一种用超临界二氧化碳流体对织物染色的装置及方法 |
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| 申请号 | CN201010159727.6 | 申请日 | 2010-04-29 | 公开(公告)号 | CN101824716B | 公开(公告)日 | 2012-04-25 |
| 申请人 | 苏州大学; | 发明人 | 龙家杰; 马跃起; 赵建平; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种提高超临界二 氧 化 碳 流体 中织物匀染性的方法及其装置。它是采用由内外两层构成的特制无缝经轴，并在卷绕织物最外层套装无缝编织圆筒网状包布，以及合理控制流体循环与静止 染色 时间比等工艺参数，以实现对超临界二氧化碳流体中匹染织物的均匀染色加工。该方法由于采用了结构合理的经轴模式、织物卷装形式及工艺条件，因而可使含溶解染料的 超临界流体 均匀穿透卷绕织物，减少了循环过程中流体流动时压 力 的非均匀损失、流体路径的突然改变，以及流体循环的不均匀性，提高了匹染织物的匀染效果。本发明的技术方法具有设备及工艺简单，操作方便，高效和节能减排的优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用超临界二氧化碳流体对织物染色的装置，它包括染色釜，釜中安装染色经轴，其特征在于：所述的染色经轴包括经轴外层(25)、经轴内层(27)和经轴固定密封头；所述经轴外层(25)为空心的无缝轴，其轴身布满50～1000目的微孔，所述经轴内层(27)为空心轴，轴身布满直径为2～10mm的圆孔，各孔的间距为4～5mm；经轴外层与经轴内层同轴安装，它们的上、下端分别固定于上密封头(24)和下密封头(28)上，经轴内层和经轴外层间形成缓冲空腔(26)；所述的上密封头(24)开有连通口，使经轴内层的轴空心部与染色釜(10)上部空腔连通；所述的下密封头(28)为封闭式。 |
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| 说明书全文 | 一种用超临界二氧化碳流体对织物染色的装置及方法技术领域[0001] 本发明涉及一种提高超临界二氧化碳流体中织物匀染性的方法及其装置，特别涉及一种在超临界二氧化碳流体中提高匹染织物匀染性的方法，属纺织染整技术领域。 背景技术[0002] 超临界二氧化碳流体是一种安全、环保、绿色的流体介质，以其代替传统水浴对织物进行无水染色加工，可彻底实现绿色、环保、清洁化生产，同时具有节能降耗的优点，因而超临界二氧化碳流体染色技术是纺织印染行业的一种革命性技术，对改变传统纺织印染行业用水及能耗高、排污量大、对环境污染严重等现状具有重要意义。 [0003] 然而，与传统水浴染色系统相比，由于超临界二氧化碳流体染色系统属于高压系统，因而在常规水浴中容易实现的织物运动和染液循环方式，则在超临界二氧化碳流体呈全充满的高压系统中难以实现。因而，目前国内外有关超临界流体用于纺织品染色加工较多采用立式/卧式经轴染色模式，如公开号为CN1807742A、CN101024922A、CN1200153A、CN2350412和CN2688735等的中国发明或实用新型专利，且多限于对筒子纱的染色加工，也有采用双轴模式的卷染，如公开号为CN101148813A和CN101082157A的中国发明专利。 [0004] 在对织物实施匹染时，多数情况下由于经轴染色模式中被染织物卷绕在一根多孔的染色轴上，经轴上织物处于静止状态，仅靠循环泵的强制循环带动染料穿过织物，使流体从内层向外穿透织物，或经逆向穿透织物实现染色。因而在染色过程中易受流体的传质路径、压力非均匀损失、流体循环流量及流速、染色釜内流体循环的均匀性、染料溶解情况等因素影响，常常导致匹染织物匀染性下降，出现内、中、外和边、中色差等疵病(涤纶织物超临界二氧化碳染色研究[J].染料与染色，2004，41(6)：346-347；超临界CO2流体流速对涤纶织物染色的影响[J].印染，2004，30(18)：13-14；涤纶织物在超临界二氧化碳中的染色性能研究[J].