紀(jì)柏林， 王碧佳， 毛志平,3,4

(1. 東華大學(xué) 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 國(guó)家染整工程技術(shù)研究中心， 上海 201620；3. 東華大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620； 4. 國(guó)家先進(jìn)印染技術(shù)創(chuàng)新中心, 山東 泰安 271000)

氣候變化正以前所未有的速度和幅度影響著人類的生存和發(fā)展，可持續(xù)發(fā)展已成為全球的廣泛共識(shí)和國(guó)際競(jìng)合的重大議題。2021年7月6日，習(xí)近平總書(shū)記在出席中國(guó)共產(chǎn)黨與世界政黨領(lǐng)導(dǎo)人峰會(huì)發(fā)表主旨講話時(shí)指出：中國(guó)將為履行“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)承諾付出極其艱巨的努力，為全球應(yīng)對(duì)氣候變化作出更大貢獻(xiàn)[1]。

我國(guó)紡織行業(yè)“十四五”綠色發(fā)展指導(dǎo)意見(jiàn)指出，“十四五”時(shí)期，在世界經(jīng)歷百年未有之大變局和我國(guó)構(gòu)建“雙循環(huán)”新發(fā)展格局背景下，在國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)導(dǎo)向下，紡織行業(yè)推動(dòng)綠色低碳循環(huán)發(fā)展、促進(jìn)行業(yè)全面綠色轉(zhuǎn)型將成為大勢(shì)所趨和重要之策[2]。這就要求紡織行業(yè)深入貫徹落實(shí)紡織強(qiáng)國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，堅(jiān)持履行環(huán)境責(zé)任導(dǎo)向，以綠色化改造為重點(diǎn)，以標(biāo)準(zhǔn)制度建設(shè)為保障，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加快構(gòu)建綠色低碳循環(huán)發(fā)展體系，建立健全綠色發(fā)展長(zhǎng)效機(jī)制，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈高效、清潔、協(xié)同發(fā)展，為國(guó)內(nèi)外消費(fèi)市場(chǎng)提供更多優(yōu)質(zhì)綠色紡織產(chǎn)品，不斷提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力和影響力，引導(dǎo)綠色消費(fèi)，推進(jìn)行業(yè)綠色低碳循環(huán)發(fā)展邁上新臺(tái)階。

自1979年第一次世界氣候大會(huì)以來(lái)，我國(guó)承擔(dān)起大國(guó)的責(zé)任，針對(duì)企業(yè)發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級(jí)提出了一系列方案和要求。近年來(lái)，紡織印染行業(yè)也在不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新、轉(zhuǎn)型升級(jí)，朝著綠色可持續(xù)發(fā)展的方向邁進(jìn)。染整領(lǐng)域的低碳排放技術(shù)涉及到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，既包括前處理，也包括后整理,既包括化學(xué)品，也包括染整設(shè)備等等。本文將重點(diǎn)從印染節(jié)能減排技術(shù)、功能紡織品技術(shù)、先進(jìn)染整設(shè)備及系統(tǒng)等幾個(gè)方面，對(duì)染整領(lǐng)域在低碳排放方面的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述，并指出在現(xiàn)階段存在的一些不足，期望為行業(yè)技術(shù)發(fā)展提供借鑒。

1 節(jié)能減排技術(shù)

1.1 棉織物的生態(tài)前處理

棉織物在加工過(guò)程中需要進(jìn)行退漿、精練、漂白等前處理。堿退漿是我國(guó)印染企業(yè)普遍采用的一種退漿方法，但其退漿廢水色度高、化學(xué)需氧量(COD)大，后期處理困難，不符合低碳排放要求。為了降低前處理能耗、水耗和廢水COD等指標(biāo)，酶退漿技術(shù)得到了廣泛研究[3]。酶退漿主要適用于采用淀粉類漿料上漿的織物，通過(guò)采用淀粉酶對(duì)織物進(jìn)行堆置降解淀粉，再配合雙氧水漂白處理，進(jìn)一步降解漿料，顯著降低廢水COD值。

棉織物的傳統(tǒng)漂白采用雙氧水在高溫(95～100 ℃)和高堿(pH值為10～11)條件下進(jìn)行，水、電、汽消耗高，同時(shí)對(duì)棉纖維強(qiáng)力損傷大。為了克服以上缺點(diǎn)，研究者大力開(kāi)展低溫漂白技術(shù)研究，已實(shí)現(xiàn)在80 ℃以下漂白[4]。目前，通常采用2種途徑實(shí)現(xiàn)低溫漂白：一是加入漂白活化劑，以酰胺類化合物[5]、烷基酰胺類化合物[6]、N-?；鶅?nèi)酰胺類化合物[7]等為代表；二是加入仿酶催化劑，以席夫堿配合物[8]、四酰胺大環(huán)鐵配合物[9]、三聯(lián)吡啶配合物[10]等為代表。漂白活化劑與過(guò)氧化氫作用可產(chǎn)生過(guò)氧酸(見(jiàn)圖1)，過(guò)氧酸氧化性比過(guò)氧化氫強(qiáng)，能夠在較低溫度下降解色素達(dá)到漂白目的。而仿酶催化劑則可與過(guò)氧化氫配位形成過(guò)氧化配合物中間體，并進(jìn)一步脫去羥基自由基形成具有催化活性的配合物自由基[11](見(jiàn)圖2)以降解色素，并且采用恰當(dāng)?shù)姆旅复呋瘎┻M(jìn)行紡織品低溫漂白處理，還具有強(qiáng)力保留率高、織物質(zhì)量損失少等特點(diǎn)。漂白活化劑或仿酶催化劑用量少、在較低溫度下也能實(shí)現(xiàn)高效催化，在印染行業(yè)具有良好的應(yīng)用前景。目前，全球每年大約有150萬(wàn)t紡織品采用仿酶催化低溫漂白技術(shù)。

