超声波在纺织工业中的应用探讨

刘亨昌，刘 丽

(河北科技大学，河北 石家庄 050018)

超声波是频率大于20 kHz的声波，因为它超出了人的听觉上限，故称之为“超声波”。随着相关科学的相互交叉渗透和功率超声波仪器设备的日趋完善，使超声技术广泛应用于化学、化工、医疗和医药等许多领域。近年来,超声波在纺织行业中得到了广泛的应用, 不少染整工艺过程中应用声波加速纺织品湿加工的速度，提高萃取杂质能力，改善纺织品的品质，制备纳米材料，节省水、电、汽，优化环境等。 超声技术是一门很有发展潜力的学科，超声技术的研究一旦取得突破性进展，必将给纺织工业生产带来新的生机和活力。

1 超声波的物理特性

由于超声波的频率相对较高，在液体中传播能量损失较小，因而具有很强的穿透能力。超声波在通过介质时会产生一系列的特殊效应，主要有以下三种。

1.1 超声波的机械效应

超声波与电磁波相似,可以被聚集、反射和折射,但在传播时需要有弹性介质。超声波在传播过程中,能够引起弹性介质中粒子产生振动并沿传播方向传递能量,超声波能量容易集中,因而形成很大的强度,能使物质作激烈的强迫机械振动。

1.2 超声波的热效应

媒质对超声波的吸收会引起温度上升，在超声波这种高频振动的影响下, 水分子反复地被极化, 由于水分子的热运动和相邻分子间的相互作用, 上述水分子随超声波振动方向的改变而摆动的规则运动将受到阻碍, 产生了类似于摩擦的效应。结果必然有一部分能量转化为分子的热运动, 使水的温度升高。同时在介质中还存在着一些离子或自由电子, 在外场存在的条件下, 形成了离子导电也会产生热效应。一方面,频率愈高,这种热效应就愈显著；另一方面,在不同媒质的分界面上,超声波能量将大量地转换成热能,往往造成分界面处的局部高温[1-2]。

1.3 超声波的空化效应

空化是液体中的一种物理现象，在超声波的作用下液体的某一区域会形成局部的暂时负压区从而产生空穴现象，并且在波腹生成驻波时可能产生空穴泡。这些充有蒸汽或空气的气泡处于非稳定状态，在空穴带消失、空穴泡崩溃时会产生强烈的水力冲击，这些引发冲击波的水力冲击伴有很大的局部压力脉冲, 并产生高速度梯度流。由于气泡的非线性振动和它们破灭时产生的巨大压力,伴随着这种空化现象会产生许多物理和化学效应[1]。

空穴作用的发生取决于超声波的频率、强度、介质温度以及液体的蒸汽压力。超声波的强度将受到介质温度的很大影响, 试验显示强度的作用随温度的上升而减小。在水中, 最大的空穴效应在50 ℃时出现。系统的相结构是评定应用超声波是否有益的另一个标准。所有染整湿加工都属于多相体系,在多相体中的空穴作用要比在均相体系中大几百倍[2]。

2 超声波的作用机理

2.1 超声波对纤维高分子物的作用

任何材料的损伤和破坏都起源于材料中的原始缺陷和裂缝, 而纤维高分子物无定形区的空隙正是提供了这种可能。当超声波作用于纤维材料时, 必然在材料的原始缺陷处即无定形区的空隙产生应力、应变能的集中, 超声波所传送的能量必然有一部分转化为裂纹扩展新表面所需的能量, 引起裂纹扩展。同时，由于超声波的作用, 产生纤维表面的微观滑移, 而形成疲劳源即所谓的疲劳裂纹成核。此后, 这一微小的裂纹沿结晶面生长,相继又发生了疲劳裂纹的亚临界扩展, 致使纤维的表面如同被腐蚀的一样。大大增加了纤维表面的比表面积。纤维微结构发生上述的变化, 不可避免地会发生纤维的强力等物理机械性能的变化。可以说损伤所造成纤维材料性能的劣化恰恰是纤维微观结构的变化和吸附量增大的宏观表现[2]。

