超聲波在紡織工業(yè)中的應(yīng)用探討

劉亨昌，劉 麗

(河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050018)

超聲波是頻率大于20 kHz的聲波，因為它超出了人的聽覺上限，故稱之為“超聲波”。隨著相關(guān)科學(xué)的相互交叉滲透和功率超聲波儀器設(shè)備的日趨完善，使超聲技術(shù)廣泛應(yīng)用于化學(xué)、化工、醫(yī)療和醫(yī)藥等許多領(lǐng)域。近年來,超聲波在紡織行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用, 不少染整工藝過程中應(yīng)用聲波加速紡織品濕加工的速度，提高萃取雜質(zhì)能力，改善紡織品的品質(zhì)，制備納米材料，節(jié)省水、電、汽，優(yōu)化環(huán)境等。 超聲技術(shù)是一門很有發(fā)展?jié)摿Φ膶W(xué)科，超聲技術(shù)的研究一旦取得突破性進展，必將給紡織工業(yè)生產(chǎn)帶來新的生機和活力。

1 超聲波的物理特性

由于超聲波的頻率相對較高，在液體中傳播能量損失較小，因而具有很強的穿透能力。超聲波在通過介質(zhì)時會產(chǎn)生一系列的特殊效應(yīng)，主要有以下三種。

1.1 超聲波的機械效應(yīng)

超聲波與電磁波相似,可以被聚集、反射和折射,但在傳播時需要有彈性介質(zhì)。超聲波在傳播過程中,能夠引起彈性介質(zhì)中粒子產(chǎn)生振動并沿傳播方向傳遞能量,超聲波能量容易集中,因而形成很大的強度,能使物質(zhì)作激烈的強迫機械振動。

1.2 超聲波的熱效應(yīng)

媒質(zhì)對超聲波的吸收會引起溫度上升，在超聲波這種高頻振動的影響下, 水分子反復(fù)地被極化, 由于水分子的熱運動和相鄰分子間的相互作用, 上述水分子隨超聲波振動方向的改變而擺動的規(guī)則運動將受到阻礙, 產(chǎn)生了類似于摩擦的效應(yīng)。結(jié)果必然有一部分能量轉(zhuǎn)化為分子的熱運動, 使水的溫度升高。同時在介質(zhì)中還存在著一些離子或自由電子, 在外場存在的條件下, 形成了離子導(dǎo)電也會產(chǎn)生熱效應(yīng)。一方面,頻率愈高,這種熱效應(yīng)就愈顯著；另一方面,在不同媒質(zhì)的分界面上,超聲波能量將大量地轉(zhuǎn)換成熱能,往往造成分界面處的局部高溫[1-2]。

1.3 超聲波的空化效應(yīng)

空化是液體中的一種物理現(xiàn)象，在超聲波的作用下液體的某一區(qū)域會形成局部的暫時負壓區(qū)從而產(chǎn)生空穴現(xiàn)象，并且在波腹生成駐波時可能產(chǎn)生空穴泡。這些充有蒸汽或空氣的氣泡處于非穩(wěn)定狀態(tài)，在空穴帶消失、空穴泡崩潰時會產(chǎn)生強烈的水力沖擊，這些引發(fā)沖擊波的水力沖擊伴有很大的局部壓力脈沖, 并產(chǎn)生高速度梯度流。由于氣泡的非線性振動和它們破滅時產(chǎn)生的巨大壓力,伴隨著這種空化現(xiàn)象會產(chǎn)生許多物理和化學(xué)效應(yīng)[1]。

空穴作用的發(fā)生取決于超聲波的頻率、強度、介質(zhì)溫度以及液體的蒸汽壓力。超聲波的強度將受到介質(zhì)溫度的很大影響, 試驗顯示強度的作用隨溫度的上升而減小。在水中, 最大的空穴效應(yīng)在50 ℃時出現(xiàn)。系統(tǒng)的相結(jié)構(gòu)是評定應(yīng)用超聲波是否有益的另一個標準。所有染整濕加工都屬于多相體系,在多相體中的空穴作用要比在均相體系中大幾百倍[2]。