圖1 不同活化劑的漂白活化機(jī)制Fig.1 Activated bleaching mechanism of different agents. (a)Tetraacetylethylenediamine; (b) Sodium nonanoyl benzene sulfonate

圖2 銅離子配合物亞氨基二乙酸/Cu(Ⅱ)/4-氨基吡啶的催化機(jī)制Fig.2 Catalytic mechanism of iminodiacetic acid/Cu(Ⅱ)/4-aminopyridine complex

盡管低溫漂白技術(shù)已經(jīng)在行業(yè)中得到推廣應(yīng)用，但主要是對(duì)紗線或針織物漂白，對(duì)機(jī)織物的低溫漂白尚未推廣。低溫漂白活化劑如四乙酰乙二胺等成本較高、水溶性差，限制了其實(shí)際應(yīng)用；而低溫漂白仿酶催化劑的合成工藝路線復(fù)雜，成本也較高，開(kāi)發(fā)高效、低廉的催化劑仍具有巨大挑戰(zhàn)。此外，目前的研究大部分是針對(duì)催化劑的開(kāi)發(fā)，但對(duì)其在低溫漂白過(guò)程中催化作用機(jī)制的研究相對(duì)較少。

1.2 新型染色技術(shù)

1.2.1 新型分散染料染色技術(shù)

分散染料是聚酯纖維的主要染料，用量約為40萬(wàn)t/a。商品化分散染料中一半以上是分散劑，會(huì)隨著染色廢水排放造成環(huán)境負(fù)擔(dān)。另外，染色后纖維表面浮色需要通過(guò)還原清洗去除，導(dǎo)致能耗、水耗增加。針對(duì)以上問(wèn)題，可從染料結(jié)構(gòu)和染色工藝2個(gè)方面改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)低碳排放。

1.2.1.1新型分散染料 為解決分散劑使用量過(guò)大、還原清洗消耗大量水資源以及染料耐堿性差等問(wèn)題，近年來(lái)開(kāi)發(fā)了液體分散染料、耐堿性分散染料等新型分散染料[12-14]。液體分散染料中添加的助劑量與粉末狀染料相比要低得多，在改善染色色差、色牢度低等問(wèn)題的同時(shí)，可大大降低分散劑排放量；堿性易水解分散染料無(wú)需還原清洗，減少還原劑的使用、水耗和廢水排放量；耐堿性分散染料適用于滌綸/棉同浴染色，可減少水洗次數(shù)和用水量。

1.2.1.2超臨界二氧化碳流體染色技術(shù) 超臨界狀態(tài)下，二氧化碳(CO2)具有與氣體相似的黏度和與液體相似的密度，對(duì)基質(zhì)具有較高的擴(kuò)散性能，而對(duì)低極性物質(zhì)表現(xiàn)出較強(qiáng)的溶解作用。利用超臨界CO2流體溶解低極性染料對(duì)織物進(jìn)行染色，無(wú)需用水即可實(shí)現(xiàn)染料對(duì)纖維的快速、高上染率染色[15-16]，且上染后可免水洗、烘干，降低生產(chǎn)能耗，有利于減少碳排放。在分離裝置內(nèi)，未上染織物的染料則通過(guò)CO2相態(tài)轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)二者的分離，達(dá)到循環(huán)使用染料和CO2的目的，實(shí)現(xiàn)零排放無(wú)污染染色[15-16],如圖3所示。

圖3 CO2的相圖Fig.3 Phase diagram of CO2

1.2.2 活性染料無(wú)鹽染色工藝

活性染料含有較多的負(fù)電性基團(tuán)，在水介質(zhì)中上染棉織物時(shí)，染料與同樣帶負(fù)電性的棉纖維之間產(chǎn)生靜電斥力，不利于染料從溶液中向纖維擴(kuò)散和滲透。為了增加染色均勻性和提高染料利用率，需要加入大量的鹽(如硫酸鈉等)促進(jìn)染料在織物上的吸附，但同時(shí)也增加了活性染料染色廢水的含鹽量和處理難度。通過(guò)設(shè)計(jì)改變?nèi)玖辖Y(jié)構(gòu)或染色工藝，在不影響上染率和固色率的前提下降低鹽的用量，甚至達(dá)到無(wú)鹽染色，是未來(lái)綠色染整發(fā)展的一個(gè)方向。無(wú)鹽染色工藝包括以下幾個(gè)方面。

