劉亨昌，劉 麗

(河北科技大學(xué)，河北 石家莊 050018)

超聲波是頻率大于20 kHz的聲波，因?yàn)樗隽巳说穆?tīng)覺(jué)上限，故稱之為“超聲波”。隨著相關(guān)科學(xué)的相互交叉滲透和功率超聲波儀器設(shè)備的日趨完善，使超聲技術(shù)廣泛應(yīng)用于化學(xué)、化工、醫(yī)療和醫(yī)藥等許多領(lǐng)域。近年來(lái),超聲波在紡織行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用, 不少染整工藝過(guò)程中應(yīng)用聲波加速紡織品濕加工的速度，提高萃取雜質(zhì)能力，改善紡織品的品質(zhì)，制備納米材料，節(jié)省水、電、汽，優(yōu)化環(huán)境等。 超聲技術(shù)是一門很有發(fā)展?jié)摿Φ膶W(xué)科，超聲技術(shù)的研究一旦取得突破性進(jìn)展，必將給紡織工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)新的生機(jī)和活力。

1 超聲波的物理特性

由于超聲波的頻率相對(duì)較高，在液體中傳播能量損失較小，因而具有很強(qiáng)的穿透能力。超聲波在通過(guò)介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列的特殊效應(yīng)，主要有以下三種。

1.1 超聲波的機(jī)械效應(yīng)

超聲波與電磁波相似,可以被聚集、反射和折射,但在傳播時(shí)需要有彈性介質(zhì)。超聲波在傳播過(guò)程中,能夠引起彈性介質(zhì)中粒子產(chǎn)生振動(dòng)并沿傳播方向傳遞能量,超聲波能量容易集中,因而形成很大的強(qiáng)度,能使物質(zhì)作激烈的強(qiáng)迫機(jī)械振動(dòng)。

1.2 超聲波的熱效應(yīng)

媒質(zhì)對(duì)超聲波的吸收會(huì)引起溫度上升，在超聲波這種高頻振動(dòng)的影響下, 水分子反復(fù)地被極化, 由于水分子的熱運(yùn)動(dòng)和相鄰分子間的相互作用, 上述水分子隨超聲波振動(dòng)方向的改變而擺動(dòng)的規(guī)則運(yùn)動(dòng)將受到阻礙, 產(chǎn)生了類似于摩擦的效應(yīng)。結(jié)果必然有一部分能量轉(zhuǎn)化為分子的熱運(yùn)動(dòng), 使水的溫度升高。同時(shí)在介質(zhì)中還存在著一些離子或自由電子, 在外場(chǎng)存在的條件下, 形成了離子導(dǎo)電也會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)。一方面,頻率愈高,這種熱效應(yīng)就愈顯著；另一方面,在不同媒質(zhì)的分界面上,超聲波能量將大量地轉(zhuǎn)換成熱能,往往造成分界面處的局部高溫[1-2]。

1.3 超聲波的空化效應(yīng)

空化是液體中的一種物理現(xiàn)象，在超聲波的作用下液體的某一區(qū)域會(huì)形成局部的暫時(shí)負(fù)壓區(qū)從而產(chǎn)生空穴現(xiàn)象，并且在波腹生成駐波時(shí)可能產(chǎn)生空穴泡。這些充有蒸汽或空氣的氣泡處于非穩(wěn)定狀態(tài)，在空穴帶消失、空穴泡崩潰時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的水力沖擊，這些引發(fā)沖擊波的水力沖擊伴有很大的局部壓力脈沖, 并產(chǎn)生高速度梯度流。由于氣泡的非線性振動(dòng)和它們破滅時(shí)產(chǎn)生的巨大壓力,伴隨著這種空化現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生許多物理和化學(xué)效應(yīng)[1]。

空穴作用的發(fā)生取決于超聲波的頻率、強(qiáng)度、介質(zhì)溫度以及液體的蒸汽壓力。超聲波的強(qiáng)度將受到介質(zhì)溫度的很大影響, 試驗(yàn)顯示強(qiáng)度的作用隨溫度的上升而減小。在水中, 最大的空穴效應(yīng)在50 ℃時(shí)出現(xiàn)。系統(tǒng)的相結(jié)構(gòu)是評(píng)定應(yīng)用超聲波是否有益的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。所有染整濕加工都屬于多相體系,在多相體中的空穴作用要比在均相體系中大幾百倍[2]。

