紡織業(yè)超聲波運(yùn)用
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1超聲波
超聲波是一種人們聽覺無法感知的振動(dòng)波，它的頻率很高，一般超出人類聽覺范圍。超聲波與電磁波相似，可被反射、折射和聚焦，其不同之處在于：前者傳播時(shí)需要彈性介質(zhì)，而后者則可在真空中自由傳播。在固體介質(zhì)中超聲波的縱向波和橫向波均可傳播，而在氣體和液體介質(zhì)中只有縱向波可傳播。紡織品染整加工一般為液液、液固相體系，因此對(duì)超聲波縱向波的研究更為重要。超聲波在傳播過程中，彈性介質(zhì)中粒子產(chǎn)生振動(dòng)并沿傳播方向傳遞能量，從而產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)和聲空化現(xiàn)象。所謂聲空化，是液體中氣泡在聲場(chǎng)作用下所發(fā)生的一系列動(dòng)力學(xué)變化的過程。具有足夠強(qiáng)度的超聲波通過液體時(shí)，將經(jīng)過壓縮、高壓、松弛和低壓4個(gè)階段。當(dāng)聲波負(fù)壓半周期的聲壓幅值超過液體內(nèi)部靜壓強(qiáng)時(shí)，存在于液體中的微氣泡也稱空化核就會(huì)迅速增大，形成直徑可達(dá)500μm的氣泡；而在相繼而來的聲壓正壓相中的氣泡又被突然絕熱壓縮，直至“爆炸”。這一瞬間在氣泡及其周圍微小空間內(nèi)出現(xiàn)“熱點(diǎn)”，形成高溫高壓區(qū)。介質(zhì)局部溫度可達(dá)攝氏幾百度，壓力超過數(shù)百大氣壓，并伴有強(qiáng)大的沖擊波、射流以及瞬間放電發(fā)光。這些條件足以打開結(jié)合力強(qiáng)的化學(xué)鍵，并能促進(jìn)“水相燃燒”反應(yīng)，為促進(jìn)和啟動(dòng)化學(xué)反應(yīng)創(chuàng)造了極好的物理環(huán)境。聲空化作用的產(chǎn)生取決于許多因素，例如聲波的頻率和強(qiáng)度、液體介質(zhì)的溫度以及介質(zhì)的蒸汽壓等。誘導(dǎo)產(chǎn)生聲空化現(xiàn)象的超聲波頻率以20～50KHz最為合適。過高的頻率不易產(chǎn)生空化作用，即使產(chǎn)生也需要大量的能量，而且其中大部分能量被轉(zhuǎn)化為熱能，使介質(zhì)溫度明顯提高。低強(qiáng)度超聲波的應(yīng)用不會(huì)引起介質(zhì)的任何狀態(tài)變化，只有高強(qiáng)度超聲波的應(yīng)用才可能對(duì)介質(zhì)有強(qiáng)烈的影響，引發(fā)聲空化作用。對(duì)大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)來說，反應(yīng)速度均隨聲強(qiáng)的增加而增加。但是，超聲波強(qiáng)度的作用受介質(zhì)溫度的影響很大。研究表明，隨著液體溫度的提高，聲強(qiáng)的影響明顯下降，在50℃水中發(fā)生的空化效應(yīng)最大。
2超聲波的作用機(jī)理
2.1超聲波對(duì)纖維高分子物的作用
根據(jù)力學(xué)理論，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。當(dāng)超聲波作用于纖維材料時(shí)，必然在材料的原始缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變能的集中。超聲波所傳遞的能量有一部分轉(zhuǎn)化為裂縫擴(kuò)展新表面所需的能量，引起裂紋的擴(kuò)展，致使纖維的表面如同被腐蝕一樣，大大增加了吸附整理劑（或染料）的纖維比表面積。但纖維微結(jié)構(gòu)的變化也帶來了纖維強(qiáng)力等物理機(jī)械性能的變化，因此必須把這種損傷控制在所允許的限度內(nèi)，才能保證超聲波染整的進(jìn)行。
