棉織物高濃度雙氧水低溫低堿前處理工藝

[編輯:Cyx]  [發布時間:2015-11-26 14:11:11]  []

羅維新 秦新波 李春光 鐘毅
（華紡股份有限公司東華大學生態紡織教育部重點實驗室）

　　摘要：針對純棉機織物常規高溫前處理工藝存在的強力損失和能耗較大等問題，試驗采用高濃度雙氧水低溫低堿工藝對純棉機織物進行一步法處理。通過單因素實驗探討了各工藝參數對前處理效果的影響，并優化了工藝條件。結果表明：織物在30%H₂O₂80g/L，NaOH20g/L，50℃下堆置90min，就能獲得很好的半制品，在該體系中加入4g/L的漂白活化劑DZ-1，能大幅提升半制品的質量。該工藝具有顯著的節能減排、高效和生產成本低的特點。
　　關鍵詞：前處理；雙氧水；高濃度；低溫；低堿；棉織物
　　棉機織物的前處理一般采用高溫堿煮為主的退漿、煮練及高溫氧漂工藝，該工藝雖具有很好的前處理效果，但處理條件劇烈（高溫、強堿）、能耗大（約占染整加工總能耗的70%）、排污量大。此外，織物在高溫強堿條件下處理，強力損傷較大，手感也較差。隨著能源、污水處理費用的不斷攀升，前處理的能源及排污成本嚴重影響了企業了效益。因此，開發低溫、環保、高效的前處理工藝已成為當前研究的熱點和重點。本試驗嘗試采用高濃度雙氧水低溫低堿工藝對純棉中厚機織物進行一步法前處理。

