辐射能在染整加工中应用

1、第四节 辐射能在染整加工中的应用辐射能包括不同波长的电磁波及其他高能射线。广义讲，凡具有能量的电磁波及射线都称为辐射线，其种类、波长及能量各不相同（见表1）。物质受辐射线照射的过程，称辐照。辐射化学是一门新兴学科，研究高能辐射通过物质时对物质的作用（破坏程度及屏蔽解决），以及由此引起物质内部的物理和化学变化现象和过程，可用以改进某些物质的性能或制造化学新产品。辐射源可分为具放射性的天然物质如镭、铀等及钴60等放射性同位素与核反应堆产物等；以及用机械发生的如电子束、X射线、紫外线等两大类。工业上使用较多的是钴60、电子加速器、紫外线和低温等离子体四种（见表2）。辐射能在国际上已被广泛地应用于农业

2、、化工、医药及冶金等工业。二十世纪50年代，国外开始将辐射能应用于纺织印染的研究。课题有漂白、染色、印花、整理及非织造布的粘结等。70年代中期，美国狄灵米利肯（Deering Milliken）公司用N羟甲基丙烯酰胺，经电子束辐照与织物接枝，再经焙烘而生产耐久压烫及易去污产品VISA。另外，植绒和涂层方面亦有用辐照能固化而工业投产的。上海市纺织科学研究院1978年与上海原子核研究所合作，进行了辐射能的研究。（1）比较不同的辐照源、辐照方法及化学接枝与辐化接枝（2）不同辐射剂量对各种织物的关系（3）对改善织物的吸湿、可染、防油防水、服用舒适性等进行辐照方法探索（4）自制实验室设备，用高频低温等离

3、子体将含氟有机硅化合物与织物进行气相接枝，试生产防油、耐水压、透汽的油田劳保衣料（5）利用射线接枝，做涤纶仿真丝绸。本节主要介绍紫外线、微波和激光等在染整加工中的应用 一、紫外线辐射在染整加工中的应用 紫外线是波长为100400nm的电磁波。许多场合都会产生紫外线。 紫外线有广泛的应用，用紫外线处理纺织品的优点是，一方面它具有很高的能量，能够对纺织材料进行改性或加工，另一方面它不需在真空状态，或不需引用专门的气体，只需在常压空气中就能加工。（一）紫外线辐射改善棉纤维的染色和印花性能 利用紫外线辐射来改善棉织物的染色性能，通过低压汞灯产生的紫外线（主要波长为185和254nm）辐射棉织物，发现被

4、辐射后的棉织物对通常染色用的阴离子染料亲和力很低，而对阳离子染料却有很高的吸附能力，结果见表226所示。 由表226可以看出，相对于未辐射的织物，辐射织物对直接和活性染料的亲和力都明显变小，辐射时间越长，减小越多。显然这是由于在空气中辐射紫外线时，纤维素纤维受到一定程度的氧化，形成了一定数量的羧基，并使纤维具有一定数量的负电荷，阻碍了阴离子染料的上染，上染率有所降低之故。也正是这个道理，辐射后的棉织物对阳离子染料有亲和力。利用这种特性，进行紫外线辐射改性印花研究，其加工原理如图214所示。 由图214可以看出，这实际上是对织物进行紫外线辐射局部改性，利用改性后部位对染料的染色性有别于未改性部位

5、，因此用不同染料可分别获得不同颜色的图案，例如，如果用阴离子染料染色，则辐射部位得色浅，反之用阳离子染料染色，则得色深于非辐射的部位。当然，获得颜色深浅差别决定于紫外线辐射改性程度，也和染料性能有关。我们也可通过紫外线辐射对棉纤维进行接枝改性处理，大大改变棉纤维的染色性能。如果是局部进行紫外线辐射（紫外线通过刻有图案的蔽光片），则可以在织物上进行局部接枝改性，经过染色后获得特殊的图案。这实质上是对织物局部进行化学改性，改性的织物可发生差别化染色，也可以说是一种不接触式的印花加工。通过紫外线辐射接枝改性，工艺简单，而且特别适合用于生产有特殊花纹的织物或服装，加工也容易连续化。紫外线辐射整理是干态