2.2 超声波对工作液的作用

超声波对工作液的作用主要包括以下三方面。

分散作用是指化学品的胶态分子团与高分子质量微粒聚集体, 在声能的作用下, 均匀分散在工作液中, 提高了化学品的扩散和渗透速度；脱气作用是使弹性介质( 工艺溶液) 中的粒子发生纵向振荡, 产生疏密的闸阀效应, 即高和低的局部压力区, 从而将溶解或截留的气态分子, 从织物交叉、纤维毛细管和间隙中驱逐至溶液中, 伴随着工作液的逼迫渗透, 随之排除；扩散作用是浸在工作液中的织物, 紧靠布面存在着一固定层叫黏性阻滞层, 从工作液到达纤维表面的化学品的量与黏性阻滞层的厚度成反比, 而这一层的厚度决定于工作液的机械运动程度, 工作液因声能的弹性振动促使阻滞层变薄, 有助于加速溶液扩散到纤维内部。

声能在液体介质中, 可以粉碎溶液中的溶质粒子, 增大其表面积, 加快染料的渗透, 增加洗涤剂的表面活性, 改善乳化液和胶体溶液的稳定性, 加速湿加工中工作液的扩散、活化和强化反应[3]。

3 超声波在纺织工业中的应用

3.1 超声波在棉织物前处理中的应用

3.1.1 超声波对棉织物退浆的影响

用超声波对棉织物进行退浆效果优于常规方法，可提高退浆率，这是因为超声波的空化作用，在一定的空化温度下可使得棉织物的退浆液中空化量达到最大，形成的空化气泡能在很短的时间内在液体中产生强大的冲击波，在其周围产生很大的压力，促使退浆液迅速作用于织物，使浆料脱落。如果此时能够及时洗水去除易脱落的浆料，就能得到很好的退浆效果。

但用超声波对棉织物进行退浆处理也要把握一个适度的原则，如超声波的作用时间就需要控制在一个适当的范围内，若作用时间太长，就会使得已脱落的浆料在超声波的强烈作用下，重新渗入到织物里面，与纤维结合，从而引起退浆率的下降。除此之外，超声波还可减少退浆剂的用量。这是因为超声波空化引起的分散作用可以使大分子之间产生分离，并且能够促进退浆液与浆料充分接触，故可减少退浆剂的用量。

3.1.2 超声波对棉织物漂白和毛效的影响

无论从白度，还是从毛效上分析，采用超声波要比常规方法漂白效果好。随着浸渍时间的延长，白度和毛效都相应增加。这是因为在练漂过程中，超声波的空化作用可以使练漂液与纤维充分接触，一方面超声波作用于纤维使纤维内部的比表面积加大，从而增大了纤维吸附练漂液的比表面积，提高反应速率；另一方面超声波的空化作用有助于破坏发色系统，从而起到消色的作用，提高白度。同时超声波有助于织物上蜡质的乳化、污物和油垢的清除，从而改善织物的润湿性，提高毛效[4]。

3.2 超声波在染色中的应用

根据高分子物的力化学, 在超声波这种机械作用的影响下, 在适当的条件下, 纤维材料的大分子会产生大分子的初级自由基, 而且往往都是一个大分子中包含多个自由基[5]。

同时, 由于液体介质的空穴表面上的离子分布不均匀性, 可能产生一定的势能差, 由于空穴带电荷而导致介质组分激发和离子化, 生成如离子、自由基及具有不同生存期的活性粒子[5], 借助于空穴带、空穴泡消失时产生的水力冲击, 进入纤维材料的内部, 与纤维大分子的初级自由基产生一定的共价结合, 可以提高染料的固色率, 减少染料的浪费, 降低环境污染。

在超声波加工时, 目前实验的工况能符合要求, 而工业化生产时, 织物就不得实施流体染色, 只能平幅卷染、轧染, 但超声波的作用时间能否满足工艺要求，这是限制超声波染色工业化的弊病，需要更加深入的研究和技术开发来解决。

3.3 超声波在制备乳化液中的应用

染整处理织物所用乳液整理剂，常规采用桨式搅拌器制取，此法要耗用大量乳化剂和稳定剂。用机械搅拌方法制得的乳化液，稳定性差，常易分层破坏而产生废品。利用超声波可以制备分散极匀细、稳定性极好的乳化液，并可极大地节省乳化剂用量和提高劳动生产率。

