第三節 炭化
一、炭化的目的
在羊毛中常常黏附著各種雜質，其數量和品種隨產地與飼養方法的不同而不同。由于草雜種類的不同，它與羊毛聯系狀態也有區別，有的易于分離，經開毛、洗毛等加工之后，基本上可以去除；有的與羊毛緊密糾結在一起，不但開毛不能將它去除，就是梳毛時也不能除盡，這些與羊毛緊密黏結的草雜，大部分是帶鉤刺的草葉、草籽及麻絲。
炭化的目的是用化學方法在梳毛工序以前盡可能地將植物性雜質去除。炭化去草的優點是去草比較徹底，缺點是如工藝不當易傷纖維。
按炭化的對象不同進行分類，分為散毛炭化、毛條炭化、匹炭化、碎呢炭化。散毛炭化在粗梳毛紡中采用。毛條炭化在精梳毛紡中采用，常在毛條制造中進行。匹炭化用于織物炭化，但有一定的局限性，不適用于羊毛與纖維素的混紡和交織產品，不適用于淺色產品。碎呢炭化主要是在再生毛制造過程中去除羊毛和纖維素纖維混紡產品中的非羊毛纖維。
可用做炭化劑的化學藥劑的品種很多，如硫酸（H2SO4）、鹽酸（HCl）、三氯化鋁（AlCl3）、氯化鎂（MgCl2）、硫酸氫鈉（NaHSO4）等，但經常使用的是硫酸。按炭化劑使用的狀態進行分類可分為濕炭化和干炭化。濕炭化是在硫酸的水溶液中進行的，濕炭化時也可以在硫酸溶液中加入一些炭化助劑，它是一種表面活性劑，可以促使草雜的破壞及保護羊毛纖維少受損傷。干炭化是鹽酸加熱產生氯化氫氣體對羊毛、布匹及碎呢片進行炭化處理。
二、炭化的原理
炭化的原理是利用羊毛較耐酸而植物性雜質不耐酸的特點，將含草凈毛在酸液中通過，然后經烘干和烘焙，草雜變為易碎的炭質，再經機械搓壓打擊，利用風力與羊毛分離。
（一）酸對植物性雜質的作用
植物性雜質就其本質來說是纖維素物質，纖維素是高分子化合物，其化學分子式為（C6H10O5）n。
炭化藥劑種類很多，如硫酸、鹽酸、三氯化鋁、氯化鎂、硫酸氫鈉等，但就其使用效果來講，用硫酸最好，而且一般都用稀硫酸。
稀硫酸經高溫烘焙后水分蒸發、酸液變濃，可使植物性雜質大分子的甙鍵斷裂，最終可以將植物性雜質脫水成炭，反應式為：
實際上，炭化后草雜并非全都變成炭質，其中一部分草雜雖未完全炭化，經烘烤后變成易碎的物質，它們在機械作用下易于除掉。
（二）酸對羊毛的作用
羊毛蛋白質的結構要比纖維素復雜得多，因此酸對羊毛纖維的作用也比對纖維素復雜。在羊毛大分子側鏈上存在酸性基與堿性基，多縮氨基酸中也有氨基和羧基，所以它既能和酸發生作用，又能和堿發生作用，羊毛是兩性化合物。羊毛蛋白質中的酸性電離度比堿性的大，當向溶液中加入H+時，可抑制酸性基團的電離，在等電點區域內H+和OH-離子都能被羊毛吸收，但不會損傷纖維。
當pH＜4時，羊毛纖維開始從溶液中吸收H+離子，并和氨基結合，此時即使在低溫條件下，也會破壞羊毛纖維，鹽式鍵斷裂增加，pH繼續降低，破壞作用越加顯著。
當pH=1時，羊毛結合酸達到飽和，此時羊毛纖維中所含的酸量稱為飽和吸酸量。酸與羊毛蛋白質中的氨基作用，從而破壞鹽式鍵的結合，這一反應是可逆的。當羊毛纖維經水洗或中和以后，這一部分酸可以除掉，且不損傷羊毛纖維，所以飽和吸酸值是羊毛炭化加工中決定工藝條件的主要參考數據。
（三）炭化助劑
在羊毛炭化中加入炭化助劑可以保護纖維減少損傷，提高炭化效果。炭化助劑可以促進羊毛快速、均勻地被潤濕，特別是使植物性雜質更好地潤濕和滲透。還可以降低溶液的表面張力，提高軋水輥軋除酸水的效率，降低羊毛含酸水率。
由于炭化時采用的是酸類，所以炭化助劑必須對酸有高度的穩定性，尤其是在高溫烘焙階段不被酸類所分解。帶有黃酸基的陰離子型表面活性劑，大多數非離子型和陽離子型表面活性劑都可作炭化用劑。
