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超聲波技術及其在染整加工中的應用

內容來源:超聲波清洗機   發布日期:2016-07-04 10:02:59

 針織工業超聲波技術及其在染整加工中的應用王愛兵,朱小云,楊斌(東華大學化學與化工學院,上海200051)用。闡明了影響超聲波染色效果的因素并對其應用前景進行了分析。

  中圖法分類號TS190.8 1前言當今世界的科學技術正處在一個飛速發展的時代,學科之間的相互交叉、相互滲透日益頻繁。現代高新技術在紡織印染中所發揮的作用已經越來越大,縮短了印染加工時間,降低了環境污染,節省了能源,同時保持甚至提高了產品的質量。現代化學、生物技術在紡織印染的發展中起了積極的促進作用,近代物理技術如等離子技術、電磁場技術、激光技術也已經滲入到了染整加工的各個方面,其中超聲波技術以其方便、迅速、有效、安全而引人注目。

  2超聲波技術的概述超聲波與電磁波相似的是可以被反射、折射和聚焦;與電磁波不同的是在傳播時需要彈性介質。在固體中超聲波的縱波和橫波均可傳播;在氣體和液體介質中只有縱波才可以傳播。紡織品加工工藝屬于液/液、液/固相體系,因此對超聲波的研究是重要的。

  在超聲波傳播時,彈性介質中的粒子產生擺動并沿傳播方向傳遞能量,從而產生機械效應、熱效應和聲空化。聲空化是超聲波機械效應的一種特殊現象,它直接導致了聲化學的產生。

  所謂聲化學就是超聲波化學,主要是指利用超聲波來加速化學反應或啟通新的反應通道,以提高化學產率或獲取新的化學反應物的新興交叉學科。

  聲化學促進的化學反應包括:分子破碎,氧化一還原,有機鹵代物脫鹵以及產生自由基等反應。研究領域已經涉及到生物化學、有機合成、高分子降解與聚合、分析化學、無機合成、電化學、光化學、立體化學、環境化學以及其他學科等。

  空化作用受液體黏滯系數、表面張力、蒸汽壓、溫度、聲波的頻率和強度以及環境壓力等影響。為有效地產生空化作用,使超聲化學益處得到充分發揮,液體中聲化學反應的超聲頻率一般應選在20飛0kHz之間,并采用較低的溫度(45飛0°C),盡可能低的蒸汽壓。

  從能量的強弱角度出發,超聲波的應用可以分為兩類,即高強超聲技術和低強超聲技術。低強度應用技術,輸入能量很低,以至于不會引起介質的任何狀態變化。這方面的應用很廣泛,并且較早,例如材料的無損傷試驗、材料的彈性測定等。

  高強度超聲技術可能涉及相變,例如空化、蒸發等作用,這對介質有更加強烈的影響,以至可能引起一系列化學變化。對于大多數化學反應來說,反應速度均隨聲強的增加而增加。但是,超聲波的強度受介質溫度的影響極大。研究表明,隨著液體溫度的提高,聲強的影響明顯下降,在50C水中發生的空化效應最大。

  體系的相結構是影響超聲波技術應用的又一因素。在不均勻體系中,例如在紡織品的濕加工中,空化作用的影響要比在均勻體系中大數百倍。

  3超聲波技術在紡織品前處理中的應用3.1在煮練工藝中的應用超聲波在煮練工藝中的作用主要是源于空化作用而引起的彌散、乳化、洗滌以及解聚等作用。超聲空化作用使黏附在針織工業纖維上的污物表面張力降低。因此在各個表面上和低凹處起著清潔作用,同時空化作用使污物和油垢得以乳化,協助清除油垢和污物。超聲波的分散作用使麻的膠質與纖維分開,再利用超聲解聚作用將膠質去除。