纺织学报，2004，25(4)：18-20)。 [0005] 因而，如何提高超临界二氧化碳流体中各类经轴匹染模式加工的匀染性，是超临界二氧化碳流体工业化染色加工的关键，从而得以取代传统工艺方法，真正推行无水染色加工，对彻底实现纺织印染企业的清洁生产具有非常重要的意义。 发明内容[0006] 本发明的目的是提供一种能有效提高超临界二氧化碳流体中匹染织物匀染性的方法及其装置。 [0007] 本发明采用的技术方案是：一种用超临界二氧化碳流体对织物染色的装置，它包括染色釜，釜中安装染色经轴，所述的染色经轴包括经轴外层、经轴内层和经轴固定密封头；所述经轴外层为空心的无缝轴，其轴身布满50～1000目的微孔，所述经轴内层为空心轴，轴身布满直径为2～10mm的圆孔，各孔的间距为4～5mm；经轴外层与经轴内层同轴安装，它们的上、下端分别固定于上密封头和下密封头上，经轴内层和经轴外层间形成缓冲空腔；所述的上密封头开有连通口，使经轴内层的轴空心部与染色釜上部空腔连通；所述的下密封头为封闭式。 [0008] 所述的染色经轴的下密封头上，固定有流体分布器和挡板；所述的染色经轴的上密封头上，固定有挡板。 [0009] 所述经轴外层的轴身材料为特氟龙或非导热性材质。 [0010] 一种用超临界二氧化碳流体对织物染色的方法，包括如下步骤： [0011] (1)将被染织物呈松式状态平整地卷绕在染色经轴上，在卷绕织物的最外层套上一层无缝编织的圆筒网状包布；所述的染色经轴包括经轴外层、经轴内层和经轴固定密封头；所述经轴外层为空心的无缝轴，其轴身布满50～1000目的微孔，所述经轴内层为空心轴，轴身布满直径为2～10mm的圆孔，各孔的间距为4～5mm；经轴外层与经轴内层同轴安装，它们的上、下端分别固定于上密封头和下密封头上，经轴内层和经轴外层间形成缓冲空腔；所述的上密封头开有连通口，使经轴内层的轴空心部与染色釜上部空腔连通；所述的下密封头为封闭式； [0012] (2)将上述卷有织物的染色经轴呈立式置于染色釜中，染色经轴的上密封头的开口处朝向染色釜中流体进入方向；密闭染色釜后对整个染色系统进行排空，采用加压泵对染色系统增压，在超临界二氧化碳流体压力为10MPa～30Mpa、温度为90℃～140℃，采用流体循环与流体静态相间的染色工艺，对织物染色处理0.5～5.0小时。 [0013] 所述的采用流体循环与流体静态相间的染色工艺，其每次流体循环染色后再进行流体静态染色，流体循环与流体静态的时间比为1∶1～1∶30。 [0014] 采用本发明技术方案，用超临界二氧化碳流体对织物染色的被染织物可为纯聚酯纤维、腈纶纤维、锦纶纤维、聚乳酸纤维、氨纶纤维、蛋白质纤维、天然纤维素纤维、再生纤维素纤维中的单组分纤维纺织品或其混纺、交织品。 [0015] 由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比其优点是：采用了由内外两层构成的特制无缝经轴，其空心内层通过开口端与外界流体连通，而外层与内层间形成的空腔则有利于流体的缓冲和均匀扩散，流体循环时分布在外层的微孔则可让流体均匀穿过织物后进入腔体，并在腔体缓冲均匀后可通过内轴上圆孔向外界均匀减压流出进入下一轮循环；同时卷绕在经轴外层的织物呈松式状态，套在织物最外层的无缝编织圆筒网状包布也避免了染色过程中织物的退卷和不正常松散及垮塌，因而减少了循环过程中流体流动时压力的非均匀损失、流体路径的突然改变，以及流体循环的不均匀性，从而保证了每次流体循环时可均匀穿过织物，此外在静止染色阶段流体中溶解的染料也可从内侧腔体和外侧同时向卷绕织物中间层进行均匀扩散上染；因而，本发明在无需改变流体流向的情况下，可实现对经轴匹染模式的均匀染色加工，具有设备和工艺简单、操作方便等显著优点，在超临界二氧化碳流体无水染色生产中具有非常广阔的应用前景。附图说明 [0016] 图1是本发明实施例提供的超临界二氧化碳流体中织物染色的系统原理图； [0017] 图2是本发明实施例提供的用超临界二氧化碳流体对织物染色的经轴装置的结构示意图； [0018] 图1中：1、CO2钢瓶；2(6，9，11，13，14)、截止阀；3、冷凝器；4、加压泵；5、预热器；7、染料釜；8、过滤器；10、染色釜；12、柱塞式循环泵；15、微调阀；16(19)、温度计；17(20)、压力表；18、分离釜；21、净化器；22、流体分布器；23、挡板；24、上密封头；25、经轴外层； 26、缓冲空腔；27、经轴内层；28、下密封头。 