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    国内外纺织经纱上浆技术的新进展.docx

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    国内外纺织经纱上浆技术的新进展.docx

    国内外纺织经纱上浆技术的新进展 江南大学纺织服装学院,中棉行协浆料检测中心 荣瑞萍 科学技术的快速发展和世界范围内人们环境保护意识的日趋重视和加强,促进和带动了纺织工 业中纺织材料、纺纱、织造、后整理技术等的进步,使纺织产品呈现出档次高质量好,新产品不断 涌现的新格局 ,与此同时纺织产品也面临着绿色化和加工过程生态化等更新更高要求的挑战。在当 今形势下,对浆料的开发和使用如何适应进一步提髙浆纱质量,满足织机髙速化、纺织面料高支高 密化、加工过程生态化的要求,以及新型纤维纱线的上浆等都是摆在浆料研制人员和浆纱工作者面 前的新的重要课题。 1纺织浆料新进展 1.1变性淀粉浆料 淀粉是来自于植物的一种再生资源,具有来源广、价格低、易降解的特点。至今变性淀粉仍是 各国使用最广泛、用量最大的上浆粘着剂,但各国在变性淀粉的研究和使用上有较大差距。 欧洲主要开发和研究的是酯化、醚化的马铃薯淀粉,这类变性淀粉由于在淀粉大分子结构中引 入了酯基或醚化基团(因醚化剂种类而异),淀粉的糊化温度降低,甚至冷水可溶,浆液在低温下不 凝冻,有利于调浆和低温上浆 。当引人的基团数量增多,取代度达到 一 定值后,浆液对纤维的粘附 力提高,浆膜的柔韧性和断裂伸长有较大改善。在美国则是以酯化、醚化、氧化的玉米淀粉为主。国 外在变性淀粉的开发和使用上,着眼于髙性能及取代 PVA的功效。例如,在欧洲, 80年以前经纱 上浆主浆料的配比是50为氧化淀粉或酸解淀粉、 50为 PVA 80年之后主浆料的配比变为 70 的醚化淀粉或酯化淀粉加上 30PVA , 90年起主浆料的配比是 70 80的醚化淀粉或酯化淀粉、 510PVA、 515聚丙烯酸类浆料, 2001年德国一家纺织厂 浆料配方为 95以上是变性淀粉, 再加上少量聚丙烯酸类浆料和油剂 121。由此可见,随着变性淀粉档次的提高,变性深度的增加,其 上浆性能更好,这样的变性淀粉在浆料配方中取代 PVA的比例增大,甚至可实现不用 PVA。 欧美一些国家还对转基因淀粉的变性产物和两性淀粉有研究及使用。转基因淀粉是植物通过遗 传基因转变,使淀粉中不含直链淀粉而为 100支链淀粉。据称以这样的淀粉为原料生产出的淀粉衍 生物,对纤维具有更好的粘附力。两性淀粉是指在淀粉的分子结构中既引入了阴离子基团又引入了 阳离子基团的一类淀粉,由于纤维素纤维 在水中显阴电性,阳离子基团的存在有利于提高浆料分子 对纤维素纤维的亲和力,从而使粘附力增加。 接枝淀粉是第三代变性淀粉,国内外对接枝淀粉的研究做了大量的工作。国外接枝淀粉在石油、 釆矿、冶金、环保材料、造纸 领域的应用已比较普遍 13、但作为纺织浆料用于经纱上浆方面的文 献介绍相对较少。接枝淀粉是以淀粉为主体,通过化学或物迪方法,使某些烯烃类物质(单体 ) 以 一定聚合度分子的接枝链接到淀粉的大分子上,互取两者之长, 补两者之短,从而提高了淀粉的 使用性能。由于在淀粉接枝共聚中,不同的接枝单体、制备条件可以获得性 能各异的接枝淀粉产物。 因此,国内外仍在加速研究,不断开发新工艺、新技术、新产品 W。 