第三节 炭化
一、炭化的目的
在羊毛中常常黏附着各种杂质，其数量和品种随产地与饲养方法的不同而不同。由于草杂种类的不同，它与羊毛联系状态也有区别，有的易于分离，经开毛、洗毛等加工之后，基本上可以去除；有的与羊毛紧密纠结在一起，不但开毛不能将它去除，就是梳毛时也不能除尽，这些与羊毛紧密黏结的草杂，大部分是带钩刺的草叶、草籽及麻丝。
炭化的目的是用化学方法在梳毛工序以前尽可能地将植物性杂质去除。炭化去草的优点是去草比较彻底，缺点是如工艺不当易伤纤维。
按炭化的对象不同进行分类，分为散毛炭化、毛条炭化、匹炭化、碎呢炭化。散毛炭化在粗梳毛纺中采用。毛条炭化在精梳毛纺中采用，常在毛条制造中进行。匹炭化用于织物炭化，但有一定的局限性，不适用于羊毛与纤维素的混纺和交织产品，不适用于浅色产品。碎呢炭化主要是在再生毛制造过程中去除羊毛和纤维素纤维混纺产品中的非羊毛纤维。
可用做炭化剂的化学药剂的品种很多，如硫酸（H2SO4）、盐酸（HCl）、三氯化铝（AlCl3）、氯化镁（MgCl2）、硫酸氢钠（NaHSO4）等，但经常使用的是硫酸。按炭化剂使用的状态进行分类可分为湿炭化和干炭化。湿炭化是在硫酸的水溶液中进行的，湿炭化时也可以在硫酸溶液中加入一些炭化助剂，它是一种表面活性剂，可以促使草杂的破坏及保护羊毛纤维少受损伤。干炭化是盐酸加热产生氯化氢气体对羊毛、布匹及碎呢片进行炭化处理。
二、炭化的原理
炭化的原理是利用羊毛较耐酸而植物性杂质不耐酸的特点，将含草净毛在酸液中通过，然后经烘干和烘焙，草杂变为易碎的炭质，再经机械搓压打击，利用风力与羊毛分离。
（一）酸对植物性杂质的作用
植物性杂质就其本质来说是纤维素物质，纤维素是高分子化合物，其化学分子式为（C6H10O5）n。
炭化药剂种类很多，如硫酸、盐酸、三氯化铝、氯化镁、硫酸氢钠等，但就其使用效果来讲，用硫酸最好，而且一般都用稀硫酸。
稀硫酸经高温烘焙后水分蒸发、酸液变浓，可使植物性杂质大分子的甙键断裂，最终可以将植物性杂质脱水成炭，反应式为：
实际上，炭化后草杂并非全都变成炭质，其中一部分草杂虽未完全炭化，经烘烤后变成易碎的物质，它们在机械作用下易于除掉。
（二）酸对羊毛的作用
羊毛蛋白质的结构要比纤维素复杂得多，因此酸对羊毛纤维的作用也比对纤维素复杂。在羊毛大分子侧链上存在酸性基与碱性基，多缩氨基酸中也有氨基和羧基，所以它既能和酸发生作用，又能和碱发生作用，羊毛是两性化合物。羊毛蛋白质中的酸性电离度比碱性的大，当向溶液中加入H+时，可抑制酸性基团的电离，在等电点区域内H+和OH-离子都能被羊毛吸收，但不会损伤纤维。
当pH＜4时，羊毛纤维开始从溶液中吸收H+离子，并和氨基结合，此时即使在低温条件下，也会破坏羊毛纤维，盐式键断裂增加，pH继续降低，破坏作用越加显著。
当pH=1时，羊毛结合酸达到饱和，此时羊毛纤维中所含的酸量称为饱和吸酸量。酸与羊毛蛋白质中的氨基作用，从而破坏盐式键的结合，这一反应是可逆的。当羊毛纤维经水洗或中和以后，这一部分酸可以除掉，且不损伤羊毛纤维，所以饱和吸酸值是羊毛炭化加工中决定工艺条件的主要参考数据。
（三）炭化助剂
在羊毛炭化中加入炭化助剂可以保护纤维减少损伤，提高炭化效果。炭化助剂可以促进羊毛快速、均匀地被润湿，特别是使植物性杂质更好地润湿和渗透。还可以降低溶液的表面张力，提高轧水辊轧除酸水的效率，降低羊毛含酸水率。
由于炭化时采用的是酸类，所以炭化助剂必须对酸有高度的稳定性，尤其是在高温烘焙阶段不被酸类所分解。带有黄酸基的阴离子型表面活性剂，大多数非离子型和阳离子型表面活性剂都可作炭化用剂。