2 超聲波的作用機理

2.1 超聲波對纖維高分子物的作用

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, 而纖維高分子物無定形區(qū)的空隙正是提供了這種可能。當超聲波作用于纖維材料時, 必然在材料的原始缺陷處即無定形區(qū)的空隙產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變能的集中, 超聲波所傳送的能量必然有一部分轉(zhuǎn)化為裂紋擴展新表面所需的能量, 引起裂紋擴展。同時，由于超聲波的作用, 產(chǎn)生纖維表面的微觀滑移, 而形成疲勞源即所謂的疲勞裂紋成核。此后, 這一微小的裂紋沿結(jié)晶面生長,相繼又發(fā)生了疲勞裂紋的亞臨界擴展, 致使纖維的表面如同被腐蝕的一樣。大大增加了纖維表面的比表面積。纖維微結(jié)構(gòu)發(fā)生上述的變化, 不可避免地會發(fā)生纖維的強力等物理機械性能的變化?？梢哉f損傷所造成纖維材料性能的劣化恰恰是纖維微觀結(jié)構(gòu)的變化和吸附量增大的宏觀表現(xiàn)[2]。

2.2 超聲波對工作液的作用

超聲波對工作液的作用主要包括以下三方面。

分散作用是指化學(xué)品的膠態(tài)分子團與高分子質(zhì)量微粒聚集體, 在聲能的作用下, 均勻分散在工作液中, 提高了化學(xué)品的擴散和滲透速度；脫氣作用是使彈性介質(zhì)( 工藝溶液) 中的粒子發(fā)生縱向振蕩, 產(chǎn)生疏密的閘閥效應(yīng), 即高和低的局部壓力區(qū), 從而將溶解或截留的氣態(tài)分子, 從織物交叉、纖維毛細管和間隙中驅(qū)逐至溶液中, 伴隨著工作液的逼迫滲透, 隨之排除；擴散作用是浸在工作液中的織物, 緊靠布面存在著一固定層叫黏性阻滯層, 從工作液到達纖維表面的化學(xué)品的量與黏性阻滯層的厚度成反比, 而這一層的厚度決定于工作液的機械運動程度, 工作液因聲能的彈性振動促使阻滯層變薄, 有助于加速溶液擴散到纖維內(nèi)部。

聲能在液體介質(zhì)中, 可以粉碎溶液中的溶質(zhì)粒子, 增大其表面積, 加快染料的滲透, 增加洗滌劑的表面活性, 改善乳化液和膠體溶液的穩(wěn)定性, 加速濕加工中工作液的擴散、活化和強化反應(yīng)[3]。

3 超聲波在紡織工業(yè)中的應(yīng)用

3.1 超聲波在棉織物前處理中的應(yīng)用

3.1.1 超聲波對棉織物退漿的影響

用超聲波對棉織物進行退漿效果優(yōu)于常規(guī)方法，可提高退漿率，這是因為超聲波的空化作用，在一定的空化溫度下可使得棉織物的退漿液中空化量達到最大，形成的空化氣泡能在很短的時間內(nèi)在液體中產(chǎn)生強大的沖擊波，在其周圍產(chǎn)生很大的壓力，促使退漿液迅速作用于織物，使?jié){料脫落。如果此時能夠及時洗水去除易脫落的漿料，就能得到很好的退漿效果。

但用超聲波對棉織物進行退漿處理也要把握一個適度的原則，如超聲波的作用時間就需要控制在一個適當?shù)姆秶鷥?nèi)，若作用時間太長，就會使得已脫落的漿料在超聲波的強烈作用下，重新滲入到織物里面，與纖維結(jié)合，從而引起退漿率的下降。除此之外，超聲波還可減少退漿劑的用量。這是因為超聲波空化引起的分散作用可以使大分子之間產(chǎn)生分離，并且能夠促進退漿液與漿料充分接觸，故可減少退漿劑的用量。

3.1.2 超聲波對棉織物漂白和毛效的影響

無論從白度，還是從毛效上分析，采用超聲波要比常規(guī)方法漂白效果好。隨著浸漬時間的延長，白度和毛效都相應(yīng)增加。這是因為在練漂過程中，超聲波的空化作用可以使練漂液與纖維充分接觸，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練漂液的比表面積，提高反應(yīng)速率；另一方面超聲波的空化作用有助于破壞發(fā)色系統(tǒng)，從而起到消色的作用，提高白度。同時超聲波有助于織物上蠟質(zhì)的乳化、污物和油垢的清除，從而改善織物的潤濕性，提高毛效[4]。

