超聲化學(xué)效應(yīng)對(duì)染色的影響

于翠巖，吳朝輝，孫德帥，欒吉梅

(1.青島錦緯時(shí)裝有限公司，山東 青島 266071；2.青島大學(xué)，山東 青島 266071)

超聲化學(xué)效應(yīng)對(duì)染色的影響

于翠巖1，吳朝輝1，孫德帥2，欒吉梅2

(1.青島錦緯時(shí)裝有限公司，山東 青島 266071；2.青島大學(xué)，山東 青島 266071)

在超聲染色設(shè)備中不同徑向和軸向位置處，利用碘化鉀分解實(shí)驗(yàn)來表征超聲波的化學(xué)效應(yīng)，并將超聲化學(xué)效應(yīng)與此位置的活性染料染色性能建立聯(lián)系，加深對(duì)染色過程超聲波作用的理解。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在行波超聲場(chǎng)與強(qiáng)化超聲場(chǎng)中，超聲的化學(xué)效應(yīng)與染色促染作用不同。

超聲場(chǎng)；化學(xué)效應(yīng)；染色；促染作用

頻率高于20 kHz的聲波，因超出人耳可聞的上限而被稱為超聲波。超聲波在通過液體介質(zhì)時(shí)能夠產(chǎn)生超聲空化作用，即液體中含氣的微小氣泡的產(chǎn)生、增長(zhǎng)及崩裂過程?？栈瘹馀荼罎r(shí)能夠產(chǎn)生劇烈的局部高溫高壓環(huán)境，瞬時(shí)溫度可達(dá)1900-5200 K，壓力超過500 atm，并伴有400 km/h的強(qiáng)大微射流[1]。超聲空化的特殊作用使超聲在化學(xué)工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

棉織物是一種重要的天然紡織品材料，織物具有多孔性結(jié)構(gòu)，孔隙內(nèi)具有絨毛特性，且孔隙結(jié)構(gòu)多變。因此超聲波經(jīng)過紡織品時(shí)，織物會(huì)吸收部分聲波能量,導(dǎo)致聲波強(qiáng)度的衰減[2-3]。由于超聲空化作用是非均勻的，在染浴不同位置紡織品對(duì)超聲波能量的吸收效率不同[4-6]。本文通過碘化鉀分解實(shí)驗(yàn)來表征超聲波的化學(xué)效應(yīng)，并將超聲化學(xué)效應(yīng)與活性染料染色性能建立聯(lián)系，加深對(duì)超聲波在染色過程作用的理解。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

超聲染色實(shí)驗(yàn)裝置主要由超聲波信號(hào)發(fā)生器(采用自激式電路TL-60)、換能器(HNC-8SH-3841，頻率為40 kHz，額定功率為50 W，直徑60 mm)和實(shí)驗(yàn)容器三部分組成。實(shí)驗(yàn)容器的內(nèi)徑為140 mm，實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)裝有水，深度80 mm，水浴溫度通過外接冷卻循環(huán)系統(tǒng)控制，確保染色過程的溫度波動(dòng)在1℃之間。實(shí)驗(yàn)容器上蓋采用兩種不同材質(zhì)制備，其一為具有良好吸波特性泡沫塑料，使實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)形成自由行波超聲場(chǎng)；其二為具有剛性反射特點(diǎn)的硬質(zhì)聚氯乙烯塑料，由于聲波的相干作用在染色容器內(nèi)形成強(qiáng)化超聲場(chǎng)。用于盛放碘化鉀或染色溶液的5只刻度試管(內(nèi)徑13 mm)沿徑向放置，試管內(nèi)溶液1.8 cm(約2 mL)高，以試管中溶液液面中心高度處表示試管所在位置。方案如圖1所示。

圖1 超聲測(cè)量點(diǎn)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與藥品

材料：純棉平紋織物(151 g/m2)

藥品：Dystar remazol red RGB，氯化鈉(分析純)，碳酸鈉(分析純)，碘化鉀(化學(xué)純)，鉬酸銨(化學(xué)純)

