【集萃網(wǎng)觀察】1 前言[1,2]
“綠色紡織品”給印染助劑提出了一個新的標(biāo)準,除了要考慮助劑產(chǎn)品的質(zhì)量、性能和價格以外,對使用助劑后可能帶來的生態(tài)影響,也必需列為選用助劑的重要因素。舉個最簡單的例子如洗滌劑的助洗劑三聚磷酸鈉,因隨廢水排放到江河而造成的“富營養(yǎng)化”,已嚴格限制使用。
印染助劑的生態(tài)學(xué)性能,可以以下幾點來衡量:
(1)產(chǎn)品分子結(jié)構(gòu)和所用原料是否有毒害,是否符合相應(yīng)的法規(guī)。
(2)產(chǎn)品應(yīng)用織物上是否有毒和有害物質(zhì)殘留,或低于有關(guān)指標(biāo)。
(3)產(chǎn)品使用過程中是否產(chǎn)生污染大氣的有害氣體。
(4)產(chǎn)品使用后產(chǎn)生的廢水是否便于處理和排放。
目前,德國及歐共體國家正在展開助劑的禁用,但是至今還沒有提供禁用紡織助劑的品種,因為這是一件十分復(fù)雜的工作。ISO14000環(huán)境管理系列標(biāo)準,從不同角度對有害于人類生存環(huán)境的污染因素進行有效的控制。污染因素的重點是對生產(chǎn)過程中所使用的化學(xué)控制,其中問題最多的助劑安全化最引人注目,因此就產(chǎn)生“環(huán)保助劑”和“綠色助劑”,“綠色助劑”實際上是符合環(huán)保和生態(tài)要求的印染助劑。它必須具有在染整工藝上應(yīng)有的功能,還要求染整加工后在織物上殘留的有害物在規(guī)定限度以下,有害重金屬、甲醛、酚類、有機鹵化物等在最低限度以下,不含有致癌芳胺及還原分解為致癌芳胺的物質(zhì),對水和空氣的污染減少到最低程度,這些都有明確界限,有些則根據(jù)生態(tài)和環(huán)保要求如:助劑的可去除性,對魚類毒性和對細菌毒性等暫無明確界限。
2 表面活性劑
印染助劑種類繁多,如精練劑、凈洗劑、滲透劑、勻染劑、交聯(lián)劑、分散劑、乳化劑、樹脂整理劑、抗靜電劑、阻燃劑、柔軟劑、粘合劑、增稠劑、涂層整理劑、固色劑、增深劑、防水劑、抗菌防霉劑、紫外線吸收劑等,它們的原料涉及各種表面活性劑和其它有機及無機化學(xué)品,表面活性劑是最主要的原料,用量最多,品種最繁。
印染助劑對環(huán)境的影響首先是安全性,其次是生物季解性。安全性是能否投入生產(chǎn)使用的首要考慮的問題,所以一直比較重視,但不一定非常清楚。它包含急性和慢性毒性、對皮膚和眼睛的刺激性、過敏性、致畸、致變異性和對水生物毒性。但是對生物降解性是近幾年來才受到廣泛注意,生物降解性差的助劑將會積聚起來,從而對環(huán)境造成嚴重的影響。
2.1 表面活性劑的安全性
(1)毒性:表面活性劑的毒性以半致死量(LD50)表示,陰離子表面活性劑約為1000-3000mg/kg,個別為4000-6000mg/kg;陽離子表面活性劑約為200-2000mg/kg;非離子表面活性劑約為10000-50000mg/kg,毒性最小。但烷基酚聚氧乙烯醚(APEO)的毒性是由于它的生物降解物中1-2個氧乙烯殘留物及最終降解物-烷基酚而產(chǎn)生,1-2甲氧乙烯代謝物的毒性比APEO大,最終生成的酚則毒性更大。分解如下:
1988年德國、丹麥、瑞士等歐洲國家已通過法律對APEO的使用限制,所生產(chǎn)的洗滌劑和潤濕劑不不含有APEO。