2.2超聲波對(duì)整理液的作用
以超聲波染色為例，超聲波在整理液中的作用，一般認(rèn)為有三個(gè)方面。
2.2.1分散作用
超聲波不但能使染液中的染料顆粒聚集體解聚，而且還可以將染料分散于浴中，將染料顆粒擊碎，獲得粒度為1μm以下高穩(wěn)定性的分散液，促進(jìn)了染料對(duì)纖維的上染。此外，超聲波可以提高水溶性和難溶性染料在染液中的溶解度。
2.2.2脫氣作用
超聲波的空化作用可將纖維毛細(xì)管或織物經(jīng)緯交織點(diǎn)中溶解或滯留的空氣排除，從而有利于染料與纖維的接觸，加速了纖維對(duì)染料的吸收。
2.2.3擴(kuò)散作用
超聲波染色的空化作用可以穿透覆蓋纖維的隔離層，從而促進(jìn)染料向纖維內(nèi)部的擴(kuò)散。另一方面，超聲波染色還可能增加纖維內(nèi)無定形區(qū)分子鏈段的活動(dòng)性，加速了染料的擴(kuò)散速度。
3超聲波在紡織工業(yè)中的應(yīng)用
3.1在退漿工藝中的應(yīng)用
在紡織品退漿過程中，應(yīng)用超聲波可加速織物上漿膜的膨化和脫離，從而提高織物的退漿效率。在退漿過程中，超聲波空化作用引起的分散作用可以使大分子之間產(chǎn)生分離，促進(jìn)漿料與纖維的粘著變松，而超聲波引起的乳化作用可以使去除的漿料溶解性能提高，使其具有較好的退漿效果，并且超聲波的吸熱效應(yīng)可使反應(yīng)保持在一定的溫度，為反應(yīng)提供能量，從而節(jié)省了其它能量。
3.2在煮練工藝中的應(yīng)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作用、乳化作用、洗滌作用以及解聚作用。超聲空化作用使粘附在纖維上的污物表面張力降低，在各個(gè)表面上和低處起著清潔作用，同時(shí)空化作用使污物和油垢得以乳化，協(xié)助清除油垢和污物。超聲波洗毛可以降低洗毛溫度、縮短洗毛時(shí)間、降低凈洗劑用量，且在一定條件下，不用凈洗劑或溫度低于羊毛脂熔點(diǎn)仍可達(dá)到洗凈毛的質(zhì)量要求。利用超聲波洗毛所得洗凈毛蓬松性好，羊毛纖維之間不發(fā)生糾纏，白度高，洗凈毛中幾乎無細(xì)小雜質(zhì)；超聲波作用后，羊毛鱗片變鈍變光，降低了羊毛纖維摩擦效應(yīng)，且作用時(shí)間越長，降低幅度越大，從而改善羊毛纖維的氈縮性。麻脫膠中，超聲波脫膠比預(yù)酸處理效果好，且作用時(shí)間短，可采用流水線處理工藝。超聲波對(duì)苧麻原麻中的膠質(zhì)成分有分散作用，且隨頻率、功率不同分散效果不同。超聲波的分散作用使麻的膠質(zhì)與纖維分開，再利用超聲解聚作用使膠質(zhì)去除。不同頻率、功率超聲波對(duì)麻纖維進(jìn)行短時(shí)間預(yù)處理，完全可以代替費(fèi)時(shí)的浸酸處理工序，有利于麻纖維的脫膠工藝自動(dòng)化和連續(xù)化。絹紡原料精練中，超聲波可加速絲膠溶解，使纖維充分分散。超聲波的除油、除膠效果明顯比常規(guī)處理好，尤其對(duì)含油較高的原料，處理效果尤其好，不僅不用進(jìn)腐化缸，而且不需高溫、高pH值和長時(shí)間。經(jīng)過超聲波處理過的原料，白度高、纖維松散，易與蠶蛹分離。
3.3在漂白工藝中的應(yīng)用