　　1 高濃度雙氧水低溫低堿前處理工藝基本依據
　　1.1 低溫前處理的基本原理
　　棉織物的前處理主要是去除棉纖維上的共生物、色素和漿料。要實現低溫前處理，必須分別實現低溫煮練和低溫漂白。
　　棉織物的煮練主要是去除棉纖維上的漿料、果膠、蠟質、含氮物質及灰分等雜質，主要依靠表面活性劑的潤濕、滲透、乳化、分散等物理作用及燒堿對一些雜質的水解和皂化等化學反應共同完成。眾所周知，化學反應的速率取決于反應溫度、反應物的濃度和催化劑的使用。一般而言，反應溫度提高10℃，反應速率可提高2~3倍。提高反應物的濃度，有利于反應向生成水解物的方向進行，從而提高反應速率。此外，選擇優異的催化劑可以降低反應的溫度。煮練時燒堿本身就是催化劑，傳統冷軋堆煮練工藝就是利用提高燒堿濃度和延長反應時間來實現低溫煮練。
　　棉織物的漂白主要是借助雙氧水的氧化作用對有色物質的發色基團進行破壞而使其消色。除氧化色素外，雙氧水也可氧化纖維上的一些伴生物和漿料，能進一步的去除雜質。雙氧水的活化能較高，在低溫下分解緩慢，通常采用如下兩種方法來實現低溫漂白：一是提高雙氧水濃度并延長處理時間，如冷軋堆漂白工藝，通常需堆置18~24h才能獲得滿意的白度；二是采用漂白活化劑或催化劑來促進雙氧水在低溫下的有效分解。漂白活化劑是一類有機過酸前驅物，在堿性雙氧水溶液中與HOO-反應可釋放出過氧酸。過氧酸的氧化性比雙氧水強，可在低溫下發揮優異的漂白作用。目前，已開發的漂白活化劑主要有四乙酰乙二胺（TAED）、壬酰氧基苯磺酸鈉（NOBS）和N-[4-（三乙基銨甲撐基）]己內酰胺(TBCC)等。漂白催化劑主要是一些模擬過氧化物酶活性中心結構的金屬配合物，如酞菁、大環多胺的鐵、錳、鈷等金屬配合物。這些金屬配合物與雙氧水作用，可生成氧化性極強的高價態中間物質（如LFeⅣ=O、LMnⅤ=O等，L為配體），能夠在較溫和的條件下氧化色素達到漂白目的。在體系中加入活化劑或催化劑，可將傳統冷軋堆漂白工藝的漂白時間縮短至4~6h，大大提高加工效率；而對于傳統高溫（98℃~102℃）熱漂工藝，則可將漂白溫度降至80℃甚至更低，可節省大量的蒸汽。
　　1.2 高濃度雙氧水低溫低堿前處理工藝的提出
　　冷軋堆堿氧一浴法工藝與傳統退、煮、漂工藝相比，具有加工流程短、節約能源、加工成本低、設備一次性投資少等優點。但傳統冷軋堆堿氧一浴法工藝中所用的燒堿濃度很高（約40~60g/L），即便是在低溫下堆置，經過長時間（18~24h）的反應，還是會對棉纖維造成潛在損傷，而且手感變硬，影響產品質量。這主要由于高濃度燒堿條件下，雙氧水無效分解過多，產生的自由基也較多，使纖維受到過度氧化。為降低或消除這種負面影響，我們嘗試采用降低燒堿的用量及提高雙氧水的濃度的工藝對純棉中厚機織物進行低溫前處理。
　　降低燒堿的用量是基于兩方面的考慮：一是提高雙氧水的利用率及降低纖維強力損失的幾率；二是表面活性劑的耐堿性問題。燒堿對雙氧水的分解有一定的活化作用，提高燒堿的用量，可加快雙氧水的分解，但同時其無效分解也增多，不僅造成浪費，而且對纖維造成潛在損傷的幾率也會增大。如前所述，棉織物的煮練是由燒堿和表面活性劑的共同作用完成。對于許多性能優異的非離子表面活性劑，其親水基團在強堿性條件下易被破壞而產生漂油、絮凝等現象，從而限制其使用。脂肪酸甲酯乙氧基化物（FMEE）是一種除油去蠟優異的非離子表面活性劑，其去油力是脂肪醇聚氧乙烯醚1.5倍，是三乙醇胺油酸皂的2.5倍。在除蠟方面，FMEE的除蠟能力是脂肪醇聚氧乙烯醚1.6倍，是三乙醇胺油酸皂的1.4倍。FMEE在針織物精練及洗滌行業中得到了廣泛應用，但因高溫耐堿性差而限制其在機織物精練中的應用。因本試驗采用低溫低堿工藝，故選用FMEE作為主要的去蠟組分，并與具有優異乳化和潤濕性能的非離子表面活性劑異構十三醇聚氧乙烯醚（10EO）（E-1310）共同使用，使其在低溫下能夠有效去除織物上的果膠、蠟質等雜質。此外，在軋液中加入高效滲透劑，以提高織物的帶液率，通過提高反應物的濃度來提高反應速率并降低處理溫度。