2 超聲波的作用機(jī)理

2.1 超聲波對(duì)纖維高分子物的作用

任何材料的損傷和破壞都起源于材料中的原始缺陷和裂縫, 而纖維高分子物無(wú)定形區(qū)的空隙正是提供了這種可能。當(dāng)超聲波作用于纖維材料時(shí), 必然在材料的原始缺陷處即無(wú)定形區(qū)的空隙產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變能的集中, 超聲波所傳送的能量必然有一部分轉(zhuǎn)化為裂紋擴(kuò)展新表面所需的能量, 引起裂紋擴(kuò)展。同時(shí)，由于超聲波的作用, 產(chǎn)生纖維表面的微觀滑移, 而形成疲勞源即所謂的疲勞裂紋成核。此后, 這一微小的裂紋沿結(jié)晶面生長(zhǎng),相繼又發(fā)生了疲勞裂紋的亞臨界擴(kuò)展, 致使纖維的表面如同被腐蝕的一樣。大大增加了纖維表面的比表面積。纖維微結(jié)構(gòu)發(fā)生上述的變化, 不可避免地會(huì)發(fā)生纖維的強(qiáng)力等物理機(jī)械性能的變化?？梢哉f(shuō)損傷所造成纖維材料性能的劣化恰恰是纖維微觀結(jié)構(gòu)的變化和吸附量增大的宏觀表現(xiàn)[2]。

2.2 超聲波對(duì)工作液的作用

超聲波對(duì)工作液的作用主要包括以下三方面。

分散作用是指化學(xué)品的膠態(tài)分子團(tuán)與高分子質(zhì)量微粒聚集體, 在聲能的作用下, 均勻分散在工作液中, 提高了化學(xué)品的擴(kuò)散和滲透速度；脫氣作用是使彈性介質(zhì)( 工藝溶液) 中的粒子發(fā)生縱向振蕩, 產(chǎn)生疏密的閘閥效應(yīng), 即高和低的局部壓力區(qū), 從而將溶解或截留的氣態(tài)分子, 從織物交叉、纖維毛細(xì)管和間隙中驅(qū)逐至溶液中, 伴隨著工作液的逼迫滲透, 隨之排除；擴(kuò)散作用是浸在工作液中的織物, 緊靠布面存在著一固定層叫黏性阻滯層, 從工作液到達(dá)纖維表面的化學(xué)品的量與黏性阻滯層的厚度成反比, 而這一層的厚度決定于工作液的機(jī)械運(yùn)動(dòng)程度, 工作液因聲能的彈性振動(dòng)促使阻滯層變薄, 有助于加速溶液擴(kuò)散到纖維內(nèi)部。

聲能在液體介質(zhì)中, 可以粉碎溶液中的溶質(zhì)粒子, 增大其表面積, 加快染料的滲透, 增加洗滌劑的表面活性, 改善乳化液和膠體溶液的穩(wěn)定性, 加速濕加工中工作液的擴(kuò)散、活化和強(qiáng)化反應(yīng)[3]。

3 超聲波在紡織工業(yè)中的應(yīng)用

3.1 超聲波在棉織物前處理中的應(yīng)用

3.1.1 超聲波對(duì)棉織物退漿的影響

用超聲波對(duì)棉織物進(jìn)行退漿效果優(yōu)于常規(guī)方法，可提高退漿率，這是因?yàn)槌暡ǖ目栈饔茫谝欢ǖ目栈瘻囟认驴墒沟妹蘅椢锏耐藵{液中空化量達(dá)到最大，形成的空化氣泡能在很短的時(shí)間內(nèi)在液體中產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，在其周圍產(chǎn)生很大的壓力，促使退漿液迅速作用于織物，使?jié){料脫落。如果此時(shí)能夠及時(shí)洗水去除易脫落的漿料，就能得到很好的退漿效果。

但用超聲波對(duì)棉織物進(jìn)行退漿處理也要把握一個(gè)適度的原則，如超聲波的作用時(shí)間就需要控制在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，若作用時(shí)間太長(zhǎng)，就會(huì)使得已脫落的漿料在超聲波的強(qiáng)烈作用下，重新滲入到織物里面，與纖維結(jié)合，從而引起退漿率的下降。除此之外，超聲波還可減少退漿劑的用量。這是因?yàn)槌暡栈鸬姆稚⒆饔每梢允勾蠓肿又g產(chǎn)生分離，并且能夠促進(jìn)退漿液與漿料充分接觸，故可減少退漿劑的用量。