在漂白工藝中主要應(yīng)用的是超聲波的空化作用。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(nèi)部的比表面積加大，從而增大了纖維吸附化學(xué)藥劑的比表面積，提高反應(yīng)速率；另一方面超聲波的空化作用可有助于破壞發(fā)色體系，從而起到消色的作用。采用超聲波對(duì)棉織物進(jìn)行雙氧水漂白，觀察到織物漂白速度提高，漂白時(shí)間縮短，而被處理織物白度更佳，優(yōu)于傳統(tǒng)的漂白方法。同時(shí)，用超聲波處理后的漂白棉織物對(duì)于直接染料、活性染料上染率的提高是很有效的，活性染料染色時(shí)，纖維—染料的共價(jià)鍵形成是良好的和穩(wěn)定的。有關(guān)超聲波對(duì)亞麻加工影響的研究表明，與傳統(tǒng)練漂的亞麻纖維比較，纖維白度得到提高。
3.4在染色工藝中的應(yīng)用
因?yàn)楫a(chǎn)生空化效應(yīng)的最佳溫度為50℃，故超聲波染色的溫度通常采用45～65℃，屬于低溫染色。染色過程中部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，故染浴無需外加熱能。由于它屬于低溫染色，因此可以改善染色工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量。例如，應(yīng)用超聲波染色可避免由于高溫沸染對(duì)蛋白質(zhì)纖維和部分化學(xué)纖維所造成的損傷，同時(shí)還可以使難以在高溫下進(jìn)行的處理工藝得以順利進(jìn)行。因此，超聲波染色是一種很有前途的染色方法。紡織品的染色是一種多相的體系，包括作為固相的織物、作為液相的染液和截留在織物交織點(diǎn)纖維空隙內(nèi)以及纖維毛細(xì)管中的空氣和氣泡。超聲波的空化作用可使氣泡離開固相表面而進(jìn)入流動(dòng)相，并從該處由于空化作用而立即除去。這不僅有利于染料和纖維間的接觸，并提高了纖維表面染料的吸附率，因其提供額外動(dòng)能給染料分子，克服了排斥力，有利于纖維對(duì)染料的吸收。因此，超聲染色對(duì)提高厚密織物的染色效果更為顯著。同時(shí)，超聲染色的空化作用可以穿透覆蓋纖維的隔離層，從而促進(jìn)染料向纖維內(nèi)部的擴(kuò)散。研究表明，超聲染色與常規(guī)染色相比較，可提高擴(kuò)散系數(shù)達(dá)30%，染色活化能明顯下降，超聲波可能增加纖維內(nèi)無定形區(qū)分子鏈段的活動(dòng)性，使高分子側(cè)序降低，可使纖維的結(jié)晶度下降。在超聲波存在下使用活性染料對(duì)纖維素纖維染色，超聲波可提高染料對(duì)纖維的親和力，加速染料的吸收，提高染料的上染率和纖維的給色量，在相同條件下超聲波染色的纖維顏色明顯加深，也就是說超聲波染色可顯著地縮短染色時(shí)間，或者在相同的染色條件下降低染液的染料濃度；超聲波染色可以不用或少用在常規(guī)染色中所使用的各種助劑，因此超聲波染色還能明顯地改善染色廢液對(duì)環(huán)境的污染程度。使用堿性、酸性和金屬絡(luò)合染料對(duì)絲纖維進(jìn)行染色的研究表明，在超聲波存在下，上染絲纖維的染料量與對(duì)照樣相比有所增加。此外，應(yīng)用超聲波能在相當(dāng)?shù)蜏囟认隆⑤^短時(shí)間內(nèi)對(duì)絲纖維進(jìn)行染色，上染率較高且纖維強(qiáng)度基本保持不變。對(duì)合成纖維的試驗(yàn)表明，應(yīng)用超聲波可改變纖維的微細(xì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)織物的低溫染色，從而減少污染，節(jié)約能源，還可促進(jìn)染料的溶解和分散，加速染料的上染，改善紡織品的透染程度。
3.5在洗滌工藝中的應(yīng)用
