莊仲揚、王惠民、張昌榮 / 工研院材化所
隨著人們對於環境永續發展日漸重視,紡織品是否符合環境永續發展精神,也逐漸成為品牌商與終端消費者關注的課題。其中,以回收原料再製纖維因兼顧環保與環境永續發展概念,成為近年來綠色循環纖維的技術發展主流方向。本文將針對使用量最大的聚酯紡織品脫色與循環技術進行介紹說明,以瞭解聚酯紡織品循環再利用的應用潛力與未來發展。
【內文精選】
聚酯紡織品脫色機制與現行脫色技術
聚酯纖維是目前全球使用量最為廣泛的紡織品素材,也是最具回收潛力的紡織品類型。其是由乙二醇與對苯二甲酸單體,利用縮合聚合反應製成PET原料,經過紡絲、假撚、織布、染色與縫製五步驟成為紡織品。聚酯纖維的染色方式可分為前染色(使用色母粒(Master Batch)於纖維紡絲時著色,著色劑(Pigment)多為有色無機粉體,以耐磨或車用紡織品著色為主要應用領域),以及後染色(無色纖維/紡織品利用染料(Dye)溶液,藉由染色加工將染料滲入纖維/紡織品結構中以顯色)兩大類。其中,前染色方式因使用無機粉體,僅可使用化學解聚方式,藉由回收單體方式進行再製回收利用;後染色方式占總產量的88%,為現行衣著紡織品普遍使用染色方式。
用於聚酯纖維/紡織品後染色之染料,以分散染料(Disperse Dye)為主體,其作用機制(圖六)是將染料分子於染整製程條件下(110~130˚C),因聚酯纖維非結晶結構具較佳分子移動與可膨潤特性,染料分子可透過介質擴散至纖維非結晶區(Amorphous Region),染色完成降溫後,染料分子因外界溫度低於聚酯玻璃轉移溫度而無法移動,達到聚酯纖維/紡織品顯色,而染料分子與聚酯纖維/紡織品之間僅以氫鍵或凡得瓦力相互作用,無反應鍵結。因此要實現聚酯纖維/紡織品脫色,其前提便是要在不降解聚酯分子鏈之下,將染料自聚酯纖維/紡織品中溶出。不過分散染料依結構分為偶氮型、蒽菎型與雜環型三類,其中偶氮型為最常見的分散染料結構,約占60%,為泛用型分散染料;蒽菎型與雜環型則屬於高牢度分散染料。但實務上操作時,由於纖維/紡織品染色多半是多種染料混合,而不同結構染料其親合特性亦有所差異,因此造成實現紡織品脫色在技術上有其困難性。
圖六、聚酯纖維染色機制示意圖
工研院聚酯紡織品深層脫色技術
1. 超臨界二氧化碳脫色技術
超臨界流體(Supercritical Fluid)應用便是創新脫色技術之一。在實務上,以超臨界二氧化碳流體進行聚酯紡織品染色已為業界知悉,並有商業量產設備與紡織品問世,其原理是利用高滲透特性,將染料溶解後進入聚酯纖維非結晶區以顯色,此染色製程有別於傳統染色,不需要水作為染色介質,具備零耗水之特性,屬於環保的染色製程。工研院材料與化工研究所便以此為創新技術發想,結合超臨界二氧化碳流體與共溶劑配方設計,利用超臨界流體之高滲透性,將共溶劑導入聚酯纖維結構中,萃取溶出嵌於聚酯纖維非結晶區的染料,以實現聚酯紡織品深層脫色效果(圖七)。實測證實,針對分散染料染色聚酯紡織品,透過工研院所開發超臨界二氧化碳脫色技術處理,織物脫色率超過98%以上,且物性無損失,可避免染料殘留造成的回收物外觀深色化與物性劣化,有利於聚酯紡織品回收再製利用,且零製程廢水產生,是環境友善的次世代聚酯紡織品脫色技術。
圖七、超臨界二氧化碳流體聚酯紡織品脫色示意圖
2. 高效潔淨聚酯織物脫色技術
超臨界二氧化碳流體脫色雖具備高脫色率、零物性損失與零廢水之特性,但需要特殊的超臨界流體設備,建置成本相對偏高,對未具備相關設備的廠商形成技術進入障礙。因此工研院團隊持續精進,著手開發使用現行染色設備即可實施聚酯紡織品脫色之創新技術—高效潔淨聚酯織物脫色技術,在低操作溫度(90~130˚C)與短時間內(2~4小時),利用所開發之環保水性脫色促進劑,透過膨潤聚酯纖維並提升染料溶出能力,以利分散染料自聚酯纖維非結晶區當中脫出,實現聚酯紡織品深層脫色,藉此回收高品質無色聚酯原料,建構紡織品永續循環生產體系。
聚酯紡織品熱熔造粒技術
聚酯紡織品經過脫色製程脫除染料回收無色聚酯並粉碎後,需藉由熱熔造粒(Granulation),將脫色回收之聚酯紡織品重製為粒子形式,方可再投入紡絲製程再生為纖維 ---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》454期,更多資料請見下方附檔。