3.1.2 超聲波對(duì)棉織物漂白和毛效的影響

無(wú)論從白度，還是從毛效上分析，采用超聲波要比常規(guī)方法漂白效果好。隨著浸漬時(shí)間的延長(zhǎng)，白度和毛效都相應(yīng)增加。這是因?yàn)樵诰毱^(guò)程中，超聲波的空化作用可以使練漂液與纖維充分接觸，一方面超聲波作用于纖維使纖維內(nèi)部的比表面積加大，從而增大了纖維吸附練漂液的比表面積，提高反應(yīng)速率；另一方面超聲波的空化作用有助于破壞發(fā)色系統(tǒng)，從而起到消色的作用，提高白度。同時(shí)超聲波有助于織物上蠟質(zhì)的乳化、污物和油垢的清除，從而改善織物的潤(rùn)濕性，提高毛效[4]。

3.2 超聲波在染色中的應(yīng)用

根據(jù)高分子物的力化學(xué), 在超聲波這種機(jī)械作用的影響下, 在適當(dāng)?shù)臈l件下, 纖維材料的大分子會(huì)產(chǎn)生大分子的初級(jí)自由基, 而且往往都是一個(gè)大分子中包含多個(gè)自由基[5]。

同時(shí), 由于液體介質(zhì)的空穴表面上的離子分布不均勻性, 可能產(chǎn)生一定的勢(shì)能差, 由于空穴帶電荷而導(dǎo)致介質(zhì)組分激發(fā)和離子化, 生成如離子、自由基及具有不同生存期的活性粒子[5], 借助于空穴帶、空穴泡消失時(shí)產(chǎn)生的水力沖擊, 進(jìn)入纖維材料的內(nèi)部, 與纖維大分子的初級(jí)自由基產(chǎn)生一定的共價(jià)結(jié)合, 可以提高染料的固色率, 減少染料的浪費(fèi), 降低環(huán)境污染。

在超聲波加工時(shí), 目前實(shí)驗(yàn)的工況能符合要求, 而工業(yè)化生產(chǎn)時(shí), 織物就不得實(shí)施流體染色, 只能平幅卷染、軋染, 但超聲波的作用時(shí)間能否滿足工藝要求，這是限制超聲波染色工業(yè)化的弊病，需要更加深入的研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)來(lái)解決。

3.3 超聲波在制備乳化液中的應(yīng)用

染整處理織物所用乳液整理劑，常規(guī)采用槳式攪拌器制取，此法要耗用大量乳化劑和穩(wěn)定劑。用機(jī)械攪拌方法制得的乳化液，穩(wěn)定性差，常易分層破壞而產(chǎn)生廢品。利用超聲波可以制備分散極勻細(xì)、穩(wěn)定性極好的乳化液，并可極大地節(jié)省乳化劑用量和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

某公司制備24%石蠟-硬脂酸甘油酯乳化液500 mL，用石蠟140 g/L，硬脂酸甘油酯100 g/L。采用7.6 kHz強(qiáng)度5 W/cm2聲波處理5 min，再加入氫氧化鈉與氨水后充分皂化為乳化液。用顯微鏡測(cè)量乳化液中顆粒的大小，可見(jiàn)乳化液是單分散型結(jié)構(gòu)，即只有油滴分散于水中的乳液，有較好的均一性，處理5～10 min，大部分顆徑為1 μm。

以上乳化液采用3 000 r/min機(jī)械攪拌處理40 min，在顯微鏡下可見(jiàn)為多分散型的結(jié)構(gòu)，即乳化液中有油/水相，又有水/油相的分散液，容易凝集和分層，穩(wěn)定性差，大部分顆粒為2 μm。

欲提高乳化液的穩(wěn)定性，常需加很多昂貴的穩(wěn)定劑。用超聲波(聲波)處理5 min制成幾種石蠟乳化液，其硬脂酸皂含量各有不同(石蠟100 g，分別用71 g、50 g、33 g、20 g和9 g穩(wěn)定劑)，所有的乳化液均很穩(wěn)定，貯存6天后沒(méi)有變化。當(dāng)乳化液用71 g穩(wěn)定劑機(jī)械攪拌制取，乳化液10 min后即分為兩層。

分散作用是指化學(xué)品的膠態(tài)分子團(tuán)與高分子量微粒聚集體，在聲能的作用下，均勻分散在工作液中。由于粉碎了溶液中的溶質(zhì)粒子，增大其表面積，增加分散相的表面活性，改善了乳化液和膠體溶液的穩(wěn)定性。

3.4 超聲波在制備染樣的分散體系中的應(yīng)用

還原染料和分散染料在50 ℃、9.4 kHz聲波振動(dòng)下制備分散體系，用電子顯微鏡觀察，約有93%染料的顆粒尺寸小于1 μm，而用常規(guī)方法制備的分散體系，達(dá)到這一尺寸的只有50%。

