微波在紡織品染色中的應(yīng)用研究
趙雪 何謹(jǐn)馨 (東華大學(xué)化學(xué)化工與生物工程學(xué)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(duì)微波在紡織纖維染色中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，主要從纖維改性、浸染、軋堆染色三個(gè)方面對(duì)微波染色進(jìn)行了重點(diǎn)的評(píng)述。軋堆染色用微波處理由于其高效，可以節(jié)省固色時(shí)堆置的時(shí)間，有污水排放少等優(yōu)點(diǎn)。
【關(guān)鍵詞】 微波技術(shù)；染色；微波軋堆
【中圖分類號(hào)】TSl93.59 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)： 1005-9350(2009)02
所謂微波染色.就是利用微波加熱的染色技術(shù)。微波一般可分為米波、厘米波和毫米波波段，頻率為300～300000 MHz。在染整行業(yè)除了可用于烘干外，還可用于染色前纖維的預(yù)處理以改變纖維的表面結(jié)構(gòu)和超分子結(jié)構(gòu)改性，用以提高上染率和固色率，及染色時(shí)染料的固色等。微波具有熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，內(nèi)外同時(shí)加熱，使織物在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到內(nèi)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(biāo)高、色牢度好。由于微波染色高效節(jié)能且易于控制，故便于紡織行業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和連續(xù)生產(chǎn)。
1 微波設(shè)備
實(shí)驗(yàn)微波沒(méi)備的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。設(shè)備包含一個(gè)可調(diào)功率的微波源，用探針耦合方式將微波從源引出后經(jīng)環(huán)行器進(jìn)入波導(dǎo)腔，入射功率由定向耦合器1和中功率計(jì)1測(cè)量，微波能量在波導(dǎo)腔內(nèi)按TE01模式傳播，與放置樣品的PTF反應(yīng)器相遇。PTF反應(yīng)器本身對(duì)微波“透明”，微波能部分被樣品吸收；部分被反射，經(jīng)過(guò)環(huán)行器偏轉(zhuǎn)后送入水負(fù)載2被吸收，
反射的微波功率由定向耦合器l和中功率計(jì)1測(cè)量：還有部分透射微波能被水負(fù)載1吸收。
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| 圖l微波設(shè)備示意圖 |
樣品溫度的測(cè)量采用Victor D M-6902數(shù)字式溫度計(jì)(深圳勝利儀器
2 微波在染色中加熱的特點(diǎn)和機(jī)理
微波加熱優(yōu)點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：①微波能瞬間穿透被加熱物質(zhì)，只需要加熱數(shù)秒至幾分鐘，無(wú)需預(yù)熱。停止加熱也是瞬間的，無(wú)余熱：⑦微波是介電損耗發(fā)熱，介電損耗系數(shù)大的物體有選擇性地吸收微波，不需要加熱的部分不會(huì)吸收微波，避免了無(wú)意義的升溫；③由于是被加熱物體本身發(fā)熱，周圍空氣和裝置等不加熱，不會(huì)造成熱損失，故熱效率高：④由于被加熱物各部分同時(shí)發(fā)熱，整個(gè)物體內(nèi)外部都能均勻加熱，不會(huì)像一般傳導(dǎo)加熱產(chǎn)生物體表面和內(nèi)部較大的溫度差：⑤能比較容易地用功率量的大小來(lái)調(diào)整加熱狀態(tài)：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(chǎn)生振動(dòng)，促進(jìn)染料的溶解和擴(kuò)散。微波發(fā)生裝置是無(wú)公害裝置，但在運(yùn)轉(zhuǎn)中可能會(huì)有一部分電磁波從加熱裝置中泄漏而產(chǎn)生各種干擾，所以要采取措施嚴(yán)格控制，用各種方法將電磁波屏蔽。
利用微波進(jìn)行染色的原理主要是：當(dāng)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
3 微波技術(shù)在染色中的應(yīng)用
3.1 微波技術(shù)用于染色前纖維預(yù)處理
微波技術(shù)在染色前纖維預(yù)處理中的應(yīng)用主要是改變纖維的形態(tài)、表面結(jié)構(gòu)、超分子結(jié)構(gòu)或者對(duì)纖維接枝改性以提高其染色效果。
