[棉织物无烧碱前处理工艺]棉织物的前处理工艺

　　棉织物的前处理是这类产品印染加工过程中能耗、污染负荷和水耗最大的环节,其主要原因是在前处理过程中大量使用烧碱。本文在分析棉织物上存在的各种杂质和烧碱及酶制剂对这些杂质作用的基础上,采用生物技术与化学技术相结合,开发出无烧碱前处理工艺。生产应用结果表明,无烧碱棉织物前处理工艺,流程短,能耗、水耗和废水的COD值大大降低,生产效率高,是实现高效节能和环保的有效途径。
　　The pretreatment process of cotton fabrics is the undoubted sector which consumes the largest quantity of energy and water and brings about the largest pollution during the dyeing and finishing chain because of the usage of NaOH. Based on the analysis on the different kind of impurity on cotton fabrics and the effect brought by NaOH and enzyme to these impurites, this article has adopted biology and chemical technologies to achieve non-NaOH pretreatment process. The application result shows non-NaOH pretreatment process has some advantages such as short flow, low energy and water consumption, low COD in waste water, high efficiency, which is an effective approach to achieve high efficiency and environment protection.
　　
　　
　　天然纤维素纤维,如棉麻及其混纺织物的前处理是印染加工过程中水、能消耗和高污染废水产生量比较大的工序。据有关资料介绍,棉织物漂白和洗涤耗水量占总耗水量的 75%,但COD只有 5%,污染负荷为 8%;退浆和精练工艺中,产生的COD值和污染负荷占 75%,但耗水量仅为 5%;染色工艺产生的废水份额为 10% ～ 20%,产生的污染负荷为 17%,如图 1 所示。
　　
　　棉织物印染加工存在“三高”(耗水量高、能耗高和废水COD值高)问题,与目前普遍使用的烧碱前处理工艺有关。
　　烧碱是传统棉前处理工艺大量使用的化学品。长期以来,不论是在国内外公开发表的文献中,还是在设备、染化料助剂厂家提供的推荐工艺中,都把棉前处理工艺的基础建立在烧碱对棉织物上杂质的作用之上。这是因为,所有的研究结果都证明烧碱对棉织物上的各种杂质具有去除作用。而烧碱的大量使用,又造成了棉织物印染的“三高”问题。
　　开发节能、节水、环保的棉织物前处理工艺,需要对棉织物上存在的杂质进行重新认识,在此基础上分析烧碱对杂质的作用机理,探讨不用烧碱去除棉织物杂质的方法,实现棉织物前处理工艺的高效、节能和环保。
　　
　　1棉织物上的杂质
　　
　　棉织物前处理的主要目的是去除棉织物上的杂质,赋予其良好的外观和染色印花性能。也就是说,棉织物上杂质的种类、含量和性质决定着棉织物前处理应当采用的工艺。棉织物上存在的杂质可以分为以下 3 类。
　　1.1伴生杂质
