第七章超聲波技術在染整加工中的應用

1、第七章第七章 超聲波技術在超聲波技術在 染整加工中的應用染整加工中的應用一、超聲波基本知識二、超聲波在染整加工中的應用三、超聲波染整加工的發(fā)展前景第一節(jié)第一節(jié) 超聲波基本知識超聲波基本知識 1 1超聲波的概念超聲波的概念 不同頻率的振動傳輸?shù)饺硕?，引起對鼓膜的刺激而形成了對高低不同的音調(diào)的感覺，這就是我們所能聽到的聲音。在我們生活的空間里存在著各式各樣的振動，自然界就象一個龐大的聲場，有些我們能夠聽得到，有一些我們不能感知，這取決于振動的頻率。我們可以將能夠聽到的和不能夠聽到的聲音總頻譜做一個劃分，見表1。 表表1 1 聲音總頻譜聲音總頻譜 聲波名稱性能特征次聲波音頻聲波超聲波振動頻率（HZ

2、）20202000020000 感知狀況無聽覺有聽覺無聽覺2.2.超聲波的傳播超聲波的傳播n與普通音頻聲波一樣，超聲波是在氣體、液體、和固體等彈性介質(zhì)中傳播的機械波。n為了便于說明，我們用一個可周期性膨脹與收縮的（彈性）球表示一個超聲波源，球的周圍充滿了彈性介質(zhì)，如圖1所示。 在振動過程中，彈性球做著膨脹與收縮的周期往復運動。當球膨脹時，它壓縮與其直接相鄰接的一層介質(zhì)，而這層介質(zhì)又將同一壓縮傳遞給鄰接的下一層介質(zhì)，如此遞推，最終此壓縮傳遍于全部介質(zhì)空間。當球收縮時，與其直接相鄰接的曾被壓縮的那一層介質(zhì)又會被拉伸而變得稀疏，同樣通過各層介質(zhì)間的聯(lián)動，這一稀疏也要傳遍時整個介質(zhì)空間。如此呈周期性反

3、復，不斷進行著這種壓縮和稀疏的交替，并向介質(zhì)空間各個方向傳遞。由此形成了超聲波的傳播。幾個概念幾個概念:1）波長 指超聲波的傳播中，兩個相鄰的壓縮或兩個相鄰的稀疏之間的距離。2）功率 指單位時間里由超聲源向外輻射出的能量。3）聲強 指單位時間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向的單位面積上的平均能量。 I=（A22u）/2 式中 I：聲強，：介質(zhì)密度，A：振幅，：頻率，u：聲速 4）頻率 指超聲波1秒種內(nèi)完成或壓縮與稀疏的振動的次數(shù)。5）聲壓 超聲波傳播空間中的任一點在某一時刻具有的壓強（P1）與該點沒有超聲波存在時的靜態(tài)壓強（P 0 0 ）之差，稱為（超）聲壓（P）。 P= P1- P 0 0 6）超聲

4、波的傳播依賴于介質(zhì)，在真空中是不能傳播的。 在傳播過程中，超聲波的能量可部分被傳播介質(zhì)吸收，被吸收能量的多少與介質(zhì)有關： 氣體介質(zhì)吸收超聲波能最多，液體次之，而在固體中超聲波被吸收的最少。7）超聲波的傳播速度同樣也取決于介質(zhì)性質(zhì)和種類；在密度大或彈性大的介質(zhì)中，傳播速度快，反之則具有較慢的傳播速度。 一般來講在空氣中傳播速度較慢（約為340m/s），在水中傳播速度較快（約為1500m/s），而在固體中，特別是金屬材料中，傳播速度最快（約為5800m/s）。從以上分析來看，用超聲波對紡織品進行染整濕加工是最為合適的。 3超聲波的集束與聚焦超聲波的集束與聚焦 我們知道光可以形成光束，當可見光線照到

