頻率大于20 kHz的聲波超出人耳可聞上限,被稱為超聲波。超聲波波長短,具有束射性強和易于通過聚焦集中能量的特點[1],可用來加速化學反應或啟通新的反應通道,以提高反應產率或制取新化學反應物。
超聲波在紡織品濕加工方面的研究已有多年[ 2～10 ]具有經濟、縮短加工時間、纖維損傷小和加工效率高的特性。目前,大多數對超聲波促染作用的研究,尚未詳細揭示超聲波的作用機制,其機理尚未完全明了。
本文探索染色過程中超聲波處理方式對活性染料染色的影響,探討超聲波對染色體系各組分的作用。
1 試驗
1. 1 試驗裝置與儀器
UV22102 PC型紫外可見分光光度計,M304 耐摩擦牢度儀, SW212A耐水洗色牢度儀,超聲場染色裝置。超聲場染色試驗裝置如圖1所示,超聲波發生器為KQ2500DE型數控超聲波清洗器(最大功率500 W,頻率40 kHz) 。為保證在相同輸入功率下分散進入染杯中的超聲功率恒定,染杯在超聲波清洗器中的位置參數l與h保持恒定。超聲波的發熱通過冷卻循環系
統加以平衡,染色過程的溫度波動為±1 ℃。
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1. 2 材料與藥品
材料 純棉平紋織物
藥品 Remazol Red RGB (DyStar公司)、無水硫酸鈉(分析純)、碳酸鈉(分析純)
1. 3 染色工藝處方和流程
工藝處方/(g/L)
染料 0.4
硫酸鈉 40
碳酸鈉 20
工藝流程
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染色工藝流程分為預處理、染色和固色階段。預處理階段包括織物水中超聲處理及染液超聲預處理兩種方式。常規染色過程中,織物被水完全潤濕后,擠干水分,置于染浴中染色30 min,固色40 min。超聲波染色時,于不同的染色階段開啟超聲波,余下操作與常規染色過程相同。染畢,織物進行常規水洗,測定各項性能。
1. 4 性能測試
1. 4. 1 上染率測試
染色中,于40 ℃加入布樣開始計時,染至5、10、15、20、30、35、40、45、55、70 m
C/% = (1-At/A0)×100 (1)
1. 4. 2 織物表面色深
在Datacolor SF 600測色儀上,采用D65光源、10°視場角,測定織物的K /S值。
1. 4. 3 染色牢度
水洗牢度 按GB /T 3921. 2—1997《紡織品色牢度試驗耐洗色牢度》,用SW212A 型耐洗色牢度儀測試;按GB 250—1995《評定變色用灰色樣卡》和GB251—1995《評定沾色用灰色樣卡》評級。
摩擦牢度 根據GB /T 3920—1997《紡織品色牢度試驗耐摩擦色牢度》,在M304型耐摩擦牢度試驗儀上測試。按GB 251—1995《評定沾色用灰色樣卡》評級。
2 結果與討論
2. 1 織物預處理的影響
在染色之前將織物浸入水中,開啟超聲波預處理5 min,觀察到織物中有氣泡逸出。將預處理的織物進行常規染色,其上染率曲線見圖2。
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由圖2可知,超聲波預處理后,織物的初始上染率顯著增大,至染色結束,其上染率較常規染色織物提高5. 2 %。
功率超聲波促染作用的推動力來自于超聲波空化作用。空泡崩潰閉合時產生高溫高壓區, 溫度可達1 900～5 200 K,壓力超過5.07×107Pa,溫度的時間變化率可達109K/s,并伴有400km /h的強大微射流[1]。超聲波在液體中傳播至纖維2水界面(固2液界面)處,由于界面的不對稱性,水及纖維中氣泡(空化核)發生變形,靠近固體界面一側具有強化作用。氣泡崩裂時,產生高速微射流射向纖維表面,作用于纖維分子鏈,必然在纖維原始缺陷處產生應力、應變能的集中,引起裂紋擴展,空隙增大并擴展,致使纖維的比表面積增
為進一步了解超聲波對織物的預處理作用,試驗測定了經超聲波預處理不同時間的織物在染色5min時的上染率及表觀色深,如圖3所示。
