聚酯纤维纺前着色技术的工艺特点及其环保作用

聚酯纤维纺前着色技术的工艺特点及其环保作用

聚酯纤维具有断裂强度高、形状稳定、形状规范、抗弯性好、抗褶皱性好、易洗、干燥等优点。这是理想的纺织品纤维。但是由于它的分子排列高度规整,紧密敛集,结晶度和取向度高,又缺乏吸色基团,因此,常规聚酯纤维在常温常压下无法进行染色,导致染色设备要求高、投资多、三废处理麻烦等问题。因此,采用节能、环保的着色技术,对促进聚酯纤维的可持续发展至关重要。聚酯纤维纺前着色具有工艺简单、牢度好、无三废污染等优点,尤其适用于大批量生产及开发涤纶交织织物。使用有色纤维作为纺织原料,由于本身已具有产品所需要的颜色,不再需要通过印染处理,消除了纺织产品生产链中印染废水对环境的影响,是纺织行业的一项清洁生产技术,将对保护环境产生积极的作用。我国从20世纪80年代初期开始引进纺前着色聚酯纤维的生产技术,已在产业用纤维等方面得到了广泛的应用。近年来,由于纺前着色技术在节约能源和减少三废等方面有明显的优点,在环境保护要求日益严格的今天更具有现实的使用价值,发展前景良好。1色牢度好,环保健康常规聚酯纤维染色一般在130～140℃,0.3～0.4MPa压力下进行,经过悬浮,轧染和干燥,焙烘等步骤。有些混纺纤维难以承受这么高的温度,需要采用载体辅助染色。高温染色法和载体染色法不仅消耗能量高,三废污染严重,而且在高温染色时纤维表面有低聚体析出,载体染色则光牢度欠佳,而且染色中使用的分散染料有的可致癌,有害健康。因此色牢度优良、环保、健康的聚酯纺前着色工艺在世界上迅速发展起来。纺前着色是指在聚合过程中或聚合后,在纺丝以前通过加入染料制得有色纤维及长丝的生产工艺。在聚合物溶液中加入有色的无机和有机颜料或染料挤压纺长丝染色的方法,由于染料混和在聚合物中,故其成品的色牢度很高。这种先染后纺的工艺,具有缩短工艺路线、减少能耗、降低成本的明显优势。最终产品外观效果好、色泽均匀,色牢度高,受到色织、针织、毛纺等行业的普遍欢迎。因此聚酯纤维的纺前着色法是解决涤纶染色难、满足某些产品要求的最有效的途径。同时纺前着色所用着色剂为溶剂染料,不含禁用结构和成分,所用染料能够承受300℃以上的高温,纺丝过程中无任何气体和废水排放,对人体不造成伤害,染料利用率达100%。1.1技术的关键1.1.1国内色母粒开发现状色母粒是由颜料、分散剂和载体经充分混合、熔融重新造粒而成。色母粒技术的核心在于颜料、分散剂和载体的相互兼容,关键在于:①提高颜料的分散性,目标在于提高色母粒中颜料含量和着色效率;②着色剂的各项色牢度指标好;③色母粒应具有一定的粘度;④色母粒的一致性好。色母粒加工过程包括颜料及载体等的研磨、筛选、物料与各种添加剂的充分搅拌混合、造粒,在这4个步骤中尤以搅拌混合最关键,若混合不匀则纺丝时极易产生色差。我国对色母粒的研究开发已有20多年的历史,但由于相关原材料、技术水平等与国外存在着差距,进展缓慢,国产色母粒产品结构单一,品种不全,质量低、通用型产品占很大比重。世界色母粒的生产集中在几十个超级大公司,他们的颜料、分散剂等原材料品种齐全,已形成了系列化和专业化产品结构,卡博特公司也垄断了世界上30%黑色母粒的生产,科莱恩公司、汉纳公司、休门公司等垄断世界上大部分色母粒的生产和销售。色母粒未来的发展趋势是朝多功能化、高颜色含量和高技术含量方向发展。高浓度色母粒用颜料的80%市场份额被国外跨国公司垄断,色母粒中颜料含量越高,颜料愈难分散,对颜料的要求越高。分散剂在色母粒制备中起润湿和包覆颜料、辅助颜料在载体中进行分散的作用,分散剂的微细化、高功能化和专用化是今后的发展方向。国外对分散剂的研究比较全面和深入,品种比较齐全。科莱恩公司最近推出了一种新型颜料分散助剂——Ceridust系列微粉蜡,这种微粉腊特别适用于难分散的颜料及高档有机颜料等的分散。目前,在欧美等国家色母粒颜料分散过程中已普遍使用这种微粉腊。国内分散剂的品种则较少,常用的低相对分子质量聚乙烯蜡是采用裂解法生产,相对分子质量分布宽、杂质多、有异味,对颜料的分散效果差。