3.2 超聲波在染色中的應(yīng)用

根據(jù)高分子物的力化學(xué), 在超聲波這種機械作用的影響下, 在適當?shù)臈l件下, 纖維材料的大分子會產(chǎn)生大分子的初級自由基, 而且往往都是一個大分子中包含多個自由基[5]。

同時, 由于液體介質(zhì)的空穴表面上的離子分布不均勻性, 可能產(chǎn)生一定的勢能差, 由于空穴帶電荷而導(dǎo)致介質(zhì)組分激發(fā)和離子化, 生成如離子、自由基及具有不同生存期的活性粒子[5], 借助于空穴帶、空穴泡消失時產(chǎn)生的水力沖擊, 進入纖維材料的內(nèi)部, 與纖維大分子的初級自由基產(chǎn)生一定的共價結(jié)合, 可以提高染料的固色率, 減少染料的浪費, 降低環(huán)境污染。

在超聲波加工時, 目前實驗的工況能符合要求, 而工業(yè)化生產(chǎn)時, 織物就不得實施流體染色, 只能平幅卷染、軋染, 但超聲波的作用時間能否滿足工藝要求，這是限制超聲波染色工業(yè)化的弊病，需要更加深入的研究和技術(shù)開發(fā)來解決。

3.3 超聲波在制備乳化液中的應(yīng)用

染整處理織物所用乳液整理劑，常規(guī)采用槳式攪拌器制取，此法要耗用大量乳化劑和穩(wěn)定劑。用機械攪拌方法制得的乳化液，穩(wěn)定性差，常易分層破壞而產(chǎn)生廢品。利用超聲波可以制備分散極勻細、穩(wěn)定性極好的乳化液，并可極大地節(jié)省乳化劑用量和提高勞動生產(chǎn)率。

某公司制備24%石蠟-硬脂酸甘油酯乳化液500 mL，用石蠟140 g/L，硬脂酸甘油酯100 g/L。采用7.6 kHz強度5 W/cm2聲波處理5 min，再加入氫氧化鈉與氨水后充分皂化為乳化液。用顯微鏡測量乳化液中顆粒的大小，可見乳化液是單分散型結(jié)構(gòu)，即只有油滴分散于水中的乳液，有較好的均一性，處理5～10 min，大部分顆徑為1 μm。

以上乳化液采用3 000 r/min機械攪拌處理40 min，在顯微鏡下可見為多分散型的結(jié)構(gòu)，即乳化液中有油/水相，又有水/油相的分散液，容易凝集和分層，穩(wěn)定性差，大部分顆粒為2 μm。

欲提高乳化液的穩(wěn)定性，常需加很多昂貴的穩(wěn)定劑。用超聲波(聲波)處理5 min制成幾種石蠟乳化液，其硬脂酸皂含量各有不同(石蠟100 g，分別用71 g、50 g、33 g、20 g和9 g穩(wěn)定劑)，所有的乳化液均很穩(wěn)定，貯存6天后沒有變化。當乳化液用71 g穩(wěn)定劑機械攪拌制取，乳化液10 min后即分為兩層。

分散作用是指化學(xué)品的膠態(tài)分子團與高分子量微粒聚集體，在聲能的作用下，均勻分散在工作液中。由于粉碎了溶液中的溶質(zhì)粒子，增大其表面積，增加分散相的表面活性，改善了乳化液和膠體溶液的穩(wěn)定性。

3.4 超聲波在制備染樣的分散體系中的應(yīng)用

還原染料和分散染料在50 ℃、9.4 kHz聲波振動下制備分散體系，用電子顯微鏡觀察，約有93%染料的顆粒尺寸小于1 μm，而用常規(guī)方法制備的分散體系，達到這一尺寸的只有50%。

采用30 kHz的超聲波，使酞菁染料涂料在蒸餾水中得到非常好的分散，且具有比常規(guī)攪拌法制備的有較長的穩(wěn)定時間。新型涂料連續(xù)軋染工藝取得顯著的工藝效果，節(jié)能減排與采用超聲波技術(shù)直接有關(guān)。