微波輻射技術(shù)可以改變纖維的形態(tài)、表面結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者在纖維染色前利用此技術(shù)對(duì)纖維進(jìn)行預(yù)處理以提高纖維染色的效果。
H.Sun，L.Lin用微波處理通過(guò)改變纖維表面的粗糙程度提高了亞麻纖維的可染性，同時(shí)通過(guò)電鏡掃描照片(經(jīng)過(guò)微波處理的和未經(jīng)微波處理的亞麻纖維)驗(yàn)證了這一事實(shí)，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(zhuǎn)化成分子之間相互運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能造成亞麻纖維表面結(jié)構(gòu)的變化，因此提高了亞麻纖維對(duì)染料的吸收和滲透，并且增加了染料與纖維之間的反應(yīng)。觀察未經(jīng)過(guò)處理的、經(jīng)過(guò)微波處理的亞麻纖維表面結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片，顯示出經(jīng)微波處理的亞麻織物表面結(jié)構(gòu)變得粗糙了，因此經(jīng)過(guò)其處理后，染料可以很快地被纖維吸收并滲透進(jìn)入纖維內(nèi)部，提高染料對(duì)纖維的上染率[2]。
微波輻射技術(shù)除了可以改變纖維的形態(tài)和表面結(jié)構(gòu)，還可以通過(guò)非熱效應(yīng)機(jī)理改變纖
鏈的斷裂導(dǎo)致絲纖維結(jié)晶度的下降，會(huì)使得纖維的結(jié)晶化趨向遭到破壞，無(wú)定形區(qū)含量提高[3]。同時(shí)纖維也遭到損傷，絲織物拉伸強(qiáng)度下降。無(wú)定型區(qū)含量的提高可以增加染料對(duì)纖維上染的可及度。
在有些情況下纖維經(jīng)過(guò)用微波輻射技術(shù)處理后結(jié)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(gè)作用原理：首先在微波輻射過(guò)程中纖維分子中一定數(shù)量的氫鍵斷裂和分子鏈分離，因此增加了在纖維結(jié)構(gòu)里的空隙、體積和微孔，因此增加了上染率。其次，表面形態(tài)結(jié)構(gòu)被損壞，因此增加了纖維對(duì)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(jìn)入纖維內(nèi)部[4]。
微波輻射還可以對(duì)纖維進(jìn)行接枝改性，以增加纖維的活性基團(tuán)和親水性，因此提高染色效果。曹雪琴利用微波技術(shù)對(duì)真絲纖維用檸檬酸進(jìn)行接枝交聯(lián)改性，其反應(yīng)機(jī)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(fā)生酯化反應(yīng)，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(guò)檸檬酸分子相互交聯(lián)。微波的熱效應(yīng)可使可逆的酯化反應(yīng)中生成的水分快速蒸干，促進(jìn)平衡向右移動(dòng)，提高接枝率。經(jīng)過(guò)微波輻射后真絲纖維分子中活性基團(tuán)和親水性基團(tuán)的數(shù)量增多，因此染色性有所提高[5]。
用微波技術(shù)在染色前對(duì)纖維進(jìn)行預(yù)處理，快速、方便、環(huán)保，且可以提高染色加工的效果。
3.2 微波技術(shù)在浸染中的應(yīng)用
微波浸染時(shí)，先將織物浸漬染液，然后放入密閉的微波回?zé)崾?反應(yīng)箱)中，在微波的作用下，染料和助劑分子發(fā)生反復(fù)極化并改變排列方向，分子之間反復(fù)摩擦生熱，染料分子可快速獲得較大的動(dòng)能，纖維膨化更顯著，可望提高上染百分率達(dá)到快速均勻上染和固色的目的[6]。在浸染過(guò)程
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(guī)水浴加熱法續(xù)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，從而縮短染色時(shí)間。由于微波加熱具有體加熱的特點(diǎn)，內(nèi)外同熱，從理論上講這樣做可以實(shí)現(xiàn)快速勻染。再改用常規(guī)水浴加熱法續(xù)染，以鞏固快速染色的效果。