采用30 kHz的超聲波，使酞菁染料涂料在蒸餾水中得到非常好的分散，且具有比常規(guī)攪拌法制備的有較長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間。新型涂料連續(xù)軋染工藝取得顯著的工藝效果，節(jié)能減排與采用超聲波技術(shù)直接有關(guān)。

采用超聲波分散直接染樣，使染色的生產(chǎn)率提高30%，生產(chǎn)過(guò)程從原來(lái)的2.5 h縮短到1.5 h；復(fù)染率從4%降低到2.5%，提高了染色質(zhì)量[6]。

3.5 超聲波在處理紡織生產(chǎn)污水中的應(yīng)用

紡織印染是用水量大、廢水排放較多的工業(yè)部門之一。印染排放的廢水中含有大量的堿類物質(zhì)、pH值高(通常在9～12之間)；含有殘余的染料和助劑，顏色深，色度大；含有機(jī)雜質(zhì)多，懸浮物多；此外還含有微量的毒性物質(zhì)。

實(shí)踐證明，聲化學(xué)法可使印染廢水中的有機(jī)污染物高速降解而且可以去除有毒難降解的有機(jī)物。當(dāng)超聲波輻照水質(zhì)環(huán)境時(shí)，其高能量的輸出產(chǎn)生渦旋氣泡，而氣泡內(nèi)部的高溫高壓狀態(tài)可將水分子分解生成強(qiáng)氧化性的氫氧自由基，這些自由基可將有機(jī)物很快氧化分解成較簡(jiǎn)單的分子，最終生成CO2和H2O。眾多研究表明，聲化學(xué)處理紡織印染廢水中難降解有毒有機(jī)污染物是卓有成效的。如對(duì)光催化氧化及臭氧難以降解氧化的某些有機(jī)物(三氯甲烷和四氯甲烷等)能有效地聲降解。Inlazu等在飽和氬氣中用超聲波降解鹵代烷烴，10 min內(nèi)就將其質(zhì)量濃度從100 mg/L降到3 mg/L 以下。Bhatnagar等用超聲波降解鹵代脂肪烴，40 min內(nèi)就達(dá)到了72%～99.9%的降解效率。

超聲波處理廢水具有無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)。因此目前國(guó)際上許多國(guó)家把超聲波降解有機(jī)物作為處理污水的新方法．在利用超聲波的空化效應(yīng)降解單一有機(jī)物的研究方面取得一些進(jìn)展：方法采用清洗槽式、侵入式聲化學(xué)反應(yīng)器。試驗(yàn)表明超聲波降解有毒有機(jī)物水體，尤其是疏水性易揮發(fā)的污染物系，已經(jīng)在技術(shù)上取得滿意效果。

但是從經(jīng)濟(jì)上來(lái)考慮，與其他水處理的物理方法相比較，仍存在處理量小、費(fèi)用高的問(wèn)題。改進(jìn)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，優(yōu)化降解參數(shù)，以提高處理效率是今后研究的方向。目前利用超聲空化效應(yīng)分解水質(zhì)中難降解有毒有機(jī)污染物的研究工作尚處于探索階段，還有許多問(wèn)題需要解決，如降解中間產(chǎn)物的鑒定、降解機(jī)理、反應(yīng)器的設(shè)計(jì)以及反應(yīng)過(guò)程的定量描述等[4]。

3.6 超聲波在制備紡織生產(chǎn)中的納米材料的應(yīng)用

近年來(lái)，超聲輻照方法已成為制備納米材料的一種新型技術(shù)。采用超聲輻照方法可以使在一般條件下，難以實(shí)現(xiàn)的或不可能實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)，它可以提供一種新的非常特殊的物理和化學(xué)反應(yīng)環(huán)境，為科學(xué)家們制備納米材料提供了重要的途徑。它具有使固體粉碎、分散以及產(chǎn)生自由基或其他活性基團(tuán)，引發(fā)單體聚合作用，可以用于制備超聲粉碎、超聲波分散和嵌段(接枝)共聚物。用超聲技術(shù)制備納米材料的方法主要有以下三種：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)納米粒子制備；導(dǎo)電聚苯胺納米粒子的制備；聚合物/無(wú)機(jī)納米粒子復(fù)合材料制備[4]。

3.7 超聲波在染色織物凈洗中的應(yīng)用

《超聲波在純棉織物染色凈洗中的應(yīng)用》中染樣凈洗工藝要求如下：皂洗后的染料→清水洗→超聲波凈洗(注：布樣要平鋪于加水100 mL的超聲波凈洗槽內(nèi))→測(cè)試(其中洗液測(cè)定吸光度；洗樣則晾干后測(cè)試)。

