CN101555665A - 同反应釜卷到卷等离子超声波超临界无水染色 - Google Patents

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Abstract

本发明公开同反应釜卷到卷等离子超声波超临界无水染色***，包括总控台、二氧化碳贮瓶、高压泵、染料罐、热交换装置、反应釜、染料回收罐、过滤器、冷凝器、液态二氧化碳贮罐、流量计、阀门以及管路，其特征是：所述的反应釜装有等离子体发生器的上电极和下电极、排气阀、真空泵，内置有一组或多组卷到卷或轴到轴缠绕装置和相应电机，内置有一组或多组搅拌装置和相应电机，嵌有与超声波发生装置连接的超声波换能器。等离子实现对材料表面的改性处理，超声波使染料分散均匀，超临界二氧化碳实现无水染色，卷到卷实现非间歇性连续化工业生产。本发明可以满足最苛刻的环保以及产品安全性的要求。

Description

同反应釜卷到卷等离子超声波超临界无水染色
技术领域
本发明涉及一种同反应釜卷到卷等离子超声波超临界无水染色方法和***，属于纱线、布料(包括无纺布)、成衣等纺织品的染色领域，当然本发明也可以应用于金属薄板、塑料薄膜、纸张等其它可卷绕材料的表面改性和染色。
背景技术
纤维、布料(包括无纺布)、成衣等纺织品的传统染色工艺消耗大量水资源，同时排放大量污水。用水量约为3.7-4.5吨/100米(按幅宽180厘米计)，各种助剂的使用使得污水重复利用率不到10％。一个年产1亿米印染布的企业，每年用水量相当于一个中型城市所有居民的用水量。2005年中国印染产量为362亿米。发展无水染色技术意义深远。
现有的超临界二氧化碳无水染色技术无法解决纺织品的表面预处理问题，使得染色牢固度普遍较低。而机外化学品预处理使得有毒化学品难免在纺织品表面有残留，无法适应越来越严苛的全天然及人体服着安全性的要求。
现有的超临界二氧化碳无水染色技术仅停留在实验室阶段无法大规模商用的另一个原因是现有装置基本上是间歇式工作的，不能匀速连续工作。在申请号为200710027112.6，名称为“采用超临界流体进行连续化染色的生产***及其生产工艺”的专利申请中，发明人试图用多组染色装置交替染色的方法来保证连续生产，但在实际上多组间歇式工作的染色装置的串连或并联只是形成了更多间歇，而不能必然地使得***匀速连续工作。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，为超临界二氧化碳无水染色技术大规模商用，提供一种同反应釜卷到卷等离子超声波超临界无水染色方法和***。
为实现上述目的，本发明提出同反应釜卷到卷等离子超声波超临界无水染色方法，包括将纱线、坯布或成衣等纺织品装入反应釜内的卷到卷或轴到轴缠绕装置上，用真空泵将反应釜抽真空，从气瓶中向反应釜通入氧气或氮气或氩气或氟化碳或上述气体的混合物或压缩空气，给反应釜内等离子体发生器的上电极和下电极通电，开启卷到卷或轴到轴缠绕装置使纺织品开始匀速卷绕，使纺织品在射频电场放电产生的等离子体的作用下发生表面改性，断电停止等离子体反应并将处理纺织品产生的少量废气排出反应釜，用高压泵将液态二氧化碳从二氧化碳贮瓶和/或二氧化碳贮罐中泵入反应釜，计量所需染料并借助少量液态二氧化碳将染料从染料罐冲入反应釜，通过热交换装置加热二氧化碳使其处于温度达10℃至170℃的超临界状态，以超临界状态的二氧化碳流体作为染料的溶剂和染色介质，同时开启搅拌装置和/或通过超声波发生装置驱动超声波换能器产生气穴效应和空化效应使染料在超临界二氧化碳介质中均匀分散和乳化并浸染纺织品，开启卷到卷或轴到轴缠绕装置使纺织品开始匀速卷绕，在卷绕完毕后，可选择性反向匀速回卷直至染色均匀，通过降温或升温手段将反应釜内温度恢复到常温，通过阀门和管路释放二氧化碳，萃取回收未固化的残留染料至染料回收罐，并通过冷凝器将二氧化碳循环到二氧化碳贮罐中供***重复使用，待反应釜内的压力降至常压时从反应釜中取出已经染色的纺织品完成一个工作流程。
所述的染料为天然来源的分散性染料或合成染料。
本发明同时提出同反应釜卷到卷等离子超声波超临界无水染色***，包括总控台、二氧化碳贮瓶、高压泵、染料罐、热交换装置、反应釜、染料回收罐、过滤器、冷凝器、液态二氧化碳贮罐、流量计、阀门以及管路，其特征是：所述的反应釜装有等离子体发生器的上电极和下电极、排气阀、真空泵，内置有一组或多组卷到卷或轴到轴缠绕装置和相应电机，内置有一组或多组搅拌装置和相应电机，嵌有与超声波发生装置连接的超声波换能器。
所述的反应釜内装有温度传感器、压力传感器、真空传感器、流体传感器以及测量等离子体参数的朗缪尔(Langmuir)探针。
由于采用了以上的方案，
1、超临界流体的粘度(viscosity)和气体相近，扩散系数在气体和液体之间，渗透力很大，因为能获得和液体同等的密度，所以溶解力也很大，对染料溶解快。在超临界流体无水染色工艺中，超临界流体即可以溶解染料，又可以轻易地渗透至纺织品内部，完成染料溶解→吸附→上染的工艺过程。超临界流体无水染色上染速率快，染色周期只需要5-60分钟(大多情况下10分钟内可以完成上染)，传统周期需要3-6个小时；匀染、透染、重染性好；大多数情况下不必还原清洗；超临界流体染色只需一道染色工序，所使用的是不加任何添加剂的染料滤饼；因为二氧化碳挥发后织物是干燥的，属于非水染色所以染后不必脱水、烘干，不消耗水因此不产生废水，也不需要废水处理设备；未固化上染的染料可重复使用，二氧化碳循环使用效率可高达90％，其工序十分简单因而能耗减少。