　　棉纤维生长过程中伴生的杂质成分及含量如表 1 所示。从截面结构来看(图 2),棉纤维由表皮层、初生胞壁、次生胞壁和胞腔组成。其中,次生胞壁的成分是纤维素,它是构成棉纤维的主体。表皮层是棉纤维的最外层,主要由果胶质、油蜡和蛋白质等组成。初生胞壁紧连表皮层,处于次生胞壁和表皮层之间,主要是纤维素的网状组织,也含有一定数量的油蜡和果胶质等杂质。胞腔位于棉纤维中心,含有蛋白质、矿物盐及一些色素等。显然,棉纤维中的天然杂质主要集中于初生胞壁和表皮层中。
　　
　　1.2棉籽壳
　　棉花在采摘和收获加工过程中也会产生一些杂质如棉籽壳、塑料绳、铁丝等,但是经过纺纱加工后,残留在织物上的杂质主要是棉籽壳。棉籽壳主要由木质素、单宁、纤维素、半纤维素以及其他多糖类物质组成,此外还含有少量的色素、油蜡、蛋白质和矿物质,其中木质素是最主要的成分。棉籽壳是棉织物上最难去除的杂质之一,棉籽壳的多少和配棉等级与棉纱质量关系很大。
　　1.3人工添加的杂质
　　为了提高织造效率和坯布质量,棉织物在织造过程中需要对经纱进行上浆。棉织物浆纱采用的浆料主要包括淀粉及其衍生物、聚乙烯醇(PVA)、蜡类润滑剂、防腐剂等,一般织物的上浆率在 4% ～ 8% 左右。人工添加的杂质,是造成目前印染前处理废水COD值高的根本原因。
　　
　　2烧碱对棉织物上杂质的作用
　　
　　以绳状棉织物前处理为例,使用烧碱的前处理工艺流程:坯布烧毛 → 灭火 → 浸轧碱退浆工作液(带液率100%)→ J型箱汽蒸 120 min → 90 ℃热水洗 2 道 → 浸轧碱精练工作液(带液率 100%)→ J型箱汽蒸 120 min → 90 ℃热水洗 → 冷水洗 → 氧漂或(氯漂 → 酸洗 → 脱氯)→ 水洗 → 烘干。
　　工作液处方如下:
　　(1)退浆
　　100% 烧碱 20 ～ 30 g/L
　　渗透剂 5 ～ 8 g/L
　　(2)精练
　　100% 烧碱 15 ～ 20 g/L
　　精练剂5 ～ 8 g/L
　　棉织物上的天然杂质和棉籽壳在高温(90 ℃以上)条件下会被烧碱溶胀、皂化和溶解,从棉织物上脱落下来,达到去除的目的。在烧碱的作用下,棉织物上的淀粉浆料在一定温度(50 ℃以上)下会被烧碱溶胀,然后经过水洗会从棉织物上脱落下来。这是长期以来人们用烧碱对棉织物进行前处理的主要依据。烧碱对棉织物上杂质的作用,见图 3。
　　
　　从图 3 可以看出,烧碱对棉织物杂质的作用主要是溶胀、皂化和溶解作用,杂质在烧碱的作用下并没有分解,因此当这些杂质进入废水后,导致废水的COD增加。以烧碱为主体的棉织物前处理工艺,尽管体系中还含有一些渗透剂和精练剂等表面活性剂,然而这些物质也不可能将这些杂质分解,因此废水的COD值不会降低。此外,从上述工艺还可以看出,以烧碱为基础的棉织物前处理还存在工艺流程长,生产效率低,能耗和水耗高等问题。
　　
　　3生物与化学助剂结合是实现高效节能环保的有效途径
　　
　　随着科学技术的不断发展,生物技术在印染工业中的应用越来越普遍,同时化学工业的发展提供了许多更好的化学物质,为实现棉织物前处理工艺的高效、节能和环保奠定了基础。
　　酶是一种生物催化剂,具有高效、专一、处理条件温和等特点。近年来,纺织印染工业用酶制剂层出不穷,解决了许多以前解决不了的问题。但是,酶专一性的特点也造成了其仅对特定的杂质具有催化分解作用,对其他的杂质没有去除作用。例如,淀粉酶仅对淀粉具有催化分解作用,对聚乙烯醇浆料则没有作用;果胶酶仅对棉纤维表面的果胶质有作用,对油蜡、木质素等则没有催化分解作用。因此,仅靠生物助剂目前还不能有效去除棉织物上的各种杂质。
　　与酶制剂相比,化学物质的作用往往是多方面的,例如双氧水不仅可以提高织物白度,还可以使棉籽壳等杂质分解。化学助剂的缺点是条件比较剧烈,往往需要比较高的处理温度和比较长的处理时间。
