以超临界流体染色纺织基质的方法与装置

本发明涉及根据EP-A-0 514 337的在权利要求1前叙部分中 所述类型的方法，在EP-A-0 514 337中描述了一种由超临界CO2进行的染色方法。在此文献中还描述了对待染基质进行加热，可以为70 -300℃，从而染色温度主要由待染基质的温度而定。这样经过染色基 质的温度而间接地影响染色流体。

纺织基质，例如纤维、纱、网状纤维、机织物及针织物进行整理时 是在使用水溶液的系统中重复地进行处理，例如基质被煮练、漂白、染 色、洗涤等。

实验室规模的整理方法已被开发借以由超临界流体，尤其是超临界 二氧化碳来处理纺织基质以适应不同的整理目的。这些方法被描述于DE -OS3904515，4004111，3904513，3906724，3906737， 3906735，4200352以及4344021。在这类使用超临界流体的实验室规 模处理方法中，需要30-600巴之间的压力。

在这些实验室规模的方法中，由通常为数平方厘米的小织物样品组 成的纺织基质放入合适的实验室高压釜中并用超临界流体予以湿润。然 而，这类方法不能转用到工业规模的所有处理方法上。

在工业规模处理方法中，纺织基质的包装方式是使其适合在织物整 理操作中进行物质的有效流动。纱线包装成纱筒的形式被整理，带形织 物包装成纱卷进行整理。

如果对卷装织品的整理步骤用超临界流体处理进行，则将织品作为 筒纱或在织物轴上作为纱卷放置入事先倒空的高压釜内。然后将高压釜 密封成不漏气，在其中填入超临界流体，将处理压力设定为30-400巴 之间的合适值。这时，超临界流体浸入卷装织品。由于扩散受控制的物 质交换过程，为了得到尽可能均匀的处理结果，即卷装织品的所有部分 印染上均匀的颜色强度，需要较长的作用时间。这样长时间的处理在工 业规模的纺织整理操作中是很不利的。

已有多种建议以消除这些缺点。 DE-OS4206952提供一种在高压釜中能来回移动的活塞并由于这种运 动使超临界流体能迎流和/或穿透卷装织品。由于需要容纳活塞移动 的额外空间，所以高压釜必须有比仅用于容纳纺织品大的压力容器容 积。

DE-OS4206954揭示一种具有循环泵的高压釜，其用循环超临界 流体迎流和/或穿透卷装织品。为了取得均匀的处理结果，高压釜被分成 数个区段，每个区段可平行地或单独地供给超临界流体。每一区段接收 一部分卷装织物。为了使每一部分都取得均匀的处理结果，每一部分单 独地进行总循环，之后所有部分同时平行地进行部分循环。

上述方法的缺点是设备结构复杂和在对织品平行供给流体时需要用 于均染的额外的处理作用时间。

DE-OS4206955描述一种利用超临界流体进行处理的装置，其中 至少在收容纺织基质的压力釜内设置二个泵。超临界流体从一泵在高压 釜内循环，同时另一泵将次临界状态的处理气体输入。一泵被设计成高 传输速率，以取得均匀的纺织基质处理结果。二个不同泵的操作几乎是 为了相同的目的，其中二个泵仅同时工作很短时间，这从经济观点来看， 并非是最佳的设计。

DE-OS 4206965中描述一种具有至少两个高压釜的处理纺织基质 的装置。高压釜相互连接，从而处理液事先从一个高压釜泵入另一新装 有待处理基质的高压釜中以便取出基质。也可以设计成由一个或多个串 联的高压釜进行超临界流体的循环。这样的缺点是，为了满足规模工业 操作的织物整理的要求而需要许多个高压釜和附属的复杂类型的管路系 统。

为了在上述说明书前言提到的方法中，特别是在公开文本DE-OS 3904515，DE-OS 4004111，DE-OS3904513，DE-OS 3906724，DE-OS 3906737，DE-OS 3906735和DE-OS 4200352 及DE-OS 4344021中所述的方法中实现比至今已知更好的属体申请内 容的进行工业大规模利用的条件，本发明在处理温度用超临界流本对纺 织基质进行处理，温度值作为处理时间的函数给出。