以天然脂肪醇聚氧乙烯醚(FAEO)替代APEO是當(dāng)前的趨向。FAEO在短時間內(nèi)90%可以生物降解,是一種無公害的表面活性劑。但是與APEO相比,F(xiàn)AEO的起泡性高,濁點易于波動。主要是脂肪醇與環(huán)氧乙烷成加時,所得FAEO的氧乙烯摩爾數(shù)分布太寬,特別是產(chǎn)物中未反應(yīng)脂肪醇和低加成物的比例很高,導(dǎo)致起泡性高。近來,采用堿土金屬氫氧化物代替氫氧化鉀作為加成反應(yīng)催化劑,可以得到分布較窄的FAEO產(chǎn)品。如圖1所示。
(2)皮膚刺激性:一般情況下,非離子表面活性劑最小,特別是吐溫(Twee)類和聚醚最為溫和,陰離子表面活性劑略大,AES略小于LAS和AS。
(3)致畸性和致變異性:含氯有機物和酚類化合物對動物造成致畸。對非離子表面活性劑的聚氧乙烯的致變異性引起人們注意,認為環(huán)氧乙烷加成時的付反應(yīng)生成二噁烷和未加成的氧乙烯所致;二噁烷是已認定為致癌物,而氧乙烯被懷疑為致癌物質(zhì)。因此必須控制這兩種化合物在聚氧乙烯非離子表面活性劑中的含量,一般情況下要求未反應(yīng)的氧乙烯的含量限制在1ppm以下。因此在加環(huán)氧乙烷反應(yīng)結(jié)束后,應(yīng)該在氧乙烯洗滌器中用氮氣將氧乙烯吹出,使之符合要求。對于二噁烷的產(chǎn)生需從工藝及設(shè)備上改進才能達到要求。八十年代末,瑞士Buss公司開發(fā)的液體向下噴射法工藝,反應(yīng)時間短,后期反應(yīng)時間小于15min,即可使氧乙烯濃度降至1ppm以下;同時因為氧乙烯迅速循環(huán)狀態(tài)下,所以傳質(zhì)效果好,反應(yīng)熱不易積聚,可以消除二噁烷在氣相中生成。因而Buss公司的工藝優(yōu)于意大利的Press法工藝。
(4)對水生物毒性:表面活性劑隨廢水排放到江湖中造成對包括魚類在內(nèi)的水生物有影響,對魚類的豐致死量以LC50表示,對水生蚤類和藻類以EC50表示。測定48小時LC50的結(jié)果顯示,非離子和陰離子表面活性劑都在1.7-2.5mg/l之間,必須在1.0mg/l以下濃度時,魚類才能100%存活。除了表面活性劑的毒性以外,表面活性劑使水的表面張力下降到50mn/m時,魚類就難以生存了。而綠色表面活性劑之一的烷基多糖苷(APG)的LC50為101mg/l,毒性很小。
2.2 表面活性劑的生物降解性
表面活性劑的生物降解性是衡量表面活性劑被氧化分散,最終生產(chǎn)二氧化碳、水,使之成為完全無害的物質(zhì)。為了減輕以至消除環(huán)境污染,應(yīng)使用容易生物降解的表面活性劑。
常用的表面活性劑生物降解率如表1。
脂肪類表面活性劑的生物降解最快,可以從脂肪酸的β-氧化法制,每次減少兩個碳原子,直至最后生成二氧化碳和水。
陰離子表面活性劑中,羧基最容易降解,磺酸基和硫酸酯基需要硫細菌參與才能完全分解,因此降解時間較長,磷酸酯較易生物降解。α-烯烴磺酸鹽生物降解性好,可作為陰離子表面活性劑中優(yōu)良的綠色助劑原料。
非離子表面活性劑的生物降解,包括疏水碳鏈和聚氧乙烯鏈兩部分。碳鏈降解規(guī)律基本上與陰離子表面活性劑相同,支鏈碳鏈不易生物降解。聚氧乙烯鏈超過10以后,降解速度隨氧乙烯鏈增長而明顯減慢。天然脂肪醇和低聚氧乙烯鏈的非離子表面活性劑,由于生物降解性好,可以作為環(huán)保型助劑。
陽離子表面活性劑的生物降解性由于它的毒性而普遍較差,但也有差異。如單長鏈陽離子表面活性劑(1227,1631)相對于二烷基二甲基氯化銨(柔軟劑)和烷基吡啶氧化物(防水劑)較易生物降解。
