微波在紡織品染色中的應用研究
趙雪何謹馨(東華大學化學化工與生物工程學院，上海201620)
展義臻(浙江三元控股有限公司，浙江杭州311221)
【摘要】對微波在紡織纖維染色中的應用進行了深入研究，主要從纖維改性、浸染、軋堆染色三個方面對微波染色進行了重點的評述。軋堆染色用微波處理由于其高效，可以節省固色時堆置的時間，有污水排放少等優點。
【關鍵詞】微波技術；染色；微波軋堆
【中圖分類號】TSl93.59文獻標識碼：A文章編號：1005-9350(2009)02-00l3-04
所謂微波染色.就是利用微波加熱的染色技術。微波一般可分為米波、厘米波和毫米波波段，頻率為300～300000MHz。在染整行業除了可用于烘干外，還可用于染色前纖維的預處理以改變纖維的表面結構和超分子結構改性，用以提高上染率和固色率，及染色時染料的固色等。微波具有熱效應和非熱效應，內外同時加熱，使織物在短時間內達到內外同熱的效果，織物的染色均勻性大大改善、上染率高、色度指標高、色牢度好。由于微波染色高效節能且易于控制，故便于紡織行業實現自動控制和連續生產。
1微波設備
實驗微波沒備的結構示意見圖1。設備包含一個可調功率的微波源，用探針耦合方式將微波從源引出后經環行器進入波導腔，入射功率由定向耦合器1和中功率計1測量，微波能量在波導腔內按TE01模式傳播，與放置樣品的PTF反應器相遇。PTF反應器本身對微波“透明”，微波能部分被樣品吸收；部分被反射，經過環行器偏轉后送入水負載2被吸收，
反射的微波功率由定向耦合器l和中功率計1測量：還有部分透射微波能被水負載1吸收。
樣品溫度的測量采用VictorDM-6902數字式溫度計(深圳勝利儀器廠產)，測頭為K型熱電偶(NiCr-NiAl)，精度為±(0.75％+l℃)。微波場中溫度的測量一般用非接觸式的紅外測溫：熱電偶測量會因電磁干擾失準，更可能因測溫元件中的
2微波在染色中加熱的特點和機理
微波加熱優點主要包括以下幾個方面：①微波能瞬間穿透被加熱物質，只需要加熱數秒至幾分鐘，無需預熱。停止加熱也是瞬間的，無余熱：⑦微波是介電損耗發熱，介電損耗系數大的物體有選擇性地吸收微波，不需要加熱的部分不會吸收微波，避免了無意義的升溫；③由于是被加熱物體本身發熱，周圍空氣和裝置等不加熱，不會造成熱損失，故熱效率高：④由于被加熱物各部分同時發熱，整個物體內外部都能均勻加熱，不會像一般傳導加熱產生物體表面和內部較大的溫度差：⑤能比較容易地用功率量的大小來調整加熱狀態：⑥微波除了有快速升溫的效果外，還能使水分子、染料分子產生振動，促進染料的溶解和擴散。微波發生裝置是無公害裝置，但在運轉中可能會有一部分電磁波從加熱裝置中泄漏而產生各種干擾，所以要采取措施嚴格控制，用各種方法將電磁波屏蔽。
利用微波進行染色的原理主要是：當浸軋染料溶液的織物受到微波照射后，由于纖維中的極性分子(如水分子)的偶極子受到微波高頻電場的作用，因而發生反復極化和改變排列方向(如2450MHz時，在ls內有24億5千萬次的偶極子旋轉運動)，在分子間反復發生摩擦而發熱，這樣可迅速地將吸收電磁波的能量轉變為熱能。
3微波技術在染色中的應用
3.1微波技術用于染色前纖維預處理
微波技術在染色前纖維預處理中的應用主要是改變纖維的形態、表面結構、超分子結構或者對纖維接枝改性以提高其染色效果。
微波輻射技術可以改變纖維的形態、表面結構，現在國內外已經有許多學者在纖維染色前利用此技術對纖維進行預處理以提高纖維染色的效果。
H.Sun，L.Lin用微波處理通過改變纖維表面的粗糙程度提高了亞麻纖維的可染性，同時通過電鏡掃描照片(經過微波處理的和未經微波處理的亞麻纖維)驗證了這一事實，分析原因可能是，亞麻纖維的表面分子吸收微波能量后活性增加轉化成分子之間相互運動的動能造成亞麻纖維表面結構的變化，因此提高了亞麻纖維對染料的吸收和滲透，并且增加了染料與纖維之間的反應。觀察未經過處理的、經過微波處理的亞麻纖維表面結構的掃描電鏡照片，顯示出經微波處理的亞麻織物表面結構變得粗糙了，因此經過其處理后，染料可以很快地被纖維吸收并滲透進入纖維內部，提高染料對纖維的上染率[2]。
