第四节 高效短流程前处理工艺
自20世纪70年代中东石油危机以来，世界范围内的能源持续紧张。染整行业中前处理工序的能耗占总能耗的比例较大，促使人们去研究开发高效、低能耗的前处理工艺。棉织物练漂加工分退浆、精练、漂白三道工序，常规三步法前处理工艺稳妥，重现性好，但加工机台多、时间长、效率低、能耗高。随着技术的不断进步，高效低耗的前处理设备和各种配套助剂陆续被研制和开发成功，为常规三道前处理工序合理缩减或合并提供了可能性。当今节能减排已成为染整行业转型升级、可持续发展的必然趋势。因此高效、低能耗的短流程前处理工艺的研究与推广应用，已成为染整加工工艺中的一项重要新技术。
一、短流程前处理工艺简介
短流程前处理工艺（Combined Preparation Process），就是在棉织物染整前处理过程中将传统的退浆、精练、漂白三道工序合并为二道或一道工序，即所谓的二步法或一步法。根据合并工序的方式不同，可以分为二步法工艺和一步法工艺两大类。
（一）二步法工艺
1.退浆—煮漂合一工艺
常用的工艺是棉织物先进行退浆，再进行碱氧一浴煮练、漂白。由于碱氧一浴中双氧水不易稳定，因此这一工艺的关键是:
①退浆后的洗涤要充分，最大限度地去除浆料和部分杂质，以减轻碱氧一浴煮漂工序的压力。
②要选择优良的耐高温、耐碱的氧漂稳定剂和螯合分散剂，使碱氧一浴中的双氧水稳定地分解，以取得良好的煮漂效果。
退浆—煮漂合一工艺中常用的退浆方法有酶退浆、氧化剂退浆、碱氧浴冷堆法退浆等。煮漂工艺按设备不同主要有液下履带汽蒸箱工艺和履带汽蒸工艺两种，现分述如下：
（1）液下履带汽蒸箱工艺。
①工艺流程。
退浆后织物→浸轧碱氧液→进入液下履带汽蒸箱（60℃，浸渍20min）→短蒸（100℃，2min）→水洗→烘干
②工艺处方（g/L）。
H2O2（100%） 12
NaOH［30%（36°Bé）］ 26
润湿剂 5
稳定剂Lastabil 11
此工艺的特点有：
a.织物进入液下履带汽蒸箱浸渍时，采用较低的温度，较短的时间，保持H2O2在浸漂中稳定性，对纤维损伤较小。
b.浸渍液采用较大的浴比（1∶4），以提高在较低温度（60℃）下的煮漂效果。
c.选用适合于强碱浴的稳定剂，使H2O2在浸渍时分解缓慢，以致在织物出履带箱时还有相当浓度的H2O2，足以在短蒸中进一步起漂白作用。
d.加工过程中织物松弛，布面无折痕、擦伤等疵病，处理后半制品手感较好，白度、毛效较高。
此工艺需要具备自动化程度较高的液下履带汽蒸箱，设备成本投入大，双氧水和碱的消耗也较大。
（2）履带汽蒸工艺。
①工艺流程。
退浆后织物→浸轧碱氧液→进入履带汽蒸箱（100～102℃，20min）→水洗→烘干
②工艺处方（g/L）。
H2O2（100%） 8～10
NaOH（100%） 30～35
润湿剂 2
稳定剂 12～15
该工艺在履带汽蒸箱上实施，织物的带液量受到限制（轧液率只有70%～80%），烧碱的用量高，H2O2在浓碱高温的条件下很难保持稳定。处理后半制品的白度、毛效往往难以达到后加工的要求，织物强度损伤也较大。
2.退煮合一—漂白工艺
将退浆与煮练合并，然后进行常规漂白。在退煮合一的处理过程中应使用高效助练剂，在碱和高效助练剂的协同作用下，以取得良好的处理效果。此工艺由于碱的浓度较低，对纤维损伤较小，工艺安全系数较高，用过氧化氢漂白时，一般氧漂稳定剂均可使用。但退浆与煮练合一后，浆料在强碱浴中不易洗净，为此退煮后必须加强水洗，从而提高退浆与煮练的效果。此工艺在实际生产中应用较广，根据采用的漂白剂不同，可以有不同的生产工艺。举例如下：
①工艺流程。
烧毛→热水洗→浸轧退煮液→汽蒸（100℃，60min）→热水洗→冷水洗→浸轧漂白液→汽蒸（100℃，60min）→热水洗→冷水洗→烘干→L履带汽蒸箱氧漂（常规氧漂工艺）
②工艺处方（g/L）。
退浆煮练：
NaOH（100%） 25～30
精练剂YE-802 5
Na3PO4 3
Na2SiO3 2
漂白：
H2O2（100%） 4～5
Na2SiO3［38%（40°Bé）］ 7～8
精练剂YE-802 2
MgSO4 0.2
上述退煮合一漂白二步法工艺中，在碱和高效精练剂的协同作用下，通过强化水洗条件，取得了良好的处理效果，织物半制品的毛效、白度都能满足后加工的要求。与常规三步法相比，降低了能耗和生产成本。