随着数字纺织技术的迅猛发展,通过电脑测色配色技术,可制得色谱齐全、色泽均匀、色牢度好的色母粒。1.1.2司纺前添加系统色母粒注射设备目前主要使用的有以下几种类型:一是以瑞士K-TRON公司为代表的T-21减量注射器,采用单位时间内小料斗中色母粒重量逐步减少的计量法来控制母粒的加入量,熔融时与聚酯切片进行混合;二是以天津爱尼机电公司为代表的转盘注色机,它是采用先通过计量盘对色母粒和聚酯切片进行体积计量,在混合料斗里进行第一次混合,熔融时再进行第二次混合,是目前采用得比较多的方法;三是EMS(德国-瑞士)公司的纺前添加系统,可添加母粒、粉末甚至液态染料,添加母粒时其主要特点是可对色母粒进行熔融、计量和将其直接加入到纺丝箱体中。聚合物和添加剂的混合是在一个特殊的熔体混合泵进行。在纺丝染色前直接加入添加剂,避免了色母粒在高温区长时间的停留,着色后的纤维颜色比较鲜艳,该技术是目前的先进技术;四是德国吉玛公司在20世纪90年代推出在线色料混合添加装置,它为直接纺生产工艺带来纺前着色的可能性。色母粒注射技术的关键是色母粒计量准确、色母粒与聚酯切片的均匀混合、设备运行稳定。1.1.3艺的设计的内容纺前着色是将色母粒与本色切片干燥、精确计量,均匀混合、再经熔融过滤,然后纺丝、拉伸、卷绕,生产工艺的设计要注意干燥后色母粒的含水率、色母粒不能结块、色母粒在管路中不能搭桥,色母粒添加量的选择、色母粒与本色切片混合的均匀性、熔融的均匀性,冷却条件和拉伸的均匀性,另外还要注意开停车、开停位、切换预过滤器的生产管理等。纺前着色纤维的技术目前主要向着差别化纤维发展,如有色超细纤维、有色异形纤维。1.2纺织废水的分类传统的纺织工艺是“先纺后染”,纤维先轻纺纱、织布,由色织厂或印染厂染成各种需要的颜色,最终加工成纺织品和服装品。染色是纺织产业链中污染最为严重的行业,印染废水占整个纺织行业生产废水总量的80%,印染废水水量大、成分复杂、色度深、碱度高、有机物含量大。“纺前染色”无废水,基本可以达到废水的零排放,具有明显的优势。(1)使纤维均匀染色纺前着色方法无须要求纤维具有亲和力(或结合力)即可使着色剂均匀分散在纤维中,使纤维均匀着色。特别对于结晶度高、分子链敛集紧密,且缺乏与染料分子直接结合的活性基团,使得染料分子不易进入纤维内部,造成染色困难的纤维,该方法是解决此类纤维染色困难的关键,而且纺前着色所用颜料具有一定的通用性。(2)染色布局和表面活性剂等聚酯纤维的纺前染色可致使染色均匀。在纺丝条件一定的情况下,颜料沿长度方向均匀渗透于长丝中。纤维结晶度等结构差异不影响纺前染色的均匀性,而在浴染过程中由于纤维的生产和物理化学处理难以保证其内部结构晶区和无定型区的均匀分布,织物往往容易产生色差、色斑、色花等染色缺陷。因此,普通染色法的染色均匀性在3.5～4级,而纺前染色无论批量大小,批与批之间也不会出现不能接受的色差,染色均匀性能达到4～4.5级。(3)染色纤维的染色从纺前着色纤维的结构上看,着色剂与聚酯形成表里一致的均匀固溶体,因此着色纤维经洗涤、日晒具有良好的染色牢度,绝大多数有色织物皂洗和摩擦牢度达到部颁标准4～5级,日晒牢度大多数达到5级以上。(4)有利于突出织物风格因有色纤维在纺织加工过程中不通过高温高压的染色工序,纤维的老化、并丝、损伤、收缩和变形现象大为减少,因此,缩短了生产周期,提高了产品质量,同时为纺织加工提供了良好的条件,对突出织物风格创造十分有利的条件。(5)织物染色工艺优化除了在色母粒制造和纺丝时纤维颜色调整过程中存有少量颜料随废丝(料)损失外,在纺前着色纤维正常生产过程中,颜料利用率接近100%,当干色含量接近2%时,即可获得深色,明显优于采用织物常规染色的染料利用率,且所用颜料价格便宜。普通染色工艺流程是白色坯布→前处理→高温高压染色→定型→打包。纺前着色只需在纺丝工厂增加1套小干燥、1套色母粒注射设备,可利用原有厂房空间,不需增加占地面积,直接使用有色丝加工织物的工艺流程:色织坯布→平幅水洗→定型→打包,因为简化了染色工艺,成本要比普通染色法降低55%以上,使得纺前着色在经济上颇具吸引力。