超聲波在棉織物退煮漂一浴法中的應(yīng)用?

楊義　周蓉　王祥　何權(quán)輝　黃丹

（江南大學(xué)生態(tài)紡織科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室　無錫　214122）

超聲波在棉織物退煮漂一浴法中的應(yīng)用?

楊義周蓉王祥何權(quán)輝黃丹?

（江南大學(xué)生態(tài)紡織科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室無錫214122）

利用超聲波技術(shù)對棉織物進(jìn)行退煮漂，可以有效的降低傳統(tǒng)工藝中對能源的消耗。采用正交試驗法研究了超聲波退煮漂一浴法的工藝，最佳的工藝條件為：超聲波功率50 W，超聲波退煮漂一浴時間30 min，溫度70°C，表面活性劑（DLEO9）濃度6 g/L，NaOH濃度20 g/L。在此條件下，棉織物的退漿率、毛細(xì)管效應(yīng)能達(dá)到常規(guī)一浴退煮漂較長時間（60 min）和高溫（90°C）的效果，且織物的強(qiáng)力損失小。超聲波的使用能顯著地縮短退煮漂時間和降低退煮漂溫度。

超聲波，純棉織物，退煮漂一浴法，毛細(xì)管效應(yīng)，退漿率

1　引言

目前，紡織印染企業(yè)在生產(chǎn)過程中，對棉織物的前處理方式，大多采取連續(xù)退煮漂前處理工藝，即退漿—煮練—漂白三步合一的前處理工藝，但工藝流程長，處理溫度高，單米成本較高，尤其水電汽成本高［1］。研究短時、低溫、高效的棉織物退煮漂新工藝顯得尤為重要。

超聲波技術(shù)以其方便、快速、安全、有效的特點而引人注目。超聲波在傳播的過程中，彈性介質(zhì)中的粒子產(chǎn)生擺動，沿傳播方向傳遞能量，從而產(chǎn)生熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和聲空化［2-3］。聲空化在液體介質(zhì)中能形成局部熱點，瞬間達(dá)到5000 K以上的高溫和5×107Pa的高壓，并伴有強(qiáng)大的沖擊波和高速射流，這種特殊的能量形式不僅能加速反應(yīng)，而且能啟動新的反應(yīng)通道［4］。超聲波的這種特點受到了國內(nèi)外紡織領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注，并將其應(yīng)用到紡織品前處理［2-5］染色［6-7］、后整理及水洗加工［8-9］等方面。超聲波聲空化能促進(jìn)分散、乳化、洗滌以及解聚等作用，可以使大分子之間產(chǎn)生分離、漿料與纖維的粘著變松，并使脫落的漿料由凝膠狀態(tài)轉(zhuǎn)化為溶膠狀態(tài)，提高溶解性能，達(dá)到較好的退漿效果；可以使纖維各個表面和低凹處的污物和油垢得以乳化，協(xié)助清除油垢和污物［10］。超聲波的空化作用還可促進(jìn)漂白劑對天然色素的發(fā)色體系的破壞，從而起到消色的作用。同時超聲波作用于纖維可加大纖維內(nèi)部的比表面積，從而增大纖維與化藥劑的接觸面積，提高反應(yīng)速率，有助于染料或其它化學(xué)藥品向纖維內(nèi)部的傳輸和擴(kuò)散［5］。因此，預(yù)計超聲波應(yīng)用于棉織物的一浴退煮漂，能有效縮短加工時間，降低處理浴溫度，節(jié)省能源。

本文在我們前期研究的高效精煉劑［11］和超聲波預(yù)處理后退煮漂一浴法（后文簡稱超聲波預(yù)處理法）［12］的基礎(chǔ)上，將超聲技術(shù)引入到退煮漂一浴法的全過程，詳細(xì)探討了超聲波退煮漂一浴法工藝。通過實驗，發(fā)現(xiàn)棉織物超聲波退煮漂一浴法的效果更優(yōu)，在棉織物退煮漂的主要指標(biāo)毛效和退漿率等相近時，超聲波一浴退煮漂時間為傳統(tǒng)方法的二分之一，為超聲預(yù)處理方法的四分之三，且退煮漂溫度降低15°C以上。