具体实施方式[0019] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。 [0020] 实施例一： [0021] 本实施例所采用的被染织物为240涤纶春亚纺(75D/75D低弹涤纶丝，130.0g/2 m)，所用染料为Celliton分散红GG(Disperse C.I.Red 17，o.m.f为0.1％)。 [0022] 参见附图2，本实施例提供的染色经轴，与织物接触的经轴外层25为空心的无缝轴，材料为特氟龙，也可采用耐超临界二氧化碳流体且具有一定硬度的非导热性材质，其轴身布满800目的微孔；经轴内层27为空心轴，轴身布满直径为6mm的圆孔，各孔的间距为2mm；经轴外层与经轴内层同轴安装，它们的上、下端分别固定于上密封头24和下密封头28上，经轴内层和经轴外层间形成缓冲空腔26；上密封头固定有挡板23，并开有连通口，使经轴内层的轴空心处与染色釜上部空腔连通；下密封头为封闭式，其上固定有流体分布器22和挡板23。 [0023] 参见附图1所示，本实施例所采用的超临界二氧化碳流体的织物染色步骤为：先将待染织物平整、均匀，呈松式状态卷绕在染色经轴的经轴外层25上，然后在卷绕织物外层套上事先准备好的无缝编织网状包布。开启染色釜10，将上述卷有织物的经轴密封端向下置于染色釜10中，同时开启染料釜7，放入预定量染料粉末，然后分别密闭染色釜10和染料釜7。对各系统进行良好排空后，关闭微调阀15和截止阀9，开启截止阀2、6、11、13、14，根据预定的染色加工工艺流程及参数，启动由CO2气瓶1、冷凝器3、加压泵4、预热器5在内的加压系统对染色循环系统增压和流体预热，并经染料釜和染色釜体外置加热带对系统流体升温，并使染料釜7内的染料或化学品充分预溶解。当染色循环系统内温度达到120℃、压力达到10Mpa后，加压泵4停泵，并关闭截止阀6，待染色系统中压力平衡后，再关闭截止阀14，同时开启染色循环回路中的截止阀9和柱塞式循环泵12，流体循环时间为1min。使溶解染料或其它化学品随流体从染料釜7经过滤器8过滤后，从染色釜低端进入染色釜，并与织物充分接触上染或反应。均匀穿过经轴上卷绕织物的流体在柱塞式循环泵12的强制作用下经开启的截止阀11、截止阀13又进入染料釜7，重新携带溶解染料或化学品后，经过滤器8再进入染色釜10中。流体循环时间结束后关闭循环泵12，在静态下对织物染色处理10min。在静态条件下流体中溶解染料或化学品可通过自身的分子热运动与织物充分接触，并在纤维上完成吸附上染、扩散和固着。静态染色阶段结束后，然后再启动循环泵12重复上述实验操作，在动态和静态条件下对织物进行交替染色处理，直至总染色时间为2小时。 [0024] 保温保压染色完成后，开启微调阀15对染色系统泄压，利用由分离釜18、净化器21、冷凝器3等组成的分离回收系统对染色循环系统中的染料及流体进行分离和回收(染深浓色时为充分去除织物表面浮色，可关闭截止阀9、柱塞式循环泵12，开启截止阀14和加压系统，利用新鲜流体经开启的截止阀6、13、14、染色釜10、截止阀11进行浮色清洗)。泄压结束并经放空后，开启染色釜10的密封盖出布。 [0025] 同时参照上述实验步骤，在染色循环系统温度为120℃、染色时间为2小时、系统压力为20MPa、30Mpa的条件下，对织物分别进行染色试验。 [0026] 参照上述处理步骤及工艺，经本实施例方法染色加工后的涤纶织物实验结果如下： [0027] 1.匀染效果 [0028] 经本实施例方法加工后织物的匀染性采用染色织物最大特征吸收波长处的表面色深值(K/S)的标准偏差δ(λmax)来衡量，其计算公式为： [0029] [0030] 式中： [0031] δ(λmax)为染色织物上各抽样点处K/S值与样本平均值的标准偏差； [0032] λmax为染色织物的最大特征吸收波长； [0033] n为测量的总次数(n＝12)； [0034] 为在最大特征吸收波长处(λmax)i次测量(采用Ultrascan PRO型自动测色配色仪测试，HunterLab.Ltd，美国；试样折叠8层)的表面色深值(K/S值)； [0035] 为试样 的平均值(分别为染色织物正反面的头尾、边中、内中外处12次的算术平均值)。 [0036] 由于δ(λmax)表示各抽样点表面色深(K/S)值偏离其平均值的程度，因而可用来表征布面的匀染性，其中δ(λmax)值越小，匀染效果越好。 [0037] 表1是采用本实施例所述的方法，对240涤纶春亚纺采用Celliton红GG(o.m.f为0.1％)在不同压力条件下进行染色加工的实验结果。 [0038] 表1 [0039] [0040] 由表1所示的测试结果可看出，经本实施例方法染色加工的涤纶织物，其最大特征吸收波长处的表面色深值(K/S)的标准偏差δ(λmax)值较小，染色织物正反布面的匀染性良好；同时表1也显示随着系统压力增加，其匀染性可进一步提高。此外，各压力条件下染色织物的 测试结果还显示，随着压力增加，可使织物上的得色量增加，获得更浓的色泽。由于随压力增大，超临界二氧化碳流体的密度增大，对染料溶解更充分，呈溶解态的染料浓度也相应较高，而且染色釜中流体分布也更均匀，因而染色物的匀染性及表面色深值也得以提高。 [0041] 实施例2 [0042] 本实施例采用Celliton分散红GG(Disperse C.I.Red 17，o.m.f为0.1％)对2402 涤纶春亚纺(75D/75D低弹涤纶丝，130.0g/m)进行染色加工；染色条件为20MPa超临界二氧化碳流体、流体每次循环与随后静态染色时间之比为1/10、总染色时间为2hr、染色温度分别为90℃、100℃、120℃、140℃；染色经轴外层微孔为600目。 [0043] 按实施例1的方法，对240涤纶春亚纺在上述不同温度条件下分别进行染色加工处理，其具体步骤和其它条件如实施例1所述。 [0044] 表2是采用本实施例所述的方法，对240涤纶春亚纺采用Celliton红GG(o.m.f为0.1％)在不同温度条件下进行染色加工的实验结果。 [0045] 表2 [0046] [0047] 由表2所示的数据可以看到，即使在90℃～100℃温度范围内的超临界二氧化碳流体中也可对涤纶织物进行染色处理，染色物正反面的头尾、边中及卷绕的内中外层色泽均匀性较好，而且随流体温度升高，其匀染性可进一步提高。同时表2也表明随染色流体温度升高，染色织物的表面色深值出现增大趋势。由于流体温度增高，更有利于染料分子的热运动，加快了纤维表面与流体内部的传质过程，以及染料在纤维内部的扩散和移染作用，因而其匀染性可进一步提高，而且在染色未达平衡之前，其上染百分率也得以提高。 [0048] 实施例3 [0049] 本实施例采用Celliton分散红GG(Disperse C.I.Red 17，o.m.f为0.1％)对240涤纶春亚纺(75D/75D低弹涤纶丝，130.0g/m2)进行染色加工；染色条件为20MPa超临界二氧化碳流体、流体每次循环与随后静态染色时间之比为1/10、染色温度分别为120℃、总染色时间为1hr、4hr、5hr；染色经轴外层微孔为100目。 [0050] 按实施例1的方法，对240涤纶春亚纺在上述不同染色时间条件下分别进行染色加工处理，其具体步骤和其它条件如实施例1所述。 [0051] 表3是采用本实施例所述的方法，对240涤纶春亚纺采用Celliton红GG(o.m.f为0.1％)在不同染色时间条件下进行染色加工的实验结果。 [0052] 表3 [0053] [0054] 由表3所示的数据可以看到，即使在1hr的较短染色时间内，织物仍可获得较好的匀染性；且随着染色时间由1hr延长到4hr时，染色织物上各抽样点处K/S值与样本平均值的标准偏差进一步降低，当染色时间继续延长至5hr时，其δ(λmax＝480nm)值变化较小，表明在一定范围内延长染色时间可有利于进一步提高织物的匀染性。而且染色织物的表面色深值随染色时间由1hr延长至4hr时出现了较大增加，继续延长染色时间至5hr时，其值增加较少，表明在染色时间为4hr时已趋于染色平衡状态。