6、加工，而且不需催化剂，固着时间短。采用同样原理，可进行其他化学反应，使纤维进行改性，包括全幅改性或局部改性，还可以通过调节紫外线的强度，获得各种不同接枝改性程度的产物，获得从浅到深的连续变化的色彩，这点采用其他方法是很难达到的。不过这种改性的印花方法的不足在于很难获得多种彩色，花纹精细度也受到限制。目前还只限于实验室研究开发，用于工业化生产还有待进一步努力。 （二）紫外线辐射改善羊毛的染色和印花性能如前所述，等离子体处理羊毛后，可以改善羊毛的染色性能，主要原因是改变了羊毛表皮层的化学结构，特别是鳞片层的化学结构。可以大大提高羊毛对染料的吸附和固着能力，表227为不同方法处理后印花羊毛织物的颜色

7、深度比较。由表227可以看出，应用紫外线辐射和臭氧结合处理后，羊毛对各类染料的吸附和固着能力均大大增强，和氯化处理的效果基本相同。通过X射线光电子谱研究（XPS）证明紫外线臭氧处理后羊毛表面鳞片层中的二硫键受到氧化，因此，羊毛的润湿、吸水性有很大改善，这样可增强染料的吸附和扩散能力。 需要指出的是，这种处理与氯化处理一样会引起织物泛黄，这仍有待今后努力改进。表228是羊毛织物的泛黄程度的比较。（三）紫外线辐射改善蚕丝的染色和印花性能 紫外线同样可用于蚕丝的接枝共聚化学改性。它们可以使被照射的蚕丝产生自由基，引起许多反应。如果在处理物中加入少量的紫外线光敏剂，它首先吸收紫外线，并将此能量转移到其

8、他化学物质，使它发生特定的反应。实验发现某些蒽醌染料被低能量紫外线照射后，能形成自由基，如果这种自由基可以和纤维发生反应的话，则不仅可以提高染料的上染率，而且可以改善染色牢度。对蚕丝进行紫外线低温染色试验，发现可以显著提高某些染料的上染率。（四）紫外线辐射固着 紫外线还可以加速树脂、粘合剂以及其他改性剂与纤维的固着反应。1将维棉混纺织物分别用N羟甲基丙烯酰胺及N，N二羟甲基二羟基乙烯脲（2D树脂），利用紫外线辐射来加速交联和接枝反应，接枝交联后的织物回弹性明显提高，缩水率明显降低，说明发生了接枝和交联反应。用2D树脂整理棉织物，再用紫外线辐射进行固着处理，棉织物处理后的回弹性提高了500600

9、，在有光敏剂存在下，效果更好，这都说明发生了交联反应。此种工艺对用于蚕丝织物整理，也发现回弹性可提高600之多，不过白度下降也明显，因为紫外线容易引起蚕丝织物泛黄。2一些粘合剂也可以采用紫外线辐射固着，这些粘合剂用于涂料印花或涂层加工后，在干态条件下，用紫外线辐射后可被固着，而不需经过通常进行的烘干、焙烘等加工。3用稀土氧化物及光敏剂来提高染外线辐射固着效果，将它们加到涂料印花色浆中，紫外线辐射固着效果可优于常规焙烘工艺。这种工艺对用于不耐高温干热处理的麻类织物特别有利，不仅工艺简单，而且固着快速，得色量也较高。4紫外线辐射还用于双氧水或亚氯酸钠漂白，也有较好效果。同理，近年来国内还应用紫外线