本发明中用超临界流体处理纺织基质的方法，特别是以纱筒或卷装 环形织品包装形式的纺织基质的方法，设计成，处理期间的处理温度采 用不同的值，其中上述包装形式基本上垂直于其筒轴或卷绕轴被超临界 流体所迎流和/或穿透。

在用超临界流体处理纺织基质时可达到不同的目的。在DE-OS 3906724中例如说明了，在超临界流体中溶解分散染料用于染色并通过使 生成的染液与基质接触，从染液中使染料吸收在基质上。接触在高压釜 中进行，在其中储留有大部分的染液。对织物样品染色的处理时间为10 分钟。

若织物样品用本发明的方法染色，则样品被染液所贯注浸透。使染 液进行循环。染液流过织物样品并从处理高压釜中出来。在染液重新导 入处理高压釜中之前，使其在饱和器中流过粉末形式的分散染料堆。这 样，当染液重新流经织物样品时，它就载有了分散染料直到饱和。

在本发明方法中，在处理期间(在整个时间里染液连续循环)处理 温度，即流经织物样品的染液温度采用不同值。循环染液的温度可提高 或降低。为此，染液在换热器中被供热或除热。在处理纺织基质时如果 分散染料例如被吸收，则对染液供热，处理温度采用较高的值。在本发 明染色中，有利的是在使染液载负分散染料前对其供热。为此，由处理 高压釜出来的染液首先流经换热器，随后经过饱和器。

在使用的超临界流体(在此例中为二氧化碳)的情况下，温度越高， 溶解的分散染料越多。由于本发明的染液循环(其中先加热染液，再负 载分散染料)，对织物样品装入染料浓度不断增加的染液。吸收染料的 纺织基质和释放染料的染液之间提高的浓度差有利于染色时扩散过程的 动力学。处理时间比等温染色短。

意外地，由于本发明采用的处理温度，还可额外地进一步有效地缩 短染色时的处理时间。染料的吸收是一个在纤维表面进行的吸热过程。 染液也可提供过量的热以加速吸热方式的吸收，在处理期间染液的温度 以提高的值施于纺织基质。

由本发明的方法缩短处理时间具有经济意义。工业规模的织物整理 操作的意义是在高压釜中每层染色尽可能多的纱筒。高压釜是以间歇方 式操作。对每一批料，高压釜进行一个操作周期，其由下列顺序的操作 组成：喂入纺织品例如纱筒，充入超临界流体直到处理压，用循环染液 处理，放出超临界流体，取出纺织品。

如果使用通常的机械喂料装置，则处理时间需要占循环周期的大部 分。明显可见，实验室中测定的用于织物样品的10分钟的染色时间无法 满足工业规模的织物整理的经济要求。

但是在染纱车间使用本发明的方法时，在仅仅60分钟的处理时间内 1500g纱重的常用交叉筒子可均匀染色。

在此，纱筒从内到外被超临界流体CO2穿过。穿过的基质层厚要比 织物样品厚约1000倍。很明显，相对于用储留的液体和恒定的处理温度 进行的处理，可大大缩短处理时间。

在常用的水性染色方法中染色的纱筒分多步进行干燥，首先经离心 分离进行预干燥，然后在高频干燥器中最终干燥。在发明方法中不需要 加工过程，因为残余CO2会无残余物和无环境污染地立即从纱筒中挥发 出去。

在本发明中用超临界流体处理纺织基质，特别是以纱筒或卷装环形 织物包装形式的基质的方法中，该包装形式基本上垂直于其筒轴或卷装 轴被超临界流体迎流和/或穿过，并且处理期间的处理温度采用不同的 值，在本发明方法的一个实施方案中，处理温度的不同值由处理时间的 至少一个函数给出。

在上述对纱筒的染色中已显示，为了在短的处理时间内使纱筒体得 到均匀的染色分布，在处理期间必须线性地提高处理温度。

升温系数采用0.5℃/分钟-2℃/分钟的值。但处理时间不能随意地 随升温系数增大而缩短，因为有限的基质传温能力构成了约束。如果基 质中的温度梯度太陡，基质会脱色。