值得一提的是国外很注重变性淀粉上浆的高性能化,多采取添加其它物质组分,使多元化结构 的产品性能更优良,在上浆中取代更多或全部 PVA。 这类产品在国内市场上也有销售。 我国在变性淀粉的研究和开发方面与国外的差距并不大,已具备生产各种变性淀粉和不同变性 13 深度产品的能力。用于纺织经纱上浆的变性淀粉不仅有氧化淀粉、酸解淀粉、交联淀粉,还有各种 酯化淀粉、醚化淀粉、接枝淀粉,以及采用几种变性方法制得的双变性或多变性淀粉。但国内纺织 厂在选用变性淀粉时,大都还是只考虑单方面的价格和上桨成本,并不很注重变性淀粉的高性能和 大量取代 PVA后的综合经济效益,这就影响了变性淀粉向变性深度和高性能方向的进一步发展。从 总体上看,我国纺织用变性淀粉桨料的生产和使用与国外存在着较大的差距,主要表现为一般产品 多、低取代度产品多、髙性能产品少,纺织厂使用转化淀粉的仍较多,约占变性淀粉用量的 80 左 右。淀粉衍生物中酯化淀粉虽有一定量的使用,但根据近几年的检测情况, 大都为变性程度低的产 品,如磷酸酯淀粉的取代度小于0.01,有的甚至只有 0.001左右,并含有较多的残留磷酸盐,影响 浆料的上浆性能;纺织用醋酸酯淀粉的D.S只在 0.01 0.05之间,也是低取代度产品。因此,国 内变性淀粉浆料还有许多工作要做。 在我国纺织用变性淀粉浆料的发展,可归纳为以下几个方面 1 优化生产工艺,增加变性深度,提高产品性能,使变性淀粉在上浆中发挥最佳效用,性价 比适得其所。醋酸酯淀粉和接枝淀粉是在少用或不用 PVA方面最有突破可能的,但目前还存在性价 比问题。 2 紧扣环保主题,发展绿色化的变性淀粉。从环保角度出发,变性淀粉产品应符合绿色浆料 标准,变性淀粉中应不含 “ 环境标志 ” 列出的不应有的物质。如甲醛、含苯环的有机物、有害氯化 物和重金属等。 3 重视物理法、生物法对淀粉处理技术的应用,使加工过程绿色化。如釆用高速剪切作用、等 离子体处理、微波技术等。 1.2 PVA 聚乙烯醇)浆料 PVA作为纺织浆料应用于经纱上浆已有六十多年历史,现在全世界的 PVA浆料用量仍非常大 10万吨左右 ) m。 PVA是一种综合性能优良的浆料,浆膜坚韧、耐磨,耐屈曲性居各种粘着剂之 首,对天然纤维和一般合成纤维有较好的粘附力。至今尚未出现能与 PVA的上浆性能相媲美的其它 类浆料,所以仍被广泛使用,并在某种程度上还有增加的趋势。当然 PVA在使用上也存在着较难溶 解、退浆性能较差和因难分解而带来的环保问题等。近年来各发达国家的科学家都加快了研究步伐, 开展了对 PVA改性、回收再利用和生物降解的研究 I61,以解决 PVA使用和环保方面的问题。 PVA的改性主要是醋酸乙烯酯与其它含乙烯基的单体(如甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、丁烯 二酸、甲基丙烯酸盐等)共聚,再进行皂化。通过引入其它基团来改变 PVA规整的分子结构,减小 分子间氢键的作用力,降低结晶度,改善水溶性和退浆性,提高对疏水性纤维的粘附力。 PVA经过 改性还可用于低成本的冷(室温 ) 上浆工艺、 PVA的回收再利用和生物降解是解决 PVA上浆环保问题的重要途径。随着先进过滤技术的发 展,对PVA进行回收再利用以成为现实 _这类技术主要包括三个步骤浆料的分离一对含 PVA的 退浆液体处理一回收的 PVA再利用。美国在实际生产中已用超滤法回收退浆废液中的 PVA, 但由 于该技术设备投资大,目前还没有大范围推广。 