超声波在纯棉织物退浆工艺中的应用_前沿技术_印花技术

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超声波在纯棉织物退浆工艺中的应用

集萃印花网 2009-12-09

【集萃网观察】前言

近十几年来，许多大大小小的纺织印染企业陆续从城市迁出，原来在大城市的企业搬迁到邻近的中小城市或农村，而对环境污染严重的企业则被勒令停止生产，面临倒闭。前几年辉煌的纺织贸易现在山于种种原因，例如贸易壁垒、国外反倾销、反补贴措施而受到影响，这些对中国纺织品出口的危害要比单纯的数量限制大得多，纺织贸易出现了严重困难。纺织印染行业面对内外双重压力变得举步维艰，生存空间越来越小。那么，纺织行业要发展下去，必须针对自身的能耗大、污染严重的缺点进行改善，要作出改变，要以科学技术为导向。

在印染生产中要消耗大量的能源，并造成环境污染，其中水资源的消耗和污染尤其严重。例如lD电棉坯布在退浆中就要消耗40吨的水，而水资源是有限的，而且污染情况非常严重。面对水资源的缺乏，面对能源的紧张，印染行业急需一次技术革命来拯救。当今世界的科学技术正处于一个飞速发展的时期，学科之间的相互联系，相互渗透日益频繁，并展现出日益蓬勃的生机。现代化学、生物化学及计算机科学在染整技术的发展中起了积极作用，例如超临界流体二氧化碳在染整中的应用等，其中，超声波技术以其方便、迅速、有效、安全的特点，引起了印染企业的高度关注。超声波成功地应用于提高纺织品各种性能的处理过程，如棉及棉混纺织物的丝光、纤维和纱线的退浆、精练以及织物的氧漂、染色和后整理，这给印染行业无形中打了一支强心针。超声波的发展将给传统印染工业带来质的飞跃，从能源节约和生态环境的观点来看，这一革新的技术都是很有意义的。

1 超声波及其清洗原理

声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为16Hz-20kHz，当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波，高于20kHz则称为超声波。超声波具有如下特性：

1)超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。

2)超声波可传递很强的能量。

3)超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

4)超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。

超声波主要具有机械效应(如传声媒质的质点振动位移、声压等)、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，这些效应可以归纳为机械作用、热作用、空化作用三个基本作用。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以作为气核，在超声波作用下，气核膨胀长大，并被周围的液体蒸汽或气体充满，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(空化现象)。

当然液体中并不是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～80kHz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摄氏度水中发生的空腔效应最大。当超声波电源将50Hz的日常供电频率改变为28kHz后，通过输出电缆线将其输送给粘接在盛放清洗溶液的清洗槽底部的超声波发生器(换能器)，由换能器将高频的电能转换成机械振动并发射至清洗液中，当高频的机械振动传播到液体里后，清洗液内即产生空化现象，达到清洗的目的。由于超声波的频率很高，在液体中所产生的空化作用可以达到28000次/秒，几乎可以说是不断地在进行。在液体中由于空化现象所产生的气泡数量众多且无所不在，因此对于工件的清洗可以非常彻底，即使是形状复杂的工件内部，只要能够接触到溶液，就可以得到彻底的清洗，又因为每个气泡的体积非常微小，因此虽然它们的破裂能量很高，但对于工件和液体来说，不会产生机械破坏和明显的升温。

2 在纯棉退浆中的应用

棉坯布上含有大量的杂质，包括棉纤维上的天然杂质，合成纤维上的油剂，经纱上的浆料和污垢，这些杂质的存在，不但使织物色泽发黄，手感粗糙，吸湿性差，更给后面的染色带来很大的影响，所以必须进行前处理，而超声波技术在退浆中扮演着重要角色。

织物上的浆料组成与织物品种有关，浆料的种类主要分为三大类：淀粉(包括变性淀粉)、聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酸类浆料，一般来讲，棉织物多采用变性淀粉浆料。

超声波在纯棉织物退浆过程中的退浆原理如下：利用超声波空化冲击效应，由超声波发出高频高压振荡信号，经换能器变换为机械振动传入到水中，以连续不断的方式辐射直线传播的超声波束，超声波束在水中前进时会产生成千上万的负压小气泡，这些气泡在一定的压力下在织物表面形成一连串密集的爆炸，不断冲击织物表面，包括穿透到织物的另一侧面，以及织物的纱线、纤维间，由空化作用而引起的分散作用可以使大分子物之间产生分离，促使浆料与纤维的粘着变松，再经过机械作用，浆料就从织物上脱落，而由超声波引起的乳化作用可以使去除的浆料由凝胶状态转化为溶胶状态，溶解性能提高，有效地防止被清洗的浆料重新附着在织物上，从而达到很好的退浆效果。由于超声波的热效应可以使反应保持在一定温度，为反应提供能量，从而节省了外加能量。

3 优缺点

与传统织物退浆技术的高能耗、高环境污染相比，超声波技术在退浆工艺中的应用有以下优点：

(1)缩短退浆时间，节约能耗，减少化学试剂的使用，尤其是烧碱的使用，从而减少对环境的污染和化学试剂对纤维的损伤。

(2)能够达到甚至优于传统方法退浆的效果，还可以提高产品的质量和性能。

(3)超声波对人体没有辐射影响。

但是，利用超声波技术退浆也存在一些问题，如超声波设备的昂贵费用从而提高了织物的加工成本，这会影响到超声波技术的普及使用；超声波具有的方向性和在退浆过程中的噪音等新问题也有待解决。

5 前景展望

随着科技的发展和超声波设备在其它领域的推广应用，高性能超声波设备的普及可能导致价格有所降低。总之，从解决环境污染、降低能源消耗、开发新型高质量的产品等角度来考虑，超声波在纺织品加工中以其方便、迅速、有效、安全的特点将引起更多的科研工作者和企业的关注，理论不断创新，用到生产实践中去，绿色生产、精益生产将是企业未来的主流生产路线，其中超声波扮演着越来越重要的角色。因此超声波在纺织品加工中的应用将有良好的发展前途和广阔的应用前景。

来源: 印染在线作者：东华大学化学化工与生物工程学院朱钧雨张记翔王杰欧

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