棉針織物活性染料冷壓染應用實踐
摘 要
因應減廢需求，針織物冷壓染（冷軋堆，Cold Pad-Batch Dyeing, CPB）近年已成為纖維素纖維染色加工的新興選擇。本文介紹該工藝的優勢與產業發展現況，並剖析染程各階段的技術要點及常見問題，針對企業進入該領域時所面臨的技術挑戰提出整合建議。
前言
近年在綠色消費概念與環境永續意識的市場主導之下，紡織產業從品牌商至染整廠均需要面對節能減排的壓力，因此產業需要更高層次的綠色生產技術來應對。現今雖已發展出針對化纖的無水染色方案以及類染料的噴染技術，但仍因其侷限性如：投資成本過高、產能低或技術尚未成熟等問題，而無法取代傳統染色工藝。因此除了持續發展新型染色技術之外，在傳統染整工藝基礎上可進行設備改良與新型染化料應用來達到節能省水，這些重點仍是目前染整產業應對永續需求的主流。
在纖維素纖維染色方面，傳統浸染低浴比的節能省水染色應用早已趨近成熟；活性染料的應用要求也朝向高固著、降低染色後水洗與減廢的需求開發；助劑應用上則有陽離子處理纖維素染色技術，可實現無鹽無鹼且免高溫水洗的環保訴求。在節能方面，冷壓染工藝(冷軋堆，Cold Pad-Batch Dyeing, CPB)被視為纖維素纖維染色未來的主流趨勢之一，其兼顧低能耗、低碳排與無鹽減廢等多項重點指標；同時在經設備改良與優化下，冷壓染已從傳統梭織物擴展到針織物的應用。隨著週邊設備與技術漸趨成熟，棉針織物的冷壓染工藝近年持續受到染整產業的青睞，成為針織廠因應節能減廢的優先方案。
1. 棉針織物冷壓染發展概況與優勢分析
冷壓染技術自廣泛運用以來，長期都僅限於梭織物的應用。直到21世紀初才克服了針織物在平幅壓染過程中張力控制困難的問題；歐洲設備商ERBATECH與BENNINGER相繼推出適用於針織物的無張力冷壓染染機，並持續佔有大宗市場，近幾年中國大陸設備商如：立信旗下GOLLER與聯科(LINK)等亦發表了冷壓染製程產線設備，提供更多樣的選擇。
而現今棉針織物染色仍以浸染(Exhaustion Dyeing)為主流，浸染染機現今浴比雖已可達到1:5以下，但與冷壓染的整體環保效益相比仍具差距。表1以生產 1000 kg 深黑色棉針織物為例，比較冷壓染與浸染的相對用水量與化學品耗用。
表1 全棉針織物採用不同染程的資源耗用差異比較
| 項目 | 浸染 | 冷壓染 |
|---|---|---|
| 工藝配方 | Everzol Yellow ED 0.9% Everzol Red ED 1.1% Everzol Black ED 8.6% 芒硝 70g/L 純鹼 20g/L |
Everzol Black ED 80g/L 液鹼(32.5%) 21ml/L 純鹼 20g/L |
| 染色布重 (kg) | 1000kg | 1000kg |
| 染液量(L) | 5000公升(浴比1:5) | 1080公升(壓吸率105%) |
| 染料耗用(kg) | Everzol Yellow ED 9kg Everzol Red ED 11kg Everzol Black ED 86kg |
Everzol Black ED 86.4kg |
| 染料耗用總用量(kg) | 總用量 106Kg | 總用量 86.4Kg |
| 化學品耗用(kg) | 芒硝 350Kg 純鹼 120Kg |
液鹼(32.5%) 30.7kg 純鹼 21.6kg |
| 化學品耗用總用量(kg) | 總用量470Kg | 總用量52.3Kg |
由表1可見，冷壓染因不須使用芒硝，與浸染相比可節省88%化學品耗用。染液用量方面，冷壓染的染液用量以織物壓吸率(Pick-up Rate)為依據，針織物一般設定為100%左右，明顯較浸染節省水耗。此外，傳統浸染需在缸內高溫環境處理7~8個小時，耗時耗能；而冷壓染雖需要較長時間固著，但染色過程無須加熱，搭配連續水洗節能效果顯著。除上述環保優勢外，冷壓染可大幅減少針織物在浸染水浴中因摩擦、擠壓而成的折痕、起皺、起毬等瑕疵，染面光潔，是兼具環境友善與織物友善雙重優勢的綠色工藝。在現代社會環保永續意識抬頭下，針織冷壓染工藝的高競爭力與低投資風險逐漸受到市場重視，已呈現顯著成長趨勢。