日本对 PVA的生物降解研究较多,己从自然界中分 离出能分解 PVA的两种降解菌一种是能 产生不规则分解 PVA分子链的分解酶(菌株 No SK-95,可使 PVA粘度快速降低,主要用于 PVA 的退浆另一种是能从末端开始分解 PVA的分解酶(菌株 No RS701,可用于含 PVA废水的处理。 研究表明, PVA的醇解度对酶的降解有一定影响,醇解度髙的 PVA分解较好聚合度 5002200 14 对酶的分解没有影响,但 PVA分解酶对 PVA的分解速度有待提高。意大利科学家 研究 TPVA 吹塑薄膜在不同环境和试验条件下的生物可降解性,从造纸废水的污泥中提取的微生物经过培养得 到了一个活性髙的 PVA降解生物混合细菌培养物,经驯化的微生物种群显示了对 PVA良好的降解 效果。韩国科学家从纺织厂和印染厂下水道的活性污泥中分离出了降解 PVA的菌株 SB68和 SB69, 通过驯化提髙了其降解活性 1.3 1.7倍,单独菌株 SB69和混合菌株 SB68SB69都表现了较髙的 PVA降解活性,在 46天试验期间使原来 0.01浓度的 PVA降解 75。以上研究结果都表明生物 降解 PVA的微生物菌株已经找到, PVA的生物降解不再是难题。 基于上述的研究进展,引起人们对 PVA应用前景的极大关注。有文章对称 PVA为 “ 不洁浆料 ” 给出了明确的否定结论,指出所谓 “ 不洁物 ” 通常指对生物体有毒有害的污物,并举证了 PVA的生 物学试验他们将 PVA放入老鼠的食谱中,以 20005000mg/Kg/天的剂量喂食 90天,以此评 价其生物学系统和神经毒性。评价方法包括临床观察、眼科观察、体重、食品消耗量、血液学、凝 结物、临床化学,尿分析、运动肌活性和笼饲功能性观察的评价以及表现和显镜病理学。在这些剂 量下没有产生任何不利和毒性的影响。因此得出结论 PVA是相对无害的,可以用于口服、药品包 装材料和日常饮食供应的包装产品,也能应用于细胞组织工程。但我们不能忽视和回避的是 PVA的 生物难降解性,在生态环境中会造成积累,从而影响生态平衡。也许将来会出现一种可代替 PVA全 部功能的合成浆料,但新的合成浆料的生态学命运仍值得怀疑。随着人们对 PVA降解微生物研究的 进展,在以 PVA为基础的髙分子共聚物和混合物的应用及其生物可降解性研究也得到了极大的发展。 研究表明共混物和共聚物中的 PVA生物降解性较髙,这是因为其 它高分子的参与破坏了 PVA分 子间的氢键,使 PVA相对较容易受到微生物的进攻纺织经纱上浆大都釆用 PVA与变性淀粉的混 合浆料,有理由推测这种混合浆料的生物可降解性并不像想像的那么困难。因此,今后 PVA作为浆 料仍将继续被经纱上浆看好并广泛使用。 1.3聚丙烯酸类浆料 聚丙烯酸类浆料是丙烯酸类单体的均聚物、共聚物以及共混物的总称。聚丙烯酸类浆料的性能取 决于分子结构设计时所用单体的种类及比例。由于聚丙烯酸类浆料可用的单体种类较多,因而可根据 相似相容的原则,针对上浆纤维的结构特点,通过单体的选择组合,合成 对某一类纤维最具良好粘附 力的浆料,使聚丙烯酸类浆料具有优良的上浆性能。聚丙烯 _ 类浆料也是今后绿色浆料发展的重要方 向之一。现在欧洲不少纺织厂经纱上浆浆料配方中的粘着剂已是变性淀粉 聚丙烯酸类浆料。 国内外聚丙烯酸类浆料仍分为三大类聚丙烯酸盐类、聚丙烯酸酯类、聚丙烯酰胺浆料。目前 除聚丙烯酰胺浆料外,其它都是二种或二种以上单体的共聚裨产品。