采用超聲波分散直接染樣，使染色的生產(chǎn)率提高30%，生產(chǎn)過程從原來的2.5 h縮短到1.5 h；復(fù)染率從4%降低到2.5%，提高了染色質(zhì)量[6]。

3.5 超聲波在處理紡織生產(chǎn)污水中的應(yīng)用

紡織印染是用水量大、廢水排放較多的工業(yè)部門之一。印染排放的廢水中含有大量的堿類物質(zhì)、pH值高(通常在9～12之間)；含有殘余的染料和助劑，顏色深，色度大；含有機雜質(zhì)多，懸浮物多；此外還含有微量的毒性物質(zhì)。

實踐證明，聲化學(xué)法可使印染廢水中的有機污染物高速降解而且可以去除有毒難降解的有機物。當超聲波輻照水質(zhì)環(huán)境時，其高能量的輸出產(chǎn)生渦旋氣泡，而氣泡內(nèi)部的高溫高壓狀態(tài)可將水分子分解生成強氧化性的氫氧自由基，這些自由基可將有機物很快氧化分解成較簡單的分子，最終生成CO2和H2O。眾多研究表明，聲化學(xué)處理紡織印染廢水中難降解有毒有機污染物是卓有成效的。如對光催化氧化及臭氧難以降解氧化的某些有機物(三氯甲烷和四氯甲烷等)能有效地聲降解。Inlazu等在飽和氬氣中用超聲波降解鹵代烷烴，10 min內(nèi)就將其質(zhì)量濃度從100 mg/L降到3 mg/L 以下。Bhatnagar等用超聲波降解鹵代脂肪烴，40 min內(nèi)就達到了72%～99.9%的降解效率。

超聲波處理廢水具有無二次污染等優(yōu)點。因此目前國際上許多國家把超聲波降解有機物作為處理污水的新方法．在利用超聲波的空化效應(yīng)降解單一有機物的研究方面取得一些進展：方法采用清洗槽式、侵入式聲化學(xué)反應(yīng)器。試驗表明超聲波降解有毒有機物水體，尤其是疏水性易揮發(fā)的污染物系，已經(jīng)在技術(shù)上取得滿意效果。

但是從經(jīng)濟上來考慮，與其他水處理的物理方法相比較，仍存在處理量小、費用高的問題。改進反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，優(yōu)化降解參數(shù)，以提高處理效率是今后研究的方向。目前利用超聲空化效應(yīng)分解水質(zhì)中難降解有毒有機污染物的研究工作尚處于探索階段，還有許多問題需要解決，如降解中間產(chǎn)物的鑒定、降解機理、反應(yīng)器的設(shè)計以及反應(yīng)過程的定量描述等[4]。

3.6 超聲波在制備紡織生產(chǎn)中的納米材料的應(yīng)用

近年來，超聲輻照方法已成為制備納米材料的一種新型技術(shù)。采用超聲輻照方法可以使在一般條件下，難以實現(xiàn)的或不可能實現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)得以實現(xiàn)，它可以提供一種新的非常特殊的物理和化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，為科學(xué)家們制備納米材料提供了重要的途徑。它具有使固體粉碎、分散以及產(chǎn)生自由基或其他活性基團，引發(fā)單體聚合作用，可以用于制備超聲粉碎、超聲波分散和嵌段(接枝)共聚物。用超聲技術(shù)制備納米材料的方法主要有以下三種：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)納米粒子制備；導(dǎo)電聚苯胺納米粒子的制備；聚合物/無機納米粒子復(fù)合材料制備[4]。

3.7 超聲波在染色織物凈洗中的應(yīng)用

《超聲波在純棉織物染色凈洗中的應(yīng)用》中染樣凈洗工藝要求如下：皂洗后的染料→清水洗→超聲波凈洗(注：布樣要平鋪于加水100 mL的超聲波凈洗槽內(nèi))→測試(其中洗液測定吸光度；洗樣則晾干后測試)。

請注意工藝要求用小括號特別強調(diào)了“平鋪”兩個字，這是超聲波對織物加工時極為重要的前提，只有“平鋪”才能實施對織物整幅面的均勻處理、傳質(zhì)。實驗的工況僅一塊小布樣，完全可以平鋪在超聲波凈洗槽中接受超聲波的處理，而工業(yè)化生產(chǎn)時，織物就不能實施流體繩狀染色，只能平幅染色，凈洗效果見表1。

