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(zhǎng)短,具有束射性強(qiáng)和易于通過(guò)聚焦集中能量的特點(diǎn)[1],可用來(lái)加速化學(xué)反應(yīng)或啟通新的反應(yīng)通道,以提高反應(yīng)產(chǎn)率或制取新化學(xué)反應(yīng)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(jīng)濟(jì)、縮短加工時(shí)間、纖維損傷小和加工效率高的特性。目前,大多數(shù)對(duì)超聲波促染作用的研究,尚未詳細(xì)揭示超聲波的作用機(jī)制,其機(jī)理尚未完全明了。
本文探索染色過(guò)程中超聲波處理方式對(duì)活性染料染色的影響,探討超聲波對(duì)染色體系各組分的作用。
1 試驗(yàn)
1. 1 試驗(yàn)裝置與儀器
UV22102 PC型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì),M304 耐摩擦牢度儀, SW212A耐水洗色牢度儀,超聲場(chǎng)染色裝置。超聲場(chǎng)染色試驗(yàn)裝置如圖1所示,超聲波發(fā)生器為KQ2500DE型數(shù)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(jìn)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(shù)l與h保持恒定。超聲波的發(fā)熱通過(guò)冷卻循環(huán)系
統(tǒng)加以平衡,染色過(guò)程的溫度波動(dòng)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(wú)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(yù)處理、染色和固色階段。預(yù)處理階段包括織物水中超聲處理及染液超聲預(yù)處理兩種方式。常規(guī)染色過(guò)程中,織物被水完全潤(rùn)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(shí),于不同的染色階段開(kāi)啟超聲波,余下操作與常規(guī)染色過(guò)程相同。染畢,織物進(jìn)行常規(guī)水洗,測(cè)定各項(xiàng)性能。
1. 4 性能測(cè)試
1. 4. 1 上染率測(cè)試
染色中,于40 ℃加入布樣開(kāi)始計(jì)時(shí),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(cè)色儀上,采用D65光源、10°視場(chǎng)角,測(cè)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(yàn)?zāi)拖瓷味取?用SW212A 型耐洗色牢度儀測(cè)試;按GB 250—1995《評(píng)定變色用灰色樣卡》和GB251—1995《評(píng)定沾色用灰色樣卡》評(píng)級(jí)。
摩擦牢度 根據(jù)GB /T 3920—1997《紡織品色牢度試驗(yàn)?zāi)湍Σ辽味取?在M304型耐摩擦牢度試驗(yàn)儀上測(cè)試。按GB 251—1995《評(píng)定沾色用灰色樣卡》評(píng)級(jí)。
2 結(jié)果與討論
2. 1 織物預(yù)處理的影響
在染色之前將織物浸入水中,開(kāi)啟超聲波預(yù)處理5 min,觀察到織物中有氣泡逸出。將預(yù)處理的織物進(jìn)行常規(guī)染色,其上染率曲線見(jiàn)圖2。
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由圖2可知,超聲波預(yù)處理后,織物的初始上染率顯著增大,至染色結(jié)束,其上染率較常規(guī)染色織物提高5. 2 %。
功率超聲波促染作用的推動(dòng)力來(lái)自于超聲波空化作用。空泡崩潰閉合時(shí)產(chǎn)生高溫高壓區(qū), 溫度可達(dá)1 900～5 200 K,壓力超過(guò)5.07×107Pa,溫度的時(shí)間變化率可達(dá)109K/s,并伴有400km /h的強(qiáng)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(duì)稱性,水及纖維中氣泡(空化核)發(fā)生變形,靠近固體界面一側(cè)具有強(qiáng)化作用。氣泡崩裂時(shí),產(chǎn)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(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變能的集中,引起裂紋擴(kuò)展,空隙增大并擴(kuò)展,致使纖維的比表面積增
為進(jìn)一步了解超聲波對(duì)織物的預(yù)處理作用,試驗(yàn)測(cè)定了經(jīng)超聲波預(yù)處理不同時(shí)間的織物在染色5min時(shí)的上染率及表觀色深,如圖3所示。