由于延长染色时间，有利于纤维上染料的移染，以及纤维表面吸附染料向纤维内部充分扩散和固着，因而其匀染性及表面色深值可进一步提高。 [0055] 实施例4 [0056] 本实施例采用Celliton分散红GG(Disperse C.I.Red 17，o.m.f为0.1％)对2402 涤纶春亚纺(75D/75D低弹涤纶丝，130.0g/m)进行染色加工；染色条件为20MPa超临界二氧化碳流体、染色温度分别为120℃、总染色时间为2hr、流体每次循环与随后静态染色时间之比分别为1/5、1/20、1/30；染色经轴外层微孔为800目。 [0057] 按实施例1的方法，对240涤纶春亚纺在上述不同时间比条件下分别进行染色加工处理，其具体步骤和其它条件如实施例1所述。 [0058] 表4是采用本实施例所述的方法，对240涤纶春亚纺采用Celliton红GG(o.m.f为0.1％)在不同时间比条件下进行染色加工的实验结果。 [0059] 表4 [0060] [0061] 由表4所示的数据可以看到，在流体每次循环与随后静态染色时间之比不同时，染色织物仍可获得较好的匀染效果。同时表4还显示随染色流体静止的时间越长，其δ(λmax＝480nm)有一定程度升高，染色织物的不匀性略有增加趋势，而且织物上的得色量也相应降低。由于随流体静止染色时间延长，含溶解染料的流体穿透织物的时间也越短，从而导致染料在卷绕织物外中内层吸附、上染出现差别，使加工织物的匀染性出现降低；同时染色釜中溶解染料由于上染纤维而浓度降低，又不能得到染料釜中溶解染料的及时补充，因而流体静止染色时间越长也易使织物得色变淡。 [0062] 实施例5 [0063] 本实施例分别采用Diacelliton分散玉红3B(Disperse C.I.Red 5，偶氮结构，o.m.f为0.1％)、Sumikaron艳兰S-BL(Disperse C.I.Blue 143，蒽醌结构，o.m.f为0.1％)、Dispersol绿C-6B(Disperse C.I.Green 9，杂环结构，o.m.f为0.1％)对240涤纶春亚纺(75D/75D低弹涤纶丝，130.0g/m2)进行染色加工；染色条件为25MPa超临界二氧化碳流体、流体每次循环与随后静态染色时间之比为1/10、染色温度分别为110℃、总染色时间为2hr；染色经轴外层微孔为200目。 [0064] 按实施例1的方法，对240涤纶春亚纺在上述不同类型分散染料条件下分别进行染色加工处理，其具体步骤和其它条件如实施例1所述。 [0065] 表5是采用本实施例所述的方法，对240涤纶春亚纺采用不同类型分散染料进行染色加工的实验结果。 [0066] 表5 [0067] [0068] 由表5所示的数据可以看到，采用本发明分别以不同结构类型分散染料对涤纶织物进行超临界二氧化碳流体染色加工，各染色织物最大特征吸收波长处表面色深值(K/S)的标准偏差δ(λmax)非常小，表现出优异的匀染效果。而且表5还表明由于不同结构类型染料对纤维的亲和力不同或其在超临界流体中的溶解度等差异，因而即使在相同流体染色条件下加工，其在织物上的得色量也出现较大差别。 [0069] 按本发明技术方案，被染织物可为纯聚酯纤维、腈纶纤维、锦纶纤维、聚乳酸纤维、氨纶纤维、蛋白质纤维、天然纤维素纤维、再生纤维素纤维中的单组分纤维纺织品或其混纺、交织品。由上述实施例可以看出，本发明采用了由内外两层构成的特制无缝经轴，并在卷绕织物最外层套装无缝编织圆筒网状包布，以及合理控制流体循环与静止染色时间比等的技术方案，从而可使进入染色釜中含有溶解染料的超临界二氧化碳流体可均匀穿透卷绕织物，同时特制经轴内外层形成的空腔可对透过的流体起到缓冲和平衡作用，从而利用匀染，而且套在织物最外层的无缝编织圆筒网状包布也避免了染色过程中织物的退卷和不正常松散及垮塌，因而减少了循环过程中流体流动时压力的非均匀损失、流体路径的突然改变，以及流体循环的不均匀性，此外合理控制各项工艺也增强了织物加工的均匀性。因而与现有技术相比，本发明设备及工艺简单，操作方便，因而其应用前景非常广阔。 |
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