  據報道稱,使用超聲波精練羊毛,纖維性質有所改變,損傷程度降低,操作速度也有所提高;利用超聲波洗毛可以降低洗毛溫度,縮短時間,降低凈洗劑用量;利用超聲波洗毛所得洗凈毛的蓬松性好,羊毛纖維之間不發生糾纏,白度高,洗凈毛中幾乎無細小雜質;超聲作用后,羊毛鱗片變光,降低了羊毛纖維之間摩擦效應,且作用時間越長,降低的幅度越大,從而改善羊毛纖維的氈縮性;由于超聲波對于羊毛纖維的蝕刻作用,羊毛纖維細度更趨集中,長時間作用會使羊毛纖維直徑明顯變小,斷裂伸長增加。但對羊毛纖維強力無明顯損傷。

  超聲波對原麻中的膠質成份有分散作用,且隨頻率、功率不同分散效果也不同。超聲波脫膠比酸處理效果好,且作用時間短。可采用流水線處理工藝。

  紡原料精練中,超聲波的除油、除膠效果明顯比常規處理好,尤其對含油較高的原料,其處理效果更好,不僅不用進腐化缸,且不用高溫、高pH值和長時間,在除膠保油的同時,對纖維損傷小、可根據不同的要求,保住不同程度的膠質,且通過超聲波處理過的原料白度高,纖維松散,易與蠶蛹分離。

  超聲波對果膠酶的煮練工藝也具有促進作用。實驗證明,棉坯布果膠團煮練過程中加入超聲波后,酸性和堿性果膠團的性能有顯著的提高,加入超聲波煮練后的試樣吸濕性、白度比未加超聲波的試樣均有所提高,其原因可能在于超聲波、酶分子和液體媒質相互之間的多種物理和化學的作用,主要有下面幾點:a.超聲波增加果膠酶分子通過液體界面層向纖維表面的擴散速度;在界面層果膠酶的濃度是關鍵因素,它制約整個反應的速率;b.超聲波加速除去反應區域內的果膠酶的水解產物,提高反應速率;c.超聲波有利于果膠酶分子進入纖維內部,從而使纖維素纖維的酶處理更加均勻;d.超聲波排除纖維毛細管和纖維交叉處溶解和包在液體中的空氣,并通過孔穴除去。而且在堿性果膠酶煮練時加入超聲波可以明顯減少廢水的排放,降低能耗以及生產的總體成本。并且,超聲波在酸性或堿性果膠酶處理織物時可以提高以后化學處理的速率。

  3.2在漂白工藝中的應用超聲波的空化作用可以使藥劑與纖維充分接觸,一方面超聲波作用于纖維使纖維內部的比表面積加大,從而增大了纖維吸附化學藥劑的比表面積,提高反應速率;另一方面超聲波的空化作用可有助于破壞發色體系,從而起到消色的作用。

  實驗證明,過氧化氫在冷法、煮沸法和超聲波法處理棉和亞麻紗的過程中,亞麻對過氧化氫的消耗,在一定程度上隨著方法的不同而不同。其中,煮沸法對過氧化氫的消耗比冷法及超聲波處理都高,幾乎為它們的二倍。超聲波處理的溫度(45°C)與煮沸法(100°C)相比是顯著地降低。這種現象是由于超聲機械及空化作用作用于液體,大量的振動能傳入液體內并產生一些熱量,提高了分子動能和碰撞沖量,使反應液與纖維充分接觸,從而加速了反應速度,降低了反應條件。處理后織物的強力介于冷法和煮沸法之間,處理后紗線的白度增加,柔軟性有顯著的提高。

  4超聲波在染色加工中應用4.1超聲波作用的力化學機理及其吸熱效應4.1.1超聲波作用的力化學機理根據高分子物的力化學,在超聲波的影響下,在適當的條件下,纖維材料的大分子會產生大分子的初級自由基,而且,往往都是一個大分子包含多個自由基。同時,由于液體介質空穴表面上的離子分布的不均勻性,可能產生一定的熱能差,由于空穴帶電荷而導致介質組成分激發和離子化,生成如離子、自由基及具有不同生存期的活性粒子,借助于空穴帶、空穴泡消失時產生的水力沖擊,進入纖維內部,與纖維大分子的初級自由基產生一定的共價結合,可以提高染料的固色率,減少染料的浪費,降低環境的污染。