微波輻射技術除了可以改變纖維的形態和表面結構，還可以通過非熱效應機理改變纖維的超分子結構，減小纖維的結晶度或者使纖維分子間力的作用減弱以提高對染料上染的可及度。蘇州大學的鄒利云研究了微波輻照后的真絲纖維超分子結構的變化，結果發現真絲纖維經過長時間微波處理后，纖維大分子主鏈有序度降低
鏈的斷裂導致絲纖維結晶度的下降，會使得纖維的結晶化趨向遭到破壞，無定形區含量提高[3]。同時纖維也遭到損傷，絲織物拉伸強度下降。無定型區含量的提高可以增加染料對纖維上染的可及度。
在有些情況下纖維經過用微波輻射技術處理后結晶度是增加的，但是最后得到的上染率卻是增加的。在這種情況下主要利用了微波的以下幾個作用原理：首先在微波輻射過程中纖維分子中一定數量的氫鍵斷裂和分子鏈分離，因此增加了在纖維結構里的空隙、體積和微孔，因此增加了上染率。其次，表面形態結構被損壞，因此增加了纖維對染料的吸附性。最后，微波輻射后纖維直徑的增加有利于染料溶液滲透進入纖維內部[4]。
微波輻射還可以對纖維進行接枝改性，以增加纖維的活性基團和親水性，因此提高染色效果。曹雪琴利用微波技術對真絲纖維用檸檬酸進行接枝交聯改性，其反應機理為在微波高溫輻照下，絲素分子中的羥基與檸檬酸中的羧基發生酯化反應，使絲素的大分子主鏈接枝上小分子，從而使絲素分子間通過檸檬酸分子相互交聯。微波的熱效應可使可逆的酯化反應中生成的水分快速蒸干，促進平衡向右移動，提高接枝率。經過微波輻射后真絲纖維分子中活性基團和親水性基團的數量增多，因此染色性有所提高[5]。
用微波技術在染色前對纖維進行預處理，快速、方便、環保，且可以提高染色加工的效果。
3.2微波技術在浸染中的應用
微波浸染時，先將織物浸漬染液，然后放入密閉的微波回熱室(反應箱)中，在微波的作用下，染料和助劑分子發生反復極化并改變排列方向，分子之間反復摩擦生熱，染料分子可快速獲得較大的動能，纖維膨化更顯著，可望提高上染百分率達到快速均勻上染和固色的目的[6]。在浸染過程中微波可以作用在不同的染色階段。
3.2.1微波先處理
先用微波輻射，使染浴從室溫迅速升溫至某一溫度，再改用常規水浴加熱法續染，這樣做的目的是利用微波可使染浴快速升溫，染料的上染速率也迅速提高，從而縮
3.2.2微波后處理
先采用常規水浴加熱法染色至某一溫度，再改用微波輻射完成后期染色過程。這樣做的目的是讓織物上已有一定的染料上染，此時染料繼續上染將越來越受到已上染的染料分子的阻力影響，改用微波輻射以期讓更多的染料分子獲得足
夠的能量上染，同時纖維分子吸收微波導致進一步膨化，已上染的染料分子進一步向織物纖維內部擴散，從而提高染料的上染百分率和織物的色牢度。
3.2.3微波全處理
整個染色過程全部用微波輻射，這樣做的目的是選擇合適的微波輻射條件，控制升溫速度，希望達到在大大縮短染色過程所需要時間的同時，也能提高染料的上染百分率，并保證織物上染均勻。
微波上染除了高效快速以外，還有一個重要的特點就是上染的均勻性，上染的均勻性和微波的穿透深度有關。很顯然，愈深入材料內部，滲透進入的微波功率愈小，定義滲透深度Dp為當功率從材料表面衰減至表面的1／e時的距離。
一般低耗材料，滲透深度近似為：Dp=λ0(ε’)1/2／2PAIε〃eff，式中λ0為入射電磁波波長。對常用工業材料(染料、織物等)可進一步近似估算出Dp≈λ0，在2450MHz附近，Dp≈12.2cm，可見當材料不很厚的情況下，采用微波輻射，可穿透整個介質，實現材料的整體加熱，109Hz的頻率將導致很大升溫速率，達到快速均勻的加熱效果。當微波輻射浸沒在染液中的織物時，雖然織物纖維自身及染料分子也會產生極化損耗，但南于其ε〃eff遠小于染液中水的ε〃eff，因此吸收微波能造成染液迅速升溫的主要因素是水。