某公司制备24%石蜡-硬脂酸甘油酯乳化液500 mL，用石蜡140 g/L，硬脂酸甘油酯100 g/L。采用7.6 kHz强度5 W/cm2声波处理5 min，再加入氢氧化钠与氨水后充分皂化为乳化液。用显微镜测量乳化液中颗粒的大小，可见乳化液是单分散型结构，即只有油滴分散于水中的乳液，有较好的均一性，处理5～10 min，大部分颗径为1 μm。

以上乳化液采用3 000 r/min机械搅拌处理40 min，在显微镜下可见为多分散型的结构，即乳化液中有油/水相，又有水/油相的分散液，容易凝集和分层，稳定性差，大部分颗粒为2 μm。

欲提高乳化液的稳定性，常需加很多昂贵的稳定剂。用超声波(声波)处理5 min制成几种石蜡乳化液，其硬脂酸皂含量各有不同(石蜡100 g，分别用71 g、50 g、33 g、20 g和9 g稳定剂)，所有的乳化液均很稳定，贮存6天后没有变化。当乳化液用71 g稳定剂机械搅拌制取，乳化液10 min后即分为两层。

分散作用是指化学品的胶态分子团与高分子量微粒聚集体，在声能的作用下，均匀分散在工作液中。由于粉碎了溶液中的溶质粒子，增大其表面积，增加分散相的表面活性，改善了乳化液和胶体溶液的稳定性。

3.4 超声波在制备染样的分散体系中的应用

还原染料和分散染料在50 ℃、9.4 kHz声波振动下制备分散体系，用电子显微镜观察，约有93%染料的颗粒尺寸小于1 μm，而用常规方法制备的分散体系，达到这一尺寸的只有50%。

采用30 kHz的超声波，使酞菁染料涂料在蒸馏水中得到非常好的分散，且具有比常规搅拌法制备的有较长的稳定时间。新型涂料连续轧染工艺取得显著的工艺效果，节能减排与采用超声波技术直接有关。

采用超声波分散直接染样，使染色的生产率提高30%，生产过程从原来的2.5 h缩短到1.5 h；复染率从4%降低到2.5%，提高了染色质量[6]。

3.5 超声波在处理纺织生产污水中的应用

纺织印染是用水量大、废水排放较多的工业部门之一。印染排放的废水中含有大量的碱类物质、pH值高(通常在9～12之间)；含有残余的染料和助剂，颜色深，色度大；含有机杂质多，悬浮物多；此外还含有微量的毒性物质。

实践证明，声化学法可使印染废水中的有机污染物高速降解而且可以去除有毒难降解的有机物。当超声波辐照水质环境时，其高能量的输出产生涡旋气泡，而气泡内部的高温高压状态可将水分子分解生成强氧化性的氢氧自由基，这些自由基可将有机物很快氧化分解成较简单的分子，最终生成CO2和H2O。众多研究表明，声化学处理纺织印染废水中难降解有毒有机污染物是卓有成效的。如对光催化氧化及臭氧难以降解氧化的某些有机物(三氯甲烷和四氯甲烷等)能有效地声降解。Inlazu等在饱和氩气中用超声波降解卤代烷烃，10 min内就将其质量浓度从100 mg/L降到3 mg/L 以下。Bhatnagar等用超声波降解卤代脂肪烃，40 min内就达到了72%～99.9%的降解效率。

超声波处理废水具有无二次污染等优点。因此目前国际上许多国家把超声波降解有机物作为处理污水的新方法．在利用超声波的空化效应降解单一有机物的研究方面取得一些进展：方法采用清洗槽式、侵入式声化学反应器。试验表明超声波降解有毒有机物水体，尤其是疏水性易挥发的污染物系，已经在技术上取得满意效果。

但是从经济上来考虑，与其他水处理的物理方法相比较，仍存在处理量小、费用高的问题。改进反应器结构，优化降解参数，以提高处理效率是今后研究的方向。目前利用超声空化效应分解水质中难降解有毒有机污染物的研究工作尚处于探索阶段，还有许多问题需要解决，如降解中间产物的鉴定、降解机理、反应器的设计以及反应过程的定量描述等[4]。

3.6 超声波在制备纺织生产中的纳米材料的应用

近年来，超声辐照方法已成为制备纳米材料的一种新型技术。采用超声辐照方法可以使在一般条件下，难以实现的或不可能实现的化学反应得以实现，它可以提供一种新的非常特殊的物理和化学反应环境，为科学家们制备纳米材料提供了重要的途径。它具有使固体粉碎、分散以及产生自由基或其他活性基团，引发单体聚合作用，可以用于制备超声粉碎、超声波分散和嵌段(接枝)共聚物。用超声技术制备纳米材料的方法主要有以下三种：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)纳米粒子制备；导电聚苯胺纳米粒子的制备；聚合物/无机纳米粒子复合材料制备[4]。