三、炭化的设备
散毛炭化常用的设备为LBC061型散毛炭化联合机。图2-15为LBC061型散毛炭化联合机工作过程示意图。
图2-15 LBC061型散毛炭化联合机工作过程示意图
散毛炭化用硫酸作为炭化剂，让含草散毛在硫酸液中通过，再经烘干焙烘、炭化、除炭、中和、烘干等工序得到炭化散毛。
四、炭化的工艺
（一）浸酸
这是炭化的第一道工序，也是关键的工序，它是影响草杂炭化效果和羊毛纤维损伤的潜在因素，要求草杂尽量吸足酸、羊毛纤维尽量少吸酸。经酸处理后，羊毛纤维所含的酸包括表面附着酸和内部官能团结合酸两部分，而草杂一般不与酸产生化学结合，因此其含酸量主要为表面附着酸。
羊毛和草杂的这种含酸形式与其吸酸率大小有关，只要当物体的表面被润湿后，附着酸也就达到一定的数值，即使浸酸的时间再增加，附着酸量也不会有多大的改变，而化学结合酸则有一个作用过程，羊毛表面附着酸停留时间长了以后可以部分的转化为结合酸，这对减少羊毛含有的附着酸量和防止纤维损伤有一定的意义。影响羊毛和草杂吸酸程度的因素有以下几种。
1.草杂类型 不同草杂的吸酸速率与吸酸量见表2-10。
表2-10 不同草杂的吸酸速率与吸酸量
2.酸液温度 酸液温度增加，羊毛的吸酸量增加，草杂的吸酸量基本不变，浸酸温度以室温为宜。
3.酸液浓度 随着酸液的浓度增加，羊毛、草的吸酸量也都增加。
4.浸酸时间 浸酸时间增加，羊毛的吸酸量逐渐增加，草杂的变化不大，很快达到饱和的程度，草杂一般3min左右吸足酸量，浸酸时间一般取3～4min。
5.炭化助剂 在酸液中加入炭化助剂以后，可以加快羊毛纤维和软草籽的吸酸速度。草杂吸酸速度快和吸酸量的增加对其炭化是有利的。而羊毛吸酸加快及含酸量增多会对纤维产生一定的损伤，但由于表面活性剂的存在，酸水的表面张力减小，轧酸时去除的酸水也增大，所以不会造成羊毛纤维的过大损伤。
在炭化设备中往往采用两只浸渍槽，第一只浸渍槽只加水（或加炭化助剂）以润湿羊毛；第二只浸渍槽才加入一定浓度的硫酸。
（二）脱酸
从浸酸槽中出来的羊毛含酸率太高，若直接烘干不仅会增加烘干机的工作负担，使羊毛烘不干，草杂不脆化，而且会严重损伤羊毛纤维，因此在进入烘干机之前，要尽量去除羊毛中过多的酸水量。
（三）烘干与焙烘
羊毛经脱酸后应立即进行炭化烘干，因为带酸的湿羊毛更易受到损伤。含酸的湿羊毛不能立即进行高温焙烘，由于水分的汽化是在表面上进行的，内部水分要向外渗出，借助于纤维间的毛细管作用，酸液也由内部通过此向外渗出，在羊毛表面积累，局部浓度过高，经高温烘烤，纤维被溶解，颜色发紫，强力损伤。所以在焙烘前先低温烘干，再进行高温焙烘。
（四）压炭与除炭
经高温焙烘后羊毛中草杂已变焦脆，应立即压碎和除去，否则草杂吸湿之后要恢复韧性，不易压碎，达不到除去草杂的目的。
1.压炭 LB061型联合炭化机的压炭机主要由12对沟槽罗拉组成；压力由压辊自重及弹簧加压产生。为了提高压炭效果，压辊工艺采取以下措施。
（1）压辊的速度逐渐增加，以使其间的毛层逐渐减薄，充分压碎草杂。
（2）压辊的加压逐渐增加，其压力大小通过调节加压杆的高度来实现，螺杆高度愈小，所加压力愈大。
（3）上下压辊表面线速度不一致，上压辊表面线速度慢，下压辊表面线速度快，以便将通过其间的草杂搓碎。
（4）各对压辊之间的隔距逐渐减小，以适应毛层逐渐减薄的趋向，确保压炭效果。隔距的大小要掌握恰当，过小会造成羊毛损伤严重。