2　實驗部分

2.1材料、試劑和儀器

材料：全棉坯布，40 s×40 s，118×89，張家港市華芳集團(tuán)生產(chǎn)。

試劑：氫氧化鈉、30%雙氧水、硅酸鈉、高氯酸、碘化鉀、乙酸、無水乙醇、碘酸鉀、酚酞，以上均為分析純；DLEO9退煮漂助劑，自制。

儀器：XO-900D型超聲波細(xì)胞破碎儀，南京先歐儀器制造有限公司；WSD-3型白度儀，北京康光儀器有限公司；YG026C型電子織物強(qiáng)力機(jī)，常州第二紡織機(jī)械有限公司；YG（B）871型毛細(xì)管效應(yīng)測定儀，溫州大榮紡織標(biāo)準(zhǔn)儀器廠；α-1101型可見分光光度計，上海譜光儀器有限公司；Motic B1-223型顯微鏡，麥克迪奧實業(yè)集團(tuán)有限公司。

2.2棉布的退煮漂一浴法工藝

取重約2.0 g棉坯布若干塊，在50°C電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘3 h后放入干燥器中待用。取上述烘干的棉坯布，準(zhǔn)確稱量干重后放入置于恒溫水浴鍋中的燒杯中，將超聲探頭固定于燒杯上方，并插入退煮漂液中。然后按下述工藝條件進(jìn)行退煮漂，處理后的棉織物用熱水清洗三次后用冷水充分沖洗、烘干。退煮漂一浴法工藝如下：

超聲波輸出功率和頻率0 W、50 W、100 W、200 W（24 kHz，超聲輻射方式每4 s間歇2 s）；

NaOH的質(zhì)量濃度為15 g/L、20 g/L、25 g/L；

Na2SiO3·9H2O的質(zhì)量濃度為7 g/L；

30%H2O2的質(zhì)量濃度為20 g/L；

DLEO9的質(zhì)量濃度為1 g/L、2 g/L、4 g/L、6 g/L；

溫度為65°C、70°C、75°C、80°C、85°C；

退煮漂時間為30 min、40 min、50 min、60 min；

浴比為1：30。

2.3退煮漂效果測試

失重率：取已退煮漂的布樣，準(zhǔn)確稱量干重。失重率的計算公式如下：

式（1）中：G0——退煮漂前試樣質(zhì)量，g；G1——退煮漂后試樣重質(zhì)量，g。

白度：采用WSD-3型白度儀進(jìn)行測定。

毛細(xì)管效應(yīng)：采用YG（B）871型毛細(xì)管效應(yīng)測定儀進(jìn)行測定［13］。

退漿率：用高氯酸分別測出坯布和退漿后織物上的含漿量。退漿率計算公式如下［14］：

斷裂強(qiáng)力：按國標(biāo)GB/T3923—1997《紡織品織物拉伸性能第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長的測定條樣法》進(jìn)行測定。

2.4纖維形貌的測定

取棉紗線將其捻松，抽出單纖維并置于兩片載玻片中，用Motic B1-223型顯微鏡在500倍放大倍數(shù)下觀察棉纖維，拍攝照片由電腦記錄。

3　結(jié)果與討論

3.1超聲退煮漂工藝的優(yōu)化

3.1.1超聲波退煮漂溫度對棉織物退煮漂效果的影響

在超聲處理的功率為50W， NaOH、Na2SiO3·9H2O、30%H2O2和DLEO9的質(zhì)量濃度分別為15 g/L、7 g/L、20 g/L和1 g/L，浴比為1：30，考察水浴溫度分別為65°C、70°C、75°C、80°C、85°C時退煮漂30 min后棉織物的失重率、退漿率、毛細(xì)管效應(yīng)（簡稱毛效）、白度和強(qiáng)力，結(jié)果如表1所示。

表1　溫度對棉織物退煮漂效果的影響Table 1 The influence of temperature on the desizing-scouring-bleaching of cotton fabric

