纯棉筒纱低温前处理研究实验方案.doc

纯棉筒纱低温前处理工艺的研究摘要节能、环保、高效是21 世纪染整工业可持续发展的方向。节能、环保、高效是 21 世纪染整工业可持续发展的方向。前处理的能耗和污染是染整加工中最突出的问题，因此开发环保型低温高效助剂，进行前处理工艺革新，势在必行。无 AOX 污染的双氧水漂白技术因其良好的漂白效果和广泛的适用性，越来越广泛地应用于纺织品漂白中。然而常规双氧水漂白一般需在接近沸点的条件下进行，不仅能耗大，且易造成纤维的过度损伤。尤其对于多组分面料，常规双氧水漂白容易导致某组分严重损伤或另一组分漂白不足的情况。本论文针对练漂技术存在的问题，利用环保经济型双氧水漂白活化剂,开发棉纱线的低温练漂工艺，为攻克筒纱的漂白难点并实现纺织染整业的节能降耗作有益探索。前处理是染整加工过程中的基础工序,它的主要目是去除纤维上的各种杂质，提高纱线的润湿和白度，为后续加工(染色等)提供满意的半成品为主要任务，然而常规染整加工中前处理过程对能源消耗，对环境的污染相当严重,其主要原因是传统前处理加工在高温、强碱的条件下进行。近年来出现的低温前处理是一类新型前处理方法的统称，这种前处理方法的特点是前处理温度低于常规方法，前处理温度基本在80以下，有节能、环保、高效的特点。本论文研究的纯棉筒纱低温前处理的影响因素，以及作用机理并且针对筒纱低温前理优化了一套工艺。低温前处理主要指练漂方面，本论文研究了影响低温练漂的各种单因子因素包括温度、双氧水浓度、氧漂活化稳定剂TANEDE GREEN浓度、精炼剂Clarite One浓度等,通过正交试验分析了各个因素之间的关系,并且通过比较低温前处理同常规处理毛效、白度、强力、聚合度和染色性能对两种处理的效果作了全面的对比，研究结果表明：低温前处理的毛效能达到常规前处理的水平，白度和染色性略低于常规前处理，由于该工艺纤维损伤少，能耗低，对环境污染小，应用前景良好。关键词:筒纱、前处理、双氧水、漂白RESEARCH ON LOW TEMPERATURE PREPARATORY TREATMENT OF PURE PURECOTTON YARN IN CONEABSTRACTEnergy saving, environmental protection, and high efficiency are the sustainable development directions of dyeing and finishing industry in the 21st century. The energy consumption and pollution in textile pre-treatment are the most prominent problems in dyeing and finishing process. Thus, it is imperative to develop environment-friendly, low-temperature and high-performance agent for pre-treatment innovation. Hydrogen peroxide bleaching process without AOX pollution were more and more widely used in textile bleaching because of its excellent bleaching effect and wide applicability. However, the conventional hydrogen peroxide bleaching process was usually close to boiling point, which consumes much energy and easily results in excessive