三、炭化的設備
散毛炭化常用的設備為LBC061型散毛炭化聯合機。圖2-15為LBC061型散毛炭化聯合機工作過程示意圖。
圖2-15 LBC061型散毛炭化聯合機工作過程示意圖
散毛炭化用硫酸作為炭化劑，讓含草散毛在硫酸液中通過，再經烘干焙烘、炭化、除炭、中和、烘干等工序得到炭化散毛。
四、炭化的工藝
（一）浸酸
這是炭化的第一道工序，也是關鍵的工序，它是影響草雜炭化效果和羊毛纖維損傷的潛在因素，要求草雜盡量吸足酸、羊毛纖維盡量少吸酸。經酸處理后，羊毛纖維所含的酸包括表面附著酸和內部官能團結合酸兩部分，而草雜一般不與酸產生化學結合，因此其含酸量主要為表面附著酸。
羊毛和草雜的這種含酸形式與其吸酸率大小有關，只要當物體的表面被潤濕后，附著酸也就達到一定的數值，即使浸酸的時間再增加，附著酸量也不會有多大的改變，而化學結合酸則有一個作用過程，羊毛表面附著酸停留時間長了以后可以部分的轉化為結合酸，這對減少羊毛含有的附著酸量和防止纖維損傷有一定的意義。影響羊毛和草雜吸酸程度的因素有以下幾種。
1.草雜類型 不同草雜的吸酸速率與吸酸量見表2-10。
表2-10 不同草雜的吸酸速率與吸酸量
2.酸液溫度 酸液溫度增加，羊毛的吸酸量增加，草雜的吸酸量基本不變，浸酸溫度以室溫為宜。
3.酸液濃度 隨著酸液的濃度增加，羊毛、草的吸酸量也都增加。
4.浸酸時間 浸酸時間增加，羊毛的吸酸量逐漸增加，草雜的變化不大，很快達到飽和的程度，草雜一般3min左右吸足酸量，浸酸時間一般取3～4min。
5.炭化助劑 在酸液中加入炭化助劑以后，可以加快羊毛纖維和軟草籽的吸酸速度。草雜吸酸速度快和吸酸量的增加對其炭化是有利的。而羊毛吸酸加快及含酸量增多會對纖維產生一定的損傷，但由于表面活性劑的存在，酸水的表面張力減小，軋酸時去除的酸水也增大，所以不會造成羊毛纖維的過大損傷。
在炭化設備中往往采用兩只浸漬槽，第一只浸漬槽只加水（或加炭化助劑）以潤濕羊毛；第二只浸漬槽才加入一定濃度的硫酸。
（二）脫酸
從浸酸槽中出來的羊毛含酸率太高，若直接烘干不僅會增加烘干機的工作負擔，使羊毛烘不干，草雜不脆化，而且會嚴重損傷羊毛纖維，因此在進入烘干機之前，要盡量去除羊毛中過多的酸水量。
（三）烘干與焙烘
羊毛經脫酸后應立即進行炭化烘干，因為帶酸的濕羊毛更易受到損傷。含酸的濕羊毛不能立即進行高溫焙烘，由于水分的汽化是在表面上進行的，內部水分要向外滲出，借助于纖維間的毛細管作用，酸液也由內部通過此向外滲出，在羊毛表面積累，局部濃度過高，經高溫烘烤，纖維被溶解，顏色發紫，強力損傷。所以在焙烘前先低溫烘干，再進行高溫焙烘。
（四）壓炭與除炭
經高溫焙烘后羊毛中草雜已變焦脆，應立即壓碎和除去，否則草雜吸濕之后要恢復韌性，不易壓碎，達不到除去草雜的目的。
1.壓炭 LB061型聯合炭化機的壓炭機主要由12對溝槽羅拉組成；壓力由壓輥自重及彈簧加壓產生。為了提高壓炭效果，壓輥工藝采取以下措施。
（1）壓輥的速度逐漸增加，以使其間的毛層逐漸減薄，充分壓碎草雜。
（2）壓輥的加壓逐漸增加，其壓力大小通過調節加壓桿的高度來實現，螺桿高度愈小，所加壓力愈大。
（3）上下壓輥表面線速度不一致，上壓輥表面線速度慢，下壓輥表面線速度快，以便將通過其間的草雜搓碎。
（4）各對壓輥之間的隔距逐漸減小，以適應毛層逐漸減薄的趨向，確保壓炭效果。隔距的大小要掌握恰當，過小會造成羊毛損傷嚴重。