2. 設備整合與投入要點分析
針織冷壓染的綠色優勢已獲大眾認可，但其應用上仍具些許限制與技術門檻；如冷壓染染機不像浸染染機可於同機完成練漂、染色與水洗流程，因此當浸染廠欲投入冷壓染工藝時，需要全盤評估染色前後階段的平幅設備整合；目前針對針織物設計的平幅式處理設備，包括：冷漂(Cold Bleaching)、連續式蒸漂(Continuous Pad-Steam Bleaching)、絲光(Mercerizing)、連續水洗(Continuous Washing)等設備均已開發成熟，市場上主流針織冷壓染設備供應商均有提供針織冷壓染前後製程的平幅解決方案，以滿足冷壓染製程的最佳效益。表2為針對棉織物冷壓染與浸染染色之間，染廠該如何依其訂單對染程與設備做應用的選擇分析。
表2 冷壓染與浸染選擇分析
| 類別 | 冷壓染 | 浸染 |
|---|---|---|
| 織物組織別 | 梭織物、針織物 厚重織物 |
針織物 梭織物(jigger, beam) |
| 織物成分別 | 100%纖維素纖維 混紡織物須採二段染程 |
100%纖維素纖維 混紡織物可同缸染色 |
| 彈性織物 | 可使用低彈力織物 | 可使用低、高彈力織物 |
| 前處理製程 | 須預先前處理 | 可同缸處理 |
| 染程差異-中間乾燥 | 染色前織物須預乾 (部分織物需上邊膠) |
無須中間預乾 |
| 現有設備延伸 | 需考慮前後製程配合 | 易拓展與配置 |
| 染程時間管理 | 整體染色時間較長 | 整體染色時間較短 |
| 整理段 | 相同 | 相同 |
| 產能 | 連續式生產產能大 | 批次生產較無彈性 |
| 色彩管理 | 化驗室快速打樣的準確性 織物種類對烘箱法或微波法 有不同再現性 |
化驗室打樣成熟 |
| 色彩管理 | 一次對色率要求較高 | 可立即同缸修色 |
| 色彩範圍 | 深色更具優勢 | - |
| 染料應用 | 需選擇 | 易取得 |
| 染整技術養成 | 不易且技術養成時間長 | 技術養成時間較短 |
| 染色品質 | 注意左右異色，頭尾異色 | 注意染面均染性 |
由表2可知，冷壓染對於含化纖之混紡織物必須採用二段染程，浸染廠投入前須評估廠內的訂單組成與配套製程整合。因冷壓染與浸染概念差異較大，針織廠投入初期通常須尋求外部經驗者協助；並且針織冷壓染與傳統梭織冷壓染也具不同的技術細節(如：鹼劑應用、織物壓吸、張力控制與化驗室操作手法等)，無針織冷壓染經驗者容易落入傳統梭織冷壓染參數的誤區，因此染程設備應用與技術人員的養成週期均長。本文藉由分享永光化學近年來於全球各地所投入針織冷壓染的服務經驗，可協助浸染廠更有效率地進入針織冷壓染領域。
3. 棉針織物冷壓染工藝
3.1 前處理工藝選擇
壓染染色工藝因織物與染液的接觸、吸附時間非常短，染色前胚布必須要有良好且均勻的滲透性，前處理工藝的重要性不可忽視。現今主要平幅前處理方案為冷漂與連續式蒸漂，各自優缺點評估如表3所示，在壓吸過程中仍須注意左中右壓吸率與加藥穩定性，避免因前處理問題造成染色階段的瑕疵以及誤判。
表3 冷漂與連續蒸漂選擇評估
| 類別 | 冷漂 | 連續蒸漂 |
|---|---|---|
| 設備 | 可配合排程使用冷壓染染機與平幅水洗設備 | 需新添設備，投資金額高 設備佔地大，具水洗組成 |
| 排程彈性 | 處理時間長 | 處理效率高 |
| 能耗 | 低 | 高 |
3.2 壓吸液組成與要點
冷壓染工藝是以將預備好的染液與鹼液，分別經定量泵以固定比例抽送，並充分混合成壓吸液之後快速流入壓吸槽進行織物壓吸。冷壓染需較高的pH值協助活性染料於常溫固色，傳統梭織冷壓染的鹼液主要分為水玻璃(矽酸鈉, sodium silicate)法與非水玻璃兩大系統[1]，其中水玻璃法是以水玻璃作為緩衝基底與適量的液鹼配製而成，此法與染液混合後安定性較佳，但因水玻璃物理特性可能衍生織物手感較硬問題；因此針織冷壓染一般使用純鹼加液鹼的非水玻璃系統，此法另一優點是較易清洗，不易造成設備與管路沉積堵塞。
