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            超声波在印染行业的应用

            2010/5/17 11:52:04

            纺织材料的染整加工要消耗大量的水和能源,还经常需要大量的时间。科研工作者相继研究开发出许多特殊的加工技术。如射频技术、微波技术、真空抽取技术。这些技术方法不但减少了加工时间与能源消耗,并且提高了产品染色的质量。
              超声波作为清洁容器,分散染料,影响化学反应的强有力的手段被使用了多年。但是最近发现,超声波能用来提高反应率,减少煮练时间和染色时间,提高面料白度。超声波还可以改善多种纺织加工工艺,作为一种广泛使用的技术,具有影响多种湿加工的能力。超声波可改变退浆、煮练、漂白、染色、整理与洗涤过程。其在湿加工中的使用可以减少加工时间,降低化学品的消耗和能耗,改进产品质量。
              超声波是一种频率超出人类听觉范围17kHz以上的声波。超声波很像电磁波,能折射、聚焦和反射,然而和电磁波又不同,电磁波可以在真空中自由传播,而超声波的传播要依靠弹性介质。其传播时,使弹性介质中的粒子振荡,并通过介质按超声波的传播方向传递能量,这种波可分为纵向波和横向波。在固体内,两者都可以传送,而在气体和液体内,只有纵向波可以传送。由于染整加工大多为湿加工,因此对超声波的纵向波的研究尤其重要。
              超声波主要具有机械效应(如传声媒质的质点振动位移、速度、加速度、声压等力学量)、热效应(声波在传播过程中其部分能量被媒质吸收变成热能)和空腔效应。其中空腔效应是声化学的应用理论基础,也最为重要。空腔效应由成核、微泡生长、空腔塌陷三步组成。在反应体系中,液体内存在张力弱区,即液体内溶有气体或在尘埃的液固界面上存在气体———作为气核,在超声波作用下,气核膨胀长大,并为周围的液体蒸气或气体充满,由于内外压力悬殊使空腔塌陷、破裂,把集中的声场能量在极短的时间和极小的空间内释放出来,使介质局部形成几百到几千K的高温和超过数百个大气压的高压环境,并产生出很大的冲击力,起到激烈搅拌的作用,同时生成大量微泡。它们又作为新的气核,使该循环继续下去,这就是空腔效应。
              当然并不是液体中所有的气核都能产生空腔效应,只有当外加的超声波频率与气核的固有频率相同时,空腔效应才能发生。同时也受到其它如声波的强度、液体介质的温度以及介质的蒸汽压等的影响。诱导产生空腔效应的超声波频率以20kHz~60kHz最为适当。过高的频率不易产生空腔效应,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,引发空腔效应。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℃水中发生的空腔效应最大。
              超声波弹性振动具有分散、脱气及扩散功能。在弹性振动下,化学品微粒聚集体,分解成均匀的分散体,提高化学药剂的扩散、渗透速度。在弹性振动下,使溶液中的粒子振荡,其方向与波的传播方向平行,形成纵向波,分子的纵向振动产生了压缩和稀疏,即高和低的局部压力区,发生闸阀效应,把溶解或截留的气体或空气分子,从织物交岔点处、纤维毛细管和间隙处驱逐至溶液中,随之排除,为工作液逼迫渗透提供条件,这就是超声波的脱气功能。浸在工作液中的织物,紧靠布面存在着一固定层叫能斯脱层(或称粘性阻滞层),从工作液到达纤维表面的化学晶量是和能斯脱层的厚度成反比例的,而这一层的厚度取决于工作液的机械运动程度。工作液的弹性振动可以使能斯脱层变薄,有利于加速溶液扩散到纤维内部。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,而纤维高分子无定形区的空隙正是提供了这种可能。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,超声波所传送的能量必然有一部分转化为裂纹扩展新表面所需的能量,引起裂纹扩展,致使纤维的表面如同被腐蚀一样,大大增加了吸附化学药剂的的纤维比表面积。
              此外,使用超声波在液体介质中的振动可以粉碎染体中的染料粒子,增加洗涤剂的表面活性,改善乳化液和胶体溶液的安定性,在染整工艺中如退浆、煮练、漂白、水洗和染色中使用,以提高化学药剂的扩散速度,活化和加快反应进行。
              总的来说,超声波对于染色加工的作用可能有:
              能使纤维表面的染液动力边界层减薄,起有力的搅拌作用,加速了纤维表面对染料的吸附。同时,这种作用会提高染透和匀染效果。
              能加速染料在纤维内的扩散速率,一方面是由于纤维表面吸附染料量增多后增加了纤维内外的浓度梯度,另一方面是纤维无定形区分子链活动性增强或纤维内孔道增大及染料分子运动速度加快。
              对一些难溶或容易聚集的染料,超声波可以增加染料的溶解度,因而也可加速上染作用。施加超声波后,可以把溶解或截留的气体或空气从织物内部驱逐出去,这样就改善了染液对织物纤维表面的渗透和润湿,缩短染色时间。
             


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