专家投稿
牛仔产业链中的绿色化学品与清洁生产新技术1
姚继明
任松鹤
河北科技大学纺织服装学院
石家庄美施达生物化工有限公司
2017/11/25
浏览数:882 (统计时间:2018年5月起)

牛仔产业链中的绿色化学品与清洁生产新技术

姚继明1,任松鹤2

(1.河北科技大学纺织服装学院  河北石家庄  050018;2.石家庄美施达生物化工有限公司  河北石家庄  050000)

       摘要:牛仔产业链长,使用化学品种类多,数量大,能源消耗大。本文从牛仔产业链涉及的染料、上浆、后整理及洗水工艺入手,对新型的绿色化学品及清洁生产技术进行了阐述分析,通过实验案例与传统工艺进行了比较,并对这几个方面的发展前景进行简单的预测。

       关键词:绿色化学品;清洁生产;环保型还原剂;无PVA浆料;低温退浆酶洗一浴法

 


 

前  言

       牛仔产业链可大致分为四部分:染纱织布,牛仔布后整理,服装制作及服装洗水加工。其中一、二、四部分需要使用大量的化学品,这些化学品包括染料、基础化学品和各种功能性助剂。传统的化学品有许多本身不环保,加之使用过程中利用率不高,浪费现象严重,更造成大量的废水废气排放;同时牛仔产业链长,加工工序复杂,能源消耗大。随着环保要求越来越严,牛仔产业传统的生产方式已不能适应新的要求,绿色化学品及清洁新技术将帮助牛仔产业华丽转身!

一、绿色化学品与清洁生产

       绿色化学品是指在生产使用过程中不会对人造成直接或间接伤害,且不会对环境造成直接或间接污染的化学品。绿色化学品有两个特点:

       (1)产品本身不会引起环境污染或健康问题;

       (2)当产品被使用后,应该再循环或易于在环境中降解为无害物质[1]。

       联合国于1989年首次提出清洁生产的概念,1998年进一步完善了清洁生产的定义。联合国环境规划署关于清洁生产的定义[2]:清洁生产是一种新的创造性的思想,该思想将整体预防的环境战略持续应用于生产过程、产品和服务中,以增加生态效率和减少人类及环境的风险。

       对生产过程,要求节约原材料和能源,淘汰有毒原材料,减降所有废弃物的数量和毒性;对产品,要求减少从原材料提炼到产品最终处置的全生命周期的不利影响;对服务,要求将环境因素纳入设计和所提供的服务中。

二、牛仔布生产

       1.牛仔布生产的工艺流程及常用化学品

       牛仔布生产包括经纱染色上浆、织造、后整理三大工序。经纱染色和上浆主要是针对纯棉、黏胶纤维与棉花混纺、苎麻与棉花混纺的经纱,染料以靛蓝和硫化为主,染色上浆后的经纱与本色或彩色的纬纱,采用三上一下的斜纹组织交织成织物,再经过烧毛、半退浆(退浆)、拱纬、拉斜、预烘、橡毯预缩和呢毯烘干等一系列后整理工艺加工成牛仔布。

       常用的化学药剂包括靛蓝染料、硫化染料、烧碱、醋酸、双氧水、保险粉、硫化碱、精炼渗透剂、柔软剂、上浆剂等。其中用量最大的是靛蓝染料、硫化染料、浆料。这些化学品中造成环境污染的主要来源是未上染的染料、水洗下来的浆料、未参与反应的保险粉和硫化碱等。

       2.绿色化学品,清洁生产的措施和实施情况

       2.1 染料

       2.1.1 靛蓝染料

       靛蓝染料是牛仔布染色加工中最重要的染料,全世界每年消耗的靛蓝达6万吨。随着人们环保意识的增强,相关环保法规的出台,以及印染行业清洁生产工艺的提出,都对靛蓝染料的生产和应用提出了更高的技术要求。研究新的靛蓝生产与应用技术具有重大的理论意义和应用价值[3]

       2.1.1.1 液体分散靛蓝

       传统的粉状靛蓝染色常常出现色泽不够艳丽、匀染性不佳、色光不纯、重现性差、还原温度高、得色量偏低等问题,为此国内外一些学者对于靛蓝染料的超细化和液体化进行了研究。沈阳化工研究院[4]研发了一种采用湿拼混法制备可湿粉靛蓝制剂的方法。江南大学许云燕等[5]采用超声波技术制备超细靛蓝染料。河北科技大学姚继明等[6]利用机械研磨方法制备出液体分散靛蓝,与其他超细靛蓝染料相比,加入合适的分散剂并通过篮式研磨仪的研磨,靛蓝的颗粒直径更小,储存稳定性更高。

