超声波清洗湿纺用喷丝头

王载利，李 达

(青岛大学纺织服装学院，山东 青岛 266071)

1 引言

喷丝头是纺丝机的重要部件之一，它的作用是将黏流态的高聚物熔体或溶液，通过微孔转变成有特定截面状的细流，经过凝固介质或凝固浴固化而形成丝条。因为喷丝头小孔的形状决定纤维的截面形状，因而喷丝头小孔在加工过程中出现畸形或使用过程中产生堵塞，都会引起纤维纤度不匀。

喷丝头堵塞是纺丝过程中最常见的现象，会严重影响纺丝的效率和丝条的质量，而且熔体在经过喷丝头时带走的极微小的杂质也会造成纺丝断头或使纤维的单丝结构发生变化而引起强度降低[1]。传统的喷丝头清洗方法如化学、物理或机械法会使喷丝孔磨损以致出现微裂、侵蚀、孔径不规则等毛病，喷丝头形状的缺陷会影响纺丝溶液的可纺性。为解决湿纺用喷丝头堵塞问题，很多工厂采用超声波清洗喷丝头的方法，但对于超声波清洗喷丝头的作用效果、工作机理及影响因素缺乏相关的分析探讨。本文在分析了喷丝头的清洗效果对纺丝工艺影响的基础上，重点对超声波清洗机的构成、清洗机理及影响清洗效果的因素等进行了分析探讨。

2 喷丝头的特点及其清洗效果对纺丝工艺的影响

湿纺用的喷丝头一般都是帽形的，一般来说，喷丝头的毛坯直径根据喷丝头上孔的数目而定。喷丝头的孔径大小根据纤维的规格而定，一般在0.04～0.16 mm[2]，减小孔径可以提高纤维的质量，但是却会加重喷丝时的堵孔现象。

喷丝头的孔数、孔径、圆柱体部分的长径比、入口角孔的分布密度或孔间距等均对纤维的成形很重要，但从纤维成形的意义上看，喷丝孔的尺寸和孔形显得更重要。湿纺喷丝头的孔形主要有圆锥形、圆弧形和双曲线形三种[2]，如图1、图2、图3所示。

在这三种孔形中，第一种使用得最为普遍，使用历史最久；第二种在最近几年才开始使用，主要用于长丝的高速连续化纺丝；第三种是最为理想的一种孔形，但是由于工艺条件很难达到，故在实际生产中还无法使用。

图1 圆锥形孔

图2 圆弧形孔

图3 双曲线形孔

增加喷丝头孔眼圆柱部分的长径比，对成形稳定有积极的影响[3]。对长径比的选择主要应考虑纺丝液离开喷丝孔后的膨化状态，纺丝液是一种黏弹性体，它从喷丝孔流出后，与壁之间的摩擦消失，可以看到细流逐渐膨胀至最大值，细流的明显膨胀对纺丝工艺有不良影响，而长径比与细流的膨化有直接的关系。一旦纺丝液堵塞喷丝头就会影响喷丝孔圆柱部分的长径比，进而影响纺丝工艺，因此应选用一种简便有效的清洗喷丝头的方法。

另外，毛细孔入口角的形状也对纺丝工艺有一定的影响。将入口角变大，可以减少能量损失，因而圆弧形孔比圆锥形孔效果好，双曲线形孔的曲率变化小，纺丝效果较好。一旦纺丝液堵塞喷丝头，入口角就会减小，从而影响纺丝效果。

从以上分析可以看出，清洁的喷丝头对纺丝质量影响显著，因而要选用清洗效果好且不会对喷丝孔造成损伤的清洗方法。

3 超声波清洗机的组成及工作机理

超声波清洗机一般由超声波发生器、换能器、清洗缸三部分组成。

3.1 超声波清洗机各构件

超声波换能器主要有电子管式和晶体管式两种[4]，其中后者使用较多。晶体管式换能器也有两种形式，一种是上世纪七八十年代使用的自激式D类晶体管，其特点是线路短，换能器是自激式振荡器的一部分，频率可以随着负荷频率的变化而变化，但是它没有保护电路，功率不能连续调节。另一种超声波换能器是他激式的，这种换能器的频率、脉冲宽度可以调节，功率可以连续调节[5]。

超声波清洗机用的超声波发生器有以下特点：随着清洗深度的不同，换能器共振频率和阻抗变化很大，但是实践表明，槽内放入喷丝头后，共振频率和阻抗基本可以稳定在某一个数值；一般来说，由于清洗负载变动较小，可以不要求复杂的频率自动跟踪电路。

换能器是将电能转化为机械能的装置[4]，主要有磁致伸缩换能器和压电式换能器两种。由于前者的价格高，电声效率低，很少使用。压电式换能器电声效率高，价格便宜，安装使用方便，使用较普遍。压电式换能器为单螺钉紧固的纵向振动换能器，由两片中心穿孔的压电陶瓷晶片及前后盖板组成。一台清洗机有多个换能器，经黏结剂黏结在清洗缸底部且并联组成一台清洗机的换能器，换能器基元之间相距5～10 mm为佳，太大了容易产生弯曲振动，且振动板受到腐蚀，同时辐射面相对减少。