1.3 超聲化學(xué)效應(yīng)測(cè)定

染色容器中五個(gè)徑向測(cè)量點(diǎn)如圖1所示。軸向測(cè)量位置為5.4 cm和6.3 cm深度，分別為3λ/2和7λ/4(λ為超聲波在水中傳播時(shí)的波長(zhǎng))。配制碘化鉀(0.5 mol/L)溶液，以0.1 g/L的鉬酸銨為催化劑。取約2 mL溶液于刻度試管中，放置到實(shí)驗(yàn)容器(水浴溫度40℃)。開啟超聲振動(dòng)20 min。以分光光度法測(cè)定不同徑向位置試管中碘化鉀分解產(chǎn)生的碘溶液吸光度，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線法計(jì)算碘濃度。

1.4 染色工藝處方和流程

1.4.1 工藝處方

染料：2% (o.w.f)；氯化鈉：40 g/L；碳酸鈉：20 g/L；浴比：1∶8。

1.4.2 工藝流程

染色工藝流程如圖2所示。常規(guī)染色過程中織物在20℃入染，升溫至40℃加入鹽染色30 min，加入堿劑固色40 min。超聲波染色過程，于染色階段開啟超聲波30 min，余下操作與常規(guī)染色過程相同。

圖2 染色工藝流程

1.5 上染率的相關(guān)測(cè)試

染色過程中，從40℃無機(jī)鹽加入開始計(jì)時(shí)，在染至30 mm和70 min各取染液0.1 mL，稀釋成10 mL。在染料最大吸收波長(zhǎng)526 nm處測(cè)染液的初始吸光度A0及各染色時(shí)間下染色殘液的吸光度At，上染率由公式(1)給出。上染率的增加值為相同時(shí)刻，超聲染色上染率與常規(guī)染色上染率增加值由公式(2)給出。

Ct%=(1-At/A0)×100%

(1)

ΔCt%=Ct(超聲)%-Ct(常規(guī))%

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲場(chǎng)化學(xué)效應(yīng)

超聲場(chǎng)中碘化鉀溶液在超聲空化作用下分解產(chǎn)生碘而呈現(xiàn)顏色，不同超聲場(chǎng)的化學(xué)效應(yīng)如圖3所示。在自由行波聲場(chǎng)中，最大碘濃度出現(xiàn)在聲波傳播的垂直方向，表明軸線位置處超聲空化作用最強(qiáng)；碘濃度沿徑向方向逐漸減小，基本呈對(duì)稱分布。最大碘濃度(0,5.4)比最小(5,5.4)處增大約1.0倍。對(duì)比5.4 cm和6.3 cm兩個(gè)軸向深度處，碘濃度變化很小。

在實(shí)驗(yàn)容器頂部加剛性反射頂蓋，由于頂蓋對(duì)聲波的反射作用使聲波的傳播方向發(fā)生180°改變，與原有聲波形成相互干涉作用，使實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)的超聲場(chǎng)得以強(qiáng)化。對(duì)比圖3中的兩類超聲場(chǎng)，可以發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化超聲場(chǎng)中碘濃度明顯增加，表明超聲空化作用加強(qiáng)。由于聲波的相干作用，5.4 cm和6.3 cm兩個(gè)軸向深度處，碘濃度分布出現(xiàn)明顯不同。在5.4 cm處，徑向濃度分布雖然仍呈對(duì)稱分布，但中心位置碘濃度下降，最大碘濃度出現(xiàn)在徑向-2 cm和2 cm處。在6.3 cm處，碘濃度分布規(guī)律與行波超聲場(chǎng)相同，但濃度比相同位置的行波超聲場(chǎng)中增大約2倍。

圖3 超聲場(chǎng)的化學(xué)效應(yīng)

2.2 超聲場(chǎng)對(duì)染色的促進(jìn)作用

2.2.1 行波超聲場(chǎng)對(duì)染色的促進(jìn)作用

將織物放入刻度試管中，在超聲場(chǎng)不同位置處對(duì)織物進(jìn)行染色。圖4(a)為不同徑向位置染色30 min時(shí)的上染率，圖4(b)為染色70 min時(shí)的上染率。由圖4可見，超聲場(chǎng)作用能夠顯著提高染色織物的上染率。雖然超聲波僅在染色初始30 min內(nèi)開啟，但對(duì)上染率的提高作用能夠維持到染色結(jié)束(70 min)。在超聲場(chǎng)不同徑向位置處，由于超聲空化作用不同，導(dǎo)致染色促染效率的差異。不同徑向位置處30 min和70 min的染色上染率變化規(guī)律與行波聲場(chǎng)化學(xué)效應(yīng)的變化規(guī)律一致。均為軸線中心位置處超聲促染效果最強(qiáng)，沿徑向方向上染率逐漸減小。