       以有效染料含量相同的商品粉状靛蓝染料75g/L、液体分散靛蓝染料375g/L为基准,对比粉状靛蓝和液体分散靛蓝两种染料染色效果,发现液体分散靛蓝染料最优还原条件为还原温度40℃,还原时间46min,保险粉质量浓度126g/L,烧碱质量浓度98g/L;而商品粉状靛蓝的最优还原条件为还原温度56℃,还原时间26min,保险粉质量浓度165g/L,烧碱质量浓度108g/L。液体分散靛蓝染液的COD值为2414mg/L,粉状靛蓝染液的COD值为2552mg/L,液体分散靛蓝的K/S值比粉状靛蓝高10%左右。

       2.1.1.2 预还原靛蓝

       德司达和新加坡的Blueconnection等公司开发了液体预靛蓝,取代了传统靛蓝还原染料染缸(隐色体浓液)的观念,采用氢气取代保险粉,把靛蓝染料预还原成为隐色体,直接作为补充液使用,既减少了化料工序,又节约了烧碱和保险粉的用量;靛蓝的还原反应不会产生无机盐,减少工厂污水中不溶性废盐的排放,并降低了劳动成本,染色更加均匀,使用极为便利。如枣庄海扬王朝纺织有限公司使用德司达的40%预还原靛蓝,通过合理设计染色、织造和后整理工艺,可使牛仔布获得极佳的染色质量,以及更加合理的弹性和回复率,实现了牛仔布的顺利生产[7]

       2.1.2 硫化染料

       硫化染料是纤维素纤维染色应用中的主要染料之一。它的优点是生产工艺简短、价格低廉、日晒牢度良好、适用性强。尤其是可以得到牢度好的黑、蓝、棕等色泽。硫化染料本身是一种无毒染料,但染色时需加入还原剂,将其还原成与纤维有亲和力的水溶性隐色体,上染纤维后再氧化成为不溶性染料而固着在纤维上。

       目前世界上90%的硫化染料染色时的还原剂是硫化钠,而且是过量的。硫化碱在使用过程中会产生硫化氢气体,不但损害人体健康,腐蚀电器元件,其恶臭的气味还会残留在织物上,在热湿条件下织物容易发生脆损。其中过量部分的硫化钠就会产生含硫废水,这些硫化染料染色废水是较难治理的印染废水之一。如果将这些高浓度的含硫废水直接排放,对生物产生危害,腐蚀污水系统。

       2.1.2.1 液体硫化染料

       液体硫化染料是指硫化染料的隐色体溶液。液体硫化染料早在上世纪三十年代即在美国研究开发成功,至上世纪七十年代在欧美得以长足的发展。我国上海、石家庄等地在上世纪八十年代初也开始使用少量进口液体硫化染料,因其价格低廉、工艺简单、色泽深浓,至上世纪八十年代末,应用面逐渐扩大,并逐步国产化[8]。近几年在牛仔浆染加工中也得到了广泛应用。

       液体硫化染料与粉状硫化染料相比有以下的优点:

       (1)液体染料与专为此染料设计的还原剂,氧化剂、渗透剂使用时,不存在粉状硫化染料染色时硫化碱中含有的大量铁离子及杂质,不会使面料色泽变暗及摩擦牢度降低;尤其与此染料配套的渗透剂,染较厚的织物时,在较短时间内,织物内层纤维与表面纤维得色均匀。

       (2)操作简便,易掌握。

       (3)可用低温轧染,布面外观较好。

       虽然液体硫化染料与粉状硫化染料相比有着明显的特色和优势,但是液体硫化染料也存在着某些局限,如稳定性较差、抗冻性差、染料的色力小等。由于液体硫化染料稳定性差,易发生氧化及析出,因此要解决液体硫化染料稳定性差的问题,才可以更好地促进液体硫化染料的工业应用。

       2.1.2.2 粉状硫化染料+环保型还原剂

       粉状硫化染料优点如下: 

       (1)存放时间长,在包装完整的情况下可放置三年。

       (2)强度可达200分以上,力量较高。

       (3)运输方便。

       缺点是:

       (1)必须还原成隐色体后方与纤维素纤维有亲合力。

       (2)通常用廉价的硫化钠作还原剂,因工业硫化钠含有大量的硫化铁,在水中产生黑色的沉淀,染色易形成色斑及滤积等毛病。

       (3)硫化染料用的还原剂量不同,容易出现还原不足或过度的可能,染色时易出现色差。

      在染色过程中,大部分染料上染并固着在织物上,染色残液中含有部分未上染的染料、未反应的还原剂、还原剂反应后的产物、盐及碱等物质。染色残液是染色过程中排放的主要污染源。传统的硫化染料染色,由于采用硫化钠作为还原剂,染色过程中产生剧毒的硫化氢气体;同时,由于S2-的存在造成了染色废水难以降解。为了解决上述问题,人们采用对环境无污染的还原剂来取代硫化钠。在人们所做过的工作中,被用来代替硫化钠的无污染的还原剂有还原糖、二氧化硫脲、硼氢化钠等。