2.除炭 除杂是在螺旋除杂机上进行的，除杂机是由打手及其外的网状尘格组成，在使用过程中应防止网眼堵塞，影响除杂效果。气流与除杂的关系极大，为了有效地排除杂质，排尘风机宜保持一定的风量。
（五）中和
经除杂之后的羊毛含有一定量的硫酸，不设法及时去除，在氧气和日光的催化作用下，羊毛纤维会逐渐分解，强力下降，毛色发黄。含酸羊毛也不利于加工，还会腐蚀加工机件。中和除去羊毛中的硫酸的同时还可使羊毛的强力得以部分恢复。中和工序由洗酸、中和、洗碱三部分组成。
1.洗酸（中和第一槽）中和反应是放热反应，放热量过大会导致羊毛纤维的损伤，因此在中和之前，首先得用清水进行漂洗，约可去除羊毛含酸量的二分之一左右，这样既可防止中和产生过多的热量，又可以节约纯碱的耗用量，降低生产成本。
2.中和（中和第二槽）通常使用的中和剂是纯碱Na2CO3，其用量取决于羊毛的含酸量。一般碱浓度为0.1%（此时pH为11左右），为了维持工作液一定的中和能力，还需向中和槽中按时适量追加纯碱。纯碱与硫酸的作用的分两步进行：
2Na2CO3+H2SO4→2NaHCO3+Na2SO4
2NaHCO3+H2SO4→Na2SO4+2H2CO3
含酸羊毛进入中和槽遇到纯碱时，第一个反应很快发生，而反应中的生成物碳酸氢钠逐渐积累（溶液的pH降至8左右），第二个反应则逐渐增加，碳酸的生成量也逐渐增多。这时继续追加纯碱，将发生下列反应：
Na2CO3+H2CO3→2NaHCO3
由于硫酸和纯碱在中和槽中继续作用，工作液中碳酸氢钠逐渐积累，碳酸钠和碳酸氢钠混合液组成缓冲液，维持工作液的一定pH不变，即使在其中加入一些碱或加入一些酸，其混合液的pH均不会发生大的变化。混合液的浓度越高，缓冲的持续能力越强，不必过多地追加纯碱。中和槽中的工作液继续使用，仍有中和硫酸的能力，定时检查槽液的酸碱度，适量追加纯碱即可。中和时纯碱的耗用量为羊毛重量的3.5%左右。
对于一些细支羊毛因吸酸量较多，在中和槽内浸渍时间较短，中和作用不充分，仍可在第三槽中加氨水进行中和。氨水的扩散力极强，它能进入毛块的内部，减少羊毛中的结合酸量。氨水用量约为羊毛重量的1%。
3.洗碱 用清水漂洗，以除去其上剩余的碱液和盐类。羊毛中含碱会造成纤维的损伤，沾盐会影响手感，pH最好维持在6～7。处理后含酸量在1%以下，微量酸的存在不会对纤维带来较大的影响。
（六）烘干
及时烘干中和后的湿羊毛。炭化烘干机的产量比洗毛机要低，所以炭化烘干的时间要短（约4min），温度较低，蒸汽压力为11.77～14.7Pa就可以达到干燥的目的。
五、炭化的质量要求
（一）炭化羊毛的质量指标
炭化羊毛要求手感蓬松、有弹性、强力损失小、毛质清洁有光泽、颜色洁白不泛黄。炭化羊毛的质量指标有含草杂率、含酸率、发并率、回潮率，见表2-11。
表2-11 炭化羊毛的质量指标
（二）影响炭化羊毛质量的因素
影响炭化羊毛质量的因素主要有以下几种。
（1）草屑过多。由焙烘后草杂炭化不良、炭化前开松不良、硫酸浓度偏低、羊毛在酸液中浸渍不透、烘焙不足、压炭除炭不良、皮辊压力不足、除尘不良等因素造成的。
（2）含酸过多。由洗酸不良、碱浓度不足、中和氨水浓度不足、羊毛在中和槽内浸渍不足等因素造成的。
（3）羊毛毡并、结条过多。由炭化前开松不良、轧酸后羊毛在烘房喂毛机内翻滚过度、除尘机尘笼中羊毛过多、除尘机尘笼角钉插入过深、造成挂毛等因素造成的。
（4）烘后羊毛回潮率不当。由烘干温度不当、轧辊效果不良等因素造成的。