　　利用生物助剂的优点,在较温和的条件下去除棉织物上的部分杂质,破坏杂质在棉织物上的完整结构,为化学助剂的作用打下基础。然后,用化学助剂在相对温和的条件下去除剩余的杂质,减少前处理过程的能源消耗,降低废水的COD,是实现棉织物生态前处理的最佳途径之一。根据这个设想,主要考察了果胶酶、纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶等生物酶制剂对棉织物杂质的作用,见图 4。
　　
　　由图 4 可看出,利用果胶酶、纤维素酶和淀粉酶等不同的酶制剂进行组合,可有效去除棉纤维表皮层和初生胞壁中的果胶质、蛋白质、纤维素和半纤维素,还可去除织物上的淀粉浆料。但是,对于色素、蜡、棉籽壳等目前还无法用生物助剂彻底清除。这些杂质的去除,还需要使用化学助剂。
　　用双氧水对棉织物进行前处理已经有很多年的应用历史,俗称“碱氧工艺”,一般使用浓度较高的烧碱和双氧水,并添加双氧水稳定剂和精练剂,以获得较好的除杂效果。碱氧工艺在实际应用中存在的主要问题是:(1)由于烧碱用量大,废水的碱度高,有害物质含量多,废水处理难度大;(2)高温处理时间长,能量消耗大。一般情况下,需要在90 ℃以上的高温条件下处理 60 min以上的时间,才能得到比较好的处理效果;(3)织物强度损失比较大。长时间高温处理,很容易使纤维素被氧化,造成织物的“潜在损伤”或“针孔”破洞。
　　近年来,国内外学者和纺织助剂供应商都致力于开发生物助剂和化学助剂相结合的多功能前处理助剂。用这些助剂和双氧水配合,可以在相对温和的条件下,实现棉织物上色素、蜡和棉籽壳的有效去除,达到高效节能和环保的目的。这类助剂的选择和使用,应当参考如下原则:(1)碱性低,缓冲能力强;(2)对双氧水具有良好的控制作用,无效分解少,杂质分解程度高。白度、毛效和退浆率高,无棉籽壳残留,无氧化破洞产生;(3)冷堆和汽蒸时间短;(4)对坯布和水质适应性强;(5)长期使用不会出现垢斑。
　　
　　4高效节能环保型前处理工艺的应用实践
　　
　　如上所述,生物助剂与化学助剂相结合具有很强的适应性和灵活性。这些产品可以采用连续汽蒸工艺、冷堆短蒸工艺和浸渍法处理工艺,能够缩短前处理时间,减少能源消耗,由于配套了生物助剂,省去了烧碱,所以废水的COD大大降低,具有很好的环保效果。如下一些高效节能环保型前处理工艺为例可供参考。
　　4.1平幅连续汽蒸工艺
　　平幅连续汽蒸工艺适合所有的棉及其混纺织物的前处理,适合各种平幅汽蒸设备,以一种比较难处理的高密度40×40 棉坯布为例,作一介绍。
　　工艺流程:棉坯布 → 烧毛 → 灭火 → 浸轧退煮酶(带液率100%)→ 汽蒸(102 ℃,30 min)→ 热水洗 → 浸轧练漂液(带液率 100%)→ 汽蒸(102 ℃,25 min)→ 热水洗 → 冷水洗 → 烘干。
　　当退煮酶海丽洁EZ � FH2100用量为 10 g/L,练漂液中多功能氧漂助剂海丽洁PA � LP8100的用量为 50 g/L,双氧水的用量为 8 g/L,处理后的棉织物的毛效达到 7.3 cm/30 min,亨特白度为 91.2,退浆率为 8 级。该工艺的优点不仅在于其生产流程短,能量消耗低,而且由于不使用烧碱,前处理废水的COD大大降低。
　　在退浆率要求不高的情况下,还可以采用退煮漂一步法连续汽蒸工艺,可参考如下工艺流程:棉坯布 → 烧毛 → 热水洗 → 浸轧练漂液(带液率100%)→ 汽蒸 50 ～ 70 min → 热水洗 → 冷水洗 → 烘干。
　　当双氧水的用量为 8 g/L,海丽洁PA � LP8100的用量为 30 g/L时,经过前处理后织物的白度为 91.2,毛效为 12.5 cm/30 min,可以满足生产要求。
　　4.2冷堆短蒸工艺