　　傳統冷軋堆前處理工藝中雙氧水（30%）的用量一般為45~60g/L，浸軋堿氧液后，一般需打卷堆置18~24h才能獲得滿意的前處理效果。根據上述分析，提高反應物的濃度，可以提高反應速率，進而縮短反應時間。我們嘗試將雙氧水（30%）的用量提高至80g/L，以加快反應速率。鑒于常規冷軋堆工藝在打卷堆置過程中，布卷內的溫度可達40~45℃，我們在實驗中將堆置溫度定為50℃，并將堆置時間縮短至90min。考慮到高濃度的雙氧水可能會對纖維強力造成大的損傷，我們在堿氧液中還加入了偏硅酸鈉和乙二胺二鄰羥苯基大乙酸鈉（EDDHA-Na）。偏硅酸鈉pH緩沖指數高，可使反應過程中堿性釋放變得溫和，可降低因雙氧水劇烈分解而造成纖維強力損傷的風險。此外，偏硅酸鈉還具有優異的助洗作用，有利于雜質的去除。EDDHA-Na是一種多功能金屬離子螯合劑，對鐵和銅離子有極強的螯合作用，而對鎂離子的螯合力較弱，非常適合作為雙氧水的穩定劑。EDDHA-Na的分子結構中含有碳酰胺官能團，其碳酰胺鍵較牢固，鍵能為246kJ/mol，具有良好的化學穩定性，能夠抵抗高濃度雙氧水的氧化作用。EDDHA-Na的加入，避免了金屬離子對漂白的影響，這樣可有效控制雙氧水的分解，使棉纖維的強力得以保持。
　　本試驗過程中，對影響織物白度、毛效、強力等性能的因素進行了探討，優化了工藝參數，并在優化工藝的基礎上，加入漂白活化劑，以期進一步提高半制品的質量。
　　2 試驗部分
　　2.1 織物、藥品和儀器
　　織物：29.5tex×29.5tex，110根/10cm×60根/10cm純棉帆布（215g/m2）。
　　藥品：30%H₂O₂、NaOH（上海國藥集團化學試劑有限公司），均為分析純；乙二胺二鄰羥苯基大乙酸鈉（EDDHA-Na）、脂肪酸甲酯乙氧基化物（FMEE）、（廣州創恩化工有限公司），均為工業級；異構十三醇聚氧乙烯醚（10EO）（E-1310）（江蘇省海安石油化工廠），工業級；高效滲透劑、漂白活化劑DZ-1（新泰市東大質杰精細化工有限公司），均為工業級；偏硅酸鈉（鄭州市中原區富?；ど绦校I級；螯合分散劑CM-5（華紡股份有限公司），工業級。
　　儀器：P-BD型電動均勻軋車（臺灣瑞比染色試機有限公司）；DGG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海森信實驗儀器有限公司）；SF650型測色配色儀（美國Datacolor公司）；YG（B）871型毛細管效應測定儀（溫州大榮紡織儀器有限公司）；HD026N型電子織物強力儀（南通恒大實驗儀器有限公司）。
　　2.2 前處理工藝
　　2.2.1 工藝流程
　　坯布→浸軋工作液（二浸二軋，軋余率100%）→堆置（50℃×90min）→高溫熱水洗（95℃~98℃的水洗三遍）→溫水洗（60℃~70℃的水洗一遍）→冷水洗→烘干→測試
　　2.2.2 工藝處方
　　30% H₂O₂    80g/L
　　NaOH     10~20g/L
　　偏硅酸鈉    0~20g/L
　　EDDHA-Na    0~8g/L
　　FMEE    0~4g/L
　　E-1310    1~2.5g/L
　　螯合分散劑CM-5    4g/L
　　高效滲透劑     2g/L
　　2.3 織物性能測試
　　白度：按GB/T8424.2-2001《紡織品色牢度試驗相對白度的儀器評定方法》測定。試樣折疊4層，用測色配色儀測4次，取平均值。
　　毛效：參照FZ/T01071-1999的方法測試。在處理后的織物上取兩條規格為25cm×5cm的布樣，在毛效測定儀上測量30min液體芯吸高度，測兩次取平均值。
　　斷裂強力：根據GB/T3923-1997《紡織品織物拉伸性能第1部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定條樣法》在電子織物強力儀上進行測試，并按式（1）計算強力損失率。
　　強力損失率（%）=（N1-N2）/N1×100%（1）
　　式（1）中，N1為處理前織物的斷裂強力，N2為處理后織物的斷裂強力。
　　退漿級別評定：將待測布樣（3cm×3cm）放入碘化鉀/碘溶液中顯色60s后，用流動的自來水沖洗30s，立即與退漿級別測試卡對比評級。
　　棉籽殼去除率：處理前后織物表面棉籽殼的數量用目測法（StdASTMD2496-80）測定。在織物上用黑筆畫10cm×10cm的正方形，數正方形內棉籽殼個數，根據式（2）計算棉籽殼去除率。
　　棉籽殼去除率（%）=（M1-M2）/M1×100%（2）
　　式（2）中，M1為處理前織物上10cm×10cm區域內棉籽殼的個數，M2為處理后織物上10cm×10cm區域內棉籽殼的個數。
　　蠟斑：將烘干的織物平整地鋪在黑色的臺面上，用管口直徑為lmm的滴定管，在布面的不同部位滴水，觀察是否出現疏水的白色斑點。若有，則為蠟斑。
　　雙氧水殘余率：向漂白后（洗滌前）的織物上滴2~3滴殘余雙氧水測試溶液，15~20s后觀察布面顏色變化。若滴定處為無色，則說明布面殘余雙氧水量為0；若滴定處為黃色至橙色，則與標準卡ScaleT作對比，計算布面殘余雙氧水的百分含量。

