超临界CO2流体染色技术

超临界CO2流体染色技术

河北科技大学纺织服装学院张晏铭

二氧化碳是一种无色、无臭和不燃，非极性的气体，沸点很低，在常温下为气体。如果在封闭体系中升温和加压，当温度和压力超过二氧化碳的临界温度31·1℃和临界压力7·39MPa，二氧化碳即转变到超临界流体状态。在临界温度以上，即使这样加热，他也不能变成气体。同理在临界压力以上，即使怎样加压，也不能变为液体和固体。

1、背景和发展历史

1988年,纺织物的超临界流体染色的首项专利提出。1989年,德国Bochum的Ruhr大学的理科硕士论文课题与GMSchneider教授密切合作,采用此新技术进行了首次实验室规模的聚酯染色。继首次成功试验[12]以后,由德国Krefeld的德国西北纺织研究中心(DTNW)继续这项工作。1991年,基于最佳的实验室规模的染色条件[19～25],德国Velen的Jasper公司与德国西北纺织研究中心紧密合作,制造了首台半工业规模的染色机。1994年,Jasper公司的其中一台CO2染色机安装在德国B ǒnnigheim的Amann&Sǒhne公司,用于聚酯缝纫线染色,以试验该技术用于纺织工业的可能性。1995年初,在德国Hagen的UHDEHochdrucktechnik公司开始了新的探讨,德国西北纺织研究中心终于建造了一台新的CO2染色试验设备。自1995年,国际上对这一技术的兴趣越来越高,最初在美国和亚洲,以后又在欧洲。

2、该技术的原理

染色时，只有分子状态的染料可以上染纤维，随着分子状态染料上染纤维，胶团中和晶粒中的染料分子会不断溶解到水中，直到上染结束；由于染料溶解度低，因此在低温时大大限制了上染速度。又由

于大部分染料是以悬浮体存在，因此，染液的分散稳定性不高，容易发生晶粒的凝聚、晶型转变和晶粒增长，严重时还会出现沉淀，引起染色困难或不匀。分散剂的存在虽然提高了染料悬浮体的分散稳定性，但是它的存在不仅增加了生产成本，也会污染水质，有的还会降低染料的平衡上染量。由于二氧化碳分子粘度低，它与染料分子间作用力又小，染料在超临界二氧化碳流体中扩散较快，加上在这种流体中纤维表面附近的扩散边界层很薄，所以染料可很快吸附到纤维表面。还由于它对纤维有较强的增塑作用，所以上染速度快，匀染性和透染性均很好。

3、该技术的加工工艺流程

超临界CO2染色在130℃、24MPa下，10分钟就可以上染，上染速度是传统工艺的5～10倍，匀染和透染性好，可以实现98%以上的上染率。超临界CO2染色工艺过程一般包括等温压缩、等容温升和等温释放3个过程，具体的工艺流程如图。

4、该技术的适用范围

该技术当前最适用于涤纶纤维，这方面的研究在实验室条件下已经获得成功。特别适合于低极性的分散染料染疏水性的合成纤维。另外，

超临界二氧化碳流体在超细涤纶纤维染色方面也取得了令人瞩目的成果。超细涤纶纤维纤度小，比表面积大，水浴染色时往往出现得色量低、显色性差、色牢度差等问题。超临界二氧化碳既对分散染料有较大的溶解度，又有易于扩散和运动的气体特性，有望解决超细涤纶纤维的染色问题。超临界二氧化碳染色也同样适用于其他各类合成纤维，如聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维等。用超临界二氧化碳染色可以实现染后织物具有良好机械性能、牢度性能。聚酯纤维同样极性较小，在二氧化碳中较易上染。

5、该技术目前的应用情况

研究表明，超临界二氧化碳染色在绦纶以及超细绦纶染色方面的应用最为成功，能够获得与常规染色同等甚至更为优异的染色效果。在合成纤维以及天然纤维的染色方面，国内外研究者通过对染料或纤维进行改性，已经取得了实验室条件下的初步成功。然而，这方面对工艺参数的影响、改性剂机理、适宜的改性方法和染色机理等研究尚处于空白阶段。并且国内外在超临界CO2染色技术实际工业应用方面报道还比较少，该技术现今仍处于实验室研究阶段。因此，超临界二氧化碳染色从实验设备或半产业化设备向产业化设备的转移仍需要大量研究工作。

6、该技术的优缺点

优点：(1) 真正实现了无水染色。

(2)无需使用助剂。

(3)二氧化碳易得，安全。CO2无毒，容易获取，且CO2可循环使用，不会带来“温室效应”；

(4)降低了能耗，热能消耗仅为常规工艺的百分之二十

(5)染色效果好,超临界CO2染色具有较高的上染率和良好的匀染性；

(6)染料可回用,残余染料可重新回到粉末状，并加以应用，从而使染料利用率大大提高；

(7)染色时间短,染色后一般不必进行还原清洗，缩短了生产周期，能实现“快速回应”的生产和经营机制。

缺点：（1）使用高压，安全性能差；

（2）设备投资高；

（3）不适用于天然纤维，如棉、毛、丝等

7、该技术的发展前景

超临界CO2染色技术是一个具有良好前景的新型染色技术，以CO2为介质，染色过程不产生污染物，充分体现了清洁生产的理念。加强对纤维改性、无水染色的理论研究与实践检验，开创超临界流体在染色领域的广泛应用，从源头上解决印染行业的环境污染问题，这是当前研究的主要任务。但纵观国内外的文献，在超临界CO2染色中各种分散染料在不同纤维上着色的最佳操作条件、染料在超临界CO2中的溶解状况和在纤维内部的扩散系数、染色过程的热力学基础、染料结构与纤维的结构关系以及染料与纤维的改性、设计等方面积累的数据仍不够充分，更缺乏染色机理和动力学的微观分析，因此尚需相关领域的科技工作者联合攻关。