本發明屬于染色技術領域，涉及到一種超臨界CO₂無水染色技術，具體說是一種筒紗無水染色設備、染色方法及產品。

背景技術：

我國是一個水資源嚴重短缺的國家，水資源環境也在不斷的惡化，再加上用水的浪費，水資源形勢更是不容樂觀。在傳統的染色過程中，我們通常采用水作為主要的介質。大量的染料、表面活性劑等化學物質都會對環境的可持續發展造成不良的影響。此外，對染色排出的污水需要進行中和、沉降等處理，都需要花費大量的人力物力。據不完全統計，我國紡織印染行業年耗水量達17億噸，污水的排放達到16億噸。而近幾年來，我國大部分地區的水資源嚴重短缺，特別是污水排放等問題嚴重的制約染整行業的進一步發展。因此，為防止污染，開發綠色有效的染色工藝，成為未來染整的正確方向。

近幾年來，一種新型的綠色染色方式—超臨界CO₂無水染色給未來的染整行業帶來了新的曙光。該技術由于其具有高效率，無污染，染色時間短等優良的特點，備受青睞。該技術采用超臨界CO₂作為染色介質，在CO₂被加熱溫度超過31℃，壓強超過7.3MPa時，此時變成了一種非氣非液的狀態—超臨界態。然后，由循環泵打壓到燃料罐和染色罐之間不斷的循環，CO₂將溶解的染料送到纖維的孔隙，使染料均勻快速的染到織物上面。整個過程不需要清洗、烘干的過程。目前許多國家都在努力的研制這種具有節能減排、適用廣泛的新型綠色染整設備，試圖將其推向產業化，實用化。

然而，作為一種新型的染色產業技術，在實際生產過程中必然會遇到各種新問題出現，而現有的工藝技術也遠未達到規模化生產的水平。

在已經公開的中國專利中，伊恩華等人發面的無水染色試驗設備（專利號：CN200310121145.9）只是籠統地介紹無水染色，但并沒有給出詳細的染色工藝技術。鄭來久等人提出了采用超臨界CO₂無水染色技術（CN201010160181.6）對短纖維進行染色的方法，但這種染色方式遠遠不能滿足滌綸產品每年約3800萬噸巨額的消耗量。且其只能采用少量的幾種染料進行染色。中國發明專利“超臨界二氧化碳染色裝置中的染色釜”（公開號CN1807742A），則公開了一種采用染色流體雙向循環的染色裝置，以實現對織物的均勻染色。在其操作過程中，需要轉換染色流體的循環方向，這就對無水染色的超高壓設備的開關等關鍵部件的密封性、安全性提出了很高的要求。而國內大部分閥門部件根本不能滿足其使用壽命需求。中國發明專利“一種采用超臨界流體進行連續化染色的生產系統及其生產工藝”（公開號CN101024922A），公開了一種采用了集成式染色釜及系統，采用立式經軸染色模型，多組并聯的染色釜以達到連續式生產，以提高生產效率。然而，上述公開的中小型設備中，其工藝技術并不成熟。而且，在目前能夠檢索到的專利文獻中，還未發現有工藝成熟的滌綸筒子紗染色技術公開。對筒子紗的染色是紗線被纏繞在一根金屬或者一次性塑料管上，需要靠循環泵的強制作用從內層向外層穿透紗線，但由于經軸上的織物紗線處于靜止狀態，僅靠流體的強制循環帶動染料穿過紗線因而易受到流體的傳質路徑等因素的影響，導致勻染性下降。此外，由于筒子紗具有很大的密度，這也增加了對循環泵的設計要求和難度，這也對染色系統的各個關鍵部件提出了更加苛刻的要求。

針對現有技術存在的上述問題，如何設計一種無水筒紗染色設備及方法，具有生產效率高，勻染效果好，安全性強，特別是適于滌綸筒子紗線的超臨界CO₂無水染色，真正實現工業化生產。這是目前亟待解決的技術問題。