对于一般认为的聚丙稀酸类浆 料吸湿性大、易再粘的问题,实际上通过单体组分的會理埭 _搭配是可以解决的。在聚丙烯酸类 浆料中应重视聚丙烯酰胺和聚丙烯酸酯的进一步研究,聚 两燦 _胺是一种很有价值的绿色浆料 51, 它适用于亲水性纤维的上浆,又很容易被生物降解,只要能解决它吸湿再粘的不足,是很有发展前 景的浆料。以丙烯酸酯为主要单体合成的聚丙烯酸酯类浆料,对疏水性纤维具有优异的粘附力,若 能提髙其浆膜强度,降低热塑性,就可在疏水性纤维纱线的上浆中发挥巨大的作用。。 1.4其它浆料 欧美一些国家以纤维素衍生物作为经纱上浆的主浆料,取得了很好的上浆效果。经纱上浆中使 用的主要是精制级髙性能的纤维素醚。这类浆料水溶性好,制浆简单,室温下就能溶于水成为粘度 15 稳定的浆液,低温下不凝胶,浆膜坚韧、耐磨。对棉纱、粘胶纱、人造丝、毛纱以及混纺纱都具有 良好的粘附力。其浆纱能适应髙速喷气织机的织造要求,落浆少,即使在髙湿度的织造车间浆纱也 无胶粘现象。这类浆料退浆容易,是易于生物降解的绿色浆料,值得引起上浆工作者的高度关注和 重视。目前国外浆料公司在国内市场销售的一些产品的组分中也含有纤维素衍生物。 聚酯浆料是针对涤纶纤维结构专门合成的一种新浆料。该浆料采用对苯二甲酸二甲酯和乙二醇 以及亲水性单体为原料合成而得,其分子结构与 涤纶纤维的分子结构相似,因而对涤纶纤维有优异 的粘附力。聚酯浆料水溶性好,易于退浆,浆液粘度低,表面张力小,渗透性强,用于涤纶长丝、丙 纶丝及变形丝上浆有良好的效果 w。也可与变性淀粉 、 PV A混合用于纯涤纶短纤纱、涤 /棉混纺纱 上浆。聚酯浆料早在30年前法国、美国、德国等国家已有研究和产品,但由于吸湿性高、再粘性大、 价格贵,应用受到很大限制。当前美国、法国、日本、德国、韩国等已有解决了上述问题的成熟商 品用于纺织上浆。国内一些髙校及研究机构也正在研制开发聚酯浆料,并取得了阶段性成果。 瓜尔胶浆料是天然的髙 分子粘着剂。瓜尔胶是从种植于印度、巴基斯坦等地的豆棵植物棗瓜尔 豆中提取的一种植物胶。瓜尔胶分子的化学结构与纤维素分子的化学结构具有相似性,瓜尔胶经醚 化或酯化反应生成的衍生物,可用作纺织经纱上浆的粘着剂和印花糊料。瓜尔胶浆料冷水可溶,浆 液粘度稳定,对纤维素纤维(如棉、粘胶等)的粘着力髙于各种变性淀粉 该浆料用于经纱上浆可 减少浆纱毛羽,提高浆纱耐磨性,退浆容易,废液易被生物分解。 毛纱上浆浆料是解决毛单纱上浆问题,开发髙支轻薄型毛织物的重要途径。目前市场上销售是 毛纱上浆用组合浆料其组份大多是棉和合纤所 用的常见浆料,它们与毛纱的亲和力差,不能完全适 用于毛纱上浆,难以达到理想的上浆效果。动物胶如明胶、骨胶等虽然具有粘附性、浆膜耐磨性、退 浆性好的优点,但更主要是存在浆膜弹性差、易破碎脱落、吸水性过强等缺点,使其不能作为主浆 料使用 。因此研制和开发适合毛纱上浆的浆料非常必要。目前这方面的研究有蛋白质接枝浆料,该 浆料是在动物胶基体上接枝丙烯类单体聚合物 I羧甲基纤维素为主的浆料,聚氧乙烯与其它浆料结 合的毛纱浆料等。 最近,在国内浆料市场颇具影响的纳米级无机浆料值得关注。据称该种助剂浆料在纯棉纱上浆 中取代 PVA发挥了较大作 _。但现在生产该助剂的厂家较多,产品的种类与名称也各不相同,比较 混乱。纳米级无机材料本身是既无内聚力又无它粘性的物质,其在上浆中的作用机理与理论依据有 待探讨,以取得共识。 2新型纤维纱线的上浆 科学技术的进步与发展推动了材料芏程、纺织工程、生物工程等学科的交叉结合与共同研究,出 现了很多新型纺织纤维,如 Lyocell纤维、竹纤维、木质素纤维、大豆纤维、牛奶纤维、甲壳素纤维 等。