5、一定體積的不透明物體時，不能繞過物體，而被物體所阻擋，會在屏幕上留下物體的陰影。 而聲波能否也象光波那樣形成聲束，而使物體留出聲影呢？ 這實際上取決于波長與阻礙物的大小。當聲波長大于或接近阻礙物的線性長度時，聲波便可繞過阻礙物，傳向四周而不留不影子；反之當波長小于阻礙物的線性長度時，聲波則被阻礙物阻礙，而留下影子（即聲影）。 音頻聲波波長從幾十厘米幾米，因而一般的物體對音頻聲波是不會構(gòu)成阻礙的，更不能形成聲影。而超聲波的波長要短得多，數(shù)量段在幾毫米，甚至更短，因此它與光波類似，可以產(chǎn)生聲影，象光束一樣，我們可以得到窄束的超聲波，此過程稱為集束集束，這種窄束稱為超聲束超聲束。 實踐表明，超聲束與

6、光束在傳播性質(zhì)上有很多類似的地方，如超聲束在入射到兩種介質(zhì)的界面時，也會產(chǎn)生入射束，反射束和折射束。而且和光束一樣，人們也可通過聲透鏡對超聲束進行聚焦，將超聲波全部能量聚集到一個不大的范圍內(nèi)和所需要的方向上，減少能量耗費，提高超聲波強度。 4 4超聲波的超聲波的“空化效應空化效應” 高強度超聲波在液體中傳播時，能夠產(chǎn)生能量的激化和突發(fā)，這就是著名的超聲“空化效應空化效應”。 壓縮階段壓縮階段: P: PA A = P= P大氣大氣 + P+ P聲聲稀疏階段稀疏階段: P: PA A = P= P大氣大氣 P P聲聲P PA A00，A A點受壓力；點受壓力； P PA A0,A0,A點受拉伸力

7、。點受拉伸力。 液體對這個拉伸力的作用極為敏感，也就是說當超聲波在稀疏階段通過液體時，拉伸力的作用會將液體撕裂，并形成大量極其微小的氣泡，即空化泡。這些空化泡的存活時間極短，僅存于壓縮與稀疏振動的半個周期內(nèi)，有的也可以保持相對較長的時間不破裂，存活時間達幾十個甚至幾百個周期。當這些巨量的空化泡破裂時，能釋放出巨大的能量，可以產(chǎn)生高達幾百個大氣壓的局部瞬間壓力，形成沖擊波，并可使液體溫度升高，這就是高強度超聲波特有的“空化效應”。 強大拉伸力的作用強大拉伸力的作用液體撕裂液體撕裂 大量極其微小空大量極其微小空化泡化泡空化泡存活時間極短空化泡存活時間極短膨脹膨脹破裂破裂巨量的巨量的空化泡集中破裂空

8、化泡集中破裂巨大能量巨大能量成百上千個大氣壓的成百上千個大氣壓的局部瞬間壓力局部瞬間壓力沖擊波沖擊波液體溫度升高液體溫度升高 “空化空化效應效應” 由這個由這個“空化效應空化效應”所造成的沖擊波，可以使處所造成的沖擊波，可以使處于其作用范圍內(nèi)的固體表面及液體介質(zhì)受到極大的沖于其作用范圍內(nèi)的固體表面及液體介質(zhì)受到極大的沖擊力作用和機械的擊力作用和機械的“破壞破壞”，它的能量它足以打斷的，它的能量它足以打斷的很強的化學鍵結(jié)合，使超聲波具備了許多可被廣泛利很強的化學鍵結(jié)合，使超聲波具備了許多可被廣泛利用的特殊功效，用的特殊功效，它也是超聲波能被應用于染整濕加工它也是超聲波能被應用于染整濕加工的理論基