为了抵制这种机理，在前三分之一处理时间结束后使升温系数小于 前三分之一处理时间内的升温系数。这样，在前三分之一处理时间内升 温定为至少1℃/分钟，然后以0.5℃/分钟的升温系数进行处理至结束。

在本发明中用超临界流体处理纺织基质，特别是纱筒或卷装环形织 物包装形式的基质的方法中，包装形式基本上垂直于其筒轴或卷装轴被 超临界流体迎流和/或穿过，并且处理期间的处理温度采用不同的值，在 本发明的另一个实施方案中，处理期间处理温度的值由处理时间的至少 两个函数给出并在后续函数开始作用时将超临流体另作调节。

用本发明方法的这个实施方案，可特别经济地满足工业规模的织物 整理的条件。在处理时间的第一函数体系期间对纺织基质进行预处理。 这种预处理用于除去浆液或制剂或者除去污物和羊毛脂。例如如DE- OS 4004111所述进行预处理，但是必须符合本发明的流体循环进行。并 使用CO2作纯流体。

由于预处理被从基质上除去的物质加载的CO2在分离器中再生。在 分离器中CO2为次临界状态并为气态。负载物沉淀下来并与CO2气体机 械分离。如此再生的CO2返回到预处理中。由于CO2的再循环，预处理 中实际没有洗涤流体的损失。预处理结束时在后续函数体系下继续进行 处理。后续函数例如设计成，在剩余的处理时间间隔从90℃至120℃的 线性升高的温度下对纺织基质染色。

事先用作洗涤流体的CO2由于一直呈再生形式也未负载，被预保留 在中间阶段，在后续函数体系下重新使用，但要作另外的调节。这种另 外的调节按本发明可如此进行，即超临界CO2用染料负载并在此条件下 用于染色。有利的是处理流体被循环，以在每次重新处理前调节到原有 的水平。染色时染料从超临界染液中转移到待染纺织基质上。从而染液 中的染料变少。因此耗用了染料的流体要重新负载上新鲜染料。

按本发明，负载可这样进行，使流体连续循环并通过与粉末染料的 不断接触而饱和。因而，原有的调节水平在后续函数的体系下而恒定维 持。

本发明方法可优选用于以下用途，其中待处理的纺织基质由合成纤 维和/或不同合成纤维的混合物和/或合成纤维与天然纤维的混合物所组 成。

这类的合成纤维例如由聚酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯、聚乙烯 等制成。天然纤维中适于处理的有蚕丝、棉花、羊毛、亚麻等。

本发明方法中可采用不同的物质作为超临界流体。适合使用的例如 有烷烃，特别是乙烷、丙烷或戊烷，氨气，二氧化碳，一氧化碳，一氧 化二氮，它们均可单独或以混合物使用。

为了改善超临界流体的性质，例如提高极性，可向其中混入附加的 极性物质。特别是考虑水、醇和/或盐作缓和剂。优选使用二氧化碳作超 临界流体，因为它不燃烧和不需特别的安全措施就可排放到大气中。

在本发明另一实施方案中，给出一种装置，用于实施本发明处理纺 织基质的方法，该装置具有：

—用于容纳纺织基质的至少一个染色高压釜；

—用于使流体负载有效物质(13)的至少一个饱和器；

—至少一个分离器；

—附属有加热和冷却装置的换热器；

—附属有冷却装置的冷凝器和连在冷凝器后的收集器；

—泵(2)和

上述装置与管路和附件相连，一方面使流体经染色高压釜，泵，换 热器，饱和器进行循环或者另一方面经染色高压釜，卸压阀，冷凝器， 收集器和泵循环，并且在本发明中，借助一个过程控制在纺织基质处理 期间对循环流体施以改变的处理温度。