微波染色固色工藝與常規水浴加熱染色固色工藝相比，可提高織物上染料的上染率：織物的摩擦色牢度與皂洗色牢度均能達到或超過常規水浴加熱染色固色工藝，可能是由于用微波加熱比用傳統的加熱方式均勻，在微波加熱時又很少或
3.3微波技術在軋堆染色中的應用
國外研制出的一種微波加工裝置叫Apollotex電反應器，對織物進行染色加工，被染色的織物經過浸軋后，以平幅狀態進入充滿蒸汽的反應器中經微波照射并打卷即可固色，這套裝置還可用于對滌綸織物堿減量加工，其工藝流程是：把滌綸織物以常溫浸軋含堿工作液，用微波照射15min，再在pH=8的熱水中洗滌，然后水洗。據介紹用這套裝置對滌綸織物減量加工，不會產生減量不勻和強力降低過多，而手感比掛練法柔軟，助劑用量可減少一半，有顯著的經濟效益。
M.j.Delaney研究了羊毛活性染料染色微波軋堆工藝。羊毛的微波軋堆染色，一般堆置時染液中要加入高濃度的尿素(尿素可以顯著吸收微波的能量)，因此在堆置時提高染色固色溫度，可以顯著加快活性染料在羊毛上的固色速率，由于微波加熱的高滲透性，可以顯著地減少羊毛固色所需要的時間。只要羊毛在微波的加熱區域放置均勻并且微波設備設計適當，則羊毛就可以獲得均勻加熱固色[7]。在羊毛用微波活性染料軋堆染色時，添加亞硫酸氫鈉，活性染料固色率可以提高，原因如下：①羊毛二硫鍵的減少產生巰基，使得羊毛上有更多的活性基和染料發生反應：②染料上鹵代雜環活性基在亞硫酸氫鈉存在下轉化為活性更高的磺酸鹽基團，亞硫酸氫鈉不是對所有的活性染料的固色率都有提高，如包含α-溴代丙烯酰胺活性基團的活性染料的固色率反而下降，產生負面影響的原因是由于染料的失活。α-溴代丙烯酰胺活性基團可以與亞硫酸氫鈉反應形成復合物，此復合物是不能和纖維發生反應的。
微波軋-卷堆置系統的優點包括：
(1)簡單性：織物在堆置前不需要加熱并且在堆置室內不需要濕度控制。
(2)靈活性：堆置不一定必須在微波條件下進行，如果必要
(3)高效性：微波提供了一個非常有效的加熱過程，當用900MHz的頻率加熱時，電能轉化為熱能的效率可以超過～70%。
4結論
隨著微波應用技術的普及和不斷完善，微波元器件性能在不斷提高，成本亦大幅度降低，作為一種高新技術在紡織纖維染色加工中的應用已經越來越廣泛，且與傳統染色技術之間的結合正日趨成熟。微波染色、固色工藝與常規染色、固色工藝相比，可大大縮短染色時間，節能效果明顯。
5參考文獻
[1]RMurugan.MSenthilkumar.TRamaehandran.StudyonthePossibilityofReductioninDyeingTimeusingMicrowaveovenDyeingTechnique[J]IE(1)Journal-TX,2007,287(2);23-27
[2]H.Sun,L.Lin,X.Jiang,Theimprovementofdyeabilityofflaxfibrebymicrowavetreatment[J]Pigment&Resin
Technology,2005,34(4);190-196
[3]鄒利云陳寧岳盛家鏞,微波輻照后的真絲纖維結構及其性能研究[J]絲綢,2001,(4);8-10
[4]K.Haggag,H.L.Hanna,B.M.Youssef.Dyeingpolyesterwithmicrowaveheatingusingdispersdyestuffs[J]AmericanDyestuffReporter,1991,(3);22-34
[5]曹雪琴，微波法對真絲纖維的接枝改性研究[J]印染助劑，2005，22(12)；9-11
[6]江美福，微波技術在真絲綢染色中的應用研究[J]微波學報，1997，13(3)；248-254
[7]M.j,Delaney.Pad-Batch-Microw
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