       姚继明等[9]对硫化钠、硫酸肼、葡萄糖、硼氢化钠作为还原剂还原硫化黑,以0.8g/L硫化黑为基准,取得相同染色深度时,所需的还原剂量分别为:硫化钠1g/L;硫酸肼1.11g/L,氢氧化钠1.84g/L;葡萄糖1.41g/L,氢氧化钠1.58g/L;硼氢化钠0.47g/L,氢氧化钠0.65g/L。染色后残液对应的COD值分别为:641.3mg/L,371.3mg/L,1552.7mg/L,135.0mg/L,说明采用葡萄糖作为还原剂,染色残液的COD仍然很高。

       河北新大东纺织有限公司采用石家庄美施达生物化工有限公司生产的环保型还原剂AS替代硫化钠还原硫化黑染料,通过测试染色织物的颜色性能、物理机械性能及染液的氧化还原电位、COD值等指标,分析了环保型还原剂AS的染色性能及成本。结果表明,与硫化钠相比,以还原剂AS作还原剂,可避免在化料、生产及后续加工中产生硫化氢气体,并降低染色残液COD值;染色织物的染色深度、色光、色牢度及耐拉伸性能基本相同,染色成本相当,表明环保型还原剂AS可以代替硫化钠,应用在硫化染料浆染加工过程[10-12]

       2.2 上浆

       牛仔布的经纱一般都较粗,断裂强度很高,牛仔布上浆更重要的目的是增强纱线的耐摩擦强度,减少伸长和贴伏毛羽。高速无梭织机对上浆纱的耐磨性要求很高,上浆纱不但要承受织造过程中机械与纱线间、纱线与纱线间的反复摩擦而不断头,同时还要接受摩擦过程中纱线产生二次毛羽的考验。近年来,随着高速织机的不断增加,高密类型纺织品不断开发,以及各种新纤维的大量使用,对经纱上浆质量的要求也愈来愈高[13]

       织造浆料从化学成分来看分为三大类,即淀粉类浆料、聚乙烯醇(PVA)类浆料和丙烯酸类浆料。此外,以上述原料为基础,通过复配、改性、聚合等手段能够直接用于经纱上浆的组合浆料,近年来也得到迅速发展。1996年全国浆料会上提出浆料的发展方向是“高质量、多功能、少组分、系列化、少用和不用PVA”。

       PVA可溶解于热水,成膜能力很好,浆膜强力高,伸度大,耐磨性好,对各类纤维均有良好的粘附性能,赋予纱线较高的强力,从而大大地提供织造效率,因此PVA曾被广泛使用。然而使用PVA进行纱浆生产,却存在着不易降解,退浆废水污染严重,退浆较其他浆料困难,对印染整理质量有影响,价格高,退浆污水处理成本高等缺陷。

       减少PVA的用量,有利于资源的可持续利用和纺织行业的可持续发展。为降低不环保浆料对生态环境的破坏,使用无PVA浆料来代替曾经广泛使用的PVA浆料,已成为浆料与浆纱工作者的共识。

       目前,无PVA上浆的概念更加严格:“即配方中明显无PVA组份、同时配方中的其他浆料组份中也不能含有PVA成分”,因为只要有PVA,就难降解,就不是生态友好。随着对节能减排环保要求的认识不断提高,反应了棉纺企业对不用PVA上浆从被动→主动→积极响应的转变。

       2.3 后整理

       目前行业中有部分企业使用机械方式进行柔软整理,比如平幅空气柔软烘干整理机。其利用风动的原理,将加温的热气流以超音速的速度送进喷风盒,吸进面料,并在加速度中将面料加以揉搓,面料在被喷出风管时失压使面料得以膨化。在面料撞击到栅板时又得以适度的撞击摔打,来回运动周而复始。风管内壁形成的气流边界层对面料起到充分的气垫保护作用,使面料得到有力但又柔和的处理。

       在处理过程中,织物与气流、织物与管壁、织物与织物、织物与栅格之间不断摩擦、揉搓、拍打以及在助剂的作用下,使纤维的内应力彻底消除,产生蠕动、蓬松,甚至微纤化,从而使织物获得滑桑、柔软、蓬松的手感。

       工艺实例:

       采用AIRO-1000气流柔软整理机。

       车速:1000m/min;风量:85%;气流温度:100℃;处理时间:20min。

       处理后的织物有如下特点:

       (1)无张力、柔软、蓬松、预缩、悬垂、尺寸稳定、松弛、丰满。

       (2)特别硬的面料可达到纤维打开后的蓬松效果,抗起球效果。

       (3)色织面料的层次感及色彩丰富感、印花面料表面柔软及均匀。

       (4)增加磨毛类织物表面毛感及柔软度。

       机械柔软整理是利用机械物理作用,在整理过程中不加化学药剂,整个加工过程属于绿色整理,是今后柔软整理的一大发展趋势。

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