10、光催化脱色，并取得了较好的效果，已正式用于染色污水的脱色。5作为一种能源它也可以用于辐射接枝聚合，例如用于醋酯纤维薄膜、聚乙烯纤维以及聚酯纤维接枝聚合，改善它们的吸湿性、染色性和粘合性等性能。二、激光辐射在染整加工中的应用激光是受激辐射下强化的光。激光器发出的光束是严格平行的，产生激光的激光器有固态、气体、化学、半导体和染料激光器等。激光已用于各种领域，特别是一些高新科技领域，近年来激光在纺织染整加工中的应用也越来越受到重视。这包括切割材料、热处理、测试检验以及在纤维材料改性、雕刻和染色印花设备控制等方面。 （一）激光辐射纤维改性激光辐射可对纤维表面进行改性，由于这种处理是在常温和常压下进行的

11、，容易在工业生产中推广应用，是一种颇具吸引力的新技术。但目前用于纤维表面改性仅是刚刚开始，许多问题还有待研究和改进，特别是由于脉冲辐射面小，很难大面积加工。利用脉冲激光对聚合物表面进行刻蚀，会产生形态变化。例如采用氩氟和氪氟等紫外线激光对涤纶、锦纶纤维进行刻蚀处理，发现纤维表面的形态有明显变化，出现沿纤维轴向取向的圆筒状花纹，即与纤维轴向呈直角的褶状凹凸纹。无论激光的波长是多少，只要处理时间足够长，都会出现这种褶状凹凸纹，但是其形状随波长的变化有差异。在波长短的氩氟气场合(193nm)呈细密的褶状凹凸纹。与此相反，在氙氯气场合(308nm)波纹呈熔融状。这可能是由于波长短的激光能量较大，容易引

12、起纤维分子链的化学键断裂，因此容易形成细密的褶状凹凸纹，而波长越长，其光能更易被消耗于热运动中，故波纹呈熔融状。 出现这种褶状凹凸纹的机理，尚不十分清楚，曾经对四种取向度、结晶度各异的未抽伸涤纶丝、热处理但未抽伸涤纶丝、抽伸300的冷抽伸涤纶丝以及通常的抽伸和热处理涤纶丝进行辐射，然后观察它们的表面形态，发现结晶度和取向度都低的未抽伸丝不会出现凹凸纹，只发生表面全面的刻蚀。对仅热处理而未抽伸的涤纶丝激光辐射后也观察不到表面凹凸纹，而在300冷抽伸丝的表面出现了凹凸纹。由此可知，取向度越高，就越容易出现凹凸纹，所以凹凸纹的形成主要和取向度有关。 低温等离子体处理涤纶时，在一定的场合下也会出现类似

13、的凹凸纹。可以断定，两者都是与取向度有关，只不过激光引起的凹凸纹尺寸更大些。它们能切断化学键，局部产生气化作用，因而形成凹凸纹。而在低温等离子体处理时，表面凹凸纹的产生，则是在切断化学键的同时，形成的自由基、离子等活性粒子与涤纶表面发生反应时，形成的气体物从表面脱离后，以及等离子体粒子直接冲击形成的。 激光辐射使纤维分子链的酯键发生了分解，而且有CO、CO2等气体飞散出来。还发现这种激光辐射后的纤维表面的结晶度有所下降，即引起了纤维表层部分的非结晶区结构增多。 由上述可以看出，激光辐射纤维后，必然会使纤维的性能发生变化，利用这些性能变化可获得一些特别的功能。1利用表面凹凸纹状特征可以起增深作用

14、，黑色涤纶织物利用这种激光辐射后颜色显著增深，其效果和低温等离子体处理的相当。2这种激光辐射后的纤维染色，染料的扩散深度明显增加，这是由于纤维表层结晶度降低的结果，和等离子体处理相比，等离子体的活性粒子较难作用到纤维内层，而激光辐射能力要强些，所以改变纤维表层结构也相对深一些。当然不同微结构的纤维，作用深度也不同，取向度高的纤维(或薄膜)激光辐射变性的深度相对较小，因而染料扩散深度也较浅，总的说来，经激光辐射后，纤维染色的透染性和上染速度都有所增加。3和等离子体处理相似，激光辐射后纤维表面形成凹凸纹状特征和表层极性基团增多后，纤维的粘合性能有所改善，例如涤纶与橡胶的粘合性本来不强，用激光辐射后

