喷气织机织造无PVA上浆概况与前景

徐 浩 贻

(浙江理工大学 材料纺织学院，杭州 310018)

喷气织机织造无PVA上浆概况与前景

徐 浩 贻

(浙江理工大学 材料纺织学院，杭州 310018)

浆纱是保证喷气织机高效工作的关键因素之一。论文从喷气织机对浆纱的要求、PVA的结构特点、浆膜性能，概述了喷气织机织造选用PVA上浆的历史必然性。从存在的诸多问题尤其是环境污染问题出发，为了达到环保上浆的要求，采用变性淀粉、丙烯酸浆料来取代PVA上浆已成为有效途径；指出了未来喷气织机上浆将呈现多元格局：诸如开发高性能的环保浆料、回收利用PVA、PVA的生物降解、PVA的改性、革新技术、改革管理模式等。

喷气织机；PVA；变性淀粉；丙烯酸浆料；环保上浆；PVA回收；生物降解

浆纱质量是影响喷气织机效率、质量的关键。喷气织机由于气流引纬及高速、宽幅、大张力等特点，对梭口的清晰度要求极高，因而对浆纱质量的要求也高于其他无梭织机[1]。喷气织机织造上浆经历了选用PVA(聚乙烯醇)，少用PVA，不用PVA，回收利用PVA的工艺技术历程。

1 PVA上浆是一定发展阶段的必然选择

1.1 喷气织机的织造特性及对上浆的要求

喷气织机以惯性极小的空气为引纬介质，并且引纬介质单向流动，因此织机车速很高，具有高入纬率的特点，可达2 500 m/min以上，具有高速高产的显著特点。以柔性的空气为引纬载体，属于消极式引纬方式，引纬气流对某些纬纱缺乏足够的控制能力，因而对织机梭口的清晰度有很严格的要求，在引纬通道上不允许有任何经纱阻挡，否则会引起停纬关车，影响织造效率[2]。

在织造过程中，喷气织机采用的是高频次、小开口、大张力(使梭口清晰)、强打纬的工艺路线，目的是为了充分发挥喷气织机高速、高效的特点。这就要求经纱具有强力高、不匀率低、光滑耐磨、弹性好的织造性能[3]。

喷气织机对毛羽十分敏感，即使短毛羽也会造成引纬受阻而停台。因此，喷气织机织造不仅要求纱线的毛羽数量减少，而且要求贴伏牢固，浆纱的耐磨性要好。

总之，喷气织机织造所选浆料应是浆膜强度高，成膜性、耐磨性、耐屈折性好的披覆型浆料。

1.2 喷气织机织造最佳适应产品

喷气织机高速、阔幅、梭口清晰度要求高，从历史的角度看，是最能发挥喷气织机效能的。尽管现在喷气织机产品适应性已有很大的拓宽，但相对于其他织机，有比较优势的产品一般为：纯棉或涤棉混纺的高支、高密、高紧度、高难度的单色或本色大批量的简单织物组织的品种。所以喷气织机在大型的棉纺织企业被广泛使用。

1.3 PVA浆料结构特点及浆膜性能

PVA浆料是一种成膜性优良的高分子化合物，其浆膜具有强度高、弹性好、耐磨性优等坚而韧的特点。PVA浆膜的断裂伸长率非常大，超过原长的1.5倍多，耐屈曲次数均超过1万次以上[4]，甚至出现某些浆纱性能过剩。因此，PVA浆料有理想浆料、王牌浆料、万能浆料之美誉。

PVA具有上述优良性能主要由它特有的化学结构所决定：

1)大分子主键是C－C，单键内旋转性能非常好，是一个柔性链，因此PVA是一种典型的线型高分子化合物，具有优良的成膜能力。同时分子链上有高密度的－OH，大分子链的－OH之间形成大量键能较高的氢键，所以分子间作用力很强，内聚能密度很大。柔性链和氢键这两个特点决定了PVA浆膜柔软、断裂伸长率大、韧性好，其耐磨性和耐屈曲疲劳性也非常好[4]。