1)改變?nèi)玖辖Y(jié)構(gòu)。減少染料分子中陰離子比例，削弱其與纖維素羥基之間的靜電斥力；此外，通過(guò)在分子結(jié)構(gòu)中引入雜環(huán)、雙偶氮等方式增加染料分子質(zhì)量，提高纖維素纖維與染料的親和力。Zhang等[17]合成了一種陽(yáng)離子型染料，其化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 陽(yáng)離子型染料化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of one cationic dye

2)通過(guò)纖維陽(yáng)離子化改性，增加其與染料的親和力。通常利用氨基化合物對(duì)棉纖維進(jìn)行改性[18-19]，使其陽(yáng)離子化，如圖5所示。改性后帶有正電荷的棉纖維與染料上的陰離子基團(tuán)形成了靜電引力，使得二者的親和力大大提高。

注：a—Yoshida氫鍵；b—偶極相互作用。圖5 纖維素纖維與陽(yáng)離子單體的作用方式Fig.5 Interaction of cellulose fiber with cationic modifier

3)采用冷軋堆、潮固色等高固色率的低能耗、低鹽或無(wú)鹽染色工藝對(duì)織物進(jìn)行染色。

4)在非極性介質(zhì)如硅氧烷、二甲基亞砜、乙醇、丙酮、超臨界CO2流體中進(jìn)行染色[20-22]。

1.2.3 電化學(xué)還原染料染色工藝

對(duì)于還原染料如靛藍(lán)，傳統(tǒng)工藝需采用大量保險(xiǎn)粉和燒堿對(duì)其進(jìn)行還原，能耗大，30%～40%的還原靛藍(lán)染料在染色過(guò)程中會(huì)被空氣氧化，難以上染纖維，其廢水排放量大且含鹽量高、堿性高。

電化學(xué)還原工藝則采用電化學(xué)方式對(duì)靛藍(lán)等還原染料進(jìn)行處理，分為間接還原和直接還原2種[23-24]。其中間接還原是通過(guò)陰、陽(yáng)電極的電化學(xué)反應(yīng)借助于某種“媒介”如Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)體系來(lái)傳遞電子，因此，染料不是直接在陰極表面被還原，而是通過(guò)媒介作為電子載體將電子傳遞給懸浮在水中的染料顆粒，使其得到電子被還原生成隱色體。這種方法顯著提高了染料顆粒的還原效率[23]。

還原染料直接電化學(xué)還原則無(wú)需使用媒介。首先，染料顆粒在少量還原劑作用下被還原成隱色體鈉鹽，其與還原染料本體能夠發(fā)生反應(yīng)生成具有電化學(xué)活性的染料自由基，通過(guò)從電極陰極表面捕獲電子生成染料隱色體，從而使得還原染料不斷地被還原為隱色體[24]。隱色體溶液密封保存可直接應(yīng)用于染色。該方法還原效率高，比傳統(tǒng)還原工藝可減少75%～90%的化學(xué)品用量，從源頭上減少了印染廢水污染物的產(chǎn)生。

在新型染色技術(shù)方面，盡管超臨界CO2取得了較大技術(shù)突破，但是目前還未進(jìn)行產(chǎn)業(yè)推廣；而活性染料的無(wú)水染色技術(shù)也局限在個(gè)別企業(yè)應(yīng)用，且生產(chǎn)規(guī)模不大。對(duì)于棉纖維的陽(yáng)離子化改性過(guò)程，本身需要消耗堿、產(chǎn)生鹽，并伴隨著能耗、水耗。電化學(xué)還原技術(shù)對(duì)靛藍(lán)染料的應(yīng)用比較成熟，但生產(chǎn)成本高昂。綜上，對(duì)于無(wú)鹽無(wú)水活性染料清潔染色技術(shù)，仍有許多工作值得深入研究。

2 面向低碳排放的功能紡織品技術(shù)

通過(guò)采用功能性化學(xué)助劑或制備具有一定功能性的纖維材料等，可制備具有特定功能的紡織品。功能紡織品可減少水洗需求、外源性能量消耗等，對(duì)實(shí)現(xiàn)低碳排放具有重要意義。