技術實現要素：

為了解決現有技術存在的上述問題和不足，本發明提供一種無水筒紗染色設備及方法，具有生產效率高，勻染效果好，安全性強，適于批量滌綸筒子紗線的超臨界CO₂無水染色。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種筒紗無水染色設備，包括染料釜、染色釜、回收釜及連通所述染料釜、染色釜及回收釜的染色循環系統，其特征在于，所述的染色釜的頂部為筒紗入口，所述筒紗入口配置密封蓋，所述染色釜內的中間豎直設置紗線中軸，所述紗線中軸為管壁上開有流體釋放孔的出氣管，所述染色釜底部設置進氣管，所述進氣管與所述出氣管連通，所述染色釜上設置染色釜出口；所述染色循環系統包括CO₂儲氣瓶、加壓泵、循環泵及管路。

對上述技術方案的改進：所述的染料釜至少包括3個并列的子染料罐，各所述子染料罐下部的入氣口上設置可控制流量的閥門；所述CO₂儲氣瓶通過管路與各所述子染料罐入氣口上的閥門連通，各所述子染料罐的出口通過管路與所述染色釜的進氣管連通，所述染色釜出口分出兩路：一路通過管路與所述循環泵連通，所述循環泵再通過管路與各所述子染料罐入氣口上的閥門連接，另一路通過管路及排壓閥與所述回收釜連通，所述回收釜通過管路與一冷凝器連接，所述冷凝器再與所述CO₂儲氣瓶連通，所述CO₂儲氣瓶與所述加壓泵連通，各所述子染料罐上分別設置加熱套，與所述子染料罐連接的管路上纏繞電加熱絲。

對上述技術方案的進一步改進：所述的染色釜為一豎直放置的圓柱形釜體，所述密封蓋上設置自密封線圈，所述染色釜內底面圍繞所述排氣管設置筒紗下密封圈，所述染色釜出口設置在染色釜上部的側壁。

對上述技術方案的進一步改進：所述的回收釜為一細長的圓柱形釜體，所述的回收釜內設置立體復式的過濾結構。

一種利用上述筒紗無水染色設備進行無水染色的方法，包括紗線準備、染色方法，其特征在于，所述染色方法包括如下步驟：

（1）首先，選取染色所需要的染料，對已經提純的染料進行烘干、研磨，根據工藝要求，分別稱量所需要的染料并置于對應的子染料罐內，根據染料在超臨界CO₂流體中的溶解度，相應的調節各子染料罐染入氣口上閥門的流量；將準備好的筒紗放入到染色釜內，并套在所述紗線中軸上；

（2）開啟加壓泵，向各子染料罐中打入適量的CO₂，開啟加熱套與伴熱電路，當各子染料罐內的溫度與壓強達到工藝參數設定值時，開啟循環泵，此時染料逐漸的溶解，并隨著CO₂流體到達染色釜內開始著色、擴散過程，并持續一段時間；

（3）達到實驗所要求的染色時間后，進行回收分離。打開排壓閥，流體進入到分離釜開始分離，分離之后的CO₂進入到冷凝器，變為液體回收至CO₂儲氣瓶；

（4）最后，打開染色釜，取出筒紗。

對上述技術方案的改進：所述步驟（1）中，所述筒紗為滌綸筒紗，所述染料采用染料濾餅，先將所述染料濾餅采用有機溶劑溶解之后再過濾、烘干、研磨，得到所需要的純度至少達到99.7%的高溶解度分散染料；所述染料采用粒度為0.05mm的D50染料；所述步驟（2）中，各子染料罐內壓強的工藝參數設定值為8MPa-30 MPa、溫度的工藝參數設定值為60℃-120℃，對紗線進行循環染色的時間為50min-360min，含有染料的超臨界流體在循環的過程中與染料釜中的染料充分接觸，再經過染色釜與紗線接觸上色，實現染料上染的擴散—吸附—解吸過程；所述步驟（3）中，染色后的流體在經分離釜釋壓后氣固分離，超臨界態的CO₂釋壓，變為氣態CO₂，其中所附帶的雜質會沉淀下來，而氣體經過立體復式的過濾結構后，回收至CO₂儲氣瓶，參與下一次循環。

