超临界C02印染技术的探究

绪论

1.1课题背景和研究意义
几千年以来, 印染行业一直是用水作为溶剂, 毕业论文范文在助剂的配合下完成各类织物的印染; 同时, 在工业生产中需要排放大量的废液和废水 "根据测算, 印染加工的织物与排放的废水质量比高达 1: 150一1: 120, 全国纺织印染业废水排放量估计约为每年 2 亿吨, 废水处理成本昂贵, 占工业废水总排放量的 35% 。由于其所排废水加入了多种染色剂 。助剂和沉淀剂,所以很难有效地回收, 对染整行业进行环境保护的成本很高 "随着国家环保标准的提高和对工业健康保护的增强, 环保成为染整行业中迫切需要解决的问题之一 "超临界流体染色是近年提出的一种以超临界流体代替水作为染色介质的新工艺 "尽管许多物质都可以作超临界流体使用, 从生态和技术的角度考虑, CO :被更广泛采用 "超临界C oZ(Supecr ritieal一eo Z, 以下简称 /sC 一C o :0 )流体作为染色介质, 对分散染料的溶解能力比水高得多 。
在超临界C O 中, 分散染料一般处于单分子状态 , 因此无需加入大量的离子分散剂 。染料溶解度高, 不仅可以提高上染速率 , 还可以提高匀染性 , 避免分散染料在水中由于分散稳定性下降所引起的各种问题。利用超临界c o :流体对织物进行染色, 于02 世纪 09 年代开始应用于印染工业。传统的印染方法主要是用水作为溶剂, 需消耗大量的水资源, 且印染后废水不易处理, 对环境造成严重污染6][ , 寻找一种无水印染方法是人们所共同期待的"研究实验表明, 使用 sc 一c o Z作为溶剂, 可完全代替水, 而且比传统的水染色具有更多优势I7] , 几乎能够对所有织物进行染色, 甚至曾经认为不能染色的纤维, 如P一芳族聚酞胺也证明可用 SC 一C O :染色, 此外还可印染图案和花型, 因此, 将超临界无水印染技术(supereritiealFluid o ying, 以下简称 /sro 0)应用于印染行业是可行的, 并有巨大的发展潜力

1.2 超临界流体染色技术综述与研究现状
1.2.1 超临界流体技术
纯物质都存在三种相态：气相 ， 液相 ， 固相 。三相成平衡态共存的点叫三相点。气一液两相成平衡状态的点叫临界点, 在临界点时的温度和压力称为临界温度(cT )和临界压力(cP ),不同的物质其临界点所要求的压力和温度各不相同"超临界流体(s叩cer rit iac =lfudi, sc)F 一般指用于溶解物质的超临界状态溶剂 。该溶剂处于气态和液态平衡时, 流体密度和饱和蒸汽密度相同, 界面消失。
超临界无水印染技术是一超临界状态下的 CO :代替水作为染料载体, 利用超临界状态下的二氧化碳具有的高溶解性和高渗透性, 使纤维高聚物分子溶胀, 产生纤维空隙, 将染料溶解并携带到织物中, 使染料分子进入聚合物分子而进行染色; C O :经逐级降压或快速降压与染料分离, 再经冷凝压缩后回收循环使用"
在静态染色工艺中, 由于待染物与超临界流体保持相对静止, 染料上染的扩散速度不及动态法, 染色效果较差, 且存在色差。动态染色工艺中染液不断在高压染色釜与染料釜之间往复循环, 当超临界流体经过染料釜时, 染料不断溶解到流体中, 带有染料的超临界流体通过染色釜时, 染料就上染到织物或纱线上 。
1999年, 光明化工研究设计院开始关注超临界二氧化碳印染, 很快小试成功, 后因资金缺乏而搁浅 。2005年, 光明院又开始中试, 最终动态染色取得了突破性进展 。由大连工业大学与光明化工研究设计院共同完成的 /超临界二氧化碳无水染色技术与工程化设备 0和 /散纤维及成衣制品无水染色项目, 在辽宁省科技厅组织召开的科技成果项 目鉴定会上 ,通过了中国工程院专家组科技成果鉴定, 有望使印染行业杜绝水污染和水消耗 。
针对目前超临界流体无水染色工艺的某些不足与缺陷, 以超临界二氧化碳为载体, 开发一种工艺上合理生产上可行.可以实现连续化生产的工艺流程.针对不同染料的特性, 采用不同的分离方式, 根据不同的分离方式设计与之对应的二氧化碳回收与循环系统, 使超临界流体无水染色工艺更合理, 更易于实现工业化生产 "针对筒子纱的特点设计一种可连续染色的超临界流体染色反应罐, 根据国内外对高压快开结构的设计经验, 总结归纳出高压快开结构的设计步骤与准则 .对设计的染色罐及纱锭内部流场情况进行计算, 为超临界流体染色工艺的优化设计提供理论基础 .
在染色结束后会有部分染料未进入纤维内部完成染色作用, 而是以分子状态依附在纱锭上, 成为浮色。这部分染料需要进行纯净的C O :清洗。这时的 SC一C O :不再是染色状态的 C 0 2了, 此时的 SC一CO:的温度低于被染纤维的玻璃化温度, 不会把已经上染的染料溶解, 只是清洗依附在纱锭表层的染料。更换染料时要将装置中接触染料的设备管道经行清洗。因为要达到预期印染效果以及实现颜色的重现性, 不但该染料的浓度要达到要求, 而且不能掺杂其它染料(微量的杂质都会引起较大的色差。

第 2 章 超临界 CO:流体热力学性质研究............................21
2.1 超临界 CO :密度..........................27
2.2 超临界 CO :粘度............................29
2.3 超临界 C O:定压比热容..........................31
2.4 超临界 CO :导热系数 .......................41
2.5 超临界 CO:的烙...............................41
第 3 章 超临界 C O :无水印染工艺设计........................51
3.1 染料概述.......................51
3.2 涤纶纤维概述及染色机理................................81
3.3 工艺研究.........................82
3.4 工艺设计.........................82
第 4 章 超临界 CO:无水印染装置设计 ..........................92
4.1 设计条件一与参数..............95
4.2 染色釜设计........................98
4.3 管道设计...........................98

结论
系统全面的研究了国内外超临界CO :印染的发展状况, 分析前人不足, 总结前人经验,同时在理论分析基础上, 以涤纶纤维为印染对象, 以分散蓝 143 为上染介质, 研究并开发了一套超临界 CO :无水印染动态工艺, 该工艺流程包括 C O :存储单元 、加压加热单元、循环印染单元 、 分离回收等四个相对独立单元 。根据工艺流程确定了工艺步骤及工艺参数, 绘制工艺流程图及设备设计流程图, 进而对设备装置进行设计或选型, 其中包括布染色釜、管道、布液管、染料罐、CO :钢瓶、真空泵 、加热器 、 冷却器 、 分离器 、 增压泵 、 循环泵等 。本文创新性的采用两个二位三通电磁阀控制, 实现对染色釜内部流场换向, 使 CO :在纱锭内换向流动, 使流场分布更均匀, 避免纱锭出现染色不匀, 甚至脱染 "该方法相较于前人的电磁搅动或机械搅动方法, 设备更简单, 操作更容易。

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