2.1 拒水拒油功能紡織品

棉織物等容易被雨水、油漬、酒漬等沾污，日常使用過(guò)程中需進(jìn)行水洗，水洗時(shí)加入的洗滌劑等化學(xué)助劑會(huì)造成廢水處理負(fù)擔(dān)，并且水洗過(guò)程伴隨著水耗、能耗等。研究者對(duì)織物的拒水拒油或自清潔功能進(jìn)行了大量研究。目前，市場(chǎng)上應(yīng)用較多的仍然是由全氟辛烷磺?；衔?PFOS)為原料合成的氟碳類拒水拒油整理劑(俗稱碳八拒水拒油劑)，盡管其織物拒水整理性能優(yōu)異，但其降解性能差，污染環(huán)境。碳六拒水拒油劑則是通過(guò)六碳含氟樹(shù)脂合成的，不含全氟辛酸(PFOA)、PFOS等，由于氟碳鏈短，毒副含量比PFOS和PFOA小，但也存在一些問(wèn)題，例如對(duì)高支高密織物拒水整理效果差、耐洗性差、使用量比碳八拒水拒油劑大才能取得相似拒水效果等。

與含氟拒水拒油整理劑相比，不會(huì)在生物體內(nèi)累積、容易降解等是無(wú)氟整理劑的突出優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為本領(lǐng)域新的研究及應(yīng)用熱點(diǎn)，魯?shù)婪?、大金、亨斯邁、德科等公司在無(wú)氟拒水拒油整理劑方面取得了較大進(jìn)展，但是助劑成本相對(duì)較高。此外，研究人員還從大自然中受到啟發(fā)，采用仿生結(jié)構(gòu)手段，例如模擬荷葉效應(yīng)和荷花效應(yīng)、魚(yú)鱗結(jié)構(gòu)、動(dòng)物毛羽等[25-27]，可賦予整理織物良好的拒水拒油性能，但是該類方法生產(chǎn)工藝復(fù)雜，制備成本高，難以在紡織品上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

2.2 熱濕舒適性管理功能紡織品

人們的工作環(huán)境經(jīng)常變化，為了維持體溫平衡，在工作場(chǎng)所通常使用空調(diào)等裝置，能源利用率低，造成嚴(yán)重浪費(fèi)。個(gè)性化熱舒適理論的提出可直接通過(guò)服裝面料調(diào)節(jié)人體體溫平衡，根據(jù)人體所處環(huán)境調(diào)節(jié)到體溫舒適范圍，更好地實(shí)現(xiàn)服裝穿著的熱濕舒適性，減少空調(diào)及其他設(shè)備造成的能源浪費(fèi)，減少溫室氣體排放。

2.2.1 基于相變材料的調(diào)溫面料

20世紀(jì)80年代，美國(guó)國(guó)家航空與航天局最早開(kāi)始利用相變材料實(shí)現(xiàn)纖維智能調(diào)溫的技術(shù)研發(fā)，為登月計(jì)劃開(kāi)發(fā)了Outlast腈綸基智能調(diào)溫纖維，通過(guò)采用石蠟基相變微膠囊加入腈綸紡絲液中制成，用于宇航員服裝和保護(hù)太空精密設(shè)備的防護(hù)套。于1988年開(kāi)發(fā)成功，并于1994年開(kāi)始應(yīng)用于商業(yè)產(chǎn)品。后來(lái)，德國(guó)的Kelheim纖維公司與Outlast公司又合作開(kāi)發(fā)了粘膠基的Outlast纖維。

目前，相變材料調(diào)溫纖維的制備除了在紡絲液中添加相變微膠囊，還可通過(guò)中空纖維浸漬相變材料，相變材料與聚烯烴熔融復(fù)合紡絲，或直接在面料上涂覆、印刷含有相變材料的漿料實(shí)現(xiàn)。

結(jié)晶水合鹽具有相變潛熱大、儲(chǔ)能密度高、熱導(dǎo)率高等優(yōu)勢(shì)，其中十水硫酸鈉的相變溫度為32 ℃[28]，這與人體舒適溫度范圍相符，具有良好的應(yīng)用潛力。劉太奇等[29]研制的硫酸鈉基防護(hù)服，通過(guò)添加共晶鹽將相變溫度調(diào)節(jié)為15 ℃。華中科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)[30]以親膚的蠶絲蛋白和聚乙烯醇(PEG)為原料，利用涂層包覆法制備了具有輕質(zhì)防水、柔軟舒適、彩色鮮艷特點(diǎn)的智能織物。利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和相變材料復(fù)合的手段，實(shí)現(xiàn)了人體體溫的智能化調(diào)節(jié)，不僅可滿足人體熱舒適性的需求，還可減少能源消耗。

2.2.2 高導(dǎo)熱涼感面料

導(dǎo)熱類服裝的制備是將導(dǎo)熱系數(shù)較大的材料以某種方式添加在普通紡織面料中，以增強(qiáng)人體散熱性能。馬里蘭大學(xué)研究人員[31]利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了納米氮化硼(BN)/聚乙烯醇(PVA)纖維中導(dǎo)熱BN納米片的高度取向，制得的復(fù)合纖維熱導(dǎo)率是棉紗的2倍，編織的涼感面料具有比棉織物高55%的涼感。

