超聲波在紡織上的應(yīng)用

超聲波在紡織上的應(yīng)用

現(xiàn)代高科技在紡織印染中的作用已經(jīng)變得越來(lái)越重要，縮短了印花加工時(shí)間，降低了環(huán)境，節(jié)約了能源，保持了產(chǎn)品的質(zhì)量?，F(xiàn)代生物技術(shù)在促進(jìn)紡織印染的發(fā)展方面發(fā)揮了積極的作用?，F(xiàn)代物理技術(shù)，如離子技術(shù)、磁體技術(shù)和激光技術(shù)也進(jìn)入了染色加工的各個(gè)方面。其中，超聲波技術(shù)是方便、快速、有效、安全的。因此，超聲技術(shù)在紡織中的應(yīng)用越來(lái)越受到重視。1超聲超聲心理作用超聲波是人們聽(tīng)覺(jué)無(wú)法感知的振動(dòng)波.通常把頻率在2×106~2×109Hz的聲波叫超聲波.其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(shí)需要彈性介質(zhì).在固體和液體介質(zhì)中超聲波的縱波和橫波均可傳播;在氣體和液體介質(zhì)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(duì)超聲波的研究是重要的.在超聲波傳播時(shí),彈性介質(zhì)中的粒子產(chǎn)生擺動(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.聲波的機(jī)械效應(yīng)是指?jìng)髀暶劫|(zhì)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移、速度、加速度及聲壓等力學(xué)量的變化.聲波的熱效應(yīng)是指聲波在傳播過(guò)程中其部分能量被媒質(zhì)吸收轉(zhuǎn)變成熱能的現(xiàn)象.聲空化是超聲波機(jī)械效應(yīng)的一種特殊現(xiàn)象,它直接導(dǎo)致了聲化學(xué)的產(chǎn)生.所謂聲化學(xué)就是超聲波化學(xué),主要是指利用超聲波來(lái)加速化學(xué)反應(yīng)或啟通新的反應(yīng)通道,以提高化學(xué)反應(yīng)率或獲取新的化學(xué)反應(yīng)物的新興交叉學(xué)科.在物理學(xué)上,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)過(guò)程,具有足夠強(qiáng)度的超聲波通過(guò)液體時(shí)將發(fā)生壓縮和高壓、松弛和低壓等四個(gè)過(guò)程.液體聲空化的過(guò)程是集中聲場(chǎng)能量并迅速釋放的過(guò)程.當(dāng)聲波負(fù)壓半周期的聲壓幅值超過(guò)液體內(nèi)部靜壓強(qiáng)時(shí),存在于液體中的被稱(chēng)為空化核的微小氣泡就會(huì)迅速增大,形成直徑可達(dá)500μm的氣泡;而在相繼而來(lái)的聲壓正壓相中氣泡又被突然絕熱壓縮,直到“崩潰”或“爆炸”.崩潰瞬間,發(fā)生一個(gè)極短暫的強(qiáng)壓力脈動(dòng),在氣泡及其周?chē)⑿】臻g內(nèi)出現(xiàn)“熱點(diǎn)”,形成高溫高壓區(qū),溫度可達(dá)1900~5200K,壓力超過(guò)5.05×104kPa,溫度的時(shí)間變化率可達(dá)109K/s,并伴有強(qiáng)大的沖擊波和時(shí)速達(dá)400km的射流以及放電發(fā)光瞬間過(guò)程,這些條件足以打開(kāi)結(jié)合力強(qiáng)的化學(xué)鍵(90~100kcal/mol),并且促進(jìn)“水相燃燒”反應(yīng),為促進(jìn)和啟通化學(xué)反應(yīng)造成極端的物理環(huán)境.聲化學(xué)促進(jìn)的化學(xué)反應(yīng)包括:分子破碎、氧化——還原,有機(jī)鹵代物脫鹵以及產(chǎn)生自由基等反應(yīng).研究領(lǐng)域已經(jīng)涉及到生物化學(xué)、有機(jī)合成、高分子降解與聚合、分析化學(xué)、無(wú)機(jī)合成、電化學(xué)、光化學(xué)、立體化學(xué)、環(huán)境化學(xué)以及其它學(xué)科等.空化作用受液體粘滯系數(shù)、表現(xiàn)張力、蒸汽壓、溫度、聲波的頻率和強(qiáng)度以及環(huán)境壓力等影響.為有效地產(chǎn)生空化作用,使超聲化學(xué)益處得到充分發(fā)揮,液體中聲化學(xué)反應(yīng)的超聲頻率一般應(yīng)選在20kHz~50kHz之間,并采用較低的溫度(45~50℃),盡可能低的蒸汽壓.從能量的強(qiáng)弱角度出發(fā),超聲波的應(yīng)用可以分為兩類(lèi),即高強(qiáng)超聲技術(shù)和低強(qiáng)超聲技術(shù).低強(qiáng)度應(yīng)用技術(shù),輸入能量很低,以至于不會(huì)引起介質(zhì)的任何狀態(tài)變化.這方面的應(yīng)用很廣泛,并且較早,例如材料的無(wú)損傷試驗(yàn)、材料的彈性測(cè)定等.高強(qiáng)度超聲技術(shù)可能涉及相變,例如空化、蒸發(fā)等作用,這對(duì)介質(zhì)有更加強(qiáng)烈的影響,以至可能引起一系列化學(xué)變化.對(duì)于大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)來(lái)說(shuō),反應(yīng)速度均隨聲強(qiáng)的增加而增加.但是,超聲波的強(qiáng)度受介質(zhì)溫度的影響極大.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.