(6)纺前脱色生产产生的废水在常规染色中,每染1kg纤维织物,则要产生2～10kg以上的废水,对环境污染较为严重。纺前着色生产过程中,除换色及清理设备时产生少量的废料,以及为冷却色母粒生产制备设备排掉少量冷却水外,正常生产中不需要载体或热水,所以它的生产过程几乎没有影响环境的废水产生,生产过程环保化。为此,纺前着色纤维可视为绿色纤维进行推广使用。1.3色母粒结构单一、品种不全、质量低纺前着色生产方式存在一定的不足,主要有颜色调整较为困难,配色需经过染(颜)料色母粒加工、着色纤维加工、纺织加工、染整加工各环节,且国内色母粒结构单一、品种不全、质量低,影响纺前着色纤维的加工成本和加工质量。例如,涤纶纺丝温度高,应选择耐热性高的染料。因此纺前着色的色谱调节不及一般染色法灵活,色泽上有一定的局限性,因此它还不能完全取代常规染色法;纺前着色由于加入了异类成分,纤维的强度比白丝降低4%左右,尤其在纺细旦丝生产中,设备清洗难,废料难回收,不适宜小批量生产等。2发展趋势2.1染色均匀度和坚定度纺前染色技术目前主要应用在生产专用品如汽车业、造船业、户外应用和土工布等方面,它在一切需要有高度染色均匀度和坚牢度的领域中已占据了稳固的地位,但在传统纺织行业中的应用还不多,随着环境保护意识的不断加强和技术水平的不断提高,正在越来越显现它的重要性,其应用领域必将不断拓宽。纺前着色纤维将由汽车内饰发展到绣花线、缝纫线、服饰面料、产业用纺织品等多个领域。2.2采用电脑脱色技术色母粒技术正向着科学、环保、高效的方向发展。色母粒生产企业应充分利用色母粒专业委员会提供的信息,制订行业标准,不断创新,开发多功能和高技术含量的色母粒产品,以满足市场的需要。纺前着色技术今后可采用电脑配色技术,实现色母粒切片熔融纺有色涤纶的多色配色效果,添加剂在纺丝染色前直接加入,可减少添加剂的热应力和停留时间,从而使色丝达到品种丰富、色谱齐全、色泽均匀、色牢度好、纤维着色鲜艳度好的效果。现在的纺前着色都设计成大批量连续化的生产线,今后应尽可能增加纺前着色纤维生产的灵活性。例如采用Maxflex体系,可以在不同的纺丝部位生产不同的产品,能经济地生产小规模高性能的纺前着色纤维。随着纺织技术的发展,复合型面料越来越多,纺前着色企业应加强技术研发,提高有色纤维差别化能力,开发纺前着色纤维的新品种,以满足面料加工的要求。2.3对环境的影响2004年世界聚酯生产量达到38600kt,其中纤维24000kt,聚酯瓶11000kt,薄膜3600kt。由于聚酯的分子结构稳定性强,不易降解,大量的废弃聚酯纤维、瓶和薄膜已造成严重的白色污染。如果埋填,既占土地,又影响植物生长;如果焚烧,对环境造成严重污染,甚至可能产生致癌物;如果堆肥,它是很难生物降解的物质,所以将废弃聚酯回收处理后作为涤纶纺织原料或用在工程塑料方面,实现废弃聚酯的再生利用。废弃聚酯经过回收、破碎、除杂、清洗、烘干、熔融纺丝纺制成涤纶短纤维,用于生产有色纺织品、非织造布、玩具充填料及其它后道产品,这样就从源头上消除了白色污染,保护了生态环境,降低产品的生产成本。3是解决纺前纺前染前行业发展中的突出问题由于色织和针织行业较大的原料需求和色纺产品自身的成本、价格优势、环保特征等因素的综合作用,纺前着色在色织行业有较大的发展空间,由于纺前着色纤维具有卓越的色牢度,工艺简单,节约能源,染色均匀性好,三废少等优点;且随着纺织科学生产技术的发展,纺前着色的色谱齐全,色泽鲜艳,也可用于小批量生产,相信聚酯有色丝的清洁生产不但在工业类还将在民用类纺织品展现它美好的发展前景。在环境要求越来越高的今天,世界的水资源问题日显突出,纺前着色的污水零排放,对当今环境保护和纺织业的可持续发展具有重大意义。鉴于我国目前高档次、高质量的纤维母粒生产企业少,色泽艳丽、技术指标要求高的色母粒的生产还有一定困难;纺丝企业的技术人员对染色色泽、色光控制、消光剂对色泽的影响等染色技术涉及不多,高档纺织品用纺前着色的质量控制技术还不成熟;