第二章超临界二氧化碳在染整加工中的应用剖析
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2、超临界二氧化碳
7.39MPa
31.1℃
一些物质的超临界温度和压力
3、超临界流体的特性
超临界流体的密度是气体的近千倍；粘度与
气体相仿；扩散系数是液体的数百倍。
特性：
在临界压力以上，不管如何加热，超临界流体也不
会变为气体；在临界温度以上，不管如何加压，超临
界流体也不会变为液体； 超临界流体具有气体的特性，能够均匀分布于整个 容器中，扩散系数大，粘度低； 密度比较高，和液体的密度接近； 超临界流体作为溶剂，其对物质的溶解能力与其本 身的极性以及被溶解物质的极性相关，同时，溶解度 随压力和温度的变化很大。
1989年，德国Bochum的Ruhr大学的理科硕士论
文课题与G M Schneider教授合作，采用这种新技术
进行了首次实验室规模的合成纤维染色。德国Krefeld
的德国西北纺织研究中心(DTNW)继续这项工作，在 静态染色设备中染色。此后， Ciba精化公司和瑞士
Basel公司合作为染料制造商并取得许多适合于超临
无水染色介质，染色过程不产生废水，残留染料
可以回收，是一种清洁生产技术。
二、分散染料超临界二氧化碳流体染色
1、分散染料超临界二氧化碳染色的特点： •上染速度快
•匀染和透染性好
•染色重现性好
•染色工艺流程短
•不用水，无废水污染问题 •染料可重复利用，不须添加助剂
•常规方法难染的纤维也能染色
•二氧化碳无毒、不燃，可重复使用。
压力 → 恒压下搅拌染色 → 减压排气 → 结束。
染色条件对染色的影响
温度：温度升高，染料溶解度和扩散速度提
高，上染速度增加；
压力：压力升高，流体密度增加，染料浓度 可以提高，但扩散速度降低。
一般采用较高温度和较低压力条件染 色，可以达到较好的效果：染料浓度
低，扩散速度快、匀染和透染性好，具体 染色时，应根据纤维特性、染料性能、染 色浓度来控制温度和压力，以获得所需的 染色效果。
7、超临界二氧化碳流体染色存在的问题：
1）设备高压装置，成本高，投资大；
2）适用的染料品种少，尤其缺少天然纤维染色
所需的染料；
3）染色工艺尚须进一步研究开发。
三、超临界二氧化碳流体应用于其它纤维染色
1、超临界流体用于亲水性纤维染色
超临界二氧化碳流体用于羊毛纤维的染色
染料：活性分散翠蓝2G-SF
染色温度：110℃ 时间：90min
大连工业大学
压力：25MPa
时间：90min
压力：25MPa 温度：120℃
2、超临界流体用于丙纶纤维染色的研究
3、超临界二氧化碳流体处理PLA纤维
超临界CO2处理 水处理
3.0
2.5
断裂强力 CN
2.0
1.5
1.0 70 80 90 100 110 120
溶解度，从而提高平衡上染率、增加扩散速度；
超临界流体与染料分子之间作用力小，染料在
流体中扩散速度快，纤维表面扩散边界层薄，利 于染料吸附。
3、超临界二氧化碳流体染色 发展状况：
该技术由德国北德纺织研究院提出并进行 了大量的研究，得到世界范围的重视，成为研 究热点，被认为是最有发展前景的无水染色技 术。但目前尚不能大规模应用于实际生产。
温度℃
天津工业大学
178 177 176 175 174 173 172 171 170 169 168 167 166 165 164 163 162 161 160 0 20 40 60 80
超临界CO2处理 水处理
Y 熔点（ ℃）
100
120
X 处理温度（ ℃）
1.9
1.8
超临界CO2处理 水处理
界二氧化碳染色的分散染料的专利。
1991年，德国Velen的Jasper公司与德国西北纺
织研究 中心合作，制造了首台半工业规模的染色机。
1995年，在德国Hagen的UHDE公司的努力探索
下，德国西北纺织研究中心建成了一台具有30L的
高压釜，可染2只筒子纱的二氧化碳染色设备，这 台新的设备包括一个萃取循环装置，以在染色工 艺中去除和分离剩余的染料纺纱油脂，在更换染 料时用于清洁设备，以及用于二氧化碳的再循环，