活性染料選擇上，以中直接性、高反應性的中溫型染料為主流；且須具有良好的耐鹼特性，避免染料於壓吸過程中過快水解。圖1為一般活性染料壓吸液溫度與安定性關係；顯示壓吸液溫度越高，染料水解速度加快，可能造成染色前後段的強度偏差，因此染液與鹼液混合前須確實冷卻，且須避免因其他因素如：布溫、環境溫度等影響染色時的壓吸液溫度變化。
圖1 常用活性染料壓吸液溫度與安定性關係
三原色選擇方面須注意要有較一致的吸收性，避免生產時造成前後段的色相偏差。現今設備均以縮小染液槽方式提升壓吸液交換率，降低因染料吸收差異或水解造成的頭尾異色問題。除染料組合外，造成頭尾異色的因素很多，如：前處理、染液溫度、定量泵的穩定性以及堆置時布捲的內外溫度差等因素均需要監控。
3.3 冷壓染流程要因控制
3.3.1 織物壓吸
針織物因結構較鬆散，壓吸率較梭織物高，常用設定為100%，可使染面色澤飽滿。壓吸前各項參數需準備確實，需確認參數如下：
- 壓吸羅拉壓力參數調整，確認左中右壓吸率相同。
- 可依不同基種織物設立壓力條件，確保可達合適的壓吸率。
- 可依織物厚薄選擇TROUGH(槽吸式)或是NIP(壓吸式)壓吸方式[2]，如圖2所示。Trough式織物與染液有較長的吸收時間，適用於厚重織物；NIP式張力較小且染液交換率高，可大幅降低染料水解問題。
圖2 Trough Dyeing與Nip Dyeing的壓吸液與織物傳動方向示意圖
- 壓吸前確認織物與壓吸液是否冷卻，避免受染液溫度影響造成頭尾異色。
- 正確輸入織物基重，確保自動泵加藥速率正確以維持染液槽液位穩定。
- 車速設定不宜過快，避免針織物輸送張力變化，造成染液吸收不均。
3.3.2 打捲與堆置
染色完成後使用塑膠膜密封，維持慢速轉動在常溫下進行堆置；為維持布捲堆置溫度穩定，理想化條件下建議堆置區設置空調系統，避免因熱源造成布捲內外溫度層差或是因氣候因素影響染色再現性。堆置時間雖可依染料類型而定，但建議堆置 16-24hr 較為穩定且便於管理，若使用活性Turq. Blue G染翠綠色系則建議需堆置滿24hr。圖3為一般常見活性染料捲置溫度與固著時間對染色強度的相對關係，須注意過長的堆置時間可能反而造成染料水解導致強度下降。
圖3 常用活性染料堆置溫度與堆置時間的相對關係
3.3.3 水洗
冷壓染染機無法像繩狀染機同機進行水洗，需評估染後水洗設備選擇，參見表4以繩狀染機水洗與平幅連續水洗機選擇評估。針織布冷壓染工藝若染後進繩狀染機水洗不僅無法發揮冷壓染半連續式的生產效率，同時又破壞了平幅染色織物友善的特性。故均建議投入平幅連續水洗機的建置；平幅連續水洗機可依材質厚薄與顏色深淺調整進水流量與溫度，且後槽較乾淨用水可回流重複使用，進一步降低水耗，最大化冷壓染工藝的優勢。
表4 繩狀染機水洗與平幅連續水洗機選擇評估(1000 m fabric)
| 類別 | 繩狀染機水洗 | 平幅連續水洗 |
|---|---|---|
| 水洗時間 | 3-4小時(依水洗道數) | 1-2小時(依行進車速) |
| 耗水量 | 高 | 低 |
| 產能 | 依染缸承重效率較低 | 連續式生產產能大 |
| 染面品質 | 易摩擦拉扯產生折痕磨損 | 平幅處理布面瑕疵少 |
4. 化驗室小樣打色方法
因冷壓染常溫堆置所需時間較長，故需要快速打樣方案增加化驗室配方產出效率；目前主流的小樣快速發色方式有微波爐法與恆溫烘箱法等方案[3]，其中恆溫烘箱法的再現性較佳、色相與常規冷堆較接近。烘箱法操作時建議壓吸後使用密封袋將織物單層平放密封，再用懸吊方式置於烘箱內固色，可較均勻受熱，且避免產生條紋色花。