表1 不同時間的超聲波(40 kHz)凈洗對凈洗效果的影響

由表1可知，超聲波在55 ℃的條件下，從10 s到30 s，隨著時間的增加，洗滌效果有不同程度的提高，洗液吸光度不斷增加，但增加幅度逐漸減小，洗樣K/S值不斷減??；當洗滌時間達到15 s時，超聲波凈洗一次就可以達到甚至超過常規(guī)凈洗在90 ℃洗滌三次的效果。 因此，實驗認為超聲波合適的凈洗時間應(yīng)該為15～30 s。該時間在大生產(chǎn)平幅水洗中，按60 m/min的工藝速度計，則織物需經(jīng)過15～30 min的超聲波處理區(qū)，因此產(chǎn)生以下問題：超聲波振動源的裝機容量多大？凈洗槽的制造成本多少？投資效益多高？以上僅為凈洗，另有一例織物全程洗滌，在洗滌溶液相同、洗滌液更換次數(shù)相同，10次試驗的平均結(jié)果：不同彈性振動作用的樣品在100 ℃液溫下，需150 min；在20 kHz的輻射器彈性振動洗液中，50 ℃ 液溫，僅需15 min，100 ℃液溫，僅需10 min。彈性振動洗滌效果在全程洗滌中充分得到體現(xiàn)，時間僅占無超聲波振動洗滌的1/15，更適合染色后的低溫水洗的節(jié)能。然而，全程洗滌需要配套10～15 min洗滌時間的超聲波振動源，按平幅60 m/min工藝線速度計，將是長達600～900 m的裝置，如此長度，在平幅設(shè)備上實施可行嗎？

顯然，超聲波在紡織工業(yè)大生產(chǎn)方面的應(yīng)用的可行性是值得我們慎重考慮和研究的問題。在研究超聲波洗滌時必須注意：織物浸在水中，聲波很快被吸收，振動頻率愈大，其作用半徑愈小，高頻的超聲波由于作用半徑極小，故不適合大生產(chǎn)洗滌織物。

4 結(jié) 論

超聲波在紡織行業(yè)中越來越發(fā)揮其優(yōu)勢。超聲波可用于改善多種紡織品染整加工工藝, 它在染整加工中的應(yīng)用具有許多優(yōu)點, 如減少加工時間, 降低化學(xué)品的消耗和能量損耗, 改進產(chǎn)品質(zhì)量等, 但也存在不少問題, 如加工成本、超聲波的方向性及設(shè)備振動源裝機容量和尺寸、平幅染色和凈洗所需大量時間的要求、生產(chǎn)線的長度和占用場地面積、噪音等。而且由于超聲波設(shè)備的費用昂貴, 實際上很少應(yīng)用于工業(yè)大生產(chǎn)?？傊?從解決環(huán)境污染, 降低能源消耗, 開發(fā)新型高質(zhì)量的產(chǎn)品等角度來考慮, 超聲波技術(shù)在紡織工業(yè)中的應(yīng)用也將得到更加普遍的推廣和重視,隨著“十二五”規(guī)劃國家工業(yè)化進程的逐步推進，超聲波設(shè)備價格將隨之趨降，這將為紡織行業(yè)打破環(huán)境壁壘，加快結(jié)構(gòu)調(diào)整注入新的科技力量，高污染的行業(yè)時期可能就此跨越。

[1] 楊英賢，姜宜寬.超聲波技術(shù)將為紡織行業(yè)帶來新的發(fā)展機遇[J].山東紡織科技，2004(6):39-42.

[2] 高淑珍.淺析超聲波在染色中的應(yīng)用[J].印染,1998, 24(2) : 51-53.

[3] 陳立秋.染整工藝應(yīng)用超聲波技術(shù)可行嗎[J].染整技術(shù)，2006, 28(3): 50-51.

[4] 蘇宇偉.超聲波技術(shù)在紡織上的應(yīng)用[J]．新知·動向，2008(8): 74-75.

[5] H.K.巴拉姆鮑伊姆.高分子化合物力化學(xué)[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,1982:228-231.

[6] 陳立秋.超聲波技術(shù)的應(yīng)用[J].染整技術(shù),2009,31(4):53-54.