超声波在纺织印染工艺中的应用

超声波在纺织印染工艺中的应用

1织印染作用世界科技处于快速发展的时代，各学科的相互交叉和相互渗透日益频繁。现代高新技术在纺织印染中所发挥的作用已经越来越大，缩短了印染加工时间，降低了环境污染，节省了能源，同时保持甚至提高了产品的质量。现代化学、生物技术在纺织印染的发展中起了积极的促进作用，近代物理技术如等离子技术、电磁场技术、激光技术也已经渗入到了染整加工的各个方面，其中超声波技术以其方便、迅速、有效、安全而引人注目。2超声化学的应用超声波与电磁波相似的是可以被反射、折射和聚焦；与电磁波不同的是在传播时需要弹性介质。在固体中超声波的纵波和横波均可传播；在气体和液体介质中只有纵波才可以传播。纺织品加工工艺属于液/液、液/固相体系，因此对超声波的研究是重要的。在超声波传播时，弹性介质中的粒子产生摆动并沿传播方向传递能量，从而产生机械效应、热效应和声空化。声空化是超声波机械效应的一种特殊现象，它直接导致了声化学的产生。所谓声化学就是超声波化学，主要是指利用超声波来加速化学反应或启通新的反应通道，以提高化学产率或获取新的化学反应物的新兴交叉学科。声化学促进的化学反应包括：分子破碎，氧化--还原，有机卤代物脱卤以及产生自由基等反应。研究领域已经涉及到生物化学、有机合成、高分子降解与聚合、分析化学、无机合成、电化学、光化学、立体化学、环境化学以及其他学科等。空化作用受液体黏滞系数、表面张力、蒸汽压、温度、声波的频率和强度以及环境压力等影响。为有效地产生空化作用，使超声化学益处得到充分发挥，液体中声化学反应的超声频率一般应选在20～50kHz之间，并采用较低的温度(45～50℃)，尽可能低的蒸汽压。从能量的强弱角度出发，超声波的应用可以分为两类，即高强超声技术和低强超声技术。低强度应用技术，输入能量很低，以至于不会引起介质的任何状态变化。这方面的应用很广泛，并且较早，例如材料的无损伤试验、材料的弹性测定等。高强度超声技术可能涉及相变，例如空化、蒸发等作用，这对介质有更加强烈的影响，以至可能引起一系列化学变化。对于大多数化学反应来说，反应速度均随声强的增加而增加。但是，超声波的强度受介质温度的影响极大。研究表明，随着液体温度的提高，声强的影响明显下降，在50℃水中发生的空化效应最大。体系的相结构是影响超声波技术应用的又一因素。在不均匀体系中，例如在纺织品的湿加工中，空化作用的影响要比在均匀体系中大数百倍。3超声波技术在纺织前处理中的应用3.1超声除棉工艺超声波在煮练工艺中的作用主要是源于空化作用而引起的弥散、乳化、洗涤以及解聚等作用。超声空化作用使黏附在纤维上的污物表面张力降低。因此在各个表面上和低凹处起着清洁作用，同时空化作用使污物和油垢得以乳化，协助清除油垢和污物。超声波的分散作用使麻的胶质与纤维分开，再利用超声解聚作用将胶质去除。据报道称，使用超声波精练羊毛，纤维性质有所改变，损伤程度降低，操作速度也有所提高；利用超声波洗毛可以降低洗毛温度，缩短时间，降低净洗剂用量；利用超声波洗毛所得洗净毛的蓬松性好，羊毛纤维之间不发生纠缠，白度高，洗净毛中几乎无细小杂质；超声作用后，羊毛鳞片变光，降低了羊毛纤维之间摩擦效应，且作用时间越长，降低的幅度越大，从而改善羊毛纤维的毡缩性；由于超声波对于羊毛纤维的蚀刻作用，羊毛纤维细度更趋集中，长时间作用会使羊毛纤维直径明显变小，断裂伸长增加。但对羊毛纤维强力无明显损伤。超声波对原麻中的胶质成份有分散作用，且随频率、功率不同分散效果也不同。超声波脱胶比酸处理效果好，且作用时间短。可采用流水线处理工艺。绢纺原料精练中，超声波的除油、除胶效果明显比常规处理好，尤其对含油较高的原料，其处理效果更好，不仅不用进腐化缸，且不用高温、高pH值和长时间，在除胶保油的同时，对纤维损伤小、可根据不同的要求，保住不同程度的胶质，且通过超声波处理过的原料白度高，纤维松散，易与蚕蛹分离。超声波对果胶酶的煮练工艺也具有促进作用。实验证明，棉坯布果胶团煮练过程中加入超声波后，酸性和碱性果胶团的性能有显著的提高，加入超声波煮练后的试样吸湿性、白度比未加超声波的试样均有所提高，其原因可能在于超声波、酶分子和液体媒质相互之间的多种物理和化学的作用，主要有下面几点：a.