　　3 結果與討論
　　3.1 NaOH用量對前處理效果的影響
　　本試驗的目的之一是降低傳統冷軋堆前處理工藝中的堿的用量。為此，設定如下工藝配方進行實驗，探討低堿條件下高濃度雙氧水低溫前處理的效果：NaOH10~20g/L、30%H₂O₂80g/L、偏硅酸鈉15g/L、EDDHA-Na4g/L、螯合分散劑CM-54g/L、高效滲透劑2g/L、FMEE4g/L、E-13101g/L，實驗結果見表1。

　　3.2 E-1310用量對前處理效果的影響
　　在確定NaOH的用量為20g/L的條件下，采用不同用量的E-1310進行實驗，探討其對前處理效果的影響規律，實驗結果見表2。

　　注：30%H₂O₂80g/L、偏硅酸鈉15g/L、EDDHA-Na4g/L、螯合分散劑CM-54g/L、高效滲透劑2g/L、FMEE4g/L。
　　由表2可知，隨著E-1310用量的增加，織物的白度變化不大，而毛效逐漸上升，并在E-1310用量為2g/L時達到最大值10.3cm。繼續增大E-1310的用量，織物的毛效反而下降，這可能是由于E-1310與FMEE皆為非離子表面活性劑，當用量過高時，會形成大量的非離子膠束層，聚集在液體表面，降低了洗能力，故毛效會下降。綜合考慮，E-1310的用量優選2g/L。
　　3.3EDDHA-Na用量對前處理效果的影響
　　對于高濃度雙氧水低堿工藝，選用優良的雙氧水穩定劑，使雙氧水能與較濃的堿液共存至關重要。EDDHA-Na是一種性能優異的金屬離子控制劑。為此，我們選擇不同用量的EDDHA-Na作為雙氧水的穩定劑進行實驗，結果見表3。

　　注：30%H₂O₂80g/L、NaOH20g/L、偏硅酸鈉15g/L、E-13102g/L、螯合分散劑CM-54g/L、高效滲透劑2g/L、FMEE4g/L。
　　由表3可知，當軋液中不加EDDHA-Na時，織物的白度、毛效、退漿級別都較低。在加入2g/L的EDDHA-Na后，織物的各項性能都相應提高，特別是白度。EDDHA-Na是一種性能全面的氧漂穩定劑，不僅具有極強的螯合Cu2+、Fe3+等金屬離子的能力，還具有優異的分散性能，能夠防止除下來的雜質再次沉積到織物上，故對白度和毛效的提升作用很大。隨著EDDHA-Na用量的增加，織物的白度變化不大，織物的毛效變化亦沒有規律。綜合織物的性能及成本因素考慮，后續實驗EDDHA-Na的用量定為4g/L。
　　3.4 偏硅酸鈉用量對前處理效果的影響
　　在高濃度雙氧水低溫低堿前處理工藝中，加入偏硅酸鈉不僅具有緩沖溶液的pH及穩定雙氧水的作用，在洗滌過程中還具有優異的助洗性能，下面將對其用量進行優化，實驗結果見表4。

