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超临界CO2流体性质对于一般物质，当液相和气相在常压下呈平衡时，两相的物理性质如黏度、密度等相差很显著。当达到某一温度和压力时，两相密度相等，气相和液相间无明显的界限，称为临界状态。物质有其固有的临界温度Tc和临界压力Pc(二氧化碳Tc=31. 06℃，Pc=7. 39 MPa)。物质在临界点状态下，气液界面消失，体系性质均一，不再分为气体和液体。若温度T>Tc，压力P>Pc，物质便处于超临界状态。在这种状态下，它既不完全与一般的气体相同，又不是液体，称为超临界流体状态。超临界流体对溶质的溶解度取决于其密度。超临界流体既有与气体相当的高渗透力和低的黏度，又兼有与液体相近的密度和对物质优良的溶解能力，还具有比液体分子大得多的能量和作用力。因此，它可以像液体那样溶解染料和整理剂，又可以像气体那样将染料和整理剂渗透于纤文之中，达到上染或后整理的目的[1]。超临界流体染色就是利用超临界流体的这些特性发展起来的染色技术。目前有很多物质都可以作为超临界流体，如下表所示:19972
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表3.1 一些物质的临界温度和临界压力
物 质 沸 点
(101.325pa)/℃ 临界温度/℃ 临界压力/Mpa 临界密度/g.cm-3
CO2 -78.5 31.1 7.38 0.464
NH3 -33.4 132.3 11.28 0.240
H2O 100 374.4 22.40 0.334
C2H6 -88 32.4 4.94 0.203
C3H8 -44.5 96.8 4.32 0.220
CH3(CH2)4CH3 -95.3 234.2 300 0.234
C2H5OH 78.4 243.4 6.43 0.276
C6H6 5.53 288.9 4.89 0.302
CCl3F 23.7 196.6 4.23 0.554
CClF3 -81.4 28.8 3.95 0.580
CO2是最常用的超临界流体，它的临界点为31.1℃、7.38 MPa。在超临界条件下， CO2具有非常独特的理化性质:一是扩散系数高，传质速率快;二是黏度低，混合性能好;第三是密度高(相对于气体)，介电系数低，能与有机物完全互溶;第四是对无机物溶解度低，有利于固体分离，而且理化性质容易通过温度和压力的变化来实现连续变化。Dirk Tuma等以CO2、N2O、CClF3、CHF3、SF6为溶剂研究了蒽醌型分散染料的溶解性。染料在N2O、CO2中具有较大的溶解度而以N2O最好，但由于CO2的临界点适中，在超临界状态下依然保持很高的惰性，可以通过温度和压力的改变轻易控制染料的溶解度、上染速度和染色的质量，所以超临界CO2是非常理想的超临界染色媒质[2]。
3.2 超临界CO2染色原理
超临界二氧化碳流体具有许多特殊的性能，它不同于水，也不同于有机溶剂。作为染色介质，特别适合于极性低的分散染料染疏水性的合成纤文。分散染料是一类难溶于水，在水中主要呈悬浮体存在的非离子性染料，在水中要依靠大量的分散剂等助剂保持分散状态。它除了大部分以细小的晶粒成悬浮体分散于水中外，同时也有很少部分呈分子溶解状，还有部分则存在于分散剂等助剂的胶团中，并相互保持动态平衡。染色时，只有分子状态的染料可以上染纤文，随着分子状态染料上染纤文，胶团中和晶粒中的染料分子会不断溶解到水中，直到上染结束。由于染料溶解度低，因此在低温时大大限制了上染速度。分散剂的存在虽然提高了染料悬浮体的分散稳定性，但是它的存在不仅增加了生产成本，也会污染水质，有的还会降低染料的平衡上染量。由于二氧化碳分子黏度低，它与染料分子间作用力又小，染料在超临界二氧化碳流体中扩散较快，加上在这种流体中纤文表面附近的扩散边界层很薄，所以染料可很快吸附到纤文表面。还由于它对纤文有较强的增塑作用，所以上染速度快，匀染性和透染性均很好[1]。