以新型纺织纤维为原料制织的纺织品,既适应了人们对时尚和舒适的追求,又顺应了环保要求 下纺织品的发展趋势。 新型纤维纱线的上浆似乎是个难题,其实并不然。上浆工作者只要掌握上浆 的基本原理与要点,合理选用浆 _和上椠土艺参数,就能获得良好的浆纱效果。 新型纺织纤维在分子结构、物理和化学性质古面与天然纤维既有区别,又有本质上相似之处。了 解新型纤维的化学结构特点和其物理性能,是这类纤维纱线上浆的关键。见表 1、表 2分别是新型纺 织纤维的结构特点和常用纺织浆料的结构特点。 由粘附机理可知,新型纺织纤维上浆的基本要点是掌握它们的化学结构特点,依据相似相容 16 表 1 新型纺织纤维的结构特点 纤维名称 类别 加工方法 化学结构特点 Lyocell 纤维 再生纤维素纤维 木浆粕溶于氧化胺溶剂,经除杂直接纺丝 羟基 竹纤维 竹浆纤维素纤维 竹纤维素经蒸煮等加工而成 羟基 木质素纤维 木浆纤维素纤维 天然木材经化学处理而获得 羟基 玉米纤维 聚乳酸纤维 淀粉发酵的乳酸聚合得聚乳酸脂,熔融纺丝 羟基、羧基 大豆纤维 再生植物蛋白纤维 球状蛋白质与 PVA交联制成 酰胺基 牛奶纤维 动物蛋白纤维 牛奶浓缩去脂和丙烯腈共聚 酰胺基 甲壳素纤维 含氮多糖 虾蟹甲壳制得壳聚糖,采用湿法纺丝制得 酰胺基、羟基 Model纤维 高湿模量再生纤维素纤维 榉木经打浆,纺丝而成 原理选择合适的浆料。从表 1可看出,新型纤维基本上都含亲水性基团,因此上浆粘着剂选用含亲 水性基团的变性淀粉 、 PV A、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸盐浆料都是可行的。例如大豆纤维纱线上浆粘 着剂可选用酰胺淀粉和聚丙烯酰胺 Lyocell纤维、竹纤维、 Model纤维纱线上浆可以选用各种变 性淀粉。上浆时还需注意新型纤维的物理机械性能,确定合理的上浆工艺参数,如浆液粘度、上浆 温度、经纱张力等,从而获得好的浆纱效果。例如竹纤维纱线的上浆,由于竹纤维的千湿强和伸长 性能介于棉与粘胶之间,竹纤维纱吸浆快、易渗透,上浆宜采用 “ 小张力、少伸长、轻加压、重被 覆 ” 的工艺原则,以获得耐磨性提高,毛羽减少和保伸的浆纱效果 3上浆工艺新进展 表 2 常用浆料的结构特点 浆料名称 结构特点 浆料名称 结构特点 原淀粉 羟基 醋酸酯淀粉 羟基、酯基 酸解淀粉 羟基 完全醇解 PVA 羟基 氧化淀粉 羟基、羧基 部分醇解 PVA 羟基、酯基 酰胺淀粉 羟基、酰胺基 聚丙烯酸盐 羧基 羧甲基淀粉 羟塞、羧基 聚丙烯酰胺 酰胺基 磷酸酯淀粉 羟基、磷酸根 聚丙烯酸酯 酯基、羧基 3.1预湿上浆 预湿上浆是近年来已进入实用阶段的新型浆纱工艺技术,国外预湿浆纱机已经在国内使用,国 内纺机厂也已研制出带预湿槽的浆纱机投人纺织厂生产使用。 预湿上浆就是经纱在进入浆槽上浆前, 先进入预湿槽在热水 ( 9095t; 中浸溃、轧压,而后再上浆。生产实践表明,采用预湿上浆能使 经纱获得更好的上浆效果。 预湿上浆具有如下优点 1 经纱经热水洗涤,纤维表面的油脂等杂质被去除,润湿的纱线与浆料分子的亲和力增加,对 浆料分子的吸附力提髙。据资料 1*1介绍纤维粘附力可提髙 25 。 U在达到与传统上浆相向效果的前提下,预湿上浆可降低上浆率,减少浆料消耗 25 30。 3可使浆纱毛羽下降、耐磨性能增强。