　　注：30%H₂O₂80g/L、NaOH20g/L、E-13102g/L、EDDHA-Na4g/L、螯合分散劑CM-54g/L、高效滲透劑2g/L、FMEE4g/L。
　　由表4可知，當軋液中不加偏硅酸鈉時，織物的白度和毛效都相對較低。當加入5g/L的偏硅酸鈉時，織物便獲得很高的白度和毛效。隨著偏硅酸鈉用量的增加，織物的白度雖有上升但增幅不大，而織物的毛效隨著偏硅酸鈉的用量的增加，先上升后下降，并在偏硅酸鈉用量為10g/L時達到最大值。綜合考慮，偏硅酸鈉的用量優選10g/L。
　　3.5 FMEE用量對前處理效果的影響
　　脂肪酸甲酯乙氧基化物（FMEE）的去油除蠟能力優異，現對其用量進行優化，以降低加工成本，實驗結果見表5。

　　注：30%H₂O₂80g/L、NaOH20g/L、偏硅酸鈉10g/L、E-13102g/L、EDDHA-Na4g/L、螯合分散劑CM-54g/L、高效滲透劑2g/L。
　　由表5可知，隨著FMEE用量的增加，織物的白度變化不大，而毛效逐漸上升，當FMEE的用量超過2g/L時，毛效上升趨于平穩。FMEE的加入，對棉籽殼的去除有利，因為FMEE對蠟質的去除作用極強，這樣有利于堿液對棉籽殼的溶脹，同時也使雙氧水漂白更充分。綜合考慮，FMEE用量2~3g/L為宜。
　　3.6 優選工藝
　　根據上述單因素實驗，優選如下工藝進行實驗：NaOH20g/L、30%H₂O₂80g/L、偏硅酸鈉10g/L、EDDHA-Na4g/L、螯合分散劑CM-54g/L、高效滲透劑2g/L、FMEE2g/L、E-13102g/L。此外，在優選工藝中加入不同用量的漂白活化劑DZ-1，以期進一步提高處理后織物的性能，實驗結果見表6。

　　由表6可知，經優選工藝處理后的織物，其白度、毛效、棉籽殼去除率都很高，但退漿級別一般。此外，處理后布面殘余的雙氧水量較多，說明雙氧水的利用率還是偏低。而在優選工藝中加入低溫漂白活化劑后，織物的白度、退漿級別、棉籽殼去除率都隨著活化劑用量的增加而提高，且處理后布面殘余的雙氧水量也隨之降低。當活化劑的用量達到4g/L時，處理后織物的各項指標都能滿足后續染整加工需求。
　　由于采用的是低溫低堿一步法工藝，與傳統高溫退煮漂工藝相比，可節省大量的蒸汽、助劑和水；與傳統冷軋堆工藝相比，可大大縮短堆置的時間，生產效率得到極大的提高。因此，高濃度雙氧水低溫低堿前處理工藝既復合節能減排的要求，又符合后續染整加工產品的質量要求，具有非常好的應用前景。
　　值得指出的是，本試驗只是選取了純棉產品中的一種中厚織物，對于滌棉及純棉粗厚織物的高濃度雙氧水低溫低堿前處理工藝尚待繼續研究開發。

　　4 結論
　?。?）采用高濃度雙氧水低溫低堿工藝對純棉中厚織物進行前處理，得優化工藝為：NaOH20g/L、30%H2O280g/L、偏硅酸鈉10g/L、EDDHA-Na4g/L、螯合分散劑CM-54g/L、高效滲透劑2g/L、FMEE2g/L、E-13102g/L，50℃堆置90min，處理后織物白度達68.61%，毛效達10.3cm，退漿級別為4級，棉籽殼去除率達92%，但布面雙氧水殘余率較高。
　?。?）在優化工藝中加入4g/L的漂白活化劑DZ-1可明顯提高處理后織物的各項性能指標，完全達到紡織品后道工序的要求。
　　（3）高濃度雙氧水低溫低堿前處理工藝對純棉中厚織物是可行的，該工藝具有明顯的節能減排、加工效率高、生產成本低的優勢。