damage of fibers. Especially for multi-component fabrics, conventional hydrogen peroxide bleaching may easily lead to serious damage for one component and poor whiteness for another component. According to the problems of hydrogen peroxide bleaching technology, in this paper, environmentally friendly hydrogen peroxide bleaching activator was developed and low-temperature bleaching process for cotton yarn and fabric was optimized， which was significant to overcome difficulties in cotton fabric bleaching and achieve energy-saving in dyeing and finishing industry. 第一章 前 言1.1 课题的背景及意义筒子纱是纺织行业纺纱厂的络筒工序的产出品,是从上道工序的细纱机或捻线机上落下来的管纱,根据织布工厂、或针织工厂、或毛巾厂等用纱的后道工序的要求,使纱线长度接长并清除纱线上疵点和杂质、在络筒机上通过槽筒或急行往复的导纱钩重新卷绕成无边或有边的、绕成一定形状(如圆锥形,也有圆柱形)的、形成卷绕密度的较大体积的筒纱,通常称为“筒子纱”。棉花是世界上最主要的农作物之一，同时全球对棉花的总需求量也逐年增加。棉纤维能制成多种规格的织物，适于制作各类衣服、家具布和工业用布，棉织物在纺织服装领域的应用尤其广泛，被誉为温暖、健康、环保的绿色产品。一方面由于棉纤维较细且带有天然卷曲，截面有中腔，其蓄热能力强，保暖性好。另一方面，棉纤维是绿色环保的纯天然纤维，其自然柔和，对皮肤无刺激，不易滋生细菌。但纯棉筒子纱的染整前处理要求去杂要净,白度要高、毛效要好且内外均匀。但由于棉纤维的组织结构紧密,天然杂质及棉籽壳不易充分去除, 以染色为例，前处理的处理效果会影响到白度、吸湿均匀性，此外还包括纱线内在强力损伤等。这些指标对后续筒纱染色的层差性、匀染性、鲜艳度以及重演性等均会造成影响。为了保证筒子纱加工质量，普遍采取提高烧碱、双氧水及化学药品用量的前处理加工工艺。这样不仅工序路线长,而且烧碱、双氧水、化学品用量大、工艺能耗高,废水污染高,尤其是易使纤维脆化,纤维受损造成废品。随着生物工程、精细化工和电子技术的迅速发展，各种高效环保的前处理助剂、清洁生产新工艺的开发,给前处理工序提供了合并工序、节约能源、减少污染的可能性。本课题在查阅国内外相关资料的基础上，深入了解国内外棉筒纱低温前处理的研究现状和应用情况，结合前处理染整的实际需要，寻求和适合筒纱练漂的活化剂，为筒纱的前处理寻找一种节能、环保、高效的工艺。低温高效漂白活化剂的应用和练漂工艺的构建有利于企业提高生产效益，有利于资源高效利用，有利于纺织印染行业的可持续发展和提高纺织品国际竞争力。1.1.1棉纤维的结构和组成成分天然棉纤维中除了含有 90%-94%的纤维素成分以外，还含有 6%-10%的天然杂质。棉纤维是由角质层、初生胞壁层、次生胞壁层和中腔组成【1】。其中初生胞壁层以外的角质层中含有果胶、蜡状物质、蛋白质等杂质，其疏水的特性对棉纤维生长过程中起到了保护作用。表 1-1纤维素共生物在棉纤维中的分布 2组成成分纤维素的组成约/%初生胞壁的组成约/%纤维素94.054.0果胶物质1.28.0蜡状物质1.314.0蛋白质0.68.0灰分1.23.0其他物质1.712.01.1.2棉纤维中的天然杂质果胶物质主要由 D-半乳糖醛酸脱水缩合，由-1,4 糖苷键形成主链，棉纤维中的果胶由分子量不同和酯化程度不同的中性和酸性的多聚半乳糖醛酸组成 3，主要分布于棉纤维的初生胞壁中，占棉纤维干重的 0.9-1.2%左右，随着棉花纤维品种的不同，果胶物质的含量也有所差异。