据研究报道,经纱的毛羽减少可达 50,耐磨性提高 100或更多。 17 4 由于上浆率降低,退浆废液中浆料量相应减少,从而降低了废水处理成本,受到染整企业 欢迎。 为保证预湿上浆的成功,必须注意以下重要因素 1 预湿槽中水的温度应尽可能提高 ( 决不能是室温)。髙温有利于棉蜡、油剂等的溶化去除, 也可是纱线温度升高,减轻淀粉浆液在其表面的凝胶。 2 预湿槽中压辊的挤压力要大(达 100KN, 并能随车速自动调节,使纱线的压出回潮率保持 在20左右。 3 浆槽中的浆液浓度要比常规上浆时的浓度高大约 20,因为纱线带有的水分会使浆液浓度 受影响而降低,否则上浆率难以保证。 预湿上浆在实际应用中也遇到了有待解决的难点其一,构成纱线的纤维种类及比例不同时, 预湿的乳余率(压出回潮率 ) 存在差异,使上浆率较难掌握,其二 ,一 般预湿后的纱线含有 40 60 的水分,要达到一定的上浆率就要较大幅度的提高浆液浓度,但浆液浓度提高后粘度增大,调浆 与输浆发生困难。 3.2涂敷上浆 最近,报道了德国邓肯道夫纺织工艺研究所对涂敷上浆的研究 91。在被称为 Chimgel 浆纱 CGS工艺中,给液装置的上浆辊将定量的浆液涂敷到经纱上。给液装置由两个水平倾斜辊棗上浆 辊与挤压辊组成(如图 1。这种上浆方式可获得节约能源和提髙经纱织造效率的效果。由于涂敷上 浆使用高浓度浆液,含水量少,烘干浆纱消耗的能量降低。纱线表面的浆膜被覆层对减少毛羽和提 高耐磨性起到了积极作用。但用 于这种方法的浆料必须满足特殊要求髙浓度,低温时可涂敷,好 的浸湿性,合适的粘度。 研究者对涂敷上浆中浆液配主和经纱的影响、预浸湿的影响、纱线涂层的影响、浆液浓度的影 响、经纱通过等离子体预处理的影响均作了较 详细的研究。完成的成果指出, Chimgel浆纱法的开 发潜力还很大,特别是与现代技术(如等离子体处理)相结合,有可能使用更高强度的、价格低廉 18 的混合配方。由于机械结构简单,干燥时节约能量,浆纱织造时的效率提高等优点,有着极大的市 场潜力。可是目前机械制造企业还没有提供和销售更多的这种装置,因此未来的市场潜力应通过机 械制造来揭开。 4参考文献 1 祝志锋 .变性淀粉的现状与发展 .全国浆料与浆纱技术 2004年会论文集, 9-14 2 徐祖苗 .淀粉浆料的展望 .全国浆料与浆纱技术 2002年会论文集, 9-10 31武海良,顾振亚 .经纱上浆用淀粉瘘枝共聚物的开发与展望 】 .棉纺织技术, 2003, 31 3 17-19. 4 周永元 .纺织浆料学 M.北京中国纺织出版社, 2004. 5 周永元 .新型纤维上浆和纺织浆料新情况 J】 .纺织导报, 2004 , 5 70 - 82. 6 范雪荣,王强,顾蓉英 .国外纺织浆料的研究与进展 J.印染助剂, 2003 J035-7. 7 朱谱新,姚永毅 .PVA浆料的生物降解性及应用前景 J】 .棉纺织技术, 2005; 33262- 64. 8 H.J.Hyrenbach Lauffenmuehle公司 德国 ) .应用预湿上架的实际经验 J】 .国际纺织导 报, 2002“441 43 9 T.Stegmaier, H.Atele,W.Wunderlich,H. Planck邓肯道夫纺织工艺研究所(德国 ) . Chimgel 浆纱工艺的新进展 J.国际纺织导报, 2004 246-51. 19

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