3.7 超声波在染色织物净洗中的应用

《超声波在纯棉织物染色净洗中的应用》中染样净洗工艺要求如下：皂洗后的染料→清水洗→超声波净洗(注：布样要平铺于加水100 mL的超声波净洗槽内)→测试(其中洗液测定吸光度；洗样则晾干后测试)。

请注意工艺要求用小括号特别强调了“平铺”两个字，这是超声波对织物加工时极为重要的前提，只有“平铺”才能实施对织物整幅面的均匀处理、传质。实验的工况仅一块小布样，完全可以平铺在超声波净洗槽中接受超声波的处理，而工业化生产时，织物就不能实施流体绳状染色，只能平幅染色，净洗效果见表1。

表1 不同时间的超声波(40 kHz)净洗对净洗效果的影响

由表1可知，超声波在55 ℃的条件下，从10 s到30 s，随着时间的增加，洗涤效果有不同程度的提高，洗液吸光度不断增加，但增加幅度逐渐减小，洗样K/S值不断减小；当洗涤时间达到15 s时，超声波净洗一次就可以达到甚至超过常规净洗在90 ℃洗涤三次的效果。 因此，实验认为超声波合适的净洗时间应该为15～30 s。该时间在大生产平幅水洗中，按60 m/min的工艺速度计，则织物需经过15～30 min的超声波处理区，因此产生以下问题：超声波振动源的装机容量多大？净洗槽的制造成本多少？投资效益多高？以上仅为净洗，另有一例织物全程洗涤，在洗涤溶液相同、洗涤液更换次数相同，10次试验的平均结果：不同弹性振动作用的样品在100 ℃液温下，需150 min；在20 kHz的辐射器弹性振动洗液中，50 ℃ 液温，仅需15 min，100 ℃液温，仅需10 min。弹性振动洗涤效果在全程洗涤中充分得到体现，时间仅占无超声波振动洗涤的1/15，更适合染色后的低温水洗的节能。然而，全程洗涤需要配套10～15 min洗涤时间的超声波振动源，按平幅60 m/min工艺线速度计，将是长达600～900 m的装置，如此长度，在平幅设备上实施可行吗？

显然，超声波在纺织工业大生产方面的应用的可行性是值得我们慎重考虑和研究的问题。在研究超声波洗涤时必须注意：织物浸在水中，声波很快被吸收，振动频率愈大，其作用半径愈小，高频的超声波由于作用半径极小，故不适合大生产洗涤织物。

4 结 论

超声波在纺织行业中越来越发挥其优势。超声波可用于改善多种纺织品染整加工工艺, 它在染整加工中的应用具有许多优点, 如减少加工时间, 降低化学品的消耗和能量损耗, 改进产品质量等, 但也存在不少问题, 如加工成本、超声波的方向性及设备振动源装机容量和尺寸、平幅染色和净洗所需大量时间的要求、生产线的长度和占用场地面积、噪音等。而且由于超声波设备的费用昂贵, 实际上很少应用于工业大生产。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, 超声波技术在纺织工业中的应用也将得到更加普遍的推广和重视,随着“十二五”规划国家工业化进程的逐步推进，超声波设备价格将随之趋降，这将为纺织行业打破环境壁垒，加快结构调整注入新的科技力量，高污染的行业时期可能就此跨越。

[1] 杨英贤，姜宜宽.超声波技术将为纺织行业带来新的发展机遇[J].山东纺织科技，2004(6):39-42.

[2] 高淑珍.浅析超声波在染色中的应用[J].印染,1998, 24(2) : 51-53.

[3] 陈立秋.染整工艺应用超声波技术可行吗[J].染整技术，2006, 28(3): 50-51.

[4] 苏宇伟.超声波技术在纺织上的应用[J]．新知·动向，2008(8): 74-75.

[5] H.K.巴拉姆鲍伊姆.高分子化合物力化学[M].北京: 化学工业出版社,1982:228-231.

[6] 陈立秋.超声波技术的应用[J].染整技术,2009,31(4):53-54.