2.2.3 濕熱轉(zhuǎn)換類發(fā)熱纖維

吸濕發(fā)熱是天然纖維均有的性能，其中羊毛纖維的吸濕發(fā)熱性能更加突出。通常，纖維的回潮率會(huì)影響其發(fā)熱性能，回潮率高則吸濕發(fā)熱性能較好,回潮率低則相對(duì)較差?；谠撔阅埽喾N吸濕發(fā)熱纖維得以開(kāi)發(fā)。纖維吸濕發(fā)熱機(jī)制，表觀為纖維與水分可以相互吸引結(jié)合，水分子的動(dòng)能降低而被轉(zhuǎn)化為熱(能)量釋放出來(lái)[32]。為了使纖維發(fā)熱性能更突出，可將吸濕發(fā)熱物質(zhì)添加在纖維內(nèi)部或涂覆于纖維表面，當(dāng)纖維吸收水分后，該物質(zhì)受到觸發(fā)而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而釋放出更多的熱量。

依克絲(EKS)纖維是由日本東洋紡公司開(kāi)發(fā)的，在溫度為20 ℃、相對(duì)濕度為65%的條件下其吸濕能力是棉的3.5倍，吸放熱量則為羊毛的2倍左右；而該公司開(kāi)發(fā)的N38纖維吸濕可達(dá)到自身質(zhì)量的41%(在溫度20 ℃、相對(duì)濕度65%條件下)，衣物內(nèi)溫度可升高3 ℃左右，除了高吸濕和放濕能力，還表現(xiàn)出抗微生物性能。其他吸濕發(fā)熱纖維還包括日本旭化成株式會(huì)社開(kāi)發(fā)的Thermotron纖維、日本東洋紡公司開(kāi)發(fā)的Renaissa纖維等。

2.2.4 紅外輻射智能調(diào)溫面料

常溫下具有吸收和發(fā)射遠(yuǎn)紅外線功能且發(fā)射率大于65%的紡織品可稱之為遠(yuǎn)紅外紡織品[33]，其溫?zé)嵝Ч纫话阃惪椢锔?～5 ℃。在纖維或紗線中添加石墨烯、陶瓷等遠(yuǎn)紅外光反射材料，可將人體輻射熱量反射給穿著者，以達(dá)到保溫效果。通常，遠(yuǎn)紅外粉是由1種或者2種物質(zhì)組成，在接近35～37 ℃的皮膚溫度下表現(xiàn)出較高的常溫比輻射率，能吸收陽(yáng)光中波長(zhǎng)小于2 μm的波長(zhǎng)段，反射波長(zhǎng)大于2 μm的輻射。陽(yáng)光中95%以上的能量是波長(zhǎng)在0.3～2.0 μm的輻射能量，幾乎全部被吸收。同時(shí)，人體也在不斷地輻射電磁波，以36.5 ℃體溫計(jì)算，人體散發(fā)的熱輻射波長(zhǎng)大于9 μm，幾乎100%被人體穿著的服裝反射，使面料表現(xiàn)出優(yōu)異的保溫功能。

馬里蘭大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[34]發(fā)明了一種可根據(jù)濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)紅外光透過(guò)率的織物。該織物由涂有導(dǎo)電金屬的紗線制成，當(dāng)條件溫暖潮濕時(shí)，紗線緊湊并激活涂層，織物允許紅外光輻射(熱量)通過(guò)，起到降溫作用；當(dāng)條件變得涼爽和干燥時(shí)，織物可減少熱量散出，起到保暖作用。美國(guó)斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[35]基于納米多孔聚乙烯(PE)材料制備智能調(diào)溫服裝，將雙層發(fā)射極嵌入PE后，即使沒(méi)有電線和外來(lái)電源，織物仍然具有降溫和保暖2種功能，且僅通過(guò)將織物正反面調(diào)整即可切換該功能。

2.2.5 高效隔熱氣凝膠面料

人們通過(guò)穿著多層服裝來(lái)增加靜止的空氣含量，以達(dá)到隔熱保溫效果。多孔氣凝膠材料擁有泡沫狀結(jié)構(gòu)，孔隙率極大，能夠有效貯存靜止空氣，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的保溫效果。氣凝膠最早是由美國(guó)科學(xué)家Kistler制得，具有優(yōu)異的隔熱性能。填充一定厚度的氣凝膠，可實(shí)現(xiàn)羽絨服的優(yōu)異保暖效果。

將氣凝膠應(yīng)用于消防服，可顯著提升其熱防護(hù)性能[36]。2014年，Prevolnik等[37]采用壓制法將氣凝膠、透氣膜和針織物復(fù)合，制得透氣保暖的5層復(fù)合面料，可用于睡袋、防護(hù)罩等。另外，結(jié)合氣凝膠和相變材料的優(yōu)勢(shì)，可制備具有熱防護(hù)性和舒適性的消防服內(nèi)襯[38]。

智能調(diào)溫服裝的原材料如Outlast纖維、高端相變材料等技術(shù)掌握在國(guó)外手里，國(guó)內(nèi)進(jìn)口成本高；而氣凝膠的較低韌性和強(qiáng)度是其在服用上的主要障礙和挑戰(zhàn)。其他的智能調(diào)溫紡織品技術(shù)，目前大多數(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，并未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