15、，再以适当的橡胶粘合剂处理后，纤维与橡胶间有极好的粘合牢度。为了提高涤纶拒水和拒油整理后的摩擦牢度，将涤纶织物用聚四氟乙烯乳液浸渍后，用激光辐射进行固着处理，发现可以获得与普通高温焙烘相似的牢度。这也和激光改善涤纶的粘合性能有关。涤纶的粘合性能差，所以颜料印花时用的粘合剂要求粘合力强，如果纤维用激光辐射后，颜料颗粒不仅可以嵌入纤维表面的凹凸纹路中，粘合剂也可以充分和纤维润湿和粘合，颜料印花的摩擦牢度可明显改善。采用图215所示的设备对织物进行激光处理。由图215可以看出，激光从激光头射出后，通过反射镜射到被处理的织物表面，织物连续通过激光束受到辐射，进行变性处理。 （二）激光辐射改性印花和紫外

16、线辐射改性印花一样，利用激光不仅可以改变纤维表面形态和结构，激光还可以进行表面光化学反应改性，被改性的部位对光的反射和对染料的吸附性能均有明显的变化，因此只要有规律地局部辐射激光，就可以在织物上形成图案，或经过染色后产生不同颜色或深浅的图案，达到印花的效果。例如曾利用二氧化碳激光器辐射织物，使织物局部(图案形状)变性，然后染色，获得单色深浅不同的图案。此外，不仅可通过纤维表面局部化学改性来获得印花效果，还可以利用激光对织物局部进行热处理，改变局部纤维的微结构(局部热定形)来改变染色性能或收缩性能，也能产生印花效果。（三）激光辐射活性染料固色 近年来，有人研究利用激光来激化染料或纤维进行反应，例

17、如进行活性染料的固色。由于激光能量集中(聚焦性)可以快速加热织物，容易控制加热的区域，还容易采用计算机控制，所以具有很好的潜在应用价值。 曾采用氩离子激光对活性染料印花棉织物进行固色。染料为紫红H8B，加碱剂(小苏打)和糊料(海藻酸钠)调成色浆，通过筛网印花印在丝光棉织物上，将织物晾干，再用氩离子激光分别在94、129和235温度下处理，然后进行冲洗、干燥。 由于染料是紫红色的，它对490500nm的光波有很强的吸收(即紫红色光的补色光)能力，因此采用氩离子激光辐射容易被染色或印花织物吸收，产生很强的热效应，有助于提高固色效率。激光辐射时织物的温度和激光强度有下述近似关系：T织物K·

18、PvT环境式中：T织物和T环境为织物和周围环境空气温度；P为激光强度；K为常数(和织物性质及运动速度有关)；v为织物运动速度。因此调节织物运动速度就可控制织物处理温度。 经过试验发现， 235和129的激光固色效果远好于94低温激光处理，也比190手工熨烫5min的效果好。织物颜色的耐光和摩擦牢度均无变化，而耐洗牢度以高温激光固色的好，手工熨烫的最差。织物的断裂强度和断裂伸长变化很小，说明在这样的条件下激光固色不易损伤织物。通过红外光谱分析，证明印花织物和未印花织物的分子结构也未有明显变化。 以上试验说明，只要选用固色条件恰当，活性染料染色和印花织物采用激光固色还是很有前途的，激光束能进行快速扫描处理，这为染料固色提供了一种新的能源，值得继续研究开发。（四）激光测定染料浓度和上染速度 传统测定染料浓度和上染速度是通过分光光度法测定的，而自动测定和控制上染过程则是通过检测染液浓度变化来达到的。与普通卤素灯光源相比，由于激光的波长一定，测定的精确度比普通灯光高。又由于激光的光密度高，透射性好，不易散射，特别是测定高浓度的染液时，精确度和灵敏度均比普通灯光高。根据染液浓度变化，可按一定的理论关