摘 要 阐述了超临界二氧化碳流体的特性和染色原理，介绍了目前国内外的合成和天然纺织纤维应用超临界二氧化碳流体染色的研究近况，分析其在纺织印染工业中获得广阔的发展前景所需要解决的问题。

关键词  超临界二氧化碳；染色原理；合成纤维；天然纤维 

1 前言

超临界染色（supercritical fluid dyeing，简称sfd），也叫无水染色（waterless dyeing），于1989年由德国西北纤维研究中心的科学家schollmeyer等发明，从这时起，各国科学家投入大量人力、物力研究无水染色新技术。无水染色在世界范围内被视为对传统印染业的革命，传统织物染色需大量用水和化学助染剂，属高耗能、高污染行业，而无水染色具有工艺简单、流程短，不用助剂、染色后不用清洗、染料利用率高，并从源头上杜绝废水的生成等优点。

超临界二氧化碳染色工艺的发展将给传统印染工业带来质的飞跃，从能源节约和生态环境的观点来看，这一革新的技术都是很有意义的。 

2 超临界流体的特性

常规条件下物质一般有三态，即气、液、固三态。这三种状态在常压条件下可相互转变，其转变可用相图加以说明（图1）

图1    纯净物质的相图

当某一种物质被压缩到其临界压力和加热到临界温度之上时，其气相和液相就成为超临界。临界点有温度和压力两个坐标，即分别为临界温度(tc)和临界压强(pc)。在临界点之上物质将成为超临界流体，其性质位于典型气体和液体之间，并兼具两者的优点。

能形成超临界流体的化合物有多种，但考虑到达到超临界状态的难易，使用时的安全性、化合物的稳定性以及是否容易获得等因素，最常用的为二氧化碳。二氧化碳是一种无色﹑无臭、不燃、不爆、无毒、无腐蚀性又容易获得的非极性气体，当超过二氧化碳的临界温度（31.1℃）和临界压力（7.39mpa）时，即超过临界点后，二氧化碳转变到超临界流体状态。超临界二氧化碳对物体具有很强的渗透作用，对物质的溶解能力比气体大得多，甚至超过液体，它的密度是气体的数百倍，接近于液体，但其粘度又同气体相等，它的扩散系数是气体的1%左右，但又比液体大数百倍。超临界流体对溶质的溶解度取决于其密度，密度越高，溶解度越大。当改变其压力和温度时，密度即发生变化，从而导致溶解度发生变化。超临界流体染色就是利用超临界流体的这些特性发展起来的染色技术。 

3 超临界co2的染色原理

二氧化碳是非极性分子，只能溶解非极性或极性低的染料。在染色过程中，染料首先溶解在超临界二氧化碳流体中，溶解的染料随染液的流动逐渐靠近纤维界面→染料进入动力边界层（难以流动）靠近纤维界面到一定距离后，主要靠自身的扩散接近纤维→染料迅速被纤维表面吸附（它们之间的分子作用力足够大）→染料将向纤维内部扩散转移（纤维内外产生用量差或者内外染料化学位差）。

超临界二氧化碳流体染色的工艺过程很简单。染色通常是在15—35mpa的高压下进行，染色温度根据织物（或纤维）的品种进行调节，要大于纤维的玻璃化温度，一般掌握在80—160℃，也可再高些。染色时间一般为10-120min。

                    图2 超临界co2染色过程示意图

超临界织物的染色过程为（图2）：将卷绕被染物的经轴放在高压染色釜中，把染料放入染料釜中，关闭压力容器，二氧化碳被泵压缩到超临界状态，并经过加热器加热到规定温度。超临界二氧化碳流体溶解染料釜中的染料，并被送到染色釜中，染色流体通过循环泵循环，从而染料被纤维吸附（染色）。染色结束后，染液通过分离器被减压。这时，二氧化碳变成气体，其中的染料溶解性降低而沉淀，从而分离二氧化碳和染料。不含染料的二氧化碳被回收储藏。另一方面，停止染色槽中的二氧化碳循环，开启高压染色釜，取出染色物。

超临界二氧化碳流体染色具有以下一些优点：(1)染色时不用水，无废水污染；(2)染色物没有烘干这一工序，即可缩短工艺流程，又节约能源；(3)上染速度快，匀染和透染性好，染色重现性也很好；(4)染料和二氧化碳易于回收利用；(5)不需要添加表面活性剂或其他助剂，不仅降低成本，提高染料的利用率，还有利于环境保护，减少污染；(6)适用的纤维品种较广，一些难染的合成纤维也可染色。 

4 超临界co2染色研究进展

4.1 涤纶