3 先進(jìn)綠色染整加工設(shè)備及系統(tǒng)

3.1 數(shù)碼噴墨印花設(shè)備

相比傳統(tǒng)印花，數(shù)碼噴墨印花具有諸多優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需制版(網(wǎng))、顏色豐富、層次好、可小批量生產(chǎn)、節(jié)水少污染等。由于傳統(tǒng)印染表現(xiàn)出高能耗及高排污，而數(shù)碼噴墨印花采用綠色清潔的噴印技術(shù)，符合我國(guó)目前對(duì)紡織印染行業(yè)低碳環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的要求。

3.1.1 高速全幅寬數(shù)碼印花機(jī)

限于目前大部分噴頭精度不夠高，而與紙張相比各類織物都有一定厚度，為了避免露白問(wèn)題，數(shù)碼直噴印花機(jī)必須用2 Pass以上進(jìn)行噴印，導(dǎo)致單位面積織物消耗的墨水量相對(duì)較多，噴印速度低。雖然有些掃描式直噴機(jī)最快理論打印速度可達(dá)1 000 m2/h，但實(shí)際噴印速度還很少超過(guò)500 m2/h[39]。

3.1.2 圓網(wǎng)+單程數(shù)碼噴印設(shè)備

杭州宏華數(shù)碼科技股份有限公司開(kāi)發(fā)的圓網(wǎng)+單程(single-pass)超高速數(shù)碼印花機(jī)，是圓網(wǎng)和數(shù)碼聯(lián)合打印的一種機(jī)型，優(yōu)勢(shì)在于傳統(tǒng)印花與數(shù)碼印花的有效互補(bǔ)，不僅解決了圓網(wǎng)機(jī)印花花型有限的問(wèn)題，又解決了數(shù)碼印花成本高、滲透性差的問(wèn)題，適用于棉、麻、化纖等面料。精度為1 200 dpi×1 200 dpi，最高生產(chǎn)速度可達(dá)80 m/min。

3.1.3 雙面數(shù)碼印花機(jī)

單面印花面料反面色淺、露白等問(wèn)題嚴(yán)重，面料表達(dá)方式受限。雙面數(shù)碼印花技術(shù)解決了染料滲透問(wèn)題，讓面料正反兩面的花型對(duì)位精準(zhǔn)且清晰，滿足不同面料的雙面印花需求，達(dá)到面料價(jià)值與審美價(jià)值利益最大化，雙面噴印方式分為兩步法和一步法工藝[40]。

兩步法噴印：選擇合適的機(jī)型和打印模式，將上漿面料平整粘貼于導(dǎo)帶上，打印面料的正面花型。然后再把面料反過(guò)來(lái)粘貼于導(dǎo)帶上，利用掃描式相機(jī)采集面料正面花型，通過(guò)軟件將采集到的正面花型轉(zhuǎn)換成灰度圖，通過(guò)計(jì)算將反面花型根據(jù)灰度圖花位置定點(diǎn)適當(dāng)扭曲和縮放，再通過(guò)光柵圖像處理軟件噴印到面料反面的對(duì)應(yīng)位置上。

一步法噴印：面料垂直懸掛在導(dǎo)桿上，在面料的兩側(cè)安裝2個(gè)一模一樣的噴頭組合裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)雙面同時(shí)印花的目的。

對(duì)于數(shù)碼噴墨印花技術(shù)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備已具備相當(dāng)規(guī)模，但是噴頭技術(shù)掌握在國(guó)外廠家手中，目前國(guó)內(nèi)幾乎100%依賴于進(jìn)口，對(duì)行業(yè)發(fā)展形成“卡脖子”問(wèn)題。噴頭技術(shù)的開(kāi)發(fā)涉及到化工、材料、機(jī)械、信息等各個(gè)行業(yè)，因此，真正實(shí)現(xiàn)噴墨印花打印噴頭國(guó)產(chǎn)化還需要較長(zhǎng)時(shí)間。

3.2 Sedo-Treepoint染整數(shù)字控制系統(tǒng)

Sedomat 8000控制器系列專為工業(yè)4.0及更高標(biāo)準(zhǔn)而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，高度靈活，與內(nèi)部Wi-Fi、射頻識(shí)別技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線及大量模塊化內(nèi)外部輸入和輸出相結(jié)合，能量計(jì)數(shù)器可通過(guò)大量標(biāo)準(zhǔn)化連接直接聯(lián)接。Sedomat 8000包含一個(gè)可編程控制器(PLC)，可通過(guò)編程工具進(jìn)行調(diào)整，可選擇配備內(nèi)部和外部I/O板以滿足不同紗線、織物和不同型號(hào)染整機(jī)的要求。該系統(tǒng)主要包括SedoMaster、ColorMaster和EnergyMaster三大應(yīng)用功能模塊，以網(wǎng)絡(luò)信息管理為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)印染工廠全流程數(shù)字化管理[41]。