2.3 綠色表面活性劑[3]
(1)烷基多糖苷(APG)
烷基多糖苷(AlKyl Poly Glycoside,簡稱APG)是以葡萄糖或淀粉為基本原料,與天然脂肪醇經(jīng)烷基化反應(yīng)得到一種新型的非離子表面活性劑。
原料來自天然,生產(chǎn)過程無三廢排放;本身無毒,無刺激性,對人體安全,生物降解快而徹底,不污染環(huán)境,因此APG稱為“綠色表面活性劑”。APG性能優(yōu)良,應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,可作為洗滌劑、乳化劑、潤濕劑、消泡劑、增稠劑、分散劑等。APG于1934年已獲研究成功,九十年代開始工業(yè)化生產(chǎn)。
(A)毒性和生物降解性
APG無毒性,LD50為30-40g/kg;碳鏈為8-10的APG,其LC50高達101mg/l,比常用表面活性劑的LC50大50倍之多;即使C12-14的APG,LC50也為3mg/l,不會污染水域,殺害魚類。對眼睛及皮膚刺激性也低于一般表面活性劑。見表2。
APG的生物降解性快而徹底,5天后,生物降解率已達80%左右,最終生物降解率均超過90%(20-30天后);采用OECD(經(jīng)濟合作與發(fā)展組成成員國)確認的活性污泥法達到99.5%,OECD改進篩網(wǎng)試驗法也可達93-94%。刺激性值越低,刺激性越小。
(B)性能
APG兼有非離子和離子型兩類表面活性劑的特性。APG的親水性為自糖環(huán)上的多個羥基與水形成的氫鏈比較牢固,有別于醇醚鏈中單純依靠氧原子與水所形成的氫鏈,所以沒有濁點,稀釋時也無凝膠產(chǎn)生,可以擴大應(yīng)用范圍。
APG的HLB值是隨著烷基碳原子增加而減少;在碳原子相同時,隨著糖的聚合度的增加而增加。這一規(guī)律與醇醚非離子表面活性劑相同。作為商品APG的烷基碳原子為8-14,聚合度(DP)1.3-1.6,它們的HLB值為: 與常用的陰離子及非離子表面活性劑的HLB值相接近。[例如:C16H33SO3Na(AS)HLB=12.08,SAS的HLB=12.2-13.7,C12H25C6H4SO3H(ABS)HLB=12.04,JU的HLB=12.12,TX-10的HLB=13.3。]
APG兼有陰離子及非離子表面活性劑性質(zhì),它的表面張力在30mN/m左右,臨界膠束濃度CMC為10-4-10-2(mol/l),與非離子表面活性劑相應(yīng)。而濃度大于CMC之后,達到飽和吸附后的最大吸附表面的分子面積A在5000(NM2),與陰離子表面活性劑相同,也即達到緊密的定向吸附,形成單分子吸附層。
但是,APG因為是糖苷,與通?s醛一樣,在堿性介質(zhì)中是穩(wěn)定的,在酸性條件下容易水解,使甘鍵斷裂而成為糖及苷元,因此給應(yīng)用帶來局限性,而且由于生物降解太快太高。產(chǎn)品中必須添加防腐劑,而酚類及苯甲酸類酸性防腐劑不能應(yīng)用,如用氧化鋅將帶來新的困難。
(2)N-甲基烷基葡萄糖酰胺[4][5]
N-甲基烷基葡萄糖酰胺(N-Methyl AlKyl Glycose Amide,簡稱MAGA),是新一代表面活性劑。它的基本原料是葡萄糖或麥芽糖以及脂肪酸。要通過以下反應(yīng)得到。
N-甲基烷基葡萄糖酰胺R=C8-C17,包括月桂酸、肉豆蔻酸、棕櫚酸及硬脂酸等。