2)含有醋酸酯基官能团，在部分醇解PVA的产品中，醋酸酯基的含量达12 %以上，因此PVA也具有酯类物质的特性，具有一定的疏水性(亲油性)。

3)具有一定的相对分子质量，纺织上浆用PVA，聚合度为500～1 700，因此PVA是一种典型的高分子化合物，它的许多性能与聚合度有关[5]。

1.4 PVA浆料的应用

PVA浆液稳定性好，经长期放置仍保持中性，黏度变化也极小，对纯棉、涤棉混纺纱具有良好的黏附性；PVA同样适合于天然丝、人造丝、合成纤维的经纱上浆。浆液易干燥，可提高浆纱机的速度，可降低上浆率，减少用浆量，操作简便。自1940年PVA浆料第一次用于经纱上浆之后，很快被全球纺织业所采用[6]。

在过去相当长的历史时期内，中国纺织产品结构基本上是以二纱(纯棉纱、涤棉纱)二布(简单织物组织的纯棉布、涤棉布)为主，这些品种恰恰是喷气织机最适宜织造的对象。

从理论上讲，选用什么浆料上浆与织机本身关系不大，主要与织物品种和纤维类型有关，但由于喷气织机的特性、适应对象及对上浆的要求，选用PVA上浆则是工艺技术逻辑的必然、产品历史的必然。

中国现有各种织机110万台，每年浆料的消耗为30万t左右，其中淀粉浆料占65 %，PVA占25 %，丙烯酸类浆料及其他浆料占10 %左右，每年PVA的用量达6万t～7万t。目前喷气织机总量约12万台，还在以每年1.5万台速度递增[7]。

喷气织机织造在长期的生产实践中，形成了一种普遍认可的调浆模式，即PVA＋变性淀粉＋聚丙烯酸。

以纯棉细特高密织物为例，上浆模式有2种：

1)以PVA为主体浆料，一般为总体浆料的60 %左右，变性淀粉为30 %～40 %，再添加少量的丙烯酸类浆料。

2)以变性淀粉为主体，用量一般为总浆料量的60 %，PVA用量为30 %～40 %，再辅以CMC(羟甲基纤维素)以改善混溶性，或添加丙烯酸类浆料增加浆液的黏附性和改善浆膜性能。涤棉织物上浆基本上采用PVA为主，用量为60 %，变性淀粉用量为30 %～40 %，再加入少量丙烯酸类浆料或CMC，有的也用以PVA为主的纯化学混合浆料。总之，都少不了PVA的使用[8]。还常常出现的情况是，凡有一定难度的新品种上马，PVA往往作为一种万能的浆料加以使用。

2 绿色上浆的要求

2.1 使用PVA上浆对环境的影响

目前，评价废水能否进行生化处理的指标是以BOD5︰CODcr表示，称为环境特征值。BOD5︰CODcr＞0.45表示废水生化处理性较好，BOD5︰CODcr＞0.30表示废水可以生化处理，BOD5︰CODcr＜0.30表示废水生化处理效果较差，BOD5︰CODcr＜0.25表示难生化处理。对于退浆废液，欧洲提出了更高的要求，规定BOD5︰CODcr＞0.8才能称为清洁浆料。而PVA浆料的环境特征值仅为0.033左右，是极难生化处理的。显然PVA是不符合HJBZ30－2000《生态纺织品》标准及Oeko-Tex·standard 100标准的浆料，故称为不洁浆料[9]。

PVA不能被酸碱和一般微生物所分解，生物降解性差，印染厂的退浆废水排入河道或土壤中长期沉积会形成一层不透气的覆盖膜，使土壤无法呼吸，阻隔对微生物供给氧气，导致大量微生物死亡，严重危害生态环境。欧美等发达国家早在20世纪80年代就提出PVA上浆对环境的污染问题，现在欧洲一些国家已明文禁止进口含有PVA的纺织品[10]。

中国棉纺织行业协会在1997年的浆料和浆纱年会上倡导少用或不用PVA上浆，2008年的年会工作报告中指出：不用PVA上浆，开发环保浆料是棉纺织行业节能减排的重点[11]。