  4.1.2超聲波的吸熱效應超聲波的振動可用風力、水力、電磁、壓電等專門的高頻發生器發生。超聲波與介質的相互作用,尤其是介質的吸熱效應,也是超聲波染色的一個基本出發點和主要基礎。在超聲波這種高頻振動的影響下,水分子反復地被極化,由于水分子的熱運動和相鄰分子間的相互作用,上述水分子隨超聲波振動方向的改變而針織工業擺動的規則運動將受到阻礙,產生了類似于磨擦的效應。結果必然有一部分能量轉化為分子的熱運動,使水的溫度升高。同時,在介質中還存在著一些離子或自由離子,在外場的作用下,形成的離子導電也會產生熱效應。

  4.2超聲波在染色體系中的作用4.2.1超聲波對纖維高分子材料的作用根據力學原理,任何材料的損傷和破壞都起源于材料中的原始缺陷和裂縫,而纖維高分子物無定形區的空隙正提供了這種可能。當超聲波作用于纖維材料時,必然在材料的原始缺陷處(即無定形區的空隙)產生應力、應變能的集中,超聲波所傳遞的能量必然有一部分轉化為裂紋擴展新表面所需要的能量,引起裂紋擴展。在適當的條件下主要發生裂紋的亞臨界擴展,即裂紋的尖端鈍化,前緣性發生一定程度的塑性形變,造成微晶之間的位錯,而產生上述纖維高分子材料的長周期反射值加大。隨纖維內部比表面積的增加,必然提高纖維吸附染料的能力。同時,纖維表面所發生的這種變化正是上述過程的佐證。由于超聲波的作用,產生纖維表面的微觀滑移而形成疲勞源即所謂的疲勞裂紋成核。此后,這一微小的裂紋沿結晶面生長,相繼又發生疲勞裂紋的亞臨界擴展,致使纖維的表面如同被腐蝕一樣,大大增加了吸附染料的纖維的比表面積。

  4.2.2超聲波對染色體系的作用超聲波在染色體系中的作用通常被認為有三個方面:a.分散作用染料對纖維的上染過程通常以單分子狀態來完成。但在染液中染料分子或離子會形成聚集體,以膠束狀態存在,分散性染浴中的染料則以染料晶體顆粒的狀態存在,阻礙了纖維對染料的吸收。超聲波不但能使染液中的染料聚集體解聚,而且還可以將染料分散浴中的染料顆粒擊碎,獲得粒度為1微米以下高穩定性的分散液。超聲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,超聲波可以提高染料對纖維的親和力,加速染料的吸收,提高纖維的得色量,但對于不同的染料,其標準親和力提高的幅度不一樣;b.除氣作用超聲波的空化作用可以將纖維毛細管或織物經煒交織點中溶解或滯留的空氣排除掉,從而有利于染料與纖維的接觸,有利于纖維對染料的吸收。因此,超聲波對厚密織物的染色效果更為顯著;c.擴散作用超聲波的空化作用可以穿透覆蓋纖維的隔離層,從而促進染料向纖維內部的擴散速度。研究表明,超聲波與常規染色相比較,擴散系數可提高30%左右,染色活化能明顯下降,超聲波可能增加纖維內無定形區鏈段的活性,使高分子側序度降低,而且有可能使纖維的結晶度和取向度下降。有報道稱,使用超聲波對亞麻織物的染色中,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,從而克服了傳統亞麻染色工藝中得色量低和染色困難的缺點。另據報道,在直接染料對棉織物的染色過程中,超聲波可以使染料的平衡上染百分率提高8%. 5影響超聲波染色效果的因素影響超聲波在染色作用中的因素很多,但主要受超聲波頻率、強度、纖維和染料的種類、染料濃度、染色溫度、電解質等影響。