二氧化碳CO2的超临界状态(即具有气体和液体的中间性质)时的温度和压力较低(温度为31.1？压力为7.4MPa)，且不燃、不爆、无毒、无腐蚀性，又容易获得，所以适宜作为高温或低温染色的溶剂和介质，利用超临界CO2的强力溶解力将染料溶解和高度扩散性将染料渗透到纺织纤维内部进行染色。
2、等离子体发生装置通过向输入反应釜的低压气体(包括但不限于氧气、氮气、氩气、氟化碳、压缩空气或C2F4、C3F6、CF4和H2的混合气体等)施加一射频电场使反应釜内的上电极和下电极之间(或是左电极和右电极，外电极和内电极，或是无极放电)产生电晕放电(Corona Discharge)、介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)或辉光放电(Glow Discharge)等，使周围气体分子吸收电能形成低温等离子体。等离子体是一种能量极高的物质聚集态，它包含了大量的电子、离子、紫外光子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子。这些粒子总是在不断地运动，相互之间发生碰撞并发生电离激发、复合和光辐射等作用。这些高能粒子通过辐射、离子流、中性分子流撞击纤维和高分子材料表面，将能量转移给纤维材料，随着能量的消散，引起纤维、高分子材料表面产生一系列复杂的刻蚀、解析和电离等物理改性变化以及脱氢、加成、氧化、还原、交联、聚合、裂解和接枝等化学改性变化，表面化学组成和物理动态都发生变化，从而使材料表面性能获得优化，增加了表面的湿润性(降低表面张力使某些聚合物纤维具有吸水性)、拒水性(使某些布料具有防水防污性质)、可染性(引进大量的含氧和不含氧的亲水基团因而大大提高了织物对染料的上色速率和染色饱和值，同时纤维表面的粗糙化增加了对入射光的吸收而产生深色效应从而改善了织物的染色性能)、粘接性(提高粘结性能增加染色率)、防缩防皱性(特别对羊毛材料有收缩率降低90％以上的钝化防缩效果)、防UV性、防菌性、抗静电性等，还可消除织物上残留的甲醛、挥发性物质、敏感性气体和异味等有害物质，对棉织物有退浆精练及去除天然杂质的功效，实现生产生态纺织品的目标。
纺织品经等离子预处理，有利于随后的染色过程中染料的吸附和向纤维内部扩散，使染色时间缩短、生产效率提高。等离子预处理省却了传统的印染助剂、盐、还原剂、表面活性剂等影响纺织品服着安全性的材料的使用。低温等离子体对纺织品的处理作为一种无水加工的干法处理技术，是气-固两相间的洁净工艺，不耗水无废液排出，对环境不造成污染。低温等离子体表面改性仅影响材料表面极薄的表层，只有数十埃(＜8-10nm)不损材料基体，保持材料原有的完整性。
3、采用超声波震荡技术，能在液体中产生气穴效应和空化效应，除了有利于染料的均匀分散和乳化之外，还可以去除纺织品的刚性，增强易染性。
4、内置有一组或多组卷到卷或轴到轴缠绕装置，使得缠绕(纺织品的收放)在反应釜内部匀速进行，实现非间歇性连续化工业生产。
附图说明
图1是本发明的第一种实施例示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
实施例一，同反应釜卷到卷等离子超声波超临界纺织品无水染色，将坯布装入反应釜内的卷到卷或轴到轴缠绕装置(21)上，用真空泵(优选大抽气量的罗茨真空泵)将密闭的用耐高压透明玻璃制成的反应釜(11)抽真空(至10Pa左右)，从气瓶(34)中向反应釜(11)通入氧气，给反应釜(11)内等离子体发生器(31)的上电极(32)和下电极(33)通电，通过朗缪尔(Langmuir)探针测量等离子体参数，开启卷到卷或轴到轴缠绕装置(21)使纺织品开始匀速卷绕，采用电容式耦合的低气压辉光放电使纺织品的表面发生改性，断电停止等离子体反应并将处理纺织品产生的少量废气排出反应釜，用高压泵(12)将液态二氧化碳从二氧化碳贮瓶(13)和/或二氧化碳贮罐(16)中泵入反应釜(11)，计量所需天然来源的分散染料或专用合成染料并借助少量液态二氧化碳将染料从染料罐(14)冲入反应釜(11)，通过热交换装置(优选装设在反应釜外底部的PTC式加热器)加热二氧化碳使其处于温度达10℃至170℃(优选70-90℃)、压力达10至30MPa(优选28MPa)的超临界状态，以超临界状态的的二氧化碳流体作为染料的溶剂和染色介质，同时开启配以威尔逊接头(通过该接头使传动轴与外接电机相连接来保证动态密封)的搅拌装置(42)和/或超声波发生装置驱动超声波换能器(41)产生气穴效应和空化效应使染料在超临界二氧化碳介质中均匀分散和乳化并浸染纺织品，开启卷到卷或轴到轴缠绕装置(21)(配以威尔逊接头来保证动态密封)使纺织品开始匀速卷绕，在卷绕完毕后，可选择性反向匀速回卷直至染色均匀，通过降温手段将反应釜(11)内温度恢复到常温，通过阀门(18)和管路(19)释放二氧化碳，萃取回收未固化的残留染料至染料回收罐(15)，并通过冷凝器(17)将二氧化碳循环到二氧化碳贮罐(16)中供***重复使用，待反应釜内的压力降至常压时从反应釜中取出已经染色的纺织品完成一个工作流程。
等离子实现对材料表面的改性处理，超声波使染料分散均匀，超临界二氧化碳实现无水染色，卷到卷实现非间歇性连续化工业生产。本发明广泛适用于天然纤维、人工合成纤维或混纺的纱线、布料(包括无纺布)、成衣等纺织品的无水染色，包括对金属薄板、塑料薄膜、纸张等其它可卷绕材料(包括生物材料)的表面改性和染色，可以满足最苛刻的环保以及产品安全性的要求。