對上述技術方案的進一步改進：所述滌綸筒紗的直徑高度比例為0.5-1.4：1。

一種利用上述筒紗無水染色方法生產的筒紗，其特征在于，所述筒紗為滌綸長絲或滌綸短纖紗線。

一種利用上述滌綸長絲生產的紡織品，其特征在于，所述的紡織品包括針織面料、機織面料、內衣、外衣。

本發明與現有技術相比具有以下優點和積極效果：

1. 由于本發明采用的染料溶解介質是超臨界態的CO₂，其兼具有氣體的高滲透性和液體的溶解性。比水更容易滲透到紗線的內部，攜帶的染料著色也就更加容易。

2. 本發明采用染料濾餅來作為染色的染料，摒棄了含有大量助劑輔料的商品染料，提高了染料的溶解度，提高染色效率。

3. 本發明對染料濾餅進行了提純，染料濾餅在生產加工的過程中，不可避免的會出現副產物或者殘余的生產原料。通過將染料溶解在一種特殊的有機溶劑中，然后進行過濾，得到染色用具有高溶解度的染料。

4. 本發明采用通過適當調節筒紗的直徑/高之比來實現了對筒紗的均勻染色。

5. 本發明采用了多染料溶解通道的模式來對不同的染料進行溶解，使得不同的染料溶解互不影響，在多色拼色染色過程中，減少花色問題的出現。

6. 本發明采用一種內外流相互交錯循環的方式，即攜帶染料的CO₂流體的流向按照工藝參數要求，對紗線進行不斷換向的滲透染色，這種方式能夠保證筒紗的每一個位置均勻著色，減少花色問題出現。

7. 在回收釜中，本發明采用了一種多級復式的分離結構，進行徹底的氣固分離，保證純凈的CO₂進行下一次染色，不對接下來的染色造成影響。

8. 此外，本發明的筒紗無水染色設備擺脫了傳統染色對水的依賴，并且實現了對CO₂約90%的回收利用，從源頭上解決了污染物的生產和排放，具有顯著的生態環保以及清潔生產的特點，在紡織印染行業的節能減排、清潔生產中具有非常廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1為本發明筒紗無水染色設備的連接結構圖；

圖2為本發明筒紗無水染色設備中染色釜的結構示意圖。

圖中，1-染料釜；2-染色釜；3-循環泵；4-CO₂儲氣瓶；5-冷凝器；6-回收釜；7-密封蓋；8-自密封線圈；9-染色釜出口；10-紗線中軸；11-染色釜側壁；12-筒紗下密封圈；13-進氣管。

具體實施方式

參見圖1、圖2，本發明一種筒紗無水染色設備的實施例，包括染料釜1、染色釜2、回收釜6及連通所述染料釜1、染色釜2及回收釜6的染色循環系統。在染色釜1的頂部設置筒紗入口，筒紗入口配置密封蓋7，在染色釜內的中間豎直設置紗線中軸10，紗線中軸10為管壁上開有流體釋放孔的出氣管。在染色釜2底部設置進氣管13，進氣管13與紗線中軸10（出氣管）連通，在染色釜2上設置染色釜出口9；所述染色循環系統包括CO₂儲氣瓶、加壓泵、循環泵3及管路。

具體而言：上述的染料釜2包括3個并列的子染料罐，3個子染料罐下部的入氣口上設置可控制流量的閥門。上述CO₂儲氣瓶4通過管路與分別與3個子染料罐入氣口上的閥門連通，3個子染料罐的出口通過管路與染色釜2的進氣管13連通。上述染色釜出口9分出兩路：一路通過管路與所述循環泵3連通，循環泵3再通過管路分別與3個子染料罐入氣口上的閥門連接；另一路通過管路及排壓閥一起與所述回收釜6連通，回收釜6通過管路與一冷凝器5連接，冷凝器5再與CO₂儲氣瓶4連通， CO₂儲氣瓶4與所述加壓泵連通，3個子染料罐上分別設置加熱套，與所述子染料罐連接的管路上纏繞電加熱絲。

上述染色釜2為一豎直放置的圓柱形釜體，在其密封蓋7上設置自密封線圈8，在染色釜2內底面圍繞紗線中軸（排氣管）10設置筒紗下密封圈12，所述染色釜出口9設置在染色釜2上部的側壁11上。

