超声波在纺织上的应用

超声波在纺织上的应用

现代高科技在纺织印染中的作用已经变得越来越重要，缩短了印花加工时间，降低了环境，节约了能源，保持了产品的质量。现代生物技术在促进纺织印染的发展方面发挥了积极的作用。现代物理技术，如离子技术、磁体技术和激光技术也进入了染色加工的各个方面。其中，超声波技术是方便、快速、有效、安全的。因此，超声技术在纺织中的应用越来越受到重视。1超声超声心理作用超声波是人们听觉无法感知的振动波.通常把频率在2×106~2×109Hz的声波叫超声波.其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.在固体和液体介质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.声波的机械效应是指传声媒质的质点振动位移、速度、加速度及声压等力学量的变化.声波的热效应是指声波在传播过程中其部分能量被媒质吸收转变成热能的现象.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,以提高化学反应率或获取新的化学反应物的新兴交叉学科.在物理学上,声空化是液体中气泡在声场作用下所发生的一系列动力学过程,具有足够强度的超声波通过液体时将发生压缩和高压、松弛和低压等四个过程.液体声空化的过程是集中声场能量并迅速释放的过程.当声波负压半周期的声压幅值超过液体内部静压强时,存在于液体中的被称为空化核的微小气泡就会迅速增大,形成直径可达500μm的气泡;而在相继而来的声压正压相中气泡又被突然绝热压缩,直到“崩溃”或“爆炸”.崩溃瞬间,发生一个极短暂的强压力脉动,在气泡及其周围微小空间内出现“热点”,形成高温高压区,温度可达1900~5200K,压力超过5.05×104kPa,温度的时间变化率可达109K/s,并伴有强大的冲击波和时速达400km的射流以及放电发光瞬间过程,这些条件足以打开结合力强的化学键(90~100kcal/mol),并且促进“水相燃烧”反应,为促进和启通化学反应造成极端的物理环境.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、环境化学以及其它学科等.空化作用受液体粘滞系数、表现张力、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20kHz~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.2超声波技术在纺织前处理中的应用2.1超声波退浆整理在退浆过程中,超声波空化作用而引起的分散作用可以使大分子之间产生分离,促进浆料与纤维的粘着变松;而超声引起的乳化作用可以使去除的浆料由凝胶状态转化为溶胶状态,溶解性能提高,使其具有较好的退浆效果.由于超声波的吸热效应可以使反应保持在一定的温度,为反应提供能量,从而节省了其它能量.Valu等人在其关于织物超声波退浆的研究中也发现化学药剂和能量的节约现象.使用超声波退浆,可以减轻NaOH对纤维的降解,提高精练剂在退浆过程中的反应活性,从而降低了退浆时烧碱的使用浓度、退浆温度和时间,节约了能源,降低了环境污染,处理后纺织品的白度和润湿性与传统退浆方法接近甚至有所提高,而且对试样的机械强度无任何不利的影响.2.2超声改性羊毛纤维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.超声空化作用使粘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;利用超声波洗毛能使洗净毛的蓬松性好,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,而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可湿性、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:(1)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;(2)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;(3)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;(4)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.2.3超声波处理棉、亚麻纱时过氧化氢用于棉、亚麻纱的制备.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,用过氧化氢在冷法、煮沸法和超声波法处理的棉和亚麻纱的过程中,亚麻对过氧化氢的消耗,在一定程度上随着在不同的方法,即冷法、煮沸法和超声波处理中的过氧化氢浓度的提高而提高.其中,煮沸法对过氧化氧的消耗比冷法及超声波处理都高,几乎为它们的2倍.超声波处理的温度(45℃)与煮沸法(100℃)相比显著地降低了.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.3超声波作为化学品的应用前景和应用前景超声波可用于改善多种纺织品染整加工工艺,例如退浆、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,如减少加工时间,降低化学品的消耗和能量损耗,改进产品质量等,但也存在不少问题,如加工