2.2.2 強(qiáng)化超聲場(chǎng)對(duì)染色的促進(jìn)作用

圖5所示為強(qiáng)化超聲場(chǎng)對(duì)染色的促染作用。圖5(a)為不同徑向位置染色30 min時(shí)的上染率，圖5(b)為染色70 min時(shí)的上染率。由圖5可見，5.4 cm和6.3 cm兩個(gè)軸向深度處，超聲促染作用有較大差別。在5.4cm的軸線位置處，超聲促染效率最低；而在6.3 cm的軸線位置，超聲的促染效率最大。沿徑向防線超聲促染效率仍然呈對(duì)稱分布。圖4與圖5對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雖然輸入到兩種超聲場(chǎng)的電能相同，但強(qiáng)化超聲場(chǎng)促染效率更高，更有利于能源的節(jié)省。

圖4 行波超聲場(chǎng)中織物的染色上染率

圖5 強(qiáng)化超聲場(chǎng)中織物的染色效應(yīng)

2.3 超聲場(chǎng)化學(xué)效應(yīng)與促染作用分析

圖6與圖7分別為兩種超聲場(chǎng)化學(xué)效應(yīng)與促染作用的關(guān)聯(lián)，可以發(fā)現(xiàn)在行波和強(qiáng)化超聲場(chǎng)中，碘濃度與染色上染率增加值基本呈線性關(guān)系，即超聲過程產(chǎn)生的碘濃度越大，對(duì)染色的促進(jìn)作用越強(qiáng)。雖然染色過程中超聲波的開啟時(shí)間僅有30 min，但超聲的作用能夠使織物在固色過程中仍舊保持較高的反應(yīng)速率。在不同超聲場(chǎng)中30 min和70 min的兩條關(guān)聯(lián)曲線的斜率比較接近，表明超聲波的關(guān)閉(30 min)并不會(huì)使超聲帶來的促染作用迅速衰減。在染色過程中階段式的超聲運(yùn)用即可以達(dá)到良好的促染效果，這對(duì)減少超聲運(yùn)用時(shí)間是非常有益的。

圖6 行波超聲場(chǎng)化學(xué)效應(yīng)與促染關(guān)系

圖7 強(qiáng)化超聲場(chǎng)化學(xué)效應(yīng)與促染關(guān)系

3 結(jié)論

在行波超聲場(chǎng)中，超聲化學(xué)效應(yīng)使最大碘濃度出現(xiàn)在中心位置處；沿徑向方向碘濃度減小，基本呈對(duì)稱分布。在超聲染色容器通過聲波的干涉作用，能夠強(qiáng)化超聲效應(yīng)，但不同軸向位置5.4 cm和6.3 cm碘濃度的最大值出現(xiàn)不同。在5.4 cm處最大碘濃度出現(xiàn)在徑向-2 cm和2 cm處；而在6.3 cm處碘濃度最大值仍為中心位置。超聲波在染色過程中具有促染與超聲化學(xué)效應(yīng)密切相關(guān)。染浴中不同位置上，碘濃度與染色過程上染率的增加值基本呈線性關(guān)系。該線性關(guān)系表明超聲波在染色30 min后關(guān)閉并不會(huì)使超聲帶來的促染作用迅速衰減。因此在超聲波染色過程中，可以通過間歇性地開啟強(qiáng)化超聲場(chǎng)，提高超聲能量的利用效率。

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Chemical Effects of Ultrasound Effected on Dyeing Process

YuCuiyan1,WuChaohui1,SunDeshuai2,LuanJimei2

(1.Qingdao S&G Apparel Co., Ltd.,Qingdao 266071,China； 2. Qingdao University,Qingdao 266071,China.)

In different axial and lateral position of ultrasound field,the decomposition of potassium iodide was used to represent the chemical effect of ultrasound wave. This chemical effect was related to the dyeing property of reactive dye in the same site. The experiments could improve the efficiency of ultrasound dyeing. The results found the chemical effects and dying acceleration of ultrasound were different in dispersion wave and strengthen ultrasound.

ultrasonic field; chemical effects of ultrasound; dyeing; dyeing acceleration

2014-10-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(21206080)

于翠巖(1969—)，女，山東青島人，工程師。

TS193.59

A

1009-3028(2015)01-0019-04