從表1中數(shù)據(jù)可以看出超聲波退煮漂時，隨溫度的升高退煮漂效果呈逐漸上升的趨勢，但在70°C后上升非常緩慢，而織物的斷裂則隨溫度的升高而逐漸降低。根據(jù)表面活性劑的臨界膠束濃度（Critical micell concentration，CMC）和加溶作用與溫度的關(guān)系，溫度升高有利于降低DLEO9的CMC、促進(jìn)膠團(tuán)的形成及膠團(tuán)和膠團(tuán)內(nèi)核的增大，提高了其對織物上脫落下來的果膠、石蠟等有機(jī)物的加溶作用［15-16］，使毛效和退漿率增大；織物的漂白效果是隨雙氧水在織物上分解率的增大而增高的，在一定濃度和時間的條件下，織物上雙氧水的分解消耗隨著溫度的升高而增加，所以，白度隨溫度提高而增大。此外，超聲波加強(qiáng)了上述作用，因此，在70°C時就能獲得很好的退煮漂效果。同時，高溫退煮漂液易使棉纖維受損，造成棉織物斷裂強(qiáng)力的下降。綜合考慮棉織物退煮漂效果和織物的強(qiáng)力相對最優(yōu)的超聲波退煮漂浴溫為70°C。

3.1.2超聲退煮漂一浴關(guān)鍵工藝參數(shù)的正交試驗

在上述優(yōu)化的超聲退煮漂溫度下，固定浴比為1：30，選擇影響超聲波退煮漂效果的關(guān)鍵因素超聲波功率（A）、退煮漂時間（B）、DLEO9（C）和NaOH（D）的質(zhì)量濃度為變量，進(jìn)行四因素三水平的正交實驗，其中超聲波功率為50 W、100 W、200 W，退煮漂時間為30 min、40 min、50 min，DLEO9表面活性劑的質(zhì)量濃度為2 g/L、4 g/L、6 g/L，NaOH的質(zhì)量濃度為15 g/L、20 g/L、25 g/L，正交實驗結(jié)果如表2所示。

由表2正交試驗結(jié)果可知，退煮漂條件的改變對織物的白度影響很小，而退漿率、毛效和強(qiáng)力的差別較大，尤其是對織物強(qiáng)力的影響尤為顯著。根據(jù)正交試驗數(shù)據(jù)對毛效、強(qiáng)力和退漿率分析結(jié)果見表3。

表2　超聲退煮漂一浴法正交實驗Table 2 Orthogonal test of one-bath desizing-scouring-bleaching process with ultrasonic wave

表3　正交試驗結(jié)果Table 3 The orthogonal experimental results

由表3可知影響退漿率的因素的順序為：時間＞超聲功率＞NaOH用量＞DLEO9用量，最佳退漿率的工藝為A2B2C3D2；影響毛細(xì)管效應(yīng)的因素的順序為：DLEO9用量＞時間＞超聲功率＞NaOH用量，最佳退漿率的工藝為A1B3C2D2；影響強(qiáng)力的因素的順序為：超聲功率＞時間＞DLEO9用量＞NaOH用量，最佳斷裂強(qiáng)力的工藝為A1B1C3D2。各因素對棉織物退漿率和毛細(xì)管效應(yīng)的影響差異較小，而對強(qiáng)力的影響差異較大。影響織物強(qiáng)力的主要因素是超聲波功率和超聲時間，超聲波空化效應(yīng)引起的分散作用能使?jié){料大分子分離，促進(jìn)漿料與纖維的粘著力變松，有利于漿料的去除。同時，超聲波空化效應(yīng)也使退煮漂藥劑（雙氧水、堿和表面活性劑等）更好地作用于織物；從未退煮漂棉纖微、常規(guī)退煮漂和超聲退煮漂棉纖維的顯微鏡圖可以看出，未處理纖維呈卷曲狀（圖1（a）），而退煮漂后纖維的卷曲度降低（圖1（b）、圖1（c））。超聲波的作用更易使棉纖維天然扭曲消失，排列更加規(guī)整，纖維變得較為圓潤、飽滿，棉纖維吸附化學(xué)藥劑的比表面積增加，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，有利于棉織物表面的果膠和石蠟等雜質(zhì)的消除、脫落和潤濕性增強(qiáng)［2］。超聲波功率越大，聲化作用越顯著，所以隨著超聲波功率的增加，退漿率增大，毛效提高和強(qiáng)力降低。對于織物強(qiáng)力減小的另一原因是根據(jù)力學(xué)理論，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，而纖維高分子無定形區(qū)的空隙正是提供了這種可能，當(dāng)超聲波作用于纖維材料時，必然在材料的原始缺陷處（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(kuò)展新表面所需的能量，引起裂紋擴(kuò)展，造成強(qiáng)力的下降［2］。