9、礎。的理論基礎。 “空化效應空化效應”的產(chǎn)生及其的產(chǎn)生及其“破壞破壞”程度與超聲波程度與超聲波的的頻率、強度、液體溫度頻率、強度、液體溫度及及種類種類等多個因素有關。等多個因素有關。 第二節(jié)第二節(jié) 超聲波在染整加工中的應用超聲波在染整加工中的應用 強超聲波在周期性的壓縮和稀疏傳遞過程中，能產(chǎn)生高能的“空化效應”，空化泡的膨脹與破裂會引起一系列的力學、熱學、化學等方面的反應。單個粒子在強超聲場內(nèi)可以獲得巨大的能量和加速度，可以引起液體的劇烈攪拌并產(chǎn)生超聲噴泉現(xiàn)象。強超聲波對物質(zhì)及加工介質(zhì)一系列綜合作用，對紡織品的染整加工有著十分重要的意義。染整加工中所涉及到的強超聲波的性能作用，主要有以下幾個方

10、面： 1、分散、穩(wěn)定作用、分散、穩(wěn)定作用 可以利用空化泡膨脹及破裂時產(chǎn)生的巨大壓力和拉伸力來粉碎和沖擊顆粒物質(zhì)、分散相及分散介質(zhì)，使顆粒或液滴更為細小，所得懸濁液或乳濁液更加穩(wěn)定。 2、均化作用、均化作用 超聲波空化泡的膨脹與破裂可以產(chǎn)生強大的力學效應，不僅可將分散在液體中的顆粒粉碎，還可使分散相與分散介質(zhì)、溶劑與溶質(zhì)快速均勻地混合，以使在整個工作液體系中，不產(chǎn)生濃度梯度或濃度差，此稱為超聲波的均化作用。 3 3、破壞邊界層作用、破壞邊界層作用 超聲波的“空化效應”，使得固體或纖維表面受到極大壓力的沖擊，強大的激流使得邊界層被打破，因而改變了液體在固體表面的流動狀態(tài)。染色時經(jīng)超聲波處理，隨著擴

11、散邊界層的打破，消除了染料向纖維表面擴散的障礙，使得染料的上染易于進行。 4 4、加速擴散作用、加速擴散作用 超聲波可以加速液體向具有多孔性稀松結(jié)構(gòu)的物質(zhì)內(nèi)部擴散的進程。 5 5、除氣作用、除氣作用 在超聲波的作用下，溶解殘留在液體中的小氣泡，呈周期性的壓縮和膨脹，這種高頻振動導致氣泡之間的相互吸引，并彼此結(jié)合在一起，形成大的氣泡，從體系中排出。6 6、清洗作用、清洗作用 超聲波空化泡在破裂瞬間，對浸在液體內(nèi)的固體物質(zhì)表面形成的強大的沖擊和破壞，可以去除固體表面上的各類污垢層，且去除效率之高是一般洗滌劑遠不能及的。當所用洗滌劑不能與污垢物質(zhì)發(fā)生化學反應時，超聲波特有的清洗作用的優(yōu)越性就被充分地

12、體現(xiàn)出來了。 7 7、熱效應、熱效應 超聲波的高頻振動可引起水分子的極化，導致水分子不斷取向，產(chǎn)生熱運動；空氣泡的破裂給臨近的液體造成巨大的壓力，將使部分動能轉(zhuǎn)換成熱能，強大的超聲場被液體吸收后也會將部分能量轉(zhuǎn)變成熱能。所有這些綜合的效果，最終可使處于超聲場中的液體溫度大幅上升。 8 8、改變纖維高分子材料表面及微結(jié)構(gòu)、改變纖維高分子材料表面及微結(jié)構(gòu) 合理利用超聲波的“空化效應”， 可按需要對纖維高分子材料表面進行一定程度刻蝕或糙化處理。超聲波糙化處理，可以引起纖維的原纖化，提高纖維的比表面積，當頻率達到100kHz以上時，還可能導致大分子斷鏈，聚合度下降。 “空化效應”，對于纖維的超分子結(jié)構(gòu)