2、采用超临界流体技术进行分散染料染色， 上染率高、匀染性好、透染性好，因为：
对染料的溶解性好，可以杜绝分散染料水介质染
色时因溶解度不好产生的问题，可以使用纯分散染
料，免用大量的分散剂；
流体的粘度低，分子间作用力小，染料的扩散阻
力小，渗透和移染好，容易染匀和染透；
可以采用高温低压的染色条件，适当降低染料
1.7
Y 双折射率
1.6
1.5
1.4
1.3 0 20 40 60 80 100 120
二氧化碳的超临界流体
二氧化碳超临界流体具有有机溶剂类似 的溶解性能，对非极性物质，如正己烷、二 氯甲烷、非极性的分散染料等有很好的溶解 能力，对极性物质溶解能力差。
二氧化碳超临界流体的特性及应用 二氧化塘超临界流体可用于咖啡和香精的萃取 、石油的提纯、药物的精制。
在染整工艺中，二氧化碳流体可用作分散染料
无水节水染整技术成为发展方向
无水和节水染色的研究和应用： •有机溶剂染色——成本高、生态问题； •助剂增溶染色； •溶剂/水乳液染色； •超临界二氧化碳流体作为介质染色。
一、超临界二氧化碳流体及性质
1、二氧化碳的性质 二氧化碳在常温常压下是一种气体，无 色、无臭和不会燃烧的气体，比空气重1.5倍 ，非极性，沸点低，临界温度31.1度，加压 易液化，液态二氧化碳对非极性物质有较强 的溶胀和溶解能力。
另外还有一只独立染料储存槽与一只高速泵成一
体化，此后，国际上对这一技术的兴趣越来越高。
超临界二氧化碳染色设备
染色条件：
压力：20~30MPa
温度：80~160℃（也可高达300℃）
时间：5~20min
染色过程：
织物卷绕于有孔不锈钢辊上 →悬挂于高压罐 中 → 粉状染料置于染罐底部 → 隔绝空气下冲入 CO2气体 → 升温至所需温度 → 等温压缩至所需
第二章 超临界二氧化碳 及其在染整加工中的应用
纤维染色需要介质
染色介质必须具备的功能： •溶解或分散染料；
•润湿、溶胀或增塑纤维
•溶解助剂，利于它们发挥作用 •对染料的染色亲和力、上染速率、匀染性和染
色牢度有益。
最常用的染色介质是水
水作为染色介质面临的问题： 1 水资源日益枯竭； 2 水污染日益严重。
2、超临界二氧化碳
7.39MPa
31.1℃
一些物质的超临界温度和压力
3、超临界流体的特性
超临界流体的密度是气体的近千倍；粘度与
气体相仿；扩散系数是液体的数百倍。
特性：
在临界压力以上，不管如何加热，超临界流体也不
会变为气体；在临界温度以上，不管如何加压，超临
界流体也不会变为液体； 超临界流体具有气体的特性，能够均匀分布于整个 容器中，扩散系数大，粘度低； 密度比较高，和液体的密度接近； 超临界流体作为溶剂，其对物质的溶解能力与其本 身的极性以及被溶解物质的极性相关，同时，溶解度 随压力和温度的变化很大。
1989年，德国Bochum的Ruhr大学的理科硕士论
文课题与G M Schneider教授合作，采用这种新技术
进行了首次实验室规模的合成纤维染色。德国Krefeld
的德国西北纺织研究中心(DTNW)继续这项工作，在 静态染色设备中染色。此后， Ciba精化公司和瑞士
Basel公司合作为染料制造商并取得许多适合于超临
无水染色介质，染色过程不产生废水，残留染料
可以回收，是一种清洁生产技术。
二、分散染料超临界二氧化碳流体染色
1、分散染料超临界二氧化碳染色的特点： •上染速度快
•匀染和透染性好
•染色重现性好
•染色工艺流程短
•不用水，无废水污染问题 •染料可重复利用，不须添加助剂
•常规方法难染的纤维也能染色
•二氧化碳无毒、不燃，可重复使用。
压力 → 恒压下搅拌染色 → 减压排气 → 结束。
染色条件对染色的影响
温度：温度升高，染料溶解度和扩散速度提
高，上染速度增加；
压力：压力升高，流体密度增加，染料浓度 可以提高，但扩散速度降低。
一般采用较高温度和较低压力条件染 色，可以达到较好的效果：染料浓度
低，扩散速度快、匀染和透染性好，具体 染色时，应根据纤维特性、染料性能、染 色浓度来控制温度和压力，以获得所需的 染色效果。
7、超临界二氧化碳流体染色存在的问题：
1）设备高压装置，成本高，投资大；