為獲得良好的退煮漂效果，在毛效和退漿率都達(dá)到最佳的情況下，保持較好的斷裂強(qiáng)力，綜合考慮時間和試劑應(yīng)用的高效、節(jié)約，選擇相對最佳退煮漂主要條件為：A1B1C3D2，結(jié)合溫度的優(yōu)化結(jié)果，超聲退煮漂工藝為：超聲功率為50 W，時間為30 min，溫度為70°C，DLEO9濃度為6 g/L，NaOH的濃度為20 g/L，浴比為1：30。在此工藝條件下，棉織物的失重率為12.1%，退漿率為98.3%，毛細(xì)管效應(yīng)為11.6 cm，白度為93.6，強(qiáng)力為507 N，不僅符合棉織物退煮漂標(biāo)準(zhǔn)，且達(dá)到高效、節(jié)約的目的。

3.2常規(guī)退煮漂和超聲波退煮漂一浴法對比

表4給出了常規(guī)和超聲波退煮漂一浴法處理棉織物的失重率、白度、毛細(xì)管效應(yīng)、退漿率和強(qiáng)力。

表4　常規(guī)和超聲波一浴退煮漂效果對比Table 4 Comparison of traditional and ultrasonic process

在退煮漂試劑用量相同的條件下，超聲退煮漂一浴法在失重率、白度、毛效和退漿率方面均優(yōu)于常規(guī)退煮漂，特別是棉織物退煮漂效果的重要指標(biāo)毛效和退漿率，超聲退煮漂一浴法優(yōu)勢非常明顯。超聲退煮漂一浴法只需要30 min，就能達(dá)到常規(guī)退煮漂60 min的作用效果，此時由于超聲波退煮漂時間短、溫度低，織物的強(qiáng)力損失明顯小于常規(guī)退煮漂，更適宜棉織物進(jìn)一步加工。

4　結(jié)論

采用超聲波退煮漂一浴法對棉織物進(jìn)行前處理有很好的退煮漂效果，可以大幅度的減少退煮漂時間，降低退煮漂溫度，特別是在退漿率和斷裂強(qiáng)度方面，明顯優(yōu)于常規(guī)退煮漂。因此，在棉織物的前處理中，利用超聲波的空化作用可以有效的減少能耗，降低污水的排放，在紡織領(lǐng)域應(yīng)用將會越來越廣泛。

［1］柴化珍，馬學(xué)亞.棉織物一浴低溫連續(xù)練漂工藝［J］.印染，2012，（17）：17-20. CHAI Huazhen，MA Xueya.One-bath scouring and bleaching process of cotton fabric at low temperature［J］. Dyeing and Finishing，2012，（17）：17-20.

［2］王杰歐.超聲波在純棉織物的退漿和精練中的應(yīng)用［D］.上海：東華大學(xué)，2010.

［3］SHCHUKIN D G，SKORB E，BELOVA V，et al.Ultrasonic cavitation at solid surfaces［J］.Advanced materials，2011，23（17）：1922-1934.

［4］馮若，李化茂.聲化學(xué)及其應(yīng)用［M］.合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，1992.

［5］THAKORE K A，SMITH C B.Application of ultrasound to textile wet processing［J］.American Dyestuff Reporter，1990，（10）：34-35.