R作為疏水性鏈、親水性鏈為多羥基化合物,包括葡萄糖或麥芽糖。以此調(diào)節(jié)HLB值,性能與APG相似。由于存在酰胺基,耐酸、耐堿、耐熱。美國與歐洲與80年代已有大量專利,九十年代,美國普里格特-甘布爾公司已在我國申請多項專利。是一種有關(guān)發(fā)展前途的綠色表面活性劑。
3 致癌芳胺的影響
22種致癌芳胺是許多染料的中間體,某些印染助劑也受個別致癌芳胺的影響。
3.1 聚氨酯(PU)涂層劑
聚氨酯的硬酸為二異氰酸酯,常用的二異氰酸酯為TDI(2,4甲苯二異氰酸酯)和MDI(4,4’-二苯甲烷二異氰酸酯),由它們的涂層劑在織御經(jīng)涂層后,發(fā)現(xiàn)存在大量(1000mg/kg左右)組成2,4-二氨基甲苯4’-二氨基二苯甲烷。其原因是TDI和MDI分別由這兩種致癌芳胺為原料,通過光氣化反應(yīng),由氨基轉(zhuǎn)變?yōu)楫惽杷狨,未?jīng)充分后處理,致使涂層織物上存在大量致癌芳胺,不能用于制作服裝。它們的代用品是HDI(1,6-已烷基二異氰酸酯),H12MDI(4,4’-二環(huán)已基甲烷二異氰酸酯),NDI(1,5-萘二異氰酸酯)及IPDI(4,6,6-三甲基-2-環(huán)已烯酮=異氰酯)。
3.2 凈化劑LS
凈洗劑LS是對氨基苯甲醚通過磺化和油;瞥,一度因發(fā)現(xiàn)含有鄰氨基苯甲醚而視作禁用助劑。其原因是對氨基苯甲醚是通過氯苯硝化所得對硝基氯苯后,甲醚化和還原而制成。通常的對硝基氯化苯產(chǎn)品總含有少量甚至微量鄰苯硝基氯苯,因此,對氨基苯甲醚中存在致癌的鄰氨基苯甲醚。只要將硝基氯化苯中的少量鄰硝基氯苯除去,用這種純的對硝基氯苯制成的對氨基苯甲醚,再制造凈洗劑LS就不會帶有致癌芳胺。
值得注意的是某些凈洗劑,精練劑,勻染劑等印染助劑是以凈洗劑LS作為復(fù)配原料,就可能影響這些印染助劑。
4 甲醛的影響
甲醛對于人類健康有害已逐引起人們重視,利用甲醛作為反應(yīng)劑旨在提高助劑在織物上的耐久性,因為它能與纖維素纖維的羥基化學(xué)鍵合。所以廣泛用于印染助劑,如樹脂整理劑、固色劑、阻燃劑、柔軟劑、防水劑、粘合劑等。這些助劑因通過甲醛的羥甲基化而形成的羥甲基,使助劑自身含有游離甲醛和使用、儲藏過程中產(chǎn)生的釋放甲醛,造成織物上含有超量的甲醛,致使織物上的甲醛含量超過規(guī)定的最低極限值。
4.1 樹脂整理劑
耐久性壓燙樹脂整理劑使纖維素纖維織物具有防縮防縐效果,常用的樹脂整理劑如:二羥甲基二羥甲基二羥基環(huán)乙烯脲(DMDHEU),三羥甲基或六羥甲基三聚氰胺(TMM或HMM)的甲醛含量都在1000mg/kg左右,大大超過標(biāo)準。
DMDHEU的醚化改性物是通過醚化反應(yīng)制得的低甲醛樹脂整理劑的重要方法,是由環(huán)乙烯脲將環(huán)上羥基醚化,再經(jīng)羥甲基化后,將側(cè)鍵羥甲基上羥基醚化,使DMDHEU的四個羥基全部進行醚化,即二步法醚化。醚化劑可以是甲醇、乙醇或乙二醇。所得醚化DMDHEU的甲醛含量低于75mg/kg,并保持DMDHEU風(fēng)格。
無甲醛樹脂整理劑利用得比較多的是雙甲基二羥基乙烯脈(DMDHEU)和丁烷四羥酸(BTCA),經(jīng)整理后的織物不含甲醛,風(fēng)格不及低甲醛樹脂整理劑,而且整理工藝條件比較苛刻,因此尚在繼續(xù)研究開發(fā)之際。
4.2 固色劑
染色織物除需具有滿意的色光外,還要求有良好的牢度。某些直接、酸性、活性、硫化等染料具有面洗牢度差的缺。當(dāng)織物染色后采用化學(xué)助劑得理,使染料與纖維發(fā)生化學(xué)鍵的結(jié)合或形成不溶性物,從而提高紡織品的水洗、日曬、汗?jié)n等牢度。這種助劑稱為固色劑。