棉纤维中的果胶类物质是天然物中最复杂的杂质，通常以难溶的果胶酸的钙、镁盐及甲酯的形式存在，其作用是将蜡状物质、蛋白质、灰分等杂质连结在一起 4,5，也可能与纤维素以酯键形式结合在一起，封闭了纤维素上的部分羟基，使其润湿性受到影响。果胶类物质、蛋白质、蜡状物质等以网状结构覆盖在棉纤维表面，并通过化学键与其相连。同时，果胶类物质之间又通过 Ca2+的盐桥作用相互连接在一起, 如图 1-2。图 1-2 棉纤维中各组成成分的相互连接方式 6通过棉纤维表面各种杂质间的连接方式可知，果胶类物质在纤维素表面起到了“粘着剂”的作用，果胶类物质的去除可以打断纤维素与天然杂质之间的连结，有利于蜡状物质、蛋白质等杂质的去除，因此果胶类物质的有效去除对精练起到至关重要的作用。在棉纤维中，部分非水溶性物质称为蜡状物质，其主要存在于纤维初生胞壁的最外层和角质层，含量约占棉纤维的 0.5-1.3%。棉蜡是含有多种物质的混合物，其中含有脂肪族高级一元醇，如棉醇(C30H61OH)、蜡醇(C26H53OH)等，此外还含有多种软脂酸、油酸和硬脂酸以及它们的盐等。棉纤维上的蜡质主要为了防止棉纤维内部水分及营养成分的流失，同时可以保护棉纤维抵抗外界的物理化学及机械损伤。在棉纤维的生产加工过程中，分布在棉纤维的表层蜡质可以减少纺纱过程中的摩擦，减少断头的产生，同时赋予柔软的手感。但是，在染整加工过程中，由于蜡质的疏水性，会阻碍助剂、染液等渗透进入纤维内部，不利于后道染色、整理工序的进行。因此，精练过程中如何有效地破坏棉蜡的连续结构，让加工试剂通过纤维最表面的这层疏水保护层，同时保留部分有益蜡质来保证柔软的手感显得极为重要。此外，棉纤维上的杂质还包括灰分、色素、棉籽壳等。其中灰分主要是由各种钾、钠、钙、镁盐组成，其比重约占棉纤维 1%-2%，主要通过水洗去除。而色素虽然在棉纤维上的比重不高，但其对棉织物的白度影响很大。色素主要有黄柏素或棉色素组成，其通常是在漂白过程中被去除。而棉籽壳是在加工过程中形成的，主要来源于棉籽的部分碎屑，通常通过纤维连结在织物表面或镶嵌在纤维之间。同时由于棉籽壳呈现褐色或黑褐色，它的存在会影响染色的均匀度以及织物的外观，棉籽壳的去除也通常在漂白过程中完成。漂白过程中被去除。而棉籽壳是在加工过程中形成的，主要来源于棉籽的部分碎屑，通常通过纤维连结在织物表面或镶嵌在纤维之间。同时由于棉籽壳呈现褐色或黑褐色，它的存在会影响染色的均匀度，棉籽壳的去除也通常在漂白过程中完成。1.2.常规前处理技术现状棉纤维中的果胶、棉蜡等杂质主要集中在棉纤维的初生胞壁层，在棉纤维表面形成天然的疏水层，这不仅影响棉针织物的润湿性、白度，还会影响到后续的染色等加工。因此，去除果胶质和蜡质等杂质，改善棉针织物的润湿性和外观，是棉针织物印染加工中必不可少的一道工序。目前的研究认为，棉纤维中的果胶和蜡质，尤其是蜡质在纤维表面的分布情况是影响棉针织物润湿性的主要原因，因此棉筒纱前处理加工的最主要目的是去除果胶、蜡质等天然杂质。1.2.1碱精练坯纱一般具有黄褐色泽, 吸水性差, 这主要是由于棉杂所致。染整工程主要是以水为溶剂所进行, 因而棉纱线必须具有良好、均匀的润湿性。主要以碱剂(NaOH、Na2CO3、Na2SiO3)对棉纤维进行高温、长时间湿热处理。使果胶酯键水解为羧基钠盐或分子断裂, 从而提高其在水中的溶解度,以脱离纤维。蛋白质在碱的作用下, 酰胺键水解成简单的氨基酸,进一步成为钠盐而去除。蜡状物中的脂肪酸类物质在热碱液中会皂化而溶解,其余的高级醇等借助乳化作用而去除。棉籽壳中的纤维素虽然不会发生变化, 但其中果胶、油蜡、蛋白质也会与碱发生作用而去除。木质素也能去除,但机理不清。