3.3 紡織品外觀質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

現(xiàn)有染整裝備在線監(jiān)控技術(shù)旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)具體工藝參數(shù)的優(yōu)化及控制，與工序或產(chǎn)品的最終質(zhì)量指標(biāo)要求相脫節(jié)。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的準(zhǔn)確控制是必然要求，但是當(dāng)油滴沾污布面、設(shè)備劃傷布面時(shí)，或者不同廠家的纖維品種或染化料品質(zhì)差異造成染色性能變化時(shí)，即使工藝參數(shù)得到準(zhǔn)確控制，也無(wú)法保證產(chǎn)品的最終質(zhì)量。前道工序產(chǎn)生的微小缺陷可能在后序加工中被放大，缺乏有效的質(zhì)量監(jiān)控手段會(huì)造成原料與能源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

紡織品表面質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)云平臺(tái)和染整機(jī)械云平臺(tái)是相互獨(dú)立存在的[42]，基于確立的紡織品表面質(zhì)量數(shù)字化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用該架構(gòu)在線智能測(cè)控紡織品表面質(zhì)量具有較高的可操作性，是染整裝備往智能化方向發(fā)展的一個(gè)重要分支。

國(guó)內(nèi)紡織印染設(shè)備技術(shù)處于國(guó)際前列，但全流程智能化控制系統(tǒng)技術(shù)如制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)主要掌握在日本、意大利、德國(guó)等國(guó)家手中，國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)還處于追趕階段。對(duì)于印染企業(yè)而言，購(gòu)買(mǎi)智能化控制系統(tǒng)成本較高，主要是一些具有一定規(guī)模的企業(yè)在使用。

4 廢水深度處理及化學(xué)品循環(huán)回用

在水資源日益短缺，環(huán)保要求日趨嚴(yán)格的形勢(shì)下，高耗水量、高廢水排放量成為困擾印染行業(yè)發(fā)展的障礙。印染廢水較難處理，具有溫度高、堿度大、可生化性差等特點(diǎn)，若將其直接排放，必將嚴(yán)重破壞水體環(huán)境。

4.1 膜技術(shù)用于廢水深度處理及回用

印染廢水預(yù)處理和生化處理工藝現(xiàn)已比較成熟，吸附法、高級(jí)氧化法可顯著降低印染廢水的COD值，但對(duì)廢水中所含的無(wú)機(jī)鹽去除效果甚微?；赜盟袩o(wú)機(jī)鹽離子(如鈣、鎂)濃度超標(biāo)會(huì)造成染料沉淀、色牢度和顏色鮮艷度降低等，進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量[43]。因此，印染廢水脫鹽回用已成為該領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題之一。

膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)離子交換脫鹽技術(shù)相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：操作簡(jiǎn)便、能耗較低、脫鹽效果更優(yōu)等。其中微濾和超濾可高效篩分水中膠體、懸浮物，但無(wú)法截留無(wú)機(jī)鹽，可作為納濾和反滲透處理的預(yù)處理工藝。納濾介于超濾和反滲透之間，通過(guò)荷電效應(yīng)和篩分效應(yīng)發(fā)揮分離作用，對(duì)鹽具有高度選擇能力、對(duì)低分子有機(jī)物截留率高，且納濾與反滲透相比操作壓力較低，可實(shí)現(xiàn)較高的水回收率，并能夠取代脫鹽系統(tǒng)中的反滲透工藝[44]。

單一膜技術(shù)的缺點(diǎn)在于膜污染、穩(wěn)定性差，因此，印染廢水深度處理應(yīng)重點(diǎn)研究預(yù)處理-生化處理-多膜工藝的優(yōu)化組合工藝。目前，國(guó)內(nèi)外用于高污染廢水處理的膜分離技術(shù)主要包括：多級(jí)反滲透、高效反滲透、正向滲透(FO)和電滲析(ED)等[43,45-46]。

4.2 廢水中紡織化學(xué)品的回收利用

通過(guò)膜分離技術(shù)對(duì)廢水中污染物進(jìn)行分離、濃縮、回收，可達(dá)到凈化污水的目的。膜分離法不僅能實(shí)現(xiàn)中水回用，也能回收可再利用物質(zhì)，節(jié)省資源成本，降低生產(chǎn)過(guò)程的碳足跡，已被證實(shí)在印染廢水處理方面具備可行性。

4.2.1 聚乙烯醇漿料的回收再利用

聚乙烯醇(PVA)漿料的化學(xué)結(jié)構(gòu)為全碳主鏈，其退漿廢水COD高、生化需氧量(BOD5)低，并且因其較大表面活性，導(dǎo)致水體產(chǎn)生大量泡沫，抑制了水體復(fù)氧，還會(huì)促進(jìn)水體沉積物中重金屬的遷移釋放，危害水體環(huán)境及生物。近年來(lái)，盡管開(kāi)發(fā)可生化性好的替代漿料備受關(guān)注，但成膜性能優(yōu)異的PVA漿料仍然很難被替代。