（二）一步法工艺
将棉织物前处理中退浆、精练、漂白三道工序合而为一，常采用的是碱氧一浴法工艺。与传统的前处理工艺相比，工艺流程大为缩短。由于纯棉坯布含杂质多，尤其对一些上浆率高的厚重织物，要达到良好的退煮漂效果，就必须加大化学助剂的用量、强化工艺条件。但在高浓度化学助剂和高温等剧烈条件下会造成织物损伤。因此，对纯棉织物进行退浆、精练、漂白一步法前处理，就目前国内的技术水平来说，还存在着较高的风险。一步法前处理工艺可以分为汽蒸法和冷轧堆法。
1.汽蒸法
汽蒸法是烧毛后的织物浸轧较高浓度的碱、氧化剂、稳定剂、高效精练剂等配制而成的工作液后，在高温汽蒸条件下进行的一步法工艺。由于该工艺可以利用印染厂已有的设备进行处理，因此颇受企业欢迎。
①工艺流程。
烧毛后织物→浸轧热水→浸轧工作液→汽蒸（100～102℃，60min）→高效水洗→烘干
②工艺处方（g/L）。
NaOH（100%） 18～25
H2O2（100%） 9
稳定剂XF-01 7
精练剂DS 17
此工艺在履带汽蒸箱上实施时，织物的带液量不高，只适合于一些含杂少的纯棉轻浆织物和涤棉混纺织物。若在R汽蒸箱（图2-11）上进行时，织物通过R汽蒸箱上部的汽蒸和下部液下浸渍，可以提高处理效果。
2.冷轧堆法
冷轧堆法是在室温条件下进行的一步法工艺。在室温下，尽管化学助剂浓度较高，但化学助剂的反应速率低，必须延长作用时间，才能达到满意的效果。由于冷轧堆法处理条件温和，对纤维的损伤相对较小，适用于一般棉织物的退煮漂一步法处理。
①工艺流程。
烧毛后织物→浸轧工作液→打卷堆置→高效水洗→烘干
②工艺处方（g/L）。
NaOH（100%） 50
H2O2（100%） 25
稳定剂GJ-101 5
助练剂ZS-93 10
过硫酸钾 3
此法最大的特点是可以减少设备投资，设备占地面积少，降低能耗。但由于工作液中化学助剂用量增加，导致印染废水处理负担加重。
二、短流程前处理工艺分析
高效、低能耗的短流程前处理工艺作为染整加工的一项重要新技术，是染整前处理工艺的发展方向，经过多年来研究与推广，已广泛地应用于各种织物品种。但短流程前处理工艺的应用，必须根据品种特点、加工要求、最终用途结合设备类型、织物组织规格、纤维原料的组成等因素，来优选出合适的短流程前处理工艺。
从理论上分析，高效短流程前处理是把常规的退、煮、漂三步工艺各自的作用原理和去除的杂质，合并在一步或二步中完成。如碱的作用，除煮练外，在退煮一浴中还有退浆作用；在碱氧一浴中还可作为过氧化氢漂白的碱剂。又如过氧化氢在退煮漂一步法中既是退浆剂又是漂白剂，还可对纤维上的木质素及其他杂质起氧化作用。而其中添加的各种助剂所发生的乳化、分散、萃取等作用之多不下几十种。因此短流程前处理工艺的特点表现为参与反应物质的多样性及反应类型的复杂性。
从工艺本身来看，高效短流程前处理工艺过程主要有浸轧工作液→反应（冷堆法或汽蒸法）→水洗3个重要环节，为保证前处理高效短流程工艺达到高效率、高质量的处理水平，必须从3个重要环节入手，合理设计工艺处方，优选出最佳工艺条件。
（一）浸轧工作液
1.工作液配制
根据二步法或一步法的处理要求，要对工作液的组成进行合理的设计。如在棉织物退煮合一的工艺中，一般选碱既为退浆剂又是煮练剂，这是因为碱退浆和碱煮练是棉织物最为普遍的退浆、煮练方法，虽然在常规的前处理中是两个独立的加工过程，但又是相互渗透和相互联系的，即在碱退浆的同时，棉纤维上的天然杂质也在发生分解作用；而在碱煮练时，退浆后织物上残余的浆料也可以进一步被去除。若将碱退浆和碱煮练合二为一，使棉织物上的浆料和油蜡、果胶等天然杂质的去除在一个工序中完成，则在工作液的组成中必须加入渗透剂、高效精练剂等助剂来满足加工要求。又如在碱氧一浴一步法的加工中，我们选碱和过氧化氢作为主要用剂。这是因为碱兼具退浆、煮练和过氧化氢漂白的碱剂三种作用，而过氧化氢既是漂白剂又具有氧化退浆的作用。当一种化学剂要担当多重作用时，必然需要加大用量，在碱氧一浴中，碱和过氧化氢的浓度都要较常规的三步法工艺高得多。众所周知，过氧化氢漂白在弱碱性（pH=10.5～11）条件下进行较为理想，显然在碱氧同浴中不能满足这一条件，过高的碱浓度会引起过氧化氢无效分解，生成的O2和过氧氢自由基HO2·导致纤维受损。因此在碱氧一浴法工艺中还必须选用耐碱性较强、稳定性优良的氧漂稳定剂才能获得满意的效果。
