纺织业超声波运用

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1超声波

超声波是一种人们听觉无法感知的振动波，它的频率很高，一般超出人类听觉范围。超声波与电磁波相似，可被反射、折射和聚焦，其不同之处在于：前者传播时需要弹性介质，而后者则可在真空中自由传播。在固体介质中超声波的纵向波和横向波均可传播，而在气体和液体介质中只有纵向波可传播。纺织品染整加工一般为液液、液固相体系，因此对超声波纵向波的研究更为重要。超声波在传播过程中，弹性介质中粒子产生振动并沿传播方向传递能量，从而产生机械效应、热效应和声空化现象。所谓声空化，是液体中气泡在声场作用下所发生的一系列动力学变化的过程。具有足够强度的超声波通过液体时，将经过压缩、高压、松弛和低压4个阶段。当声波负压半周期的声压幅值超过液体内部静压强时，存在于液体中的微气泡也称空化核就会迅速增大，形成直径可达500μm的气泡；而在相继而来的声压正压相中的气泡又被突然绝热压缩，直至“爆炸”。这一瞬间在气泡及其周围微小空间内出现“热点”，形成高温高压区。介质局部温度可达摄氏几百度，压力超过数百大气压，并伴有强大的冲击波、射流以及瞬间放电发光。这些条件足以打开结合力强的化学键，并能促进“水相燃烧”反应，为促进和启动化学反应创造了极好的物理环境。声空化作用的产生取决于许多因素，例如声波的频率和强度、液体介质的温度以及介质的蒸汽压等。诱导产生声空化现象的超声波频率以20～50KHz最为合适。过高的频率不易产生空化作用，即使产生也需要大量的能量，而且其中大部分能量被转化为热能，使介质温度明显提高。低强度超声波的应用不会引起介质的任何状态变化，只有高强度超声波的应用才可能对介质有强烈的影响，引发声空化作用。对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，超声波强度的作用受介质温度的影响很大。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。

2超声波的作用机理

2.1超声波对纤维高分子物的作用

根据力学理论，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。当超声波作用于纤维材料时，必然在材料的原始缺陷处产生应力、应变能的集中。超声波所传递的能量有一部分转化为裂缝扩展新表面所需的能量，引起裂纹的扩展，致使纤维的表面如同被腐蚀一样，大大增加了吸附整理剂（或染料）的纤维比表面积。但纤维微结构的变化也带来了纤维强力等物理机械性能的变化，因此必须把这种损伤控制在所允许的限度内，才能保证超声波染整的进行。

2.2超声波对整理液的作用

以超声波染色为例，超声波在整理液中的作用，一般认为有三个方面。

2.2.1分散作用

超声波不但能使染液中的染料颗粒聚集体解聚，而且还可以将染料分散于浴中，将染料颗粒击碎，获得粒度为1μm以下高稳定性的分散液，促进了染料对纤维的上染。此外，超声波可以提高水溶性和难溶性染料在染液中的溶解度。

2.2.2脱气作用

超声波的空化作用可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，从而有利于染料与纤维的接触，加速了纤维对染料的吸收。

2.2.3扩散作用

超声波染色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。另一方面，超声波染色还可能增加纤维内无定形区分子链段的活动性，加速了染料的扩散速度。

3超声波在纺织工业中的应用

3.1在退浆工艺中的应用

在纺织品退浆过程中，应用超声波可加速织物上浆膜的膨化和脱离，从而提高织物的退浆效率。在退浆过程中，超声波空化作用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，而超声波引起的乳化作用可以使去除的浆料溶解性能提高，使其具有较好的退浆效果，并且超声波的吸热效应可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。

3.2在煮练工艺中的应用

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作用、乳化作用、洗涤作用以及解聚作用。超声空化作用使粘附在纤维上的污物表面张力降低，在各个表面上和低处起着清洁作用，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。超声波洗毛可以降低洗毛温度、缩短洗毛时间、降低净洗剂用量，且在一定条件下，不用净洗剂或温度低于羊毛脂熔点仍可达到洗净毛的质量要求。利用超声波洗毛所得洗净毛蓬松性好，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；超声波作用后，羊毛鳞片变钝变光，降低了羊毛纤维摩擦效应，且作用时间越长，降低幅度越大，从而改善羊毛纤维的毡缩性。麻脱胶中，超声波脱胶比预酸处理效果好，且作用时间短，可采用流水线处理工艺。超声波对苎麻原麻中的胶质成分有分散作用，且随频率、功率不同分散效果不同。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使胶质去除。不同频率、功率超声波对麻纤维进行短时间预处理，完全可以代替费时的浸酸处理工序，有利于麻纤维的脱胶工艺自动化和连续化。绢纺原料精练中，超声波可加速丝胶溶解，使纤维充分分散。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，处理效果尤其好，不仅不用进腐化缸，而且不需高温、高pH值和长时间。经过超声波处理过的原料，白度高、纤维松散，易与蚕蛹分离。

3.3在漂白工艺中的应用

在漂白工艺中主要应用的是超声波的空化作用。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。采用超声波对棉织物进行双氧水漂白，观察到织物漂白速度提高，漂白时间缩短，而被处理织物白度更佳，优于传统的漂白方法。同时，用超声波处理后的漂白棉织物对于直接染料、活性染料上染率的提高是很有效的，活性染料染色时，纤维—染料的共价键形成是良好的和稳定的。有关超声波对亚麻加工影响的研究表明，与传统练漂的亚麻纤维比较，纤维白度得到提高。