超声波增加果胶酶分子通过液体界面层向纤维表面的扩散速度；在界面层果胶酶的浓度是关键因素，它制约整个反应的速率；b.超声波加速除去反应区域内的果胶酶的水解产物，提高反应速率；c.超声波有利于果胶酶分子进入纤维内部，从而使纤维素纤维的酶处理更加均匀；d.超声波排除纤维毛细管和纤维交叉处溶解和包在液体中的空气，并通过孔穴除去。而且在碱性果胶酶煮练时加入超声波可以明显减少废水的排放，降低能耗以及生产的总体成本。并且，超声波在酸性或碱性果胶酶处理织物时可以提高以后化学处理的速率。3.2超声处理棉、亚麻纱的过程中，过氧化氢在不同的处理工艺中起着不可比超声波的空化作用可以使药剂与纤维充分接触，一方面超声波作用于纤维使纤维内部的比表面积加大，从而增大了纤维吸附化学药剂的比表面积，提高反应速率；另一方面超声波的空化作用可有助于破坏发色体系，从而起到消色的作用。实验证明，过氧化氢在冷法、煮沸法和超声波法处理棉和亚麻纱的过程中，亚麻对过氧化氢的消耗，在一定程度上随着方法的不同而不同。其中，煮沸法对过氧化氢的消耗比冷法及超声波处理都高，几乎为它们的二倍。超声波处理的温度(45℃)与煮沸法(100℃)相比是显著地降低。这种现象是由于超声机械及空化作用作用于液体，大量的振动能传入液体内并产生一些热量，提高了分子动能和碰撞冲量，使反应液与纤维充分接触，从而加速了反应速度，降低了反应条件。处理后织物的强力介于冷法和煮沸法之间，处理后纱线的白度增加，柔软性有显著的提高。4超声波广泛应用于染色加工4.1超声波机械及其吸热效应的影响4.1.1多个自由基根据高分子物的力化学，在超声波的影响下，在适当的条件下，纤维材料的大分子会产生大分子的初级自由基，而且，往往都是一个大分子包含多个自由基。同时，由于液体介质空穴表面上的离子分布的不均匀性，可能产生一定的热能差，由于空穴带电荷而导致介质组成分激发和离子化，生成如离子、自由基及具有不同生存期的活性粒子，借助于空穴带、空穴泡消失时产生的水力冲击，进入纤维内部，与纤维大分子的初级自由基产生一定的共价结合，可以提高染料的固色率，减少染料的浪费，降低环境的污染。4.1.2超声波染色的基础超声波的振动可用风力、水力、电磁、压电等专门的高频发生器发生。超声波与介质的相互作用，尤其是介质的吸热效应，也是超声波染色的一个基本出发点和主要基础。在超声波这种高频振动的影响下，水分子反复地被极化，由于水分子的热运动和相邻分子间的相互作用，上述水分子随超声波振动方向的改变而摆动的规则运动将受到阻碍，产生了类似于磨擦的效应。结果必然有一部分能量转化为分子的热运动，使水的温度升高。同时，在介质中还存在着一些离子或自由离子，在外场的作用下，形成的离子导电也会产生热效应。4.2超声在染色体系统中的作用4.2.1．超声波对于纤维接枝件材料的影响根据力学原理，任何材料的损伤和破坏都起源于材料中的原始缺陷和裂缝，而纤维高分子物无定形区的空隙正提供了这种可能。当超声波作用于纤维材料时，必然在材料的原始缺陷处（即无定形区的空隙）产生应力、应变能的集中，超声波所传递的能量必然有一部分转化为裂纹扩展新表面所需要的能量，引起裂纹扩展。在适当的条件下主要发生裂纹的亚临界扩展，即裂纹的尖端钝化，前缘性发生一定程度的塑性形变，造成微晶之间的位错，而产生上述纤维高分子材料的长周期反射值加大。随纤维内部比表面积的增加，必然提高纤维吸附染料的能力。同时，纤维表面所发生的这种变化正是上述过程的佐证。由于超声波的作用，产生纤维表面的微观滑移而形成疲劳源即所谓的疲劳裂纹成核。此后，这一微小的裂纹沿结晶面生长，相继又发生疲劳裂纹的亚临界扩展，致使纤维的表面如同被腐蚀一样，大大增加了吸附染料的纤维的比表面积。4.2.2超声波对厚密织物染色的影响超声波在染色体系中的作用通常被认为有三个方面：a.分散作用染料对纤维的上染过程通常以单分子状态来完成。但在染液中染料分子或离子会形成聚集体，以胶束状态存在，分散性染浴中的染料则以染料晶体颗粒的状态存在，阻碍了纤维对染料的吸收。