2.2 取代PVA上浆的必要性

由于下列因素[12]，取代PVA上浆势在必行：

1)PVA浆料不易被生物降解，退浆废水易造成严重的环境污染。

2)PVA浆料不易退净，容易残留，在成品布上很容易测出PVA的痕迹，从而易被绿色壁垒阻挡。

3)PVA属石油的副产品，资源非可再生。

4)从根本上降低浆纱干分绞二次毛羽，需从取代PVA上浆着手。

5)PVA煮浆时间长，耗用蒸汽量相对较大。

6)PVA浆液易结皮、起泡[12]。

中国是纺织生产大国，喷气织机织造的纺织品相当部分出口欧美等市场，因为绿色壁垒引起的贸易争端日益增多，取代PVA上浆已刻不容缓。

3 取代PVA上浆的途径

自1997年纺织界提出少用或不用PVA上浆以来，为了适应纺织绿色上浆的发展，减少纺织生产过程中的环境污染，提高产品竞争力，纺织生产企业做了许多有益的尝试：寻求PVA的替代产品，减少PVA的用量，改善和优化浆纱工艺，从政策上促进这项工作的开展。

通常取代PVA上浆的条件为：一是符合国内外生态标准，浆料本身是绿色浆料；二是在性能上接近或等同于PVA；三是在价格成本上有优势；四是浆纱工艺可行，容易操作。目前符合上述条件的主要有变性淀粉和丙烯酸类浆料。

3.1 变性淀粉取代PVA

淀粉是由α-葡萄糖缩聚而成的高分子化合物，是一种高聚糖。淀粉分子中的每个葡萄糖剩基上有3个羟基，具有通常的醇羟基性质，能发生氧化、醚化和酯化等反应，从而改善淀粉性能，制得一系列的变性淀粉。分子中的α-1，4糖苷键和α-1，6糖苷键可部分断裂而发生降解，使聚合度降低，也可使淀粉变性。根据变性后淀粉结构的不同改变，可划分为第一、二、三、四代变性淀粉[13]。

第一代变性淀粉：如酸解、氧化淀粉，是通过化学方法切断淀粉分子链，达到了降低浆液黏度、改善浆液流动性能的目的，但因没有从根本上改变淀粉大分子结构，所以其形成的浆膜与原淀粉接近，不能单独成膜。

第二代变性淀粉：如磷酸酯、醋酸酯、醚化淀粉(CMS)。通过在淀粉环形分子结构的某个羟基上接上高性能的反应基，改变了淀粉大分子的结构，降低了玻璃化温度，成膜性好，且浆膜的柔韧性、耐磨性、抗屈曲性能等得到了明显的改善。

第三代变性淀粉：接枝淀粉，是通过在淀粉环形分子结构的某个羟基上接上高性能的分子链而不是单一的基团。从而大幅度地提高了浆膜的性能。但接技淀粉的关键是其所接的接枝基因和接枝效率。

第二、三代高性能变性淀粉可低温上浆且不易结浆皮，尤其对色织物较适宜，可节约蒸汽。同时因其浆膜的性能得到了明显改善，故可部分或全部取代PVA，大大减少了煮浆时间。另外，淀粉属于绿色环保浆料，在节能环保上具有明显的优势[14]。

目前在变性淀粉中使用较广泛且能部分取代或基本取代PVA的有德国伊埃斯公司生产的PR-SU醋酸酯淀粉，上海光明集团公司开发的K系列和A3系列环保浆料，河南洛阳常龙化工有限公司开发的CL-08型接枝淀粉，成都东美纺织浆料有限公司开发的CH-502复合浆料，上海西达实业有限公司开发的DF-525 C/T系列多功能环保浆料等。

