,故丝光时碱温高于室温,在温度较高的情况下,碱纤维素分子水解反应速率的增加,要大于碱纤维素形成速率的增加,故温度升高对丝光不利;但温度过低对渗透不利,会导致表面丝光。从实践看,还是以低温较为有利。据资料介绍,在碱浓度15%一25%的条件下,室温丝光就已能满足工艺要求。近年来,有研究向碱液中添加耐浓碱的渗透剂和采用高温丝光,即织物先经60℃以上的浓碱浸渍,然后再在常温的浓碱中浸渍的热冷两步丝光工艺(此工艺还有待于实践)。
(3)浸碱时间
要使烧碱能迅速充分渗透入棉纤维中,并与纤维发生丝光作用,需要有一定时问,该时间与碱浓也有一定关系。根据实践,丝光碱浓度和浸碱时间在一定条件下与光泽度成正比,而丝光温度却与光泽度成反比。所以,当碱浓度较低时,应适当延长浸碱时间,以提高丝光效果。在实际生产中,丝光的浸碱时间(从浸碱到冲洗)一般不低于50s,具体可根据织物品种而定,如厚重织物的浸碱时问可适当延长。
(4)张力
用浓碱处理织物时会产生收缩现象,并影响光泽,所以织物浸轧浓碱后必须施加张力,以防止收缩,并获得良好的光泽。一般情况下,张力大小与光泽度成正比,而与纤维的染色性能成反比。这可从丝光钡值看出,张力大钡值小,反之亦然。因此,要想获得较好的光泽和染色性能,需适当控制张力。
关于丝光时对织物施加的张力与光泽和缩水率的关系,必须注意下列六个方面:
①施加的张力以能使织物回复到原有长度和幅宽,获得最好的光泽为宜,再加大张力也不会再增加光泽。②在张力下,浸轧碱液和水洗所获得的光泽,与松堆丝光后再在张力下水洗所获得的光泽相同,但后者张力需较大。③浸碱后先松弛水洗再拉伸,则光泽大大降低,且所需张力更大。④丝光时纬向张力与纬向缩水率成反比,扩幅时的张力对降低纬向缩水率起着决定性作用。实际生产中,不同规格的织物,其经纬向缩水率是不同的。一般经密较高织物(如府绸、卡其等)的经向缩水率大大超过纬向缩水率,而薄织物(如平布等)的纬向缩水率则大于经向缩水率。⑤降低整个印染工序中特别是丝光后工序中的伸长,可降低经向缩水率,所以,丝光时经向张力(两台浸轧机之间的张力)的大小,对降低经向缩水率起着重要作用。但丝光时如经向张力过大,会影响纬向张力而导致扩幅困难。⑥为平衡和降低纬向缩水率,对经向缩水率大的品种丝光时,应首先考虑经向张力;对纬向缩水率大的品种丝光时,要尽可能加大扩幅张力,必要时可适当放松经向张力,以利于纬向扩幅。一般可扩幅至坯布幅宽,甚至可略高于坯布幅宽。若扩至坯布幅宽,造成纬向负缩水率,则可适当降低扩幅宽度,以丝光落布达到成品幅宽为度。
(5)去碱
丝光后把碱去净,对降低纬向缩水率和定形十分重要。织物在离开布铗、放松纬向张力后,如织物上还含有>6%烧碱,织物会收缩,不仅影响光泽,且影响织物门幅,故必须把织物上的烧碱去除干净。目前,布铗丝光机的去碱分三步进行。第一步在织物进入稳定区(布铗)前先用热淡碱(80g/L)浸轧预洗,这对降低织物上的含碱量很有效,且对织物的扩幅有利,但必须控制织物含碱量在10%一15%,以保证碱纤维素的生成。第二步是织物进入稳定区后,在纬向张力下采用冲吸装置用40—50g/L的淡碱把碱洗F来,并生成碱纤维素,温度在70℃以上。第三步出布铗后,纬向张力放松,进入直辊洗碱槽(由于织物上还有余碱,进入直辊槽可保证织物经纬向不收缩)和一组去碱蒸箱、二格平洗槽,在高温下将织物上的余碱洗净。
(6)纤维质量
纤维质量的好坏对丝光效果的影响也很大,如纤维成熟度高,纤维素含量亦高,丝光时易膨胀,不仅光泽好,其反应性能也较高;而成熟度低的纤维,纤维素含量亦低,则丝光时膨化差,不仅光泽差,其反应性能也低。 (未完待续)
来源: 印染在线 作者:徐谷仓(中国纺织工程学会染整专业委员会)
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