13、也有一定影響。國外學者認為，由于在纖維微結(jié)構(gòu)中存在著某些不均勻性和不確定因素，使得超聲波處理，對纖維結(jié)晶的進程有一定削弱作用，在纖維微結(jié)構(gòu)中有能量集中，使結(jié)晶中心及體積較大的晶體受到機械沖擊，導致晶區(qū)“開裂”，晶體單元間產(chǎn)生滑移，且裂縫逐步擴展，產(chǎn)生新的表面。纖維微結(jié)構(gòu)的這種變化，擴大了染料分子的可及區(qū)域，提高了染料對纖維的吸附和上染能力。 9 9、提高前處理精練效果、提高前處理精練效果 “空化效應”而產(chǎn)生的分散、乳化及凈洗作用，對染整前處理加工有著良好輔助作用，在不同方面能夠促進和改善退漿、精練和漂白的效果。 1010、提高染料的染色性能、提高染料的染色性能 超聲波的分散乳化、穩(wěn)定作用、破壞

14、邊界層作用、除氣作用和加速擴散作用等綜合性能，為超聲波染色提供了堅實的理論依據(jù)。 超聲波對不同染料上染絲綢的影響超聲波對不同染料上染絲綢的影響染 料超聲波染色對照染色樣品剝色液吸光度吸光度增量（%）溫度（）時間（min）纖維剝色液吸光度C.I.堿性藍9354515300.0310.0390.02055.095.0C.I.堿性綠450150.4680.199135.1C.I.酸性藍45354515300.0490.0630.03253.196.9C.I.酸性紅10650150.3880.176120.4C.I.媒染紅1950150.0880.04787.2 注注:超聲波染色條件為超聲波染色條件為

15、26KHZ，120W，浴比，浴比50:1 對照樣品染色條件為對照樣品染色條件為60，30 min，浴比，浴比50:1 1 1、實現(xiàn)低溫染整加工、實現(xiàn)低溫染整加工 水介質(zhì)產(chǎn)生“空化效應”的最佳液體溫度為50，這就意味著染整工作液為50時，超聲波染整的效果最好，實現(xiàn)低溫染整。2 2、對織物纖維損傷小、對織物纖維損傷小 “空化效應”與聲強度及功率有關，在合理的聲強度和功率下，超聲波對纖維不會有明顯的損傷。通過觀察發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲波處理的纖維橫、縱向截面與普通的非超聲波處理幾乎一致。更重要的是由于屬于低溫加工，可避免傳統(tǒng)高溫處理方法給纖維帶來的各種損傷。 超聲波染整加工的特點超聲波染整加工的特點 3 3、降

16、低染化藥劑用量節(jié)省能耗、降低染化藥劑用量節(jié)省能耗 超聲波染整具有速度快、效率高的特點。故在保證同樣的染整加工效果的前提下，染色藥劑的用量要低于傳統(tǒng)的染整加工，有些助劑甚至可以不用，因而大大降低了染化藥劑的消耗；另外由于可實現(xiàn)低溫加工，并且與傳統(tǒng)染整工藝相比，大大簡化了生產(chǎn)流程，可以明顯縮短加工時間，使得對能源的消耗顯著減少，總的結(jié)果使加工成本大幅降低，這對于現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)具有十分重要的意義。 4、生產(chǎn)清潔、環(huán)保、生產(chǎn)清潔、環(huán)保 就超聲波本身的產(chǎn)生及在染整加工中效應的發(fā)揮而言，它是屬于純物理加工，本身不涉及到任何化學藥劑，同時又可大大降低織物染整所必須的染化藥劑用量，使得廢水濃度低，對外排放少，減少了對環(huán)境的污染，有利于實現(xiàn)染整清潔生產(chǎn)，有助于解決或緩解傳統(tǒng)染整加工的環(huán)境污染問題。 第三節(jié)第三節(jié) 超聲波染整加工的發(fā)展前景超聲波染整加工的發(fā)展前景 超聲波染整加工基于“空化效應” “空化效應”非常復雜的形成與作用的機理集聲學、光學、力學及化學等于一體涉及到多方面的學科。 利用超聲波可以改善和加速許多生產(chǎn)的工藝過程，這是被理論與實踐所檢驗了的。對于超聲波染整加工中應