第四代变性淀粉为纳米复合变性淀粉。纳米复合材料是近年来发展起来的新型材料，被称为21世纪最有前途的材料之一[15]。

3.2 丙烯酸类浆料取代PVA

该种浆料以其优异的黏附性能及环保性，成为纱线上浆中不可缺少的黏着剂之一，欧洲纺织企业曾大量使用。但丙烯酸浆料价格较贵，从成本角度考虑只能少量使用。

丙烯酸类浆料由于含有能与棉纤维中的羟基形成氢键的羟基、酰胺基，或者含有与涤纶纤维相似的酯基，能提高混合浆液对棉或涤/棉经纱的黏附性。

东华大学曾研究过能完全取代PVA浆料的聚丙烯酸酯浆料，但其用量必须要达到60 %～70 %，即聚丙烯酸酯浆料必须占主体时才能完全取代PVA浆料。显然，目前从成本上使某些企业接受使用聚丙烯酸酯浆料还有一定困难[16]。

3.3 少用或不用PVA应注意的问题

3.3.1 合理配方

无PVA上浆最令人担心的问题是浆膜耐磨度降低，造成轻浆疪轴。为了增强无PVA上浆浆膜的耐磨度，从调浆配方入手，根据相似相溶原理，找到与经纱相匹配的浆料，保证上浆过程中浆液在经纱内部和表面能够与经纱纤维形成分子间的紧密接触，产生分子间的结合力，使浸透到经纱内部并黏附于纤维之间的浆液经烘干后，在纤维之间形成具有黏合性的胶层，对纤维进行黏合，增大了经纱的强度，被覆于经纱表面的浆膜，承受织造时的摩擦外力。

3.3.2 优化织造工艺

第一，对于高密织物，能用飞穿法的尽可能采用飞穿，以有效地分散经纱，降低相邻经纱间的摩擦。第二，在满足织物风格要求的情况下，能选用小筘号的不选大筘号。筘号决定着每筘穿入数，穿入数少与筘片摩擦的经纱根数就多，断头次数就多，对浆纱的要求相对就会比较高，反之就会较低。第三，在织造高密产品时，宜采用小双层梭口，可以减少相邻经纱的接触，从而减少了相邻经纱之间的磨损，降低经纱的负担[17]。

此外，使用玉米淀粉取代PVA时，输浆管道要注意保温，否则容易凝冻。

3.3.3 追求最佳成本

由于浆料成本仅次于原料成本，因此，少元、合理、经济是浆料配方的成本原则，同时应注意到高效是喷气织机的最大特点。对喷气织机而言，停台使效益损失很大，所以应当追求的是织造的最佳成本，而不是浆料的最低成本，即不能简单地只考虑所选浆料的价格成本。

4 环保上浆的前景展望

“不用PVA就一定是环保的，反之用了PVA就一定不环保。”其实这是个认识上的误区，应加以澄清，并给予科学的判别标准。浆料是否环保关键应看最终的后果是否对环境有危害，这是判别的唯一标准。

尤其要谨防用非环保浆料取代PVA。如聚酯，它不仅COD值高，且降解后的对苯二甲酸具有毒性，比PVA更不利于环保。因此，有业内人士建议取消少用、不用PVA上浆的提法，统一讲“环保上浆”比较合理[18]。

笔者认为未来喷气织机织造上浆将呈现多元格局。

4.1 回收循环利用PVA

在PVA的退浆废液中，每千克PVA能产生1.5～2.3 kg的COD，严重污染水体[19]。在生产高支、高密织物时，严格地说尚无替代PVA的理想浆料。如何对高支高密产品使PVA发挥浆膜优良的作用，同时又不给环境造成危害，显然回收利用PVA是今后的发展趋势。日本、美国等发达国家已采用膜分离技术来回收利用退浆液中的PVA。该项技术已日趋成熟，它共包括3个步骤：第一步，浆料的分离；第二步，对含PVA的退浆液进行处理；第三步，循环利用再生PVA[20]，即在印染厂配备回收浆料的超微细过滤系统，退浆废液的处理系统，使经过微细过滤及化工处理的水可以进行再循环使用，而过滤出的PVA可以在上浆工艺中再利用或在造纸、建筑等行业应用[21]。例如，美国Springs Mill公司利用美国科氏滤膜公司的UF膜处理PVA废水，取得了令人十分满意的效果[22]。目前国内有山东东丽即发纺织有限公司、山东鲁泰纺织有限公司等采用PVA回收技术，取得了明显的环保效益和经济效益。据资料介绍，还有一种采用加入少量碳酸钠助剂的盐析法，回收退浆废水中的PVA，回收率可达90.3 %[23]。