然而高温, 甚至高压, 长时间的碱处理, 不仅能耗大, 对纤维损伤大,而且污染也大。一些与棉纤维混纺的纤维有的可能还承受不了如此剧烈的处理而丧失其品质。同时纱线筒子染色也不容许设备长时间用于前处理,更何况高浓度的碱液使棉纤维产生溶胀及收缩, 破坏了原来比较均匀的纱线卷绕结构,会造成染色内中外色差。我国染纱行业相当长时间内棉纱筒子染色未能推广使用, 很大一个原因就是沿用了传统的高浓度碱前处理,致使内中外色差大, 不能达到标准要求。直到目前采用了碱与双氧水一浴法前处理, 才使棉纱筒染有了一个飞速的发展。1.2.2漂白染整工业中常用的漂白剂为氧化性漂白剂, 如次氯酸钠(或漂白粉)、过氧化氢、亚氯酸钠等。臭氧漂白虽有报道, 却未能推广。其中氯漂相对成本低, 在低温下也有很好的漂白作用, 因而被广泛应用。棉纱线的绞纱染色前处理大部分采用氯漂, 但是氯漂过程中会形成高毒性的、可吸附性有机卤化物(AOX), 其排放后对饮用水源构成很大的危害。亚氯酸钠漂白虽然有很好的效果, 但设备防腐蚀及生产过程中的污染也使之受到限制,因而在棉纱线筒子染色中绝大部分采用过氧化氢漂白。漂白一般在碱性条件下进行，是一个非常复杂的反应过程。过氧化氢的分解产物很多，加之人们对棉等纤维中的天然色素分子结构的认识还不够精确，过氧化氢的漂白机理迄今还未有定论。但从已知色素的基本知识来看，认为是天然色素的发色体系在漂白过程中遭到破坏，从而达到消色目的。过氧化氢又称双氧水(H202), 是一种氧化性漂白剂, 通常市售双氧水浓度为30%左右。由于其在碱性条件下极易分解, 因而商品过氧化氢中加有酸类,作为稳定剂, 使用时需另外调整pH值。 其在碱性条件下，过氧化氢主要按下式分解 4,5： 当 pH11.5 时，过氧化氢的分子大部分以 HO2存在。可能与色素中的双键发生加成反应，使色素中原有的共轭系统被中断， 电子的移动范围变小，天然色素的发色体系遭到破坏而消色，达到漂白目的。但HO2是不稳定的，能按下式分解成氢氧根离子和初生态氧：该活性氧与色素发色团的双键发生反应，产生消色作用 6:其中O起漂白作用, 通常认为HO-2 是漂白的主要成分。氧漂不仅使纤维漂白,还有利于棉籽壳的去除。过氧化氢在漂白过程中, 除了对色素有破坏作用外, 对纤维素也会有损伤。在有催化剂存在的条件下, H202 被分解产生O2, 使双氧水失去漂白作用,增加了双氧水的消耗。从上述机理分析可知, O2 并不起漂白作用, 但它会渗透到纱线内部, 在高温碱性的作用下, 将使纤维发生严重降解。若形成各种游离基, 特别是生成高活性的HO, 虽然也会使色素受到破坏(漂白),但也会使纤维受到损伤,纱线强力降低，以降低织造和络筒效率。这种催化剂一般是铜、铁等重金属离子, 一旦产生作用后果将不可挽回。因而在氧漂时, 不仅要严防有铜、铁等重金属离子存在, 还应加入一定的稳定剂, 如硅酸钠或其他络合物。由于常规前处理工艺能耗大，污染重以及极易造成棉纤维的氧化损伤 10，这都是长期困扰业界的一个难题。，发达国家相继研究开发了各种高效环保的前处理助剂、精密自动的测控仪器和清洁生产新工艺，给前处理工艺提供了合理流程、节约能源、减少污染和清洁生产的可能性 11。1.3国内外棉筒纱低温前处理练漂研究现状练漂是提高筒纱续染色等性能的必要步骤。目前常规的碱漂主要是高温条件下的碱氧练漂工艺，该工艺虽然能使纱线获得较好毛效、白度等性能，但由于练漂需要高温、高碱的极端条件，致使能耗高、污染大，同时容易造成织物损伤。因此，低温漂白技术就是在这样的现实条件下被提出的，低温漂白技术通常可以通过多种途径来实现，目前最为常见的是低温活化漂白工艺，此外还有生物酶漂白等。其中双氧水活化练漂的概念首先是由美、日等发达工业国为降低工业洗涤温度而被首次提出并研发，随后被应用于造纸、纺织染整等领域。染整练漂过程中加入活化剂主要是为了解决传统碱氧漂白的高温、高能耗以及纤维损伤问题。