2.除炭 除雜是在螺旋除雜機上進行的，除雜機是由打手及其外的網狀塵格組成，在使用過程中應防止網眼堵塞，影響除雜效果。氣流與除雜的關系極大，為了有效地排除雜質，排塵風機宜保持一定的風量。
（五）中和
經除雜之后的羊毛含有一定量的硫酸，不設法及時去除，在氧氣和日光的催化作用下，羊毛纖維會逐漸分解，強力下降，毛色發黃。含酸羊毛也不利于加工，還會腐蝕加工機件。中和除去羊毛中的硫酸的同時還可使羊毛的強力得以部分恢復。中和工序由洗酸、中和、洗堿三部分組成。
1.洗酸（中和第一槽）中和反應是放熱反應，放熱量過大會導致羊毛纖維的損傷，因此在中和之前，首先得用清水進行漂洗，約可去除羊毛含酸量的二分之一左右，這樣既可防止中和產生過多的熱量，又可以節約純堿的耗用量，降低生產成本。
2.中和（中和第二槽）通常使用的中和劑是純堿Na2CO3，其用量取決于羊毛的含酸量。一般堿濃度為0.1%（此時pH為11左右），為了維持工作液一定的中和能力，還需向中和槽中按時適量追加純堿。純堿與硫酸的作用的分兩步進行：
2Na2CO3+H2SO4→2NaHCO3+Na2SO4
2NaHCO3+H2SO4→Na2SO4+2H2CO3
含酸羊毛進入中和槽遇到純堿時，第一個反應很快發生，而反應中的生成物碳酸氫鈉逐漸積累（溶液的pH降至8左右），第二個反應則逐漸增加，碳酸的生成量也逐漸增多。這時繼續追加純堿，將發生下列反應：
Na2CO3+H2CO3→2NaHCO3
由于硫酸和純堿在中和槽中繼續作用，工作液中碳酸氫鈉逐漸積累，碳酸鈉和碳酸氫鈉混合液組成緩沖液，維持工作液的一定pH不變，即使在其中加入一些堿或加入一些酸，其混合液的pH均不會發生大的變化。混合液的濃度越高，緩沖的持續能力越強，不必過多地追加純堿。中和槽中的工作液繼續使用，仍有中和硫酸的能力，定時檢查槽液的酸堿度，適量追加純堿即可。中和時純堿的耗用量為羊毛重量的3.5%左右。
對于一些細支羊毛因吸酸量較多，在中和槽內浸漬時間較短，中和作用不充分，仍可在第三槽中加氨水進行中和。氨水的擴散力極強，它能進入毛塊的內部，減少羊毛中的結合酸量。氨水用量約為羊毛重量的1%。
3.洗堿 用清水漂洗，以除去其上剩余的堿液和鹽類。羊毛中含堿會造成纖維的損傷，沾鹽會影響手感，pH最好維持在6～7。處理后含酸量在1%以下，微量酸的存在不會對纖維帶來較大的影響。
（六）烘干
及時烘干中和后的濕羊毛。炭化烘干機的產量比洗毛機要低，所以炭化烘干的時間要短（約4min），溫度較低，蒸汽壓力為11.77～14.7Pa就可以達到干燥的目的。
五、炭化的質量要求
（一）炭化羊毛的質量指標
炭化羊毛要求手感蓬松、有彈性、強力損失小、毛質清潔有光澤、顏色潔白不泛黃。炭化羊毛的質量指標有含草雜率、含酸率、發并率、回潮率，見表2-11。
表2-11 炭化羊毛的質量指標
（二）影響炭化羊毛質量的因素
影響炭化羊毛質量的因素主要有以下幾種。
（1）草屑過多。由焙烘后草雜炭化不良、炭化前開松不良、硫酸濃度偏低、羊毛在酸液中浸漬不透、烘焙不足、壓炭除炭不良、皮輥壓力不足、除塵不良等因素造成的。
（2）含酸過多。由洗酸不良、堿濃度不足、中和氨水濃度不足、羊毛在中和槽內浸漬不足等因素造成的。
（3）羊毛氈并、結條過多。由炭化前開松不良、軋酸后羊毛在烘房喂毛機內翻滾過度、除塵機塵籠中羊毛過多、除塵機塵籠角釘插入過深、造成掛毛等因素造成的。
（4）烘后羊毛回潮率不當。由烘干溫度不當、軋輥效果不良等因素造成的。