2.浸轧工艺条件
（1）轧液率。工作液经浸轧装置浸轧后在织物上进行吸附、扩散和溶胀，这些过程的进行程度都与织物上的带液量有关。由于棉坯布的吸水性差，除了在工作液中加入渗透剂外，还必须依靠机械的浸轧作用，经测定生坯布一次浸轧的轧液率约为50%，二次浸轧的轧液率约为70%。为了使织物上有足够的带液量，织物至少需要进行二次浸轧。
（2）浸轧温度。一般来说，提高浸轧温度能降低工作液的黏度，有利于液体向纤维内部扩散。但若工作液温度高于布面温度，则当织物浸入工作液时，织物空隙中的空气受热膨胀而阻碍液体的渗透。因此在实际生产中还是以室温下浸轧工作液为宜。
（3）浸轧设备。高效短流程设备大多采取高给液和透芯给液等措施来提高织物上带液量和均匀的渗透性。图2-27、图2-28为德国Menxel公司的Optimax高给液装置的结构示意图和工作原理图。
图2-27 Optimax高给液装置的结构示意图
1—织物 2—轧车1 3—给液管 4—通行管 5—轧车2 6—溶液
图2-28 Optimax高给液装置的工作原理图
湿织物由下而上进入轧车1，轧车的微孔轧辊具有吸液作用，因此具有很高的轧液效率，湿织物经过轧车轧液后的含湿率极低，织物出微孔轧辊后立即进入由两只导布辊与卧式轧车构成的楔形溶液沟槽，织物在此迅速吸足溶液，出楔形沟槽向上穿过密封狭缝通行管，进入上方的轧车2。该轧车将织物上多余的溶液轧出，使织物的带液量符合工艺要求。通行管收集轧车2轧出的工作液，通行管中的工作液与织物接触时能更充分地被吸收。
Optimax高给液装置属于轧吸法，高压力微孔轧辊在轧去织物上水的同时也去除了织物空隙中的部分空气，形成了抽吸工作液的效果。
（二）汽蒸或堆置
1.汽蒸工艺条件
在纯棉织物煮漂碱氧一浴的汽蒸法工艺中，为达到煮练匀、透，漂白纯、净要求，汽蒸时既要考虑碱与蜡质、果胶等天然杂质足够的反应时间，又要兼顾过氧化氢的分解速率，故常压汽蒸的时间一般需要60～90min。在用烧碱进行纯棉织物退煮合一汽蒸法工艺中，常压汽蒸的时间一般在60min以上时，棉织物上的浆料和天然杂质得以充分地膨化、分解，织物处理后的效果较好。在纯棉织物退煮漂一步法工艺中，要去除的杂质集中在一道工序中，对汽蒸条件设置的要求更高，汽蒸设备要求预热时间长，例如采用瑞士贝宁格公司的平幅退煮漂联合机，该汽蒸机上层为导辊（回形穿布），下层为双层辊床履带（图2-29）。
图2-29 导辊/辊床汽蒸箱
2.堆置工艺条件
在纯棉织物煮漂碱氧一浴的堆置法工艺中，由于在室温下作用，各化学助剂的反应速率低，要达到加工要求的去杂程度，则需要长时间的堆置，一般纯棉织物打卷冷堆的时间要24h以上。由于作用条件温和，工作液的扩散和渗透又很充分，常能使一般加工过程中难以去除的杂质（如棉籽壳）被除去。对涤棉混纺织物退煮漂一步法采用冷堆工艺也已取得了良好的效果。
也有人将浸轧工作液后布卷的堆置温度提高至40～60℃，这样可缩短堆置时间，即所谓的“温堆工艺”。该工艺的关键和难点是保持堆置过程中的温度恒定，否则将会造成布卷内外各片段之间的处理效果差异而影响织物的后加工。
（三）高效水洗
在短流程前处理工艺中，织物经浸轧工作液和汽蒸（堆置）后，织物上大量的杂质需要通过充分的水洗才能被去除，因此，短流程前处理工艺必须经过高效水洗才能达到处理的要求。高效水洗常采用的是高温洗液、强力冲洗、逆流振荡等方法，国内外各公司开发的高效水洗设备都是基于这些方法来设计制造的，如贝宁格公司的平幅冲洗机（Injecta）是一种专门用于高效短流程前处理工艺的强力水洗设备。该水洗机由一台平幅冲洗机（图2-30）和两台DA-6型高效水洗箱（图2-31）以及进出布装置和烘燥单元组成。
图2-30 平幅冲洗机结构示意
图2-31 DA-6型高效水洗箱示意
该水洗联合机除采用全程逆流供水外，由于织物在水洗狭缝通道内，水洗液对织物的强烈机械作用区达3m以上，与普通平洗槽中的喷淋或真空抽吸的作用程度相比高达几百倍，因此极大地提高了水洗传质过程的浓度梯度，从而提高了洗涤效果。