　　冷堆短蒸工艺由于高温处理时间缩短,能源消耗大大减少,具有显著的节能效果。该工艺适合所有的棉织物品种,一般情况下可以采用如下工艺流程:坯布 → 烧毛 → 灭火 → 浸轧练漂工作液(带液率100%)→ 冷堆 8 ～ 24 h → 汽蒸 15 ～ 30 min → 热水洗 → 冷水洗。
　　织物浸轧 10 g/L双氧水和 40 g/L PA � LP8100组成的练漂液后,冷堆 8 h,再汽蒸 15 min,织物的亨特白度为90.2,毛效为 12.9 cm/30 min。
　　4.3浸渍法
　　纱线、针织物和毛巾等产品可以采用浸渍法进行前处理。由于前处理过程中不用烧碱,废水和织物上的碱度低,织物失重减少,毛效和白度高,手感好。
　　工艺流程:坯布或纱线 → 浸渍练漂工作液 → 升温至90 ～ 95 ˚C → 处理 30 ～ 40 min → 排水 → 热水洗 → 冷水洗。
　　工作液处方:
　　海丽洁PA � LP8100 2 ～ 5 g/L
　　海丽洁PA � QY98500 ～ 3 g/L
　　双氧水(27.5%)3 ～ 5 g/L
　　如果织物上含有针织油或拟处理的织物毛效要求比较高,可以在上述工作液处方中添加适量的除蜡去油剂PA � QY9850,以提高除油去蜡效果,增加织物的吸水性。
　　4.4生产应用中的高效节能和环保效果
　　现以J型箱连续汽蒸前处理生产工艺为例介绍高效节能环保型前处理工艺的应用效果。J型箱绳状连续前处理一般采用高温烧碱退浆煮练,然后用次氯酸钠漂白。不仅处理时间长,而且温度高、能耗大,织物强度损失比较严重,产品质量稳定性较差。
　　在实际生产试验中,采用规格为 24×24/72×60、幅宽为 51 英寸的纯棉坯布,使用J型箱绳状连续前处理生产线,生产工艺流程:坯布烧毛 → 灭火 → 浸轧退煮酶工作液(带液率 100%)→ J型箱汽蒸 30 min → 热水洗 2 道 → 浸轧练漂工作液(常温,带液率 100%)→ J型箱汽蒸 60 min → 热水洗 2 道 → 冷水洗 → 烘干。
　　生产中采用的车速为 80 m/min,退煮酶EZ � FH2100用量为 15 g/L,续加液为 75 g/L。练漂液中PA � LP8100的用量为 25 g/L,双氧水(100%)的用量为 4.5 g/L,续加液前者为125 g/L,双氧水为 22.5 g/L。
　　传统的J型箱绳状连续前处理工艺可参考本文第二部分,在此不再赘述。
　　高效节能工艺与碱煮练工艺处理后织物的质量指标如表 2 所示。可以看出,高效节能工艺处理后织物的质量与烧碱处理工艺相近,完全可以满足生产需要。
　　
　　高效节能工艺与烧碱煮练工艺的成本对比见表 3,可以看出,高效节能工艺比烧碱前处理工艺成本降低 1.08 元/100 m。由于工艺流程缩短,初开机时间可以减少 4.5 h,此外还可以大大减少水、电、汽消耗,提高生产效率。
　　
　　经测试,两种工艺的环保指标如表 4 所示。可以看出,高效节能工艺前处理废水的COD比碱煮练工艺减少 54.8%,悬浮物减少 34.3%,pH值下降 3.4,废水颜色明显变浅。
　　
　　此外,由于高效节能工艺省去了氯漂工序,不仅生产效率提高,而且大大减少了废水中的AOX,由此产生的环保效益也将是非常显著的。
　　
　　5结语
　　
　　棉织物上存在的天然伴生杂质、棉籽壳和浆料等决定着前处理工艺的研究与开发方向。用生物助剂与化学助剂相结合,替代传统的烧碱处理工艺,生产实践表明,不仅可以实现前处理工艺的高效短流程,而且具有显著的节能环保效益。
　　(致谢:本文得到国家支撑计划项目支持,在此表示衷心感谢。此外,山东滨州愉悦家纺有限公司、青岛凤凰美昊印染有限公司、常州东高染整有限公司和青岛海怡精细化工有限公司等单位在本成果的推广应用中给予了大力支持,在此表示诚挚的谢意。)
　　
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