过程控制通常用微操作器技术进行。经过放大部件与传感器和放射 体相连，后者存有工艺参数或可影响工艺参数。

使用可供支配的传导技术中，基本上可以自动地进行该方法。此外 设计一个可供支配的传导技术，将该过程连于织物整理操作的自动操作 过程中。

染色高压釜本身具有传送流体穿过纱筒的装置，该装置使流体从内 开始通过多孔的筒管进入卷筒内。根据需要，染色高压釜可设计成接收 纱筒架和/或在织轴接收卷装平面织品。

具有柔韧筒管的筒架可进行预加应力处理。在筒架各筒子的筒管末 端之间放置垫圈，可在未预加应力的筒架中阻止流体短路从络筒的外面 流过。

染色高压釜可装有一个机械盖板栓。直到内直径为1米的高压釜， 高压为300-700巴的快速密封夹具在工业上可得到。对于更大的直径 使用机械扇形环密封件。这也适合于所有可用的处理压力。

超临界流体可用活塞泵和离心泵驱动，这些泵特别适合于此种用 途。在本发明方法中使用离心泵，如果同时处理例如几个长的筒架的话。

本发明方法和本发明装置可借助一个实施方案进一步说明。

图1为一工艺流程图，按此，设计相应于本发明的装置。

用本发明方法可处理纺织基质如纤维、纱、平面织物、纤维网、织 物配置等。例如可如下染色，即使染料均匀地涂在纺织基质上并染色均 匀。该方法也可这样进行，即用水预洗涤以除去纺丝制剂，纱筒油或其 它疏水物质，在用超临界流体染色时它们会引起干扰。

本发明方法主要用于处理合成纤维及它们不同的混合物和与天然纤 维的混合物。实施本方法时，用作超临界流体的是烷烃，特别是乙烷、 丙烷或戊烷，氨气，二氧化碳，一氧化碳，一氧化二氮，均可单独或混 合使用。可向超临界流体中额外添加作为缓和剂的极性化合物如水，醇 和/或盐。

用聚酯纱染色作例子来说明一个实施方案。被包装成交叉筒子的待 染纱装入染色高压釜1中。染料11的量是所用织物重量的0.5％，将其 加入饱和器4的染料容罐14中。

为在280巴和120℃进行抽提净化，使CO2由收集器7用泵2经换 热器3送入染色高压釜1中并从内向外流过纱筒16。在此不装饱和器4， 而换成阀门30。纱上的污物如纺丝制剂和卷筒油溶于CO2中并经用于调 压的卸压阀15送到分离器5。降压后污物在分离器5中从位于次临界状 态的CO2气体中沉淀出来并收集起来。再生的CO2流回收集器7。

为了在净化步骤之后进行染色，将CO2用泵2经换热器3和饱和器 4(其中染料11溶于CO2中)送入染色高压釜1中。

染色高压釜1中的纱被染色，而CO2从染色高压釜1用泵2重新循 环回染色高压釜1中。在恒定的280巴压力和升高的处理温度下进行染 色，在处理时间内温度线性地从90℃升到120℃。

在处理期间，CO2不断地由饱和器4导入。从而CO2同样在升高的 温度下被染料11负载，染料11是由染料容罐14溶于CO2中。由于比用 于纱筒16均匀染色所需多许多的染料11预存于染料容罐14中，饱和器 4后的CO2一直被染料11所负载直到饱和。处理1小时后纱被染色均匀 并从染色高压釜1中取出。将纱筒干燥并包装好待用。

在图1中，过程控制的功能仅用其按本发明的主要功能表示。过程 控制10用温度计50测量染色高压釜1中的实际处理温度。

当偏离额定值时过程控制10作用于加热和冷却装置8并调整此偏 差。额定值由过程控制10根据事先设定/给定和存储器编程的时间函数来 设定。其它过程如调压等同样由过程控制10来自动处理，但为清楚起见 未画在图1中。为了进一步解释本方法和装置，给出了下面的有关图示：

图示

1     染色高压釜

2     泵

3     换热器

4     饱和器

5     分离器

6     冷凝器

7     收集器

8     加热和冷却装置

9     冷却装置

10    过程控制

11    有效物质/染料

12    流体

13    残余物

14    染料容罐

15    卸压阀

16    纱筒

17

18    垫圈

19    载体管

20    循环阀

21    阀门

22    阀门

30    旁通阀

40    阀门

41    阀门

42    阀门

50    温度计

51    测量线