請(qǐng)注意工藝要求用小括號(hào)特別強(qiáng)調(diào)了“平鋪”兩個(gè)字，這是超聲波對(duì)織物加工時(shí)極為重要的前提，只有“平鋪”才能實(shí)施對(duì)織物整幅面的均勻處理、傳質(zhì)。實(shí)驗(yàn)的工況僅一塊小布樣，完全可以平鋪在超聲波凈洗槽中接受超聲波的處理，而工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)，織物就不能實(shí)施流體繩狀染色，只能平幅染色，凈洗效果見(jiàn)表1。

表1 不同時(shí)間的超聲波(40 kHz)凈洗對(duì)凈洗效果的影響

由表1可知，超聲波在55 ℃的條件下，從10 s到30 s，隨著時(shí)間的增加，洗滌效果有不同程度的提高，洗液吸光度不斷增加，但增加幅度逐漸減小，洗樣K/S值不斷減??；當(dāng)洗滌時(shí)間達(dá)到15 s時(shí)，超聲波凈洗一次就可以達(dá)到甚至超過(guò)常規(guī)凈洗在90 ℃洗滌三次的效果。 因此，實(shí)驗(yàn)認(rèn)為超聲波合適的凈洗時(shí)間應(yīng)該為15～30 s。該時(shí)間在大生產(chǎn)平幅水洗中，按60 m/min的工藝速度計(jì)，則織物需經(jīng)過(guò)15～30 min的超聲波處理區(qū)，因此產(chǎn)生以下問(wèn)題：超聲波振動(dòng)源的裝機(jī)容量多大？?jī)粝床鄣闹圃斐杀径嗌?？投資效益多高？以上僅為凈洗，另有一例織物全程洗滌，在洗滌溶液相同、洗滌液更換次數(shù)相同，10次試驗(yàn)的平均結(jié)果：不同彈性振動(dòng)作用的樣品在100 ℃液溫下，需150 min；在20 kHz的輻射器彈性振動(dòng)洗液中，50 ℃ 液溫，僅需15 min，100 ℃液溫，僅需10 min。彈性振動(dòng)洗滌效果在全程洗滌中充分得到體現(xiàn)，時(shí)間僅占無(wú)超聲波振動(dòng)洗滌的1/15，更適合染色后的低溫水洗的節(jié)能。然而，全程洗滌需要配套10～15 min洗滌時(shí)間的超聲波振動(dòng)源，按平幅60 m/min工藝線速度計(jì)，將是長(zhǎng)達(dá)600～900 m的裝置，如此長(zhǎng)度，在平幅設(shè)備上實(shí)施可行嗎？

顯然，超聲波在紡織工業(yè)大生產(chǎn)方面的應(yīng)用的可行性是值得我們慎重考慮和研究的問(wèn)題。在研究超聲波洗滌時(shí)必須注意：織物浸在水中，聲波很快被吸收，振動(dòng)頻率愈大，其作用半徑愈小，高頻的超聲波由于作用半徑極小，故不適合大生產(chǎn)洗滌織物。

4 結(jié) 論

超聲波在紡織行業(yè)中越來(lái)越發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。超聲波可用于改善多種紡織品染整加工工藝, 它在染整加工中的應(yīng)用具有許多優(yōu)點(diǎn), 如減少加工時(shí)間, 降低化學(xué)品的消耗和能量損耗, 改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量等, 但也存在不少問(wèn)題, 如加工成本、超聲波的方向性及設(shè)備振動(dòng)源裝機(jī)容量和尺寸、平幅染色和凈洗所需大量時(shí)間的要求、生產(chǎn)線的長(zhǎng)度和占用場(chǎng)地面積、噪音等。而且由于超聲波設(shè)備的費(fèi)用昂貴, 實(shí)際上很少應(yīng)用于工業(yè)大生產(chǎn)。總之,從解決環(huán)境污染, 降低能源消耗, 開(kāi)發(fā)新型高質(zhì)量的產(chǎn)品等角度來(lái)考慮, 超聲波技術(shù)在紡織工業(yè)中的應(yīng)用也將得到更加普遍的推廣和重視,隨著“十二五”規(guī)劃國(guó)家工業(yè)化進(jìn)程的逐步推進(jìn)，超聲波設(shè)備價(jià)格將隨之趨降，這將為紡織行業(yè)打破環(huán)境壁壘，加快結(jié)構(gòu)調(diào)整注入新的科技力量，高污染的行業(yè)時(shí)期可能就此跨越。

[1] 楊英賢，姜宜寬.超聲波技術(shù)將為紡織行業(yè)帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇[J].山東紡織科技，2004(6):39-42.

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