當(dāng)前國內(nèi)外消費者對印染紡織品仍以各項牢度為主要衡量標(biāo)準,Oko-Tex標(biāo)準100對色牢度提出更高要求,水紫牢度達3-4級。因此用以提高直接染料和活性染料牢度的固色,也相應(yīng)需提高要求,而且應(yīng)使低甲醛或無甲醛固色劑。
固色劑大多數(shù)是高分子聚合物。目前固色劑中仍以樹脂固色劑產(chǎn)量最高,約占固色劑總產(chǎn)量的70-80%,而且品種單調(diào),以固色劑Y和M為主,用于直接染料后處理可以提高皂洗、水洗、汗?jié)n等染色牢度。固色劑Y及M是雙氰胺和甲醛的縮合物,含有極高的游離甲醛,固色處理后的染色織物上甲醛含量大大超過標(biāo)準。同時這類固色劑染色織物色變,耐曬和耐氯牢度大降,手感發(fā)硬,應(yīng)列為淘汰產(chǎn)品,但各地助劑廠仍大量生產(chǎn)。
固色交聯(lián)劑DE是陽離子型表面活性劑,是高分子的銨鹽。固色劑TCDR是陽離子型表面活性劑,是季銨鹽,也是甲醛含量低的新型固色劑,有各種型號,但都是一種物質(zhì)。
無甲醛和低甲醛固色劑近年來得到了發(fā)展,主要品種有:
(1)多胺縮聚型固色劑:由雙氰胺與二乙烯三胺縮合而成,它的分子結(jié)構(gòu)式為:
這類固色為線狀分子,與纖維通過范德華力結(jié)合,陽電荷則與直接染料或活性染料的磺酸陽離子形成離子鏈,其亞胺鏈作為配位體與金屬絡(luò)合染料形成配位鍵,結(jié)合比較牢固,從而改進染色牢度。而且不含甲醛。
如果與醚化改性的DMDHEU,通過亞氨基與之結(jié)合,使之具有一個醚化羥甲基的反應(yīng)性幅度提高染色牢度,是一種低甲醛固色劑。
以上兩種固色劑,八十年代Sandoz公司的Inosol,E-50,日華公司的Neofix RP-70,三洋化成的Sunfix555,國產(chǎn)的DFRF-1(-2),IFI-841,862均屬這類產(chǎn)品,用于活性染料和直接染料的染后固色。
美國Eastern公司的Ecofix NF-50是多胺縮聚型酸性染料固色劑,不含甲醛,能生物降解,不產(chǎn)生色變。
(1)聚氨砜化合物:是由二甲基二烯丙基季銨鹽與二氧公硫反應(yīng)而成。分子結(jié)構(gòu)為:
季銨鹽的氮原子位于共聚物的主鏈上,屬線性型,陽離子結(jié)構(gòu),與纖維有很大的親和力。這類固色劑不形成膠束,不影響活性染料與纖維的結(jié)合,因而不象其他陽離子固色劑會發(fā)生色澤變化和耐曬牢度下降。
4.3 其它印染助劑
耐久性阻燃劑都含有羥甲基,在高溫下易分解出大量甲醛。例如四羥甲基氯化膦(THPC),N-羥甲基膦酸丙酰胺(NMPPA),它們的分子結(jié)構(gòu)式為:
THPC還將釋放出致癌的氯甲醚,反應(yīng)如下:
THPC與氨全成的THPN同樣在高溫下分解出上述產(chǎn)物
為了提高織物阻烯效果和耐久性,施加的量很大,需使織物的增重率達到20%左右,并添加游離甲醛是很高的六羥甲基三聚氰胺,因此這類阻燃織物的游離甲醛是很大。
其它如三聚氰胺類防水劑,含有羥甲基的柔軟劑,浮料印花用的自交聯(lián)粘合劑和甲醛縮聚物的分散劑等都不同程度含有游離甲醛。
5 其它有礙生態(tài)環(huán)境和人體健康的印染助劑
5.1 阻燃劑
目前,用于棉、滌及滌/棉混紡織物上的阻燃劑主要是氮/磷/及溴/銻兩大系列。過去對人體比較安全的一些阻燃劑,由于不斷提出的新環(huán)保要求和法規(guī),也必需重新研究而改進。