Claims (4)

1.同反应釜卷到卷等离子超声波超临界无水染色方法，其特征是包括下列步骤：将纱线、坯布或成衣等纺织品装入反应釜内的卷到卷或轴到轴缠绕装置上，用真空泵将反应釜抽真空，从气瓶中向反应釜通入氧气或氮气或氩气或氟化碳或上述气体的混合物或压缩空气，给反应釜内等离子体发生器的上电极和下电极通电，开启卷到卷或轴到轴缠绕装置使纺织品开始匀速卷绕，使纺织品在射频电场放电产生的等离子体的作用下发生表面改性，断电停止等离子体反应并将处理纺织品产生的少量废气排出反应釜，用高压泵将液态二氧化碳从二氧化碳贮瓶和/或二氧化碳贮罐中泵入反应釜，计量所需染料并借助少量液态二氧化碳将染料从染料罐冲入反应釜，通过热交换装置加热二氧化碳使其处于温度达10℃至170℃的超临界状态，以超临界状态的二氧化碳流体作为染料的溶剂和染色介质，同时开启搅拌装置和/或通过超声波发生装置驱动超声波换能器产生气穴效应和空化效应使染料在超临界二氧化碳介质中均匀分散和乳化并浸染纺织品，开启卷到卷或轴到轴缠绕装置使纺织品开始匀速卷绕，在卷绕完毕后，可选择性反向匀速回卷直至染色均匀，通过降温或升温手段将反应釜内温度恢复到常温，通过阀门和管路释放二氧化碳，萃取回收未固化的残留染料至染料回收罐，并通过冷凝器将二氧化碳循环到二氧化碳贮罐中供***重复使用，待反应釜内的压力降至常压时从反应釜中取出已经染色的纺织品完成一个工作流程。
2.如权利要求1所述的同反应釜卷到卷等离子超声波超临界无水染色方法，其特征是：所述的染料为天然来源的分散性染料或合成染料。
3.同反应釜卷到卷等离子超声波超临界无水染色***，包括总控台、二氧化碳贮瓶、高压泵、染料罐、热交换装置、反应釜、染料回收罐、过滤器、冷凝器、液态二氧化碳贮罐、流量计、阀门以及管路，其特征是：所述的反应釜装有等离子体发生器的上电极和下电极、排气阀、真空泵，内置有一组或多组卷到卷或轴到轴缠绕装置和相应电机，内置有一组或多组搅拌装置和相应电机，嵌有与超声波发生装置连接的超声波换能器。
4.如权利要求3所述的同反应釜卷到卷等离子超声波超临界无水染色***，其特征是：所述的反应釜内装有温度传感器、压力传感器、真空传感器、流体传感器以及测量等离子体参数的朗缪尔探针。
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