过氧化氢活化漂白的原理是在漂白过程中，活化剂与过氧化氢碱催化产物 HOO-反应产生过酸，而过酸是一种氧化性较过氧化氢强的氧化剂，在 50-70 范围内能有效练漂39，通过过棉籽壳等杂质的去除以及酸对色素的漂白作用，从而实现低温练漂，达到节能降耗的目的。生物酶练漂技术目前尚处于研究阶段，目前较为关注的是采用氧化还原酶练漂，研究最多的有三种，即锰过氧化物酶、漆酶、葡萄糖酶氧化酶 40，虽然，生物酶在棉织物练漂工艺中的应用和研究已经有了很大的进展，部分较为成熟的酶制剂也在市场上有售，但生物酶漂白由于酶本身的一些特性，导致其环境适用性较一般化学助剂差，至今未能实现大规模的工业化应用。这与碱氧精练相比，酶练漂后存在杂质去除率较低、筒纱润湿性差毛效不够等问题，因此其规模化的应用仍处研究阶段。1.5纯棉筒纱低温练漂助剂的作用原理 在常规的漂白工艺中，为了得到较高的纤维白度。需要对织物进行高温、高 pH 值或长时间处理，这样的处理条件常会损害纤维的质量，使纤维的强力下降。而且双氧水的漂白效率低，对资源造成了极大的浪费。为了得到理想的漂白效果，又不损伤纤维，还能提高漂白的效率，就必须对现有的漂白工艺条件加以改进。20 世纪末开发的活化双氧水漂白体系新技术，为此开辟了一条有效的道路。在双氧水漂白过程中加入某些活化剂，活化双氧水作为氧化剂的能力，提高双氧水的漂白效率。在常规双氧水漂白的温度范围内即可明显提高漂白效率，在较低温度及 pH 值的条件下，可以达到需要的白度，且可以在原有的设备上实施。筒纱煮练主要是去除棉纤维上的伴生物，如果胶质、棉籽壳、油脂、蜡质、含氮物质以及灰分在氢氧化钠作用下，大部分杂质可以转化为水溶性物质或被皂化，皂化产物又乳化高级醇，最终使杂质脱落精练剂具有优异的渗透、乳化、分散和螯合功能，是前处理工艺中不可缺少的助剂。要使双氧水漂白温度降低，必须使用能提高双氧水有效分解的漂白活化剂。漂白活化剂在碱性双氧水溶液中与过氢氧阴离子反应生成过氧酸，而过氧酸是一种氧化性能比双氧水更强的氧化剂，漂白作用更明显。目前，已开发的活化双氧水漂白化合物大致分为：（1）酰基化合物如四乙酰乙二胺(TAED)和壬基酰氧基苯磺酸钠(NOBS)，其反应通式如下：(2) 氰类活化剂，氰基与过氢氧阴离子反应后生成活泼性很强的亚胺过酸，亲核试剂过氢氧阴离子与氰基很易反应，进攻活化能较低，使漂白温度得以降低反应通式如下： 基于上述基本机理，创新并研发了高效活化稳定剂TANEDE GREEN，并配合练漂精练剂Clarite One。两者配合使用于棉筒子纱低温前处理工艺的练漂并探讨最佳工艺。1.6 .本课题研究的目的与内容1.6.1课题研究的目的棉纱前处理一般都是在高温条件下进行，而NaOH直接担负着除杂作用，杂质会对NaOH产生消耗，但NaOH同时也为H202的分解提供合适的pH条件，所以在氧漂中，漂液自始至终需要保持适量的NaOH。此条件下棉纤维与NaOH作用，能够导致棉纤维氧化，由于纤维素剩基环氧化而产生的醛基能使D葡萄糖甙键对碱变得敏感，而引起聚合度下降，造成纤维脆损，强力下降，显然NaOH用量至关重要。而H202的有效用量直接关系到其对纱线天然色素的分解能力，决定前处理白度。为了改进棉筒纱前处理工艺,降低碱用量和汽蒸能耗,减少前处理过程中纤维受到的损伤，保持纱线强力以提高织造和络筒效率，本课题对棉筒纱低温前处理工艺进行探讨，利用双氧水活化稳定剂TANEDE GREEN，并配合练漂精练剂Clarite One对棉筒纱进行前处理。1.6.2课题研究的内容本课题旨在优化工艺，节水，节约时间和燃气，降低二氧化碳的排放，减少废水的COD值减少刺激性强的化学品。研究内容如下：(1)利用单因素法对影响棉筒纱低温前处理效果的TANEDE GREEN、Clarite One、H202的用量、温度、处理时间等条件并结合正交实验进行优化最佳工艺。(1)棉纤维除杂效果的 FTIR-ATR 及 EDS 分析，分析前处理的低温最佳工艺与常规练漂处理纤维的去杂情况、外观形貌变化等性能。