超声波不但能使染液中的染料聚集体解聚，而且还可以将染料分散浴中的染料颗粒击碎，获得粒度为1微米以下高稳定性的分散液。超声波可以提高水活性以及染料在染液中的溶解度。有研究表明，超声波可以提高染料对纤维的亲和力，加速染料的吸收，提高纤维的得色量，但对于不同的染料，其标准亲和力提高的幅度不一样；b.除气作用超声波的空化作用可以将纤维毛细管或织物经纬交织点中溶解或滞留的空气排除掉，从而有利于染料与纤维的接触，有利于纤维对染料的吸收。因此，超声波对厚密织物的染色效果更为显著；c.扩散作用超声波的空化作用可以穿透覆盖纤维的隔离层，从而促进染料向纤维内部的扩散速度。研究表明，超声波与常规染色相比较，扩散系数可提高30%左右，染色活化能明显下降，超声波可能增加纤维内无定形区链段的活性，使高分子侧序度降低，而且有可能使纤维的结晶度和取向度下降。有报道称，使用超声波对亚麻织物的染色中，可以提高染料的平衡上染百分率，而且，加快上染速率，降低染料上染的活化能，从而克服了传统亚麻染色工艺中得色量低和染色困难的缺点。另据报道，在直接染料对棉织物的染色过程中，超声波可以使染料的平衡上染百分率提高8%。5超声染色的作用及在织物上的影响影响超声波在染色作用中的因素很多，但主要受超声波频率、强度、纤维和染料的种类、染料浓度、染色温度、电解质等影响。通常超声波染色采用的声波频率在20～50kHz之间，也就是空化作用发生最显著的波段。低于该频率的声波不易引起空化作用，并且能量较低，虽然对染色起到一定的作用，但效果较差。当声波频率超过100kHz以上时，有可能引起纤维的聚合度下降、原纤化以至熔融等。超声波染色的强度一般为0.8～1.0W/cm2，在该条件下染料对纤维的上染率可达到最大，同时还可以使纱线或织物膨松、纤维柔软，但不会引起纤维的永久性松弛和纤维形态的改变。与常规染色不同，超声波染色对于不同的纤维和不同的染料的染色作用不同。一般地讲，超声波染色对于水溶性染料和疏水性纤维的染色、分子量较高的染料的染色以及达到染色平衡时间长的染色等的作用较为明显。例如，分散染料对醋酯纤维的超声波染色，与常规染色相比较，其上染速度的提高很显著，而纤维的得色量增加不明显。而且，染料种类对超声染色的影响尤为明显，即使是同类染料，超声波对其标准亲和力提高的幅度不同，因而对染色效果的影响就不同。另外，染料的浓度越高，超声波在染色中的作用就越明显。一般超声波染色的温度采用45～65℃，因为产生声空化效应的最佳温度为50℃，染色过程中部分声能转化为热能，故染浴无需外加能量，属于低温染色，而且温度越低，空化作用越明显，超声波对上染速率的影响就越大，因此，它可以用来改善染色工艺，提高上染速率，提高染色产品的质量。如果没有超声波处理，温度越低，染料分子的动能就越低，纤维的溶胀程度就越小，上染速率就越小。例如，应用超声波染色可避免由于高温染色对蛋白质纤维和部分化学纤维所造成的损伤，同时，还可以使难以在高温下处理的工艺得以顺利进行。对于电解质在超声波染色中的影响，实验证明，在染色时，如果不加电解质，即使在超声波处理条件下也难提高染料的上染率，说明超声波的能量还不足以克服染料与纤维之间由于电性相同而产生的电荷斥力。所以，要使染料上染到织物上，无论在超声波还是不在超声波处理条件下染色，都必须加入电解质，在盐效应的作用下，才可能使染料上染到纤维上，而且，它有一个最佳值，超过这个限度，同样会使染料的聚集度增加，反而不利于上染百分率的提高。在直接染料对苎麻的染色工艺中，超声波可以明显提高直接染料在苎麻织物上的上染速率和上染百分率。其原因可能是：由于超声波的声空化作用和射流作用，使直接染料的聚集度下降，有利于染料向纤维内的扩散。发生在纤维与染液界面上的声空化作用对界面产生了破坏作用，从而使染料更易于向纤维接近。超声波把溶解或滞留在织物交叉点、纱线内部的空气“驱逐”至溶器中，并通过声空化作用和射流作用而排除，从而增加了染液与纤维的接触面积。而且超声波使纤维内部非晶区链段的活动加强，使染料在纤维内部的扩散速度加快。6超声单位的要求超声波可用于改善多种纺织品染整加工工艺，例如煮练、漂白、染色、后整理与洗涤。它在染整加工中的使用具有许多优点，不但可以减少