最早受到禁用的阻燃劑是APO,學(xué)名為三-(氮雜環(huán)丙基)氧化膦,本身劇毒,LD50=37-46mg/kg,并有致癌性。
TDBPP的學(xué)名為三(2,3-二溴丙基)膦酸酯,可用于滌綸/棉混紡織物阻燃整理,而且不損傷纖維;也用作為抗菌防霉劑。已于1997年美國癌癥研究所發(fā)現(xiàn)有致癌性而禁用。1992年4月10日德國政府的《食品及日用消費品法》也明確禁用。同時禁用的多溴聯(lián)苯,原因是致癌而且含溴量高。其它含溴阻烯劑是否對環(huán)境污染和有害人體健康,并受AOX值限制,還沒有明確規(guī)定,這些阻燃劑如:
用于滌綸阻燃整理的十溴二苯醚與三氧化二銻制成的乳液,其中銻是不能使用于紡織品上的。
用于丙綸的1,3,5-三(2,3-二溴丙基)-2,4,6-三氧六氫三嗪。
用于腈綸的四溴-4,4′-二(2,3-二溴丙氧基)雙酚A。
有的阻燃劑在整理加工時,以及阻燃織物燃燒時還將釋出有毒氣體,造成空氣污染和危害人體健康。目前,必需研究開發(fā)適用于各種纖維的無毒害的阻燃劑,而且必需耐久及不降低織物的柔軟性。
5.2 抗菌防霉劑和羊毛防蛀劑
抗菌防霉整理劑近年來發(fā)展很快,在開發(fā)過程中,逐漸發(fā)現(xiàn)一些原來使用的抗菌防霉整理劑有不同程度的毒性,毒性的限度應(yīng)是殺菌有效而無害人體健康。目前已禁用為如下產(chǎn)品:
(1)THDE, 2,4,4′-三氯-2′-羥基二苯醚,商品名SFR-1,本身無毒性,對皮膚也無刺激性。由于能與含氯漂白劑(包括城市用自來水)生成三種有毒性的含氯化合物,并受熱和紫外線作用生成一種致癌物質(zhì),而且生物降解性也差。結(jié)構(gòu)式為:
(2)BCA,α-溴代肉桂醛,常用于纖維素纖維,維綸和腈綸織物,由于有很高的致畸性而禁用。
(3)TBI,2-(4-噻唑基)苯并咪唑,也因致畸性而禁用。
(4)有兩種鹵化雙酚化合物,即二,2′-二羥基-5-5′-二氯苯甲烷(DCP)和2,2′-二羥基-5,5′-二氯二苯硫醚作為防霉劑,與THDE同樣原因而禁用。
(5)作為羊毛防蛀劑的Mitin FF和狄氏劑,由于它的毒性和生物降解性而不用。結(jié)構(gòu)式為:
沒有毒性和生物降解性好的抗菌防霉劑推薦如下:
①Dow Corning公司的DC6700,化學(xué)名為三甲氧基硅丙撐十八烷基二甲基氯化銨。它的三個甲氧基與纖維素鍵合,在織物表面形成薄膜,具有耐久性功能,通過季銨鹽而殺菌。它的LD50為1227mg/kg,為低毒,對皮膚無刺激性無致畸性和致變異性。結(jié)構(gòu)式為:
②UnikaMCAS-25是一種從天然的絲柏葉油中提取的4-異丙基-2-羥基-2,4,6-環(huán)庚三烯-1-酮的一種化合物。它的LD50=1119mg/kg,對皮膚無刺激性,有很強的廣譜抗菌性。結(jié)構(gòu)式為:
③二氯苯醚菊酯,很多擬除蟲菊酯都有防蛀效果,考慮到整理劑的穩(wěn)定性、毒性和生物降解性等因素,二氯苯醚菊酯的應(yīng)用最廣。結(jié)構(gòu)式為:
5.3 柔軟劑
有不少柔軟劑,特別雙長鏈烷基的陽離子柔軟劑的毒性及生物降解性都不能令人滿意,但仍被廣泛應(yīng)用于織物的柔軟整理,因此急需推出新的環(huán)保柔軟劑。
參考文獻
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