常用烘箱快速發色條件為 60 °C-70 °C，若配方含活性Turq. Blue G則建議使用 80 °C打樣。不同布種使用烘箱法有不同的發色表現，如表5所示，其中絲光斜紋棉可與常溫堆置發色相當，針織布種強度差異較為明顯且各有差異；建議染廠選出常用布種與染料組合，分別制定標準打樣條件、建立快速打樣與冷堆得色比較的基礎資料。
冷壓染因重修困難對於一次對色率的要求較高，化驗室產出的配方穩定性與正確性非常重要；因未絲光針織物的烘箱快速打樣結果難與常溫堆置固著一致，故不建議使用快速打色結果直接轉換生產配方，而是建議以常溫堆置法產出之色樣配方為主。待化驗室標準化確立與基礎資料建立完整後，才可依經驗更有效率地進行大小樣配方轉換。
表5 不同純棉織物烘箱快速發色與常溫堆置發色比較(以常溫堆置為標準樣)
| 布種 | 烘箱發色條件 | 強度 | DE |
|---|---|---|---|
| 台車布(三線法蘭西/針織布) 450g/m2 | 60 °Cx30 min | 95.20% | 1.0 |
| 60 °Cx40 min | 93.75% | 1.23 | |
| 60 °Cx50 min | 93.81% | 1.02 | |
| 雙面針織布, 250g/m2 | 60 °Cx30 min | 98.04% | 0.92 |
| 60 °Cx40 min | 100.35% | 0.69 | |
| 60 °Cx50 min | 96.89% | 0.93 | |
| 單面針織布, 150g/m2 | 60 °Cx30 min | 93.36% | 0.86 |
| 60 °Cx40 min | 94.85% | 0.89 | |
| 60 °Cx50 min | 93.42% | 0.94 | |
| 絲光斜紋布, 200g/m2 | 60 °Cx30 min | 99.60% | 0.10 |
| 60 °Cx40 min | 100.52% | 0.11 | |
| 60 °Cx50 min | 99.97% | 0.19 |
染料:Everzol Black ED-G 60 g/L；鹼劑:純鹼20g/L+液鹼(32.5%) 17 ml/L；壓吸率:絲光斜紋棉70%，其餘針織布種100%；冷堆標準樣:25 °Cx16 hr
5. 結論
冷壓染可作為纖維素纖維染色節能減廢的成熟途徑；近年來市場上，針織織物採該染程的例子已顯著增加，通過對其製程及技術的探討，可以看到該染程具有環境友善與織物友善的多重優勢，但也意識到當企業在實際導入過程中所需面臨的技術挑戰。
設備整合上，現今針對針織物設計的平幅染整設備已趨近成熟，平幅連續水洗設備是發揮冷壓染染程優勢不可或缺的一環；前處理部分可評估選擇採用冷漂或連續蒸漂設備來搭配冷壓染染機，以達到最佳製程效益與織物品質。
染色工藝部分，冷壓染對於一次對色率的要求較高，因此化驗室產出配方的穩定性至關重要，需要針對染料組合與不同布種建立標準化染色參數與基礎資料；生產端為避免頭尾異色與左右異色等染色瑕疵，從染料組合的選擇到各項參數如：壓吸液溫度、壓吸羅拉壓力設置、打捲張力與堆置溫度時間等均需謹慎確認；也因冷壓染與浸染概念的差異，浸染廠技術人員轉換到冷壓染製程所需的技術養成週期較長。
因此要高效部署和穩定運行這一新工藝，染廠亟需一體化的技術支援，打通工藝、設備、人員訓練等各個環節。永光化學透過多年協助染廠的實踐經驗，從設備選型、工藝把控、助劑配套、現場指導等支援，可幫助染廠快速導入、試錯成本可控並確保生產品質。
隨著消費者對綠色環保產品的需求不斷增長，冷壓染及其他先進工藝必將在紡織業持續擴展。業內企業應該及時佈局，尋求整合性技術服務支援，抓住發展機遇，推動產業朝向環保節能、可持續發展的方向邁進。
參考文獻
[1] 展義臻、趙雪、王煒，「活性染料冷軋堆染色固色鹼劑的選擇」，《國際紡織導報》，2015(1):42-47.
[2] 宋心遠，「纖維素纖維紡織品活性染料軋染理論和工藝（五）」，《印染》，2008,(3):37-41.
[3] 李鵬飛、屠天民，「棉織物活性染料冷軋堆染色打樣方法改進」，《印染》，2008,(15):11-13.