(3)研究在最佳工艺条件下筒子纱与传统练漂处理效果进行内外层白度、强度、毛效、聚合度、染色性能的比较第2章 实验部分2.1 实验材料、化学品及仪器2.1.1 实验材料纯棉筒子纱：CM402.1.2 实验仪器本实验所用实验仪器名称、型号和生产厂家如表2-1所示。表2-1 实验仪器仪器名称型号生产厂家电热恒温水浴锅HH-S4常州国华电器有限公司精密增力电动搅拌器JJ-1常州国华电器有限公司电热恒温鼓风干燥箱PHG-9076A上海精密实验设备有限公司电子分析天平CP225DGermany sartorius轧车Mu5057北京纺织机器材研究所摩擦牢度试验机Y571B温州纺织仪器厂耐洗色牢度实验机SW-12A无锡纺织仪器厂思维士电脑测色仪SF-300思维士科技公司傅立叶变换红外光谱仪FTIR-5700美国Nicolet公司离心机800常州国华电器有限公司数字显示粘度计SNB-1上海精密科学仪器有限公司2.1.3 实验用化学品本实验所用实验药品的名称、规格和生产厂家如表2-2 所示。表2-2 实验化学品药品名称规格生产厂家二甲胺分析纯西安化学试剂厂三乙胺分析纯西安化学试剂厂二乙烯三胺分析纯天津市化学试剂厂三乙烯四胺分析纯天津市化学试剂厂四乙烯五胺分析纯天津市化学试剂厂环氧氯丙烷分析纯宁波市乐嘉化工有限公司冰醋酸分析纯西安三浦精细化工厂无水碳酸钠分析纯天津市巴斯夫化工有限公司氯化钠分析纯天津市化学试剂厂皂粉工业级南风化工集团股份有限公司直接湖蓝5B工业级上海万德染化有限公司直接嫩黄GR工业级上海万德染化有限公司直接大红4BS工业级上海万德染化有限公司活性艳红K-2BP工业级上海万德染化有限公司直接湖蓝5B工业级上海万德染化有限公司直接嫩黄GR工业级上海万德染化有限公司直接大红4BS工业级上海万德染化有限公司活性艳红K-2BP工业级上海万德染化有限公司活性艳蓝B-RV工业级上海万德染化有限公司活性藏青B-RV工业级上海万德染化有限公司无醛固色剂2011工业级杭州恒丰纺织助剂有限公司固色剂HF工业级杭州恒丰纺织助剂有限公司2.2 实验方法及工艺2.2.1筒纱常规前处理练漂工艺配方对筒纱进行常规前处理，浴比10:1，练漂剂用量如表1所示，前处理工艺流程见图1。表1 常规前处理中处方用量助剂名称用量/g/lF-MFB2NaCO34 NaOH(32%)3H202(27.5)8HAC0.3S-NS1DM8690A0.1840 1 1 13/min Na2CO3F-MFB NaOH H2O28011030min40 S-NS 9010min80 40 HAC DM8690A5min5010min入水 455minH202/ TANEDE GREEN体系的棉纱低温漂白技术研究利用低温高效氧漂助剂TANEDE GREEN，构建 H202/TANEDE GREEN绿色漂白体系，探讨棉纱的低温漂白工艺。通过对 H202/ TANEDE GREEN 漂白机理的探讨，考察 H202和TANEDE GREEN 的用量、体系 pH、漂白温度和漂白时间等对漂白效果的影响，优选出 H202/ TANEDE GREEN体系的棉筒纱低温漂白工艺。比较棉纱的 H202/INOBS 体系、H202/NOBS 体系和常规高温H202/NaOH 体系的漂白效果。1.H202与TANEDE GREEN用量对漂白效果的影响过氧化氢是漂白液的主体成份，对漂白效果起主要作用。TANEDE GREEN引入双氧水漂白液中，与过氧化氢作用，产生的新物质对漂白效果有很大影响，故实验先研究H202与TANEDE GREEN用量对漂白效果的影响。设定工作液 pH 1112,漂白温度 70，漂白时间 55min，Clarite One浓度0.4ml/L比较TANEDE GREEN用量分别为 0、0.75、0.85、0.9、和 1ml/L 时H202的量分别为2、2.5、3.0、3.5、4.0ml/L的漂白效果，探索 H202和TANEDE GREEN 的用量作图得出H202和TANEDE