上述的回收釜6為一細長的圓柱形釜體，在回收釜6內設置立體復式的過濾結構。

參見圖1、圖2，一種利用上述筒紗無水染色設備進行無水染色方法的具體實施方式，包括紗線準備、染色方法，所述染色方法包括如下步驟：

（1）首先，選取染色所需要的染料，對已經提純的染料進行烘干、研磨，根據工藝要求，分別稱量所需要的染料并置于對應的子染料罐內，根據染料在超臨界CO₂流體中的溶解度，相應的調節各子染料罐染入氣口上閥門的流量；將準備好的筒紗放入到染色釜內，并套在所述紗線中軸上；

（2）開啟加壓泵，向各子染料罐中打入適量的CO₂，開啟加熱套與伴熱電路，當各子染料罐內的溫度與壓強達到工藝參數設定值時，開啟循環泵，此時染料逐漸的溶解，并隨著CO₂流體到達染色釜內開始著色、擴散過程，并持續一段時間；

（3）然后，進行回收分離過程，打開排壓閥，流體進入到分離釜開始分離，分離之后的CO₂進入到冷凝器，變為液體回收至CO₂儲氣瓶；

（4）最后，打開染色釜，取出筒紗。

具體而言：上述步驟（1）中，所述染料采用染料濾餅，先將所述染料濾餅采用有機溶劑溶解之后再過濾、烘干、研磨，得到所需要的純度至少達到99.7%的高溶解度分散染料；所述染料采用粒度為0.05mm的D50染料，所述筒紗為滌綸筒紗，滌綸筒紗為滌綸長絲或滌綸短纖紗線。

上述步驟（2）中，各子染料罐內壓強的工藝參數設定值為8MPa-30 MPa、溫度的工藝參數設定值為60℃-120℃，對紗線進行循環染色的時間為50min-360min，含有染料的超臨界流體在循環的過程中與染料釜中的染料充分接觸，再經過染色釜與紗線接觸上色，實現染料上染的擴散—吸附—解吸過程。

上述步驟（3）中，染色后的流體在經分離釜釋壓后氣固分離，超臨界態的CO₂釋壓，變為氣態CO₂，其中所附帶的雜質會沉淀下來，而氣體經過立體復式的過濾結構后，回收至CO₂儲氣瓶，參與下一次循環。

優選的，上述滌綸筒紗的直徑高度比例為0.5-1.4：1；

本發明一種利用上述筒紗無水染色方法生產的筒紗的實施例，所述筒紗為滌綸長絲或滌綸短纖紗線。

本發明一種利用上述滌綸長絲生產的紡織品的實施例，紡織品包括紡織面料、成衣制品、鞋、帽、飾品等。

紡織面料如：純滌綸針織面料、純滌綸機織面料，也可是與其他紗線交織的面料或復合面料等。

成衣制品如：針織內衣、襯衣、運動服、制服、裙子、夾克、西服等。

飾品如：領帶、圍巾等。

本發明產品各項性能指標檢測結果：

首先，對采用本發明按照 GB/T.3921.1-1997 紡織品色牢度試驗耐洗色牢度，GB7565-87 紡織品色牢度試驗棉和粘膠標準貼襯織物規格和 GB6151-857 紡織品色牢度試驗色牢度的評定，進行織物色牢度測試分析。結果顯示本發明染后織物的耐摩擦色牢度和耐水洗色牢度均可達到 GB18401-2003《 國家紡織產品基本安全技術規范》的要求，耐磨擦色牢度可達到 3~4 級，耐水洗色牢度可達到 4~5 級。

經過對本發明無水染色方法染得的滌綸筒紗進行織布，觀察其內中外三個不同位置處的色差值Δe。根據GB/T 3979-1997國家物體色測量方法標準，采用本發明染色方法染得的筒紗其內中外層的色差Δe在0.5-0.7之間，屬于幾乎無色差等級。

以上檢測結果證明：本發明無水染色方法生產的產品，完全可以達到國家有關質量標準要求，適于批量生產滌綸筒子紗線，具備工業化生產的條件。

當然，上述說明并非是對本發明的限制，本發明也并不限于上述舉例，本技術領域的普通技術人員，在本發明的實質范圍內，所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬于本發明的保護范圍。