  通常超聲波染色采用的聲波頻率在2050kHz之間,也就是空化作用發生最顯著的波段。低于該頻率的聲波不易引起空化作用,并且能量較低,雖然對染色起到一定的作用,但效果較差。當聲波頻率超過100kHz以上時,有可能引起纖維的聚合度下降、原纖化以至熔融等。

  超聲波染色的強度一般為0.8 1.0W/cm2,在該條件下染料對纖維的上染率可達到最大,同時還可以使紗線或織物膨松、纖維柔軟,但不會引起纖維的永久性松弛和纖維形態的改變。

  與常規染色不同,超聲波染色對于不同的纖維和不同的染料的染色作用不同。一般地講,超聲波染色對于水溶性染料和疏水性纖維的染色、分子量較高的染料的染色以及達到染色平衡時間長的染色等的作用較為明顯。例如,分散染料對醋酯纖維的超聲波染色,與常規染色相比較,其上染速度的提高很顯著,而纖維的得色量增加不明顯。而且,染料種類對超聲染色的影響尤為明顯,即使是同類染料,超聲波對其標準親和力提高的幅度不同,因而對染色效果的影響就不同。

  另外,染料的濃度越高,超聲波在染色中的作用就越明顯。

  一般超聲波染色的溫度采用45―65.,因為產生聲空化效應的最佳溫度為50°C,染色過程中部分聲能轉化為熱能,故染浴無需外加能量,屬于低溫染色,而且溫度越低,空化作用越明顯,超聲波對上染速率的影響就針織工業越大,因此,它可以用來改善染色工藝,提高上染速率,提高染色產品的質量。如果沒有超聲波處理,溫度越低,染料分子的動能就越低,纖維的溶脹程度就越小,上染速率就越小。例如,應用超聲波染色可避免由于高溫染色對蛋白質纖維和部分化學纖維所造成的損傷,同時,還可以使難以在高溫下處理的工藝得以順利進行。

  對于電解質在超聲波染色中的影響,實驗證明,在染色時,如果不加電解質,即使在超聲波處理條件下也難提高染料的上染率,說明超聲波的能量還不足以克服染料與纖維之間由于電性相同而產生的電荷斥力。所以,要使染料上染到織物上,無論在超聲波還是不在超聲波處理條件下染色,都必須加入電解質,在鹽效應的作用下,才可能使染料上染到纖維上,而且,它有一個最佳值,超過這個限度,同樣會使染料的聚集度增加,反而不利于上染百分率的提高。

  在直接染料對苧麻的染色工藝中,超聲波可以明顯提高直接染料在苧麻織物上的上染速率和上染百分率。其原因可能是:由于超聲波的聲空化作用和射流作用,使直接染料的聚集度下降,有利于染料向纖維內的擴散。發生在纖維與染液界面上的聲空化作用對界面產生了破壞作用,從而使染料更易于向纖維接近。超聲波把溶解或滯留在織物交叉點、紗線內部的空氣“驅逐”至溶器中,并通過聲空化作用和射流作用而排除,從而增加了染液與纖維的接觸面積。而且超聲波使纖維內部非晶區鏈段的活動加強,使染料在纖維內部的擴散速度加快。

  6前景及展望超聲波可用于改善多種紡織品染整加工工藝,例如煮練、漂白、染色、后整理與洗滌。它在染整加工中的使用具有許多優點,不但可以減少加工時間,降低化學品的消耗和能量損耗,改進產品質量,提高生產效率,降低環境污染,而且超聲波可以改善紡織品重新加工的條件,提高染色時的上染速率和上染百分率,提高織物染色的勻染性,但也存在不少問題,如加工成本、超聲波的方向性、噪音等。但是,由于超聲波設備的昂貴費用、實際上很少應用于工業大生產。隨著科技的發展和超聲波設備在其他工業領域的推廣應用,高性能超聲波設備的價格有望降低,這也是近年來興起“超聲化學熱”

  的真正推動力。總之,從解決環境污染、降低能源消耗、開發新型高質量的產品等角度來考慮,超聲波在染整加工中的應用還將有良好的發展前途和廣闊的應用前景。

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