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、軋堆染色三個方面對微波染色進(jìn)行了重點(diǎn)的評述。軋堆染色用微波處理由于其高效，可以節(jié)省固色時堆置的時間，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】TSl93.59文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)。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(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)外同時加熱，使織物在短時間內(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)自動控制和連續(xù)生產(chǎn)。
1微波設(shè)備
實(shí)驗(yàn)微波沒備的結(jié)構(gòu)示意見圖1。設(shè)備包含一個可調(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1測量，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)器本身對微波“透明”，微波能部分被樣品吸收；部分被反射，經(jīng)過環(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1測量：還有部分透射微波能被水負(fù)載1吸收。
樣品溫度的測量采用VictorDM-6902數(shù)字式溫度計(深圳勝利儀器廠產(chǎn))，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(zhǔn)，更可能因測溫元件中的
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，無需預(yù)熱。停止加熱也是瞬間的，無余熱：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(fā)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(fā)熱，整個物體內(nèi)外部都能均勻加熱，不會像一般傳導(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，促進(jìn)染料的溶解和擴(kuò)散。微波發(fā)生裝置是無公害裝置，但在運(yùn)轉(zhuǎn)中可能會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)的偶極子受到微波高頻電場的作用，因而發(fā)生反復(fù)極化和改變排列方向(如2450MHz時，在ls內(nèi)有24億5千萬次的偶極子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動)，在分子間反復(fù)發(fā)生摩擦而發(fā)熱，這樣可迅速地將吸收電磁波的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/div> 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(jīng)過微波處理的和未經(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)動的動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)過處理的、經(jīng)過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)，還可以通過非熱效應(yīng)機(jī)理改變纖維的超分子結(jié)構(gòu)，減小纖維的結(jié)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(xué)的鄒利云研究了微波輻照后的真絲纖維超分子結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)真絲纖維經(jīng)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(dǎo)致絲纖維結(jié)晶度的下降，會使得纖維的結(jié)晶化趨向遭到破壞，無定形區(qū)含量提高[3]。同時纖維也遭到損傷，絲織物拉伸強(qiáng)度下降。無定型區(qū)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(jīng)過用微波輻射技術(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作用原理：首先在微波輻射過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，提高接枝率。經(jīng)過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，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(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 3.2.2微波后處理 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(xù)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(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。 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(dá)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(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(yè)材料(染料、織物等)可進(jìn)一步近似估算出Dp≈λ0，在2450MHz附近，Dp≈12.2cm，可見當(dāng)材料不很厚的情況下，采用微波輻射，可穿透整個介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)材料的整體加熱，109Hz的頻率將導(dǎo)致很大升溫速率，達(dá)到快速均勻的加熱效果。當(dāng)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(chǎn)生極化損耗，但南于其ε〃eff遠(yuǎn)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(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，在微波加熱時又很少或 3.3微波技術(shù)在軋堆染色中的應(yīng)用 國外研制出的一種微波加工裝置叫Apollotex電反應(yīng)器，對織物進(jìn)行染色加工，被染色的織物經(jīng)過浸軋后，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(jù)介紹用這套裝置對滌綸織物減量加工，不會產(chǎn)生減量不勻和強(qiáng)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(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(qū)域放置均勻并且微波設(shè)備設(shè)計適當(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，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(tuán)的活性染料的固色率反而下降，產(chǎn)生負(fù)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(tuán)可以與亞硫酸氫鈉反應(yīng)形成復(fù)合物，此復(fù)合物是不能和纖維發(fā)生反應(yīng)的。 微波軋-卷堆置系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括： (1)簡單性：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 (3)高效性：微波提供了一個非常有效的加熱過程，當(dāng)用900MHz的頻率加熱時，電能轉(zhuǎn)化為熱能的效率可以超過～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，可大大縮短染色時間，節(jié)能效果明顯。 5參考文獻(xiàn) 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[7]M.j,Delaney.Pad-Batch-Microw與此同時，一些染料分子在微波的作用下，也可發(fā)生誘導(dǎo)而升溫，從而達(dá)到快速上染和固色的目的。也就是說，微波是利用織物上的水在感應(yīng)作用下發(fā)熱。除了熱效應(yīng)機(jī)理外，微波在染色過程中也應(yīng)用到了非熱效應(yīng)機(jī)理，微波非熱效應(yīng)源于化學(xué)基團(tuán)對微波的選擇性吸收，從而促進(jìn)基團(tuán)的旋轉(zhuǎn)振動，故在化學(xué)方面表現(xiàn)為有選擇地提高某些化學(xué)反應(yīng)的速度，起到高效催化劑的作用：在物理方面表現(xiàn)為具有調(diào)整材料的無定形區(qū)結(jié)構(gòu)，甚至有改變結(jié)晶區(qū)晶型的能力。微波非熱效應(yīng)機(jī)理在于纖維表面結(jié)構(gòu)和超分子結(jié)構(gòu)的改性以利于染色加工[1]。和部分短染色時間。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。者幾乎沒有染料的泳移，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間，節(jié)能效果明顯[1]。的話也可以在室溫堆置后再用微波加熱。avedyeingofwool[J]TextileChemistandcolorist,1972,4(5);119-122
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