4.2 开发高性能环保浆料

以多元复合淀粉为主的环保浆料，其BOD5︰CODcr＞0.45以上，具有部分或全部取代PVA的性能，如以西欧马铃薯变性淀粉为主与多元聚丙烯酸浆料配伍上浆。为此，宜在中国东北地区、内蒙古地区引进西欧马铃薯品种，由于该地区纬度基本上与北欧相同，气候条件相接近，而且黑龙江是黑土地带，可能会得到与北欧品种相当的马铃薯。开发马铃薯变性淀粉作为今后环保浆料的发展方向。例如，欧洲许多纺织厂经纱上浆的环保浆料配方模式为：马铃薯变性淀粉+丙烯酸类浆料+少量柔软剂；对于丙烯酸类浆料要注意调整丙烯酸类单体的品种和比例，达到既满足上浆要求，又对环境没有污染[21]。

4.3 PVA的生物降解

在退浆工艺中实现对PVA的生物降解，即将PVA的降解酶运用到退浆工艺中。这样不仅能大大减少PVA废水的排放，还能避免化学退浆过程中高温和氧化造成的棉纤维损伤。实现PVA降解酶工业化的前提是了解PVA的生物降解过程，获得具有降解PVA能力的微生物[24]。

在PVA分子长链上随机裂解的机理是基于一般高分子降解机理提出的。在氧化酶或脱氢酶的作用下，PVA分子链上的羟基随机被氧化，然后水解酶和缩醛酶作用于2个羟基、1个羰基和其相邻的羟甲基之间，使碳—碳主链断裂[25]。

从微生物生化的角度看，PVA的生物降解实际上是相关的酶类物质作用的结果。能够降解PVA的微生物包括单菌、共生菌和混合菌[26]。PVA降解的酶类主要包含3类：PVA氧化酶(伴醇氧化酶)、PVA脱氢酶和氧化型PVA水解酶(β－双酮水解酶)。目前的研究主要集中在降解路径和最终的生化去向及相关编码基因上。在不久的将来，降解聚乙烯醇的生物酶有望实现工业化，使PVA在纺织上的应用不再受到局限。据资料，日本已从自然界中分离出能分解PVA的2种降解菌：一种是能产生不规则分解PVA分子链的分解酶的细菌(菌株No SK-95)可使PVA黏度快速降低，主要用于PVA的退浆；另一种是能生产从末端分解PVA分子链的分解酶的细菌(菌株No RS701)，可作为处理含PVA废水的细菌[20]。

4.4 PVA的改性

PVA的改性主要是利用醋酸乙烯的双链、酯基及醇解后羟基的化学活泼性，改变侧链基团或结构，引入其他单体成为PVA为主的共聚物；或引入其他官能团，改变PVA大分子的化学结构，以降解为目的进行PVA改性。目前，研究得比较多的是PVA与淀粉共混体系统[27]。

PVA的改性主要是通过醋酸乙烯酯与其他含乙烯基的单体进行共聚，再进行皂化，改变其规整的分子结构，减少了分子间氢键的形成，降低结晶度，提高溶解速度或能在较低的温度下溶解，改善其退浆性能。PVA与磺酸盐共混也能提高其织造性能[20]。

4.5 革新技术改进工艺

4.5.1 采用辐照技术改变传统浆纱工艺，实现无PVA上浆

武汉纺织大学用等离子体、电晕放电、臭氧、紫外线等多种辐照处理方式对纱线表面处理的性能变化进行了研究，进而研制出适合于纱线在线改性的辐照改性设备，将电晕放电装置、臭氧、紫外线以一定方式组合在一起，配合浆纱机的连续卷绕、电器控制等装置，使该处理设备可适应目前浆纱机连续工作及高速运转生产的要求。