2）适用的染料品种少，尤其缺少天然纤维染色
所需的染料；
3）染色工艺尚须进一步研究开发。
三、超临界二氧化碳流体应用于其它纤维染色
1、超临界流体用于亲水性纤维染色
超临界二氧化碳流体用于羊毛纤维的染色
染料：活性分散翠蓝2G-SF
染色温度：110℃ 时间：90min
大连工业大学
压力：25MPa
时间：90min
压力：25MPa 温度：120℃
2、超临界流体用于丙纶纤维染色的研究
3、超临界二氧化碳流体处理PLA纤维
超临界CO2处理 水处理
3.0
2.5
断裂强力 CN
2.0
1.5
1.0 70 80 90 100 110 120
溶解度，从而提高平衡上染率、增加扩散速度；
超临界流体与染料分子之间作用力小，染料在
流体中扩散速度快，纤维表面扩散边界层薄，利 于染料吸附。
3、超临界二氧化碳流体染色 发展状况：
该技术由德国北德纺织研究院提出并进行 了大量的研究，得到世界范围的重视，成为研 究热点，被认为是最有发展前景的无水染色技 术。但目前尚不能大规模应用于实际生产。
温度℃
天津工业大学
178 177 176 175 174 173 172 171 170 169 168 167 166 165 164 163 162 161 160 0 20 40 60 80
超临界CO2处理 水处理
Y 熔点（ ℃）
100
120
X 处理温度（ ℃）
1.9
1.8
超临界CO2处理 水处理
界二氧化碳染色的分散染料的专利。
1991年，德国Velen的Jasper公司与德国西北纺
织研究 中心合作，制造了首台半工业规模的染色机。
1995年，在德国Hagen的UHDE公司的努力探索
下，德国西北纺织研究中心建成了一台具有30L的
高压釜，可染2只筒子纱的二氧化碳染色设备，这 台新的设备包括一个萃取循环装置，以在染色工 艺中去除和分离剩余的染料纺纱油脂，在更换染 料时用于清洁设备，以及用于二氧化碳的再循环，
2、采用超临界流体技术进行分散染料染色， 上染率高、匀染性好、透染性好，因为：
对染料的溶解性好，可以杜绝分散染料水介质染
色时因溶解度不好产生的问题，可以使用纯分散染
料，免用大量的分散剂；
流体的粘度低，分子间作用力小，染料的扩散阻
力小，渗透和移染好，容易染匀和染透；
可以采用高温低压的染色条件，适当降低染料
1.7
Y 双折射率
1.6
1.5
1.4
1.3 0 20 40 60 80 100 120
二氧化碳的超临界流体
二氧化碳超临界流体具有有机溶剂类似 的溶解性能，对非极性物质，如正己烷、二 氯甲烷、非极性的分散染料等有很好的溶解 能力，对极性物质溶解能力差。
二氧化碳超临界流体的特性及应用 二氧化塘超临界流体可用于咖啡和香精的萃取 、石油的提纯、药物的精制。
在染整工艺中，二氧化碳流体可用作分散染料
无水节水染整技术成为发展方向
无水和节水染色的研究和应用： •有机溶剂染色——成本高、生态问题； •助剂增溶染色； •溶剂/水乳液染色； •超临界二氧化碳流体作为介质染色。
一、超临界二氧化碳流体及性质
1、二氧化碳的性质 二氧化碳在常温常压下是一种气体，无 色、无臭和不会燃烧的气体，比空气重1.5倍 ，非极性，沸点低，临界温度31.1度，加压 易液化，液态二氧化碳对非极性物质有较强 的溶胀和溶解能力。
另外还有一只独立染料储存槽与一只高速泵成一
体化，此后，国际上对这一技术的兴趣越来越高。
超临界二氧化碳染色设备
染色条件：
压力：20~30MPa
温度：80~160℃（也可高达300℃）
时间：5~20min
染色过程：
织物卷绕于有孔不锈钢辊上 →悬挂于高压罐 中 → 粉状染料置于染罐底部 → 隔绝空气下冲入 CO2气体 → 升温至所需温度 → 等温压缩至所需
第二章 超临界二氧化碳 及其在染整加工中的应用
纤维染色需要介质
染色介质必须具备的功能： •溶解或分散染料；
•润湿、溶胀或增塑纤维
•溶解助剂，利于它们发挥作用 •对染料的染色亲和力、上染速率、匀染性和染
色牢度有益。
最常用的染色介质是水
水作为染色介质面临的问题： 1 水资源日益枯竭； 2 水污染日益严重。