清洗缸也叫清洗槽，其尺寸根据超声波功率的大小而定。缸的材料多选用不锈钢，厚度在1.5～3.0 mm之间，缸底加工必须平整，还要经过喷砂处理。

3.2 超声波的工作机理

超声波清洗机理分两种情况，一种是在中、低频时，即频率在20～130 kHz时，超声空化起着最重要的作用。空化作用是指当超声波在作为清洗介质的液体中传播时，存在于液体中的微气泡在声场作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡迅速扩大，然后突然闭合，在气泡闭合时产生强大的冲击波，在其周围产生上千个大气压的压力，破坏不溶性污物而使它们分散在清洗液中[4]。另一种是在高频区，即频率在1 MHz左右时，由于频率太高，声波在清洗液中很难发生空化作用，机理一般认为是由于声压梯度、粒子速度及声流的作用，空化作用是次要的。这种超声清洗的方向性强，清洗时一般将零件表面与声束平行。

在清洗喷丝头时，主要用低频声波，因而空化作用是主要因素。气泡爆破时产生的高温高压冲击波减小了污垢与被清洗件之间的黏着力，引起污垢的破坏和脱离，并且气体型气泡的振动对工件表面进行擦洗，振动可以传入内部缝隙中，使黏着物脱落。超声空化在液体和固体表面产生的微射流，能够除去或削弱边界污层，增加搅拌作用，加速黏着物在清洗液中的分散作用，强化洗涤效果。

4 影响超声波清洗效果的因素

影响超声波清洗效果的因素有多种，其中超声波的功率、频率、清洗液的选择、清洗箱容量、清洗温度和时间等工艺参数对清洗效果均有影响。

4.1 超声波的功率

超声波清洗的效果不一定与所加的功率成正比。如果超声波功率太大，液体中的空化强度将大大增加，较精密的器件可能产生蚀点，而且清洗缸底部振动板空化也很严重，使缸的寿命缩短。另外，超声波功率过大会使液体中的声强过高，产生大量的气泡，在声波表面形成一道屏障，声波不易扩散到整个缸体中，使得离声源较远的地方清洗作用减弱。超声波的功率太小则会降低空化强度，达不到清洗的目的。因而用超声波清洗喷丝头时选择合适的功率是必须的。

4.2 超声波的频率

超声波清洗喷丝头常用的频率在20～40 kHz之间。当超声波频率低时，在清洗剂中由空化作用引起的物理清洗作用显然有利，但空化引起的噪声很大，其分贝远远超过有关标准，在实际生产中20 kHz以下的超声波很少使用。对于小间隙、狭缝、深孔类零件的清洗选用频率大些的超声波较好。

4.3 清洗液

由于在纺丝过程中纺丝液经过喷丝头进入凝固浴中，因而堵塞喷丝头的污物多是纺丝液中的细小杂质或是未溶解的物料。只要在超声波清洗时选择合适的清洗液将纺丝液溶解或稀释，就能达到良好的清洗效果。

黏胶纤维是再生纤维素纤维，是从不能直接纺织加工的纤维素原料中提取纯净纤维素，经过烧碱等处理后制成黏稠的纺丝溶液，因而黏胶纤维的纺丝液可以溶于碱液中，在清洗黏胶纺丝所用的喷丝头时，选择稀碱液为清洗液能够达到更好的清洗效果。

壳聚糖纤维是将壳聚糖溶解到乙酸溶液中制成纺丝液，经过喷丝头后在碱性凝固浴中成丝，因而酸液可以使纺丝液的浓度变小，从而降低其黏度。选择酸性清洗液效果更好。

由此可见，超声波清洗喷丝头的清洗液要根据所纺纤维品种进行选择才能达到最佳效果。

4.4 清洗箱容量

清洗液量一般高于振子表面100 mm以上为好，但根据超声波的功率进行选择所达到的效果最好。由于清洗器受驻波场的影响，波节处振幅很小，而波幅处振幅很大，因而清洗效果不均匀，将清洗件放在波幅处时清洗效果最好。或者在清洗时将清洗件上下移动，使清洗均匀。

4.5 清洗温度和时间

超声波清洗喷丝头的温度大约在40～60 ℃之间。若清洗温度太低，则空化效果比较差，清洗效果也不好。因而部分超声波清洗机中装有加热保温装置。如果温度太高，气泡内的气压增加，引起冲击声压下降，对清洗效果不利。

超声波作用的时间与空化阈值有关，作用时间越长空化阈值越小。空化阈值是指使液体产生空化作用的最低声强或声压幅值。作用时间越长，超声波产生空化作用越容易，但是清洗时间不能无限制的延长，否则会造成资源浪费。

5 超声波清洗喷丝头的优势及应用前景

超声波清洗喷丝头与其他清洗方法相比具有清洗效果好、所用时间短、残留物少的优点。只要将喷丝头浸入清洗液中，喷丝头的各个部位都可以得到充分的清洗，包括深孔和凹槽。由于超声波发生器采用工作放大的方式，换能器的电声效率高，因而具有高效节能的特点，是一种高速、高质，易实现自动化的超声波清洗技术。另外，超声波对声反射强的材料清洗效果好，而喷丝头是用对超声波反射强的金、铂等金属制成的，清洗效果又有很大的提高，因而采用超声波清洗技术清洗喷丝头是最理想的清洗方法。随着湿纺纤维产量的增加，采用超声波清洗喷丝头将会得到更大的应用和推广。

[1]田家伟.喷丝头、纺丝泵、纺丝滤器的清洗[J].北京化纤，1995(3)：16-17.

[2]吴正之.黏胶长丝喷丝头与纺丝可纺性[J].人造纤维,1999(1)：3-6.

[3]赵琪.湿纺喷丝头的材质、孔形与可纺性的关系[J].广东化纤技术通讯,1980(7)：31-36.

[4]李春妹.超声波清洗技术及其在纺织行业的应用[J].纺织器材,1997(5)：26-27.

[5]陈思忠.超声波清洗技术与进展[J].洗净技术,2004(2)：7-12.