氮气与牛仔布生产
刘干民
（广东省纺织工程学会针织牛仔技术开发中心·众高技术 广东江门 529400）
摘要：牛仔布生产中的靛蓝染色与空气有关，之前认为只是与空气中的氧气有关，氮气的加入更是给牛仔布中的靛蓝染色锦上添花！本文探讨了氮气在牛仔布生产中靛蓝染色上的应用，给出了在靛蓝染色中化料储备预还原靛蓝与绳（束）状染色和浆染联合机染色过程中密封液面、延长渗透时间、减少染液氧化和保险粉的挥发的具体做法。这些做法能很好地提高靛蓝染料的上染率、提高生产效率、减少对环境污染，收到节能减排的良好效果。
关键词：氮气；氧气；牛仔布；靛蓝；染色
1．前言
一般来说，牛仔布的生产流程在靛蓝染色过程中，靛蓝显色氧化的时候需要空气中的氧气，氧气为靛蓝染色氧化必不可少的条件！什么时候牛仔布的生产与空气中的氮气又相关起来了呢？
其实，N2化学性质不活泼，在工业上常用它作隔绝空气的保护气，氮气是大气中占体积比例最大的气体，它无色无嗅无味，是不溶性双原子惰性气体，约占空气体积的78%，也是自然界存在最广泛的一种气体，纯氮气只需从空气中分离出来即可，随着科技的不断发展，被越来越广泛地运用到生产中来。
将氮气运用到牛仔布生产中是一项新技术，主要应用于牛仔布生产流程中的染色过程，也就是绳（束）状染色生产或浆染联合染色生产中，一般是在密闭染缸或储存桶中使用氮气。当然对于该技术的采用和在染色中的作用，仍有不同的看法。
2．氮气在靛蓝化料液存储中的作用
牛仔布靛蓝染色先要将靛蓝在烧碱保险粉的作用下还原成可溶于水的隐色体，这个过程在生产中的表现就是化料过程，按化学方程式计算的各染化料重量的理论比值为：
靛蓝∶保险粉∶烧碱=1∶0.66∶0.61
在实际化料过程中，由于保险粉的易挥发性、储液表面直接与空气接触、化学反应热造成的温度升高以及搅拌等因素的影响，保险粉和烧碱的消耗会比理论计算值大大增加，普通状况下的绳（束）状或浆染联合机靛蓝染色染化料实际用料比值大约为：
靛蓝∶保险粉∶烧碱=1∶（1.3～1.4）∶（1.0～1.2）
夏天会更高些，具体到不同厂家会依据颜色的工艺要求有所差异。这些化好的料叫补充液或者叫母液，至少会保存4小时或者根据需要会保存24小时和更长时间，在这个保存时间内由于补充液表面直接与空气接触会不断发生氧化反应，补充液中的保险粉也会自动挥发，这样要消耗掉不少的保险粉和烧碱。
因此，不断补充保险粉和烧碱、或在使用前追加相应的保险粉和烧碱是必须的选择。也就是说，与理论计算相比，保险粉和烧碱的用量要增加两倍或更多，这些增加的保险粉和烧碱其实对牛仔布的靛蓝染色是没有作用的，不但如此，还严重影响了化料室的环境，污染了空气，也让补充液的浓度控制增加了不确定性，是影响颜色重现性和造成前后色差的重要因素。
为解决这个问题，适当加大化料储存缸的容积和密闭状态，在化料储存缸中采用加注氮气的方法，让靛蓝的还原反应与空气（氧气）隔绝，并保持到整个染液的储存阶段。相比之下，使用氮气后保险粉和烧碱的使用量大幅降低，我们在化料实际中采用了与理化计算比值非常接近的用料比值：
靛蓝∶保险粉∶烧碱=1∶（0.5～0.6）∶（0.7～0.8）
利用氮气密封靛蓝母液可以保证预还原的母液不会被空气氧化，这样母液可以存放的时间更长，母液中的各组分更稳定，保险粉和烧碱的用量大大减少，节约了成本，降低了消耗，减少污染；同时，有利于颜色的稳定和质量的提高，为自动化料、自动补充的智能染料系统提供了条件。
3．氮气在靛蓝染色中的应用
无论是牛仔布靛蓝的绳（束）状染色还是浆染联合染色，均是通过多组染缸和氧化架的重复“浸轧+氧化”来实现的，为了得到更深的颜色和符合流行的洗水效果，“浸轧+氧化”的次数在不断增多，有的甚至达到了16道或更多，染缸也有不断加大的趋势，染缸容积一般在900～1800升左右，浆染联合机的染缸会小些，1200升/个居多；绳（束）状染色机的染缸大些，1800升/个或更大；若平均按8个染缸计算，一台靛蓝染色机的工作液量在7200升到14400升左右，这也是污水的最大源头。