3.4在染色工艺中的应用

因为产生空化效应的最佳温度为50℃，故超声波染色的温度通常采用45～65℃，属于低温染色。染色过程中部分声能转化为热能，故染浴无需外加热能。由于它属于低温染色，因此可以改善染色工艺，提高产品质量。例如，应用超声波染色可避免由于高温沸染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进行的处理工艺得以顺利进行。因此，超声波染色是一种很有前途的染色方法。纺织品的染色是一种多相的体系，包括作为固相的织物、作为液相的染液和截留在织物交织点纤维空隙内以及纤维毛细管中的空气和气泡。超声波的空化作用可使气泡离开固相表面而进入流动相，并从该处由于空化作用而立即除去。这不仅有利于染料和纤维间的接触，并提高了纤维表面染料的吸附率，因其提供额外动能给染料分子，克服了排斥力，有利于纤维对染料的吸收。因此，超声染色对提高厚密织物的染色效果更为显著。同时，超声染色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。研究表明，超声染色与常规染色相比较，可提高扩散系数达30%，染色活化能明显下降，超声波可能增加纤维内无定形区分子链段的活动性，使高分子侧序降低，可使纤维的结晶度下降。在超声波存在下使用活性染料对纤维素纤维染色，超声波可提高染料对纤维的亲和力，加速染料的吸收，提高染料的上染率和纤维的给色量，在相同条件下超声波染色的纤维颜色明显加深，也就是说超声波染色可显著地缩短染色时间，或者在相同的染色条件下降低染液的染料浓度；超声波染色可以不用或少用在常规染色中所使用的各种助剂，因此超声波染色还能明显地改善染色废液对环境的污染程度。使用碱性、酸性和金属络合染料对丝纤维进行染色的研究表明，在超声波存在下，上染丝纤维的染料量与对照样相比有所增加。此外，应用超声波能在相当低温度下、较短时间内对丝纤维进行染色，上染率较高且纤维强度基本保持不变。对合成纤维的试验表明，应用超声波可改变纤维的微细结构，实现织物的低温染色，从而减少污染，节约能源，还可促进染料的溶解和分散，加速染料的上染，改善纺织品的透染程度。

3.5在洗涤工艺中的应用

实验表明，将超声波应用于羊毛的洗涤加工中，洗涤时间可以从3h缩短至15～30min，而洗涤效果相同。洗涤效率主要取决于超声波强度，强度为129W/cm2时达到最大洗涤效率。这是由于空化作用产生强大冲击波并作用于被洗织物，因而减弱了杂质粒子和织物之间的分子粘附力，外来杂质则被分离并分散于洗涤液中。在超声波洗涤织物时，在快速的空穴作用以后，被洗涤的织物即受到强力的振动，此作用减弱了杂质颗粒与织物之间的分子粘附力。在这种情况下，沾污织物表面的外来物被分离，并分散至洗涤溶液中。

3.6在后整理中的应用

在超声波存在下，聚酯织物在不同浓度碱液中处理10～60min，结果表明，随碱液浓度的提高和处理时间的延长，织物的手感和防皱性能较佳，但撕破强力有所降低。将8～18kHz超声波用于脲醛树脂对棉织物的整理工艺的实验表明，整理织物即使经过60次水洗后，其弹性回复角也远高于常规工艺整理后的织物。由于树脂在纤维内部的渗透更深，使纤维超分子结构发生变化，故织物强力损失略有增加。另外，超声波在纺织品粘合、切割以及纺织品烘燥中也得到了应用。超声波粘合只在实际粘合面上产生热能，因此消除了纤维降解，使获得的产品更加持久耐用。并且超声波粘合不产生污染物质，有利于环境保护，消除了化学工业一大弊病，符合世界卫生组织有关条例。超声波切割适用领域广，从天然纤维、合成纤维到高性能纤维；从机织物、针织物到非织造织物。与冷切割工艺相比，热塑性材料的超声波切割与熔接可同时进行。与热切割工艺相比，超声波切割加工后的布边柔软，切割均匀，无厚度变化，无超厚现象，不产生焊珠。由于材料是从里向外加热，温度也不高，因此切割处颜色不发黄，加工过程对环境无害。加工过程不产生烟雾与臭味，消除了烧伤与烧焦的危险。在纺织工业中，最常用的是使用热对流和热辐射方法将热能传递到纺织品上，但这两种方法并不符合所有工艺要求，要么热传递过程太缓慢，要么会在热传递的同时产生整理剂泳移类的毛病。使用超声波可使烘燥速度明显加快，其作用机理是超声波将待烘燥的织物表面的水膜拆散并减少分散临界层，同时稍许升高烘燥织物上的温度。

4结语

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，如加工成本高、超声波的方向性和噪音控制等。由于超声波设备的昂贵费用，实际上很少应用于工业大生产中。随着科技的发展和超声波设备在其他工业领域的推广中应用，高性能超声波设备的价格有望降低，这也是近来兴起超声化学热的真正推动力。总之，从高效和上染率高等方面来考虑，超声波在染整加工中的应用还将有良好的发展前途和广阔的应用前景。