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預(yù)處理時(shí)間在10 min內(nèi),隨著超聲波預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng),上染率和染色織物的表觀色深增大。此后,超聲波對(duì)織物的促染作用逐漸減弱。因此,超聲預(yù)處理的最佳時(shí)間為10 min。
2. 2 染液預(yù)處理的影響
染色前,將染料溶液置于水浴中,開(kāi)啟超聲波預(yù)處理5 min。之后,加入染料助劑進(jìn)行常規(guī)染色。其上染率曲線見(jiàn)圖4。
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圖4中,染液經(jīng)超聲波預(yù)處理后,織物上染率增大,這種增大趨勢(shì)可延長(zhǎng)至染色結(jié)束, 上染率提高
3. 5 %。
上染率的提高,是因?yàn)槌暡栈饔眯纬傻奈⑸淞鲗?duì)染料聚集體具有分散作用,使更多染料呈單分子狀態(tài)存在,而有利于纖維的吸附。超聲波對(duì)染液的分散作用可從染液的可見(jiàn)吸收光譜得到驗(yàn)證。圖5為10 mg/L的染液經(jīng)不同預(yù)處理后的吸收光譜。染液預(yù)處理溫度40℃,超聲波開(kāi)啟時(shí)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(cè)定染料吸收光譜。
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由圖5可見(jiàn),隨超聲波開(kāi)啟,染液中染料的聚集體逐漸解聚,更多染料以分子狀態(tài)存在,染液吸光度值不斷增大。關(guān)閉超聲波于40 ℃水浴中保溫30 min,染液的吸光度開(kāi)始減小,染料分子重新聚集,但在40 ℃,染料單分子存在狀態(tài)至少可以維持30 min。
2. 3 超聲波促染作用
超聲波對(duì)染色過(guò)程具有促進(jìn)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(kāi)啟超聲波進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)得不同染色過(guò)程中的上染率如圖6所示。
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由圖6可知,在染色過(guò)程中的任何階段應(yīng)用超聲波,均可提高上染率。染色階段開(kāi)啟超聲場(chǎng)30 min,上染率由5
對(duì)比圖2、圖4與圖6,超聲波在染色中的促染作用,來(lái)自于超聲波對(duì)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(tài)存在,纖維毛細(xì)管或織物經(jīng)緯交織點(diǎn)中溶解或滯留的空氣被排除掉,從而有利于纖維對(duì)染料的吸收。超聲波具有極強(qiáng)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(nèi)部的擴(kuò)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(wú)定形區(qū)的空隙增大,結(jié)晶區(qū)缺陷部分分子鏈開(kāi)始運(yùn)動(dòng),纖維的可及度增加,對(duì)染料的吸附作用增強(qiáng)。
由于超聲對(duì)染液的分散及對(duì)織物的脫氣作用在染色階段已經(jīng)完成,故若在固色階段繼續(xù)應(yīng)用超聲波,則促染作用較弱。
2. 4 染色牢度
常規(guī)染色、織物超聲波預(yù)處理10min、染液超聲波預(yù)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(jí) | 水洗牢度/級(jí) | |||
| 干摩 | 濕摩 | 沾棉 | 沾毛 | 變色 | |
| 常規(guī)染色 | 5 | 4 | < ～5 | 4～5 | 5 |
| 織物預(yù)處理 | 5 | 4 | 4～5 | 4～5 | 5 |
| 染液預(yù)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(yù)處理過(guò)程對(duì)織物的色牢度無(wú)明顯影響。經(jīng)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?yàn)槌暡栈饔贸瑥?qiáng)的穿透功能,促進(jìn)了染料向纖維內(nèi)部的擴(kuò)散,使織物的透染性能提高,在纖維內(nèi)部形成更多染料2纖維化學(xué)鍵結(jié)合,從而提高染色織物的水洗牢度。
3 結(jié)論
超聲波在活性染料染色過(guò)程中具有促染作用,與常規(guī)染色工藝相比:
(1)超聲波對(duì)織物和染液預(yù)處理,均可提高染料的上染率,但對(duì)染色織物的牢度性能沒(méi)有影響。
(2)在不同染色過(guò)程開(kāi)啟超聲
(3)綜合考慮,染色階段開(kāi)啟超聲波30 min,關(guān)閉超聲波常規(guī)固色,能夠取得良好的促染作用。
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