采用卷式膜超濾裝置可從退漿廢水中回收PVA。在超濾過(guò)程中需要施加一定的壓力，液體流經(jīng)膜表面時(shí)，小于膜孔的溶質(zhì)及水可透過(guò)膜并成為凈化液，可回用于織物退漿；大于膜孔的PVA等物質(zhì)被截留，以濃縮液形式排出，通過(guò)調(diào)控濃縮液中PVA的濃度，也可重新用于退漿?？刂屏弦簻囟葹?0～80 ℃，操作壓力為0.4～0.6 MPa條件下，可使0.5%～1.0%的PVA廢水濃縮至10%，PVA的去除率在95%以上，回收的PVA漿料經(jīng)調(diào)配后，可滿足回用生產(chǎn)要求[47]。

4.2.2 鹽與堿回用

高鹽廢水通過(guò)反滲透過(guò)濾濃縮后，經(jīng)蒸法濃縮可實(shí)現(xiàn)高比率回收。含堿廢水則根據(jù)濃度采取不同的回用方法：如果廢水含堿濃度低，例如堿洗槽的漂洗水，可根據(jù)以廢治廢的原則，利用廢酸或含酸廢水與含堿廢水相互中和；如果廢水含堿濃度高，應(yīng)優(yōu)先考慮回收利用，根據(jù)廢水實(shí)際情況和生產(chǎn)工藝要求的差異，進(jìn)行廢水不同區(qū)域調(diào)度，盡量重復(fù)使用，如果含堿濃度偏低但是水量較大，可采用濃縮的方法回收酸堿。

目前，萊特萊德技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的技術(shù)可實(shí)現(xiàn)90%以上的堿回用率，突破傳統(tǒng)堿回收系統(tǒng)不會(huì)超過(guò)50%的瓶頸。該技術(shù)減輕了企業(yè)運(yùn)行成本壓力，同時(shí)解決了其他行業(yè)原料問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)環(huán)境防治與資源能源發(fā)展雙循環(huán)收益。

4.2.3 活性染料染色殘液回用

活性染料染色的利用率普遍低于其他類別的染料，一般為60%～70%，其染色殘液中色度、鹽堿含量高，難處理，如能在一定程度上實(shí)現(xiàn)染色殘液的回用，可有效降低染化料的使用量和污水排放量。目前，活性染料染色殘夜的回用有直接回用、脫除有色物質(zhì)后再回用等多種方式。

梁佳鈞等[48]探討了通過(guò)測(cè)定活性染料染色過(guò)程中染料及鹽堿的消耗情況進(jìn)行活性染料單色和拼色染色殘液回用。研究發(fā)現(xiàn)，在保證染色效果和色牢度的前提下可實(shí)現(xiàn)染色殘液回用5次，每次回用染色染料用量減少原始用量的5%左右，鹽的補(bǔ)充用量與水的消耗成正比，由于部分水解使染液pH值遞減，每次回用需要補(bǔ)加堿為總用量的5%～l0%，具有一定的可行性。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)是紡織印染大國(guó)，先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新，不僅有利于企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，也有利于為碳達(dá)峰、碳中和貢獻(xiàn)行業(yè)的力量。在紡織印染領(lǐng)域，生產(chǎn)各環(huán)節(jié)都存在低碳排放技術(shù)改進(jìn)的可能，本文盡管總結(jié)了許多紡織印染工藝生產(chǎn)環(huán)節(jié)上的低碳減排技術(shù)，但也會(huì)存在遺漏。目前，紡織品低溫漂白技術(shù)在越來(lái)越多的企業(yè)推廣，提升了產(chǎn)品品質(zhì)，降低了能耗、水耗等；超臨界二氧化碳染色技術(shù)取得了突破性進(jìn)展；廢水處理與回用在一些紡織印染企業(yè)也取得了良好效益。

部分技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用范圍廣，但是核心技術(shù)或產(chǎn)品掌握在國(guó)外廠家手中，如噴墨印花打印頭，國(guó)內(nèi)主要依賴進(jìn)口，不僅造成企業(yè)成本增加，也容易對(duì)企業(yè)形成“卡脖子”技術(shù)問(wèn)題，在復(fù)雜多變的國(guó)際環(huán)境中失去競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于紡織印染行業(yè)加工的全流程智能化管理方面，我國(guó)也比較薄弱。

國(guó)家提出碳達(dá)峰、碳減排的雙碳目標(biāo)，盡管對(duì)印染行業(yè)形成了一定壓力，但也有利于促進(jìn)企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造和轉(zhuǎn)型升級(jí)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)講對(duì)提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、形成良性發(fā)展具有積極推動(dòng)作用。而技術(shù)的創(chuàng)新，離不開(kāi)行業(yè)上下游的共同努力，印染行業(yè)低碳排放任重而道遠(yuǎn)。