靛蓝染色时，经纱在染缸工作液中浸渍，其目的是让工作液均匀充分地渗透到纱线表面，在一定的车速和染缸容量下，纱线的浸渍时间是一定的，这种渗透很大程度上决定了纱线颜色的深浅甚至色牢度，这也是人们为什么不断加大染缸的主要原因——即充分的浸渍和渗透。当带液的纱线一出染液表面就直接与空气接触，即开始了氧化过程，靛蓝隐色体氧化后即形成了不溶于水的显色体。
氮气的应用就在于阻止氧气与纱线和靛蓝染液接触，防止氧化过早的出现，从而让染液有足够的时间完成“均匀而充分的渗透”；也就是说，在纱线吸液泡和后，用氮气封闭纱线，脱离染液，在自由状况下（不是被染液压迫）让染液均匀渗入纱线内部，这样既可以保证甚至提高染色质量，又可以大大减小染缸中工作液的容量，从而实现小浴比染色，达到少产生污水的目标。下图是某型浆染联合机设置的应用氮气的染缸示意图（如图1、图2）。
图1 采用氮气的靛蓝染缸
注：1．纱线入口密封装置；2．纱线出口密封装置；3．轧车及传动机构；4．轧辊；5．轧辊；6．染缸整体；7．盖板；8．浸压辊；9．导向辊；10．溢流板；11．隔板；12．观察窗；13．加热装置；14．给液装置；15．给氮装置；16．气动控制装置。
图2 染缸中纱线的走向
这种应用氮气的染缸为封闭式，顶部及两侧有钢化玻璃门可打开检查，纱线通过入口密封装置（1）进入染缸之中，通过最上方两个以及最下方两个浸压辊（8）被导向轧车及传动机构（4），经过轧压后，导向染缸的第二腔室过导向辊（9）出口密封装置（2），完成靛蓝染色的浸渍过程。
从图上来看，染液容量约占整个染缸的四分之一，在正常染色液位时的总装液量为3970升，其余空间充满氮气，工作染液不及传统染缸的一半，染色前整个染缸内先充入N2，且染色过程中一直充入，以保证染液与空气完全隔绝，防止氧化，减少染液中保险粉的挥发，确保染液各成分含量相对稳定。
染缸中的第二腔室实际上是一个完全意义上的专业渗透缸，它与染缸中的第一腔室从中部下方隔开，顶部相互联通，纱线浸轧后直接进入渗透区，在未氧化之前让染料隐色体能充分渗透入纱线，以达到染深的效果。因此，带液纱线在氮气中与在染液中是一样的，即相当于整个染缸都是染液。这个过程就是纱线从染液中出来后即进入充满氮气的空间，此时，只有自由的渗透，没有氧化过程，当染液的渗透过程完成好后，再让纱线暴露在空气中，让其充分氧化。
4．结语
（1）因氮气应用专门设置的染液渗透区使得染液渗透到纱线中更均匀充分，与普通靛蓝染色相比，达到同样的染色效果时有利于缩短渗透时间，有利于提高氧化的深度，从而提高了色牢度。
（2）由于氮气的应用大幅度地减少染缸中工作液的存量，实现的是小浴比工艺，有利于加快不同染缸的循环，提高了工作液的均匀性和工艺的一致性，有利于减少色差的产生，更有利于减少污水排放量。
（3）由于氮气的应用染缸中的工作液不再与空气接触，氮气比重较空气重，工作液中保险粉的挥发会大幅减少，工作液表面不会发生氧化，从而减少了保险粉和烧碱的补充量，节约了成本，减少了污染。
（4）因氮气的应用靛蓝染色的渗透和氧化得以分开进行，可以更准确地计算车速、氧化时间、浸渍时间、渗透时间，有利于靛蓝染色过程的准确定量控制和自动化控制，为智能控制打下基础。
参考文献：
[1]NENNINGER.DENIM MASTER.贝宁格浆染联合机说明书[R].
[2]林丽霞,刘干民,杨慧彤.牛仔产品加工技术[M].ISBN978-7-81111-579-6,东华大学出版社.
作者简介：
刘干民，男，纺织高级工程师，主要研究方向纺织企业管理、产品开发、植 物靛蓝及产品、生态环保新技术的开发和应用、纺织染整传统生产厂的改造 和更新。
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