體系的相結(jié)構(gòu)是影響超聲波技術(shù)應(yīng)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(shù)百倍.2超聲波技術(shù)在紡織前處理中的應(yīng)用2.1超聲波退漿整理在退漿過(guò)程中,超聲波空化作用而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;而超聲引起的乳化作用可以使去除的漿料由凝膠狀態(tài)轉(zhuǎn)化為溶膠狀態(tài),溶解性能提高,使其具有較好的退漿效果.由于超聲波的吸熱效應(yīng)可以使反應(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.Valu等人在其關(guān)于織物超聲波退漿的研究中也發(fā)現(xiàn)化學(xué)藥劑和能量的節(jié)約現(xiàn)象.使用超聲波退漿,可以減輕NaOH對(duì)纖維的降解,提高精練劑在退漿過(guò)程中的反應(yīng)活性,從而降低了退漿時(shí)燒堿的使用濃度、退漿溫度和時(shí)間,節(jié)約了能源,降低了環(huán)境污染,處理后紡織品的白度和潤(rùn)濕性與傳統(tǒng)退漿方法接近甚至有所提高,而且對(duì)試樣的機(jī)械強(qiáng)度無(wú)任何不利的影響.2.2超聲改性羊毛纖維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.超聲空化作用使粘附在纖維上的污物表面張力降低.因此在各個(gè)表面上和低凹處起著清潔作用,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.超聲波的分散作用使麻的膠質(zhì)與纖維分開(kāi),再利用超聲解聚作用將膠質(zhì)去除.據(jù)報(bào)道稱(chēng),使用超聲波精練羊毛,纖維性質(zhì)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(shí)間,降低凈洗劑用量;利用超聲波洗毛能使洗凈毛的蓬松性好,羊毛纖維之間不發(fā)生糾纏,白度高,洗凈毛中幾乎無(wú)細(xì)小雜質(zhì);超聲作用后,羊毛鱗片變光,降低了羊毛纖維之間摩擦效應(yīng),且作用時(shí)間越長(zhǎng),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(duì)于羊毛纖維的蝕刻作用,羊毛纖維細(xì)度更趨集中,長(zhǎng)時(shí)間作用會(huì)使羊毛纖維直徑明顯變小,斷裂伸長(zhǎng)增加,而對(duì)羊毛纖維強(qiáng)力無(wú)明顯損傷.超聲波對(duì)原麻中的膠質(zhì)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(shí)間短.可采用流水線(xiàn)處理工藝.絹紡原料精練中,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,其處理效果更好,不僅不用進(jìn)腐化缸,且不用高溫、高pH值和長(zhǎng)時(shí)間,在除膠保油的同時(shí),對(duì)纖維損傷小,可根據(jù)不同的要求,保住不同程度的膠質(zhì),且通過(guò)超聲波處理過(guò)的原料白度高,纖維松散,易與蠶蛹分離.超聲波對(duì)果膠酶的煮練工藝也具有促進(jìn)作用.實(shí)驗(yàn)證明,棉坯布果膠團(tuán)煮練過(guò)程中加入超聲波后,酸性和堿性果膠團(tuán)的性能有顯著的提高,加入超聲波煮練后的試樣可濕性、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(zhì)相互之間的多種物理和化學(xué)的作用,主要有下面幾點(diǎn):(1)超聲波增加果膠酶分子通過(guò)液體界面層向纖維表面的擴(kuò)散速度;在界面層果膠酶的濃度是關(guān)鍵因素,它制約整個(gè)反應(yīng)的速率;(2)超聲波加速除去反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的果膠酶的水解產(chǎn)物,提高反應(yīng)速率;(3)超聲波有利于果膠酶分子進(jìn)入纖維內(nèi)部,從而使纖維素纖維的酶處理更加均勻;(4)超聲波排除纖維毛細(xì)管和纖維交叉處溶解和包在液體中的空氣,并通過(guò)孔穴除去.而且在堿性果膠酶煮練時(shí)加入超聲波可以明顯減少?gòu)U水的排放,降低能耗以及生產(chǎn)的總體成本.并且,超聲波在酸性或堿性果膠酶處理織物時(shí)可以提高以后化學(xué)處理的速率.2.3超聲波處理棉、亞麻紗時(shí)過(guò)氧化氫用于棉、亞麻紗的制備.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.實(shí)驗(yàn)證明,用過(guò)氧化氫在冷法、煮沸法和超聲波法處理的棉和亞麻紗的過(guò)程中,亞麻對(duì)過(guò)氧化氫的消耗,在一定程度上隨著在不同的方法,即冷法、煮沸法和超聲波處理中的過(guò)氧化氫濃度的提高而提高.其中,煮沸法對(duì)過(guò)氧化氧的消耗比冷法及超聲波處理都高,幾乎為它們的2倍.超聲波處理的溫度(45℃)與煮沸法(100℃)相比顯著地降低了.這種現(xiàn)象是由于超聲機(jī)械及空化作用作用于液體,大量的振動(dòng)能傳入液體內(nèi)并產(chǎn)生一些熱量,提高了分子動(dòng)能和碰撞沖量,使反應(yīng)液與纖維充分接觸,從而加速了反應(yīng)速度,降低了反應(yīng)條件.處理后織物的強(qiáng)力介于冷法和煮沸法之間,處理后紗線(xiàn)的白度增加,柔軟性有顯著的提高.3超聲波作為化學(xué)品的應(yīng)用前景和應(yīng)用前景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(wèn)題,如加工