利用辐照改性技术对涤纶及其混纺纱线进行浆纱前的在线改性预处理，来提高涤纶纤维的亲水能力，增加涤纶纱对淀粉浆料的吸附能力，从而达到用淀粉类浆料替代PVA对合成纤维纱线或其混纺纱线上浆的目的，实现无PVA上浆[28]。

4.5.2 推广应用紧密纺技术

紧密纺纱对加捻三角区的消除使得纱线产品的综合质量有较大提高，其主要原因在于：1)纱线上的纤维，特别是外围纤维，通过集聚的过程紧贴纱线主干，使纱线毛羽极大降低。2)毛羽的降低，使得纱线上几乎所有纤维都对纱线强力作出贡献，故纱线强力有较大的提高。3)由于加捻前须条里的纤维充分集聚，相互间平行度增加，有效强力系数增加，使得纱线的强伸性能也有所提高。

由于紧密纺纱线本身的耐磨性能好，PVA的使用量从占总量的52 %下降到占总量的19.69 %，下降幅度为62.14 %。大幅度地降低PVA的使用量，浆液的黏度也下降了45 %左右，黏度下降，浆液容易浸透，同时也降低了操作难度系数，深受挡车工的欢迎[17]。

4.5.3 对纯棉纱线进行烧毛、丝光加工

在选择强力高、伸度好的棉纤维的前提下(如埃及长绒棉、新疆长绒棉)，同时选择介于针织用纱与机织用纱之间的捻度，这样综合考虑了纱线的强力和伸长率。对纱线进行烧毛，有效去除原纱毛羽，以取代浆纱贴伏毛羽之作用；同时对纱线进行丝光加工，以提高纱线强力，一般可提高15 %～20 %，达到免上浆织造之目的[22]。

5 结 语

由于传统淀粉类浆料本身的缺陷和传统丙烯酸类浆料吸湿再黏严重，不易多加的性能特点，导致这两类浆料均无法大量使用。长期以来，PVA作为一种优良的上浆材料，被广泛应用于棉纺织行业，随着喷气织机使用比例的逐步提高，纺织面料向高支高密化方向的发展，在高难品种的加工中，PVA往往仍作为一种王牌万能浆料加以使用。

哥本哈根会议后，中国加快了节能减排的步伐，少用或不用PVA已提出了14个年头，经过业内人员的努力，通过使用变性淀粉和第二代丙烯酸类浆料已经做到纯棉14.5 tex及以上、涤棉羽绒布以外的产品完全可以不用PVA上浆[29]。

未来喷气织机上浆将呈现多元局面：一是使用环保化的PVA，如对PVA回收循环再利用、PVA改性、PVA生物降解；二是取代PVA，即开发高性能变性淀粉浆料是今后发展的主要方向；三是从管理和政策上促进环保上浆。

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Survey and prospect of non-PVA sizing by the air-jet loom

XU Hao-yi
(College of Materials and Textiles, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

The sizing is one of the key factors to keep the air-jet loom working with high ef fi ciency. This paper expounds the historic necessity of PVA sizing option by the air jet loom from consideration of the requirement of the air-jet loom on sizing, the structure characteristics of PVA, and the excellent serosa properties. In order to achieve the environmental protection requirements of sizing, the effective way is to adopt the modi fi ed starch and acrylic acid size instead of PVA. This paper also stresses that the sizing of the air-jet loom will present a new and multiplex setup of the sizing of the air-jet loom in the future, such as developing the environmental protection sizing with high performance, recycling and reusing PVA, biodegradation of PVA, PVA modi fi cation, innovating and improving the weaving technologies, reforming the management mode, and so on.

Air-jet loom; PVA; Modified starch; Acrylic acid size; Environmental protection sizing; PVA recycling; Biodegradation

TS103.337.11

A

1001-7003(2012)04-0027-06

2011-10-03；

2011-12-04

徐浩贻(1956－ )，男，教授，主要从事现代织造理论及工艺研究。