先采用常規(guī)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(guò)程。這樣做的目的是讓織物上已有一定的染料上染，此時(shí)染料繼續(xù)上染將越來(lái)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(shí)纖維分子吸收微波導(dǎo)致進(jìn)一步膨化，已上染的染料分子進(jìn)一步向織物纖維內(nèi)部擴(kuò)散，從而提高染料的上染百分率和織物的色牢度。
整個(gè)染色過(guò)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(dá)到在大大縮短染色過(guò)程所需要時(shí)間的同時(shí)，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(gè)重要的特點(diǎn)就是上染的均勻性，上染的均勻性和微波的穿透深度有關(guān)。很顯然，愈深入材料內(nèi)部，滲透進(jìn)入的微波功率愈小，定義滲透深度Dp為當(dāng)功率從材料表面衰減至表面的1／e時(shí)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(zhǎng)。對(duì)常用工業(yè)材料(染料、織物等)可進(jìn)一步近似估算出Dp≈λ0，在2450 MHz附近，Dp≈
微波染色固色工藝與常規(guī)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(dá)到或超過(guò)常規(guī)水浴加熱染色固色工藝，可能是由于用微波加熱比用傳統(tǒng)的加熱方式均勻，在微波加熱時(shí)又很少或者幾乎沒(méi)有染料的泳移，染料在纖維的內(nèi)部呈現(xiàn)好的固色率并且有比較好的摩擦色牢度：對(duì)比傳統(tǒng)的浸染工藝，微波染色可以節(jié)省30％～50％的能量，并且大大縮短染色時(shí)間，節(jié)能效果明顯[1]。
3.3 微波技術(shù)在軋堆染色中的應(yīng)用
國(guó)外研制出的一種微波加工裝置叫Apollotex電反應(yīng)器，對(duì)織物進(jìn)行染色加工，被染色的織物經(jīng)過(guò)浸軋后，以平幅狀態(tài)進(jìn)入充滿蒸汽的反應(yīng)器中經(jīng)微波照射并打卷即可固色，這套裝置還可用于對(duì)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15 min，再在pH=8的熱水中洗滌，然后水洗。據(jù)介紹用這套裝置對(duì)滌綸織物減量加工，不會(huì)產(chǎn)生減量不勻和強(qiáng)力降低過(guò)多，而手感比掛練法柔軟，助劑用量可減少一半，有顯著的經(jīng)濟(jì)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(shí)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(shí)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(shí)間。只要羊毛在微波的加熱區(qū)域放置均勻并且微波設(shè)備設(shè)計(jì)適當(dāng)，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(shí)，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(chǎn)生巰基，使得羊毛上有更多的活性基和染料發(fā)生反應(yīng)：②染料上鹵代雜環(huán)活性基在亞硫酸氫鈉存在下轉(zhuǎn)化為活性更高的磺酸鹽基團(tuán)，亞硫酸氫鈉不
微波軋-卷堆置系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括：
(1)簡(jiǎn)單性：織物在堆置前不需要加熱并且在堆置室內(nèi)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(jìn)行，如果必要的話也可以在室溫堆置后再用微波加熱。
(3)高效性：微波提供了一個(gè)非常有效的加熱過(guò)程，當(dāng)用900 MHz的頻率加熱時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為熱能的效率可以超過(guò)～70%。
4 結(jié)論
隨著微波應(yīng)用技術(shù)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(shù)在紡織纖維染色加工中的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛，且與傳統(tǒng)染色技術(shù)之間的結(jié)合正日趨成熟。微波染色、固色工藝與常規(guī)染色、固色工藝相比，可大大縮短染色時(shí)間，節(jié)能效果明顯。
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