實(shí)驗(yàn)表明，將超聲波應(yīng)用于羊毛的洗滌加工中，洗滌時(shí)間可以從3h縮短至15～30min，而洗滌效果相同。洗滌效率主要取決于超聲波強(qiáng)度，強(qiáng)度為129W/cm2時(shí)達(dá)到最大洗滌效率。這是由于空化作用產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊波并作用于被洗織物，因而減弱了雜質(zhì)粒子和織物之間的分子粘附力，外來雜質(zhì)則被分離并分散于洗滌液中。在超聲波洗滌織物時(shí)，在快速的空穴作用以后，被洗滌的織物即受到強(qiáng)力的振動(dòng)，此作用減弱了雜質(zhì)顆粒與織物之間的分子粘附力。在這種情況下，沾污織物表面的外來物被分離，并分散至洗滌溶液中。
3.6在后整理中的應(yīng)用
在超聲波存在下，聚酯織物在不同濃度堿液中處理10～60min，結(jié)果表明，隨堿液濃度的提高和處理時(shí)間的延長，織物的手感和防皺性能較佳，但撕破強(qiáng)力有所降低。將8～18kHz超聲波用于脲醛樹脂對(duì)棉織物的整理工藝的實(shí)驗(yàn)表明，整理織物即使經(jīng)過60次水洗后，其彈性回復(fù)角也遠(yuǎn)高于常規(guī)工藝整理后的織物。由于樹脂在纖維內(nèi)部的滲透更深，使纖維超分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，故織物強(qiáng)力損失略有增加。另外，超聲波在紡織品粘合、切割以及紡織品烘燥中也得到了應(yīng)用。超聲波粘合只在實(shí)際粘合面上產(chǎn)生熱能，因此消除了纖維降解，使獲得的產(chǎn)品更加持久耐用。并且超聲波粘合不產(chǎn)生污染物質(zhì)，有利于環(huán)境保護(hù)，消除了化學(xué)工業(yè)一大弊病，符合世界衛(wèi)生組織有關(guān)條例。超聲波切割適用領(lǐng)域廣，從天然纖維、合成纖維到高性能纖維；從機(jī)織物、針織物到非織造織物。與冷切割工藝相比，熱塑性材料的超聲波切割與熔接可同時(shí)進(jìn)行。與熱切割工藝相比，超聲波切割加工后的布邊柔軟，切割均勻，無厚度變化，無超厚現(xiàn)象，不產(chǎn)生焊珠。由于材料是從里向外加熱，溫度也不高，因此切割處顏色不發(fā)黃，加工過程對(duì)環(huán)境無害。加工過程不產(chǎn)生煙霧與臭味，消除了燒傷與燒焦的危險(xiǎn)。在紡織工業(yè)中，最常用的是使用熱對(duì)流和熱輻射方法將熱能傳遞到紡織品上，但這兩種方法并不符合所有工藝要求，要么熱傳遞過程太緩慢，要么會(huì)在熱傳遞的同時(shí)產(chǎn)生整理劑泳移類的毛病。使用超聲波可使烘燥速度明顯加快，其作用機(jī)理是超聲波將待烘燥的織物表面的水膜拆散并減少分散臨界層，同時(shí)稍許升高烘燥織物上的溫度。
4結(jié)語
超聲波可用于改善多種紡織品染整加工工藝，例如退漿、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(yōu)點(diǎn)，如減少加工時(shí)間，降低化學(xué)品的消耗和能量損耗，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量等。但也存在不少問題，如加工成本高、超聲波的方向性和噪音控制等。由于超聲波設(shè)備的昂貴費(fèi)用，實(shí)際上很少應(yīng)用于工業(yè)大生產(chǎn)中。隨著科技的發(fā)展和超聲波設(shè)備在其他工業(yè)領(lǐng)域的推廣中應(yīng)用，高性能超聲波設(shè)備的價(jià)格有望降低，這也是近來興起超聲化學(xué)熱的真正推動(dòng)力。總之，從高效和上染率高等方面來考慮，超聲波在染整加工中的應(yīng)用還將有良好的發(fā)展前途和廣闊的應(yīng)用前景。