［6］GUESMI A，LADHARI N，SAKLI F.Ultrasonic preparation of cationic cotton and its application in ultrasonic natural dyeing［J］.Ultrasonics sonochemistry，2013，20（1）：571-579.

［7］KAMEL M M，El ZAWAHRY M M，AHMED N S E，et al. Ultrasonic dyeing of cationized cotton fabric with natural dye.Part 2：Cationization of cotton using Quat 188［J］. Industrial Crops and Products，2011，34（3）：1410-1417.

［8］VOUTERS M.Ultrasounds：an industrial solution to optimise costs，environmental requests and quality for textile finishing［J］.Ultrasonics sonochemistry，2004，11（1）：33-38.

［9］MOHOLKAR V，WARMOESKERKEN M.Mechanistic aspects and optimization of ultrasonic washing［J］.The American Association of Textile and Colourists Review，2002，2（2）：34-37.

［10］劉偉時，劉維錦.超聲波在棉織物前處理中的應(yīng)用［J］.紡織導(dǎo)報，2005，（5）：97-98，100-118. LIU Weishi，LIU Weijin.The application of ultrasonic wave in the pretreatment process of cotton fabric［J］.China Textile Leader，2005，（5）：97-98，100-118.

［11］趙昱，李昕昕，黃丹.可降解型低溫精練助劑的制備及應(yīng)用研究［J］.現(xiàn)代化工，2014，34（5）：96-99. ZHAO Yu，LI Xinxin，HUANG Dan.Preparation and application of biodegradable low-temperature scouring surfactant［J］.Modern Chemical Industry，2014，34（5）：96-99.

［12］黃丹，趙昱.一種用超聲波預(yù)處理對棉織物進(jìn)行退煮漂一浴前處理的方法：中國，201410051609［P］.2014-05-07.

［13］陳英.染整工藝實驗教程［M］.北京：中國紡織出版社，2009.

［14］閻克路.染整工藝與原理（上冊）［M］.北京：中國紡織出版社，2009.

［15］徐燕莉.表面活性劑的功能［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

［16］馮若.聲化學(xué)基礎(chǔ)研究中的聲學(xué)問題［J］.物理學(xué)進(jìn)展，1996，（Z1）：402-412. FENG Ruo.Sound basic research in chemistry acoustic problems［J］.Progress in Physics，1996，（Z1）：402-412.

Application of ultrasonic wave in one-bath desizing-scouring-bleaching process of cotton fabric

YANG YiZHOU RongWANG XiangHE QuanhuiHUANG Dan
（Education Ministry Key Laboratory of Science&Technology for Eco-textiles，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

Ultrasonic technology was applied to one-bath desizing-scouring-bleaching process of cotton fabric，can effectively reduce the traditional process of energy consumed.The conditions of the process，such as ultrasonic power，desizing-scouring-bleaching time，dosage of NaOH and auxiliaries etc were studied by orthogonal test.Optimized process parameters are as follows：ultrasonic power is 50 w，the time is 30 min，the temperature is 70°C，concentration of NaOH and surfactant（DLEO9）is respectively 20 g/L and 6 g/L，and liquor ratio is 1：30.In the conditions，capillary effect，desizing percentage and breaking strength of treated cotton fabric are better than or the same as those with the traditional process which takes longer time（60 min）and high temperature（90°C），and the strength loss of treated cotton fabric becomes small.Reduction of the time and temperature can be achieved by ultrasonic one-bath desizing-scouring-bleaching process.

Ultrasonic wave，Cotton fabric，One-bath desizing-scouring-bleaching，Capillary effect，Desizing percentage

TS19

A

1000-310X（2015）06-0554-06

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.06.012

2015-04-07收稿;2015-07-04定稿

?南通蘇州大學(xué)紡織研究院開放基金資助項目（NS1211）

楊義（1991-），男，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向：超聲微波技術(shù)在紡織染整中的應(yīng)用。

E-mail：huangdan@jiangnan.edu.cn