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預處理時間在10 min內,隨著超聲波預處理時間的延長,上染率和染色織物的表觀色深增大。此后,超聲波對織物的促染作用逐漸減弱。因此,超聲預處理的最佳時間為10 min。
2. 2 染液預處理的影響
染色前,將染料溶液置于水浴中,開啟超聲波預處理5 min。之后,加入染料助劑進行常規染色。其上染率曲線見圖4。
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圖4中,染液經超聲波預處理后,織物上染率增大,這種增大趨勢可延長至染色結束, 上染率提高
3. 5 %。
上染率的提高,是因為超聲波空化作用形成的微射流對染料聚集體具有分散作用,使更多染料呈單分子狀態存在,而有利于纖維的吸附。超聲波對染液的分散作用可從染液的可見吸收光譜得到驗證。圖5為10 mg/L的染液經不同預處理后的吸收光譜。染液預處理溫度40℃,超聲波開啟時間為5min和30min。超聲處理30min 后, 染液置于40℃水浴中保溫30min,處理后立即測定染料吸收光譜。
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由圖5可見,隨超聲波開啟,染液中染料的聚集體逐漸解聚,更多染料以分子狀態存在,染液吸光度值不斷增大。關閉超聲波于40 ℃水浴中保溫30 min,染液的吸光度開始減小,染料分子重新聚集,但在40 ℃,染料單分子存在狀態至少可以維持30 min。
2. 3 超聲波促染作用
超聲波對染色過程具有促進作用,為更好理解這種作用,分別在染色、固色及染固色階段開啟超聲波進行試驗。測得不同染色過程中的上染率如圖6所示。
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由圖6可知,在染色過程中的任何階段應用超聲波,均可提高上染率。染色階段開啟超聲場30 min,上染率由5
對比圖2、圖4與圖6,超聲波在染色中的促染作用,來自于超聲波對織物和染液的綜合作用。超聲空化形成的高速微射流,使染料以單分子狀態存在,纖維毛細管或織物經緯交織點中溶解或滯留的空氣被排除掉,從而有利于纖維對染料的吸收。超聲波具有極強的穿透能力,空化作用可穿透覆蓋纖維的隔離層,從而提高染料向纖維內部的擴散速度。超聲空化的高溫高壓作用,可使纖維素纖維分子鏈聚集足夠能量,從而使纖維無定形區的空隙增大,結晶區缺陷部分分子鏈開始運動,纖維的可及度增加,對染料的吸附作用增強。
由于超聲對染液的分散及對織物的脫氣作用在染色階段已經完成,故若在固色階段繼續應用超聲波,則促染作用較弱。
2. 4 染色牢度
常規染色、織物超聲波預處理10min、染液超聲波預處理5min、超聲波染色、超聲波固色五種染色條件下,織物的染色牢度如表1所示。
表1 染色牢度
| 染色條件 | 摩擦牢度/級 | 水洗牢度/級 | |||
| 干摩 | 濕摩 | 沾棉 | 沾毛 | 變色 | |
| 常規染色 | 5 | 4 | < ～5 | 4～5 | 5 |
| 織物預處理 | 5 | 4 | 4～5 | 4～5 | 5 |
| 染液預處理 | 5 | 4 | 4～5 | 4～5 | 5 |
| 超聲波染色 | 5 | 4～5 | 5 | 4～5 | 5 |
| 超聲波固色 | 5 | 4～5 | 5 | 4～5 | 5 |
表1中,預處理過程對織物的色牢度無明顯影響。經超聲波染色或固色作用后,織物的濕摩擦牢度和棉沾色牢度略有提高。這可能是因為超聲波空化作用超強的穿透功能,促進了染料向纖維內部的擴散,使織物的透染性能提高,在纖維內部形成更多染料2纖維化學鍵結合,從而提高染色織物的水洗牢度。
3 結論
超聲波在活性染料染色過程中具有促染作用,與常規染色工藝相比:
(1)超聲波對織物和染液預處理,均可提高染料的上染率,但對染色織物的牢度性能沒有影響。
(2)在不同染色過程開啟超聲
(3)綜合考慮,染色階段開啟超聲波30 min,關閉超聲波常規固色,能夠取得良好的促染作用。
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