王科林， 徐娜 （山东济宁如意毛纺织股份有限公司， 山东济宁272073）

　　 摘要： 超声波能产生机械效应、热效应和空化效应,可将其应用于染整加工.介绍了超声波技术在羊毛前处理(包括洗毛、羊毛氧漂、羊毛防缩)和染色(包括酸性染料染色、活性染料染色、天然植物染料染色)中的应用及其基本原理和特点.综述了目前国内外的一些研究成果。

　　关键词： 超声波; 羊毛; 前处理; 染色

　　中图分类号: TQ619.2 文献标识码: A 文章编号: 1004－0439(2010)11－0007－04超声波在羊毛染整加工中的应用研究及进展

　　The application research progress of ultrasound in wool dyeing and finishing WANG Ke-lin, XU Na (Shandong Jining Ruyi Woolen Textile Co. Ltd., Jining 272073, China) Abstract： Ultrasound could generate mechanical effect, thermal effect and cavitation effect, which could be applied in dyeing and finishing process. The application, basic mechanism and characteristics of ultrasound in wool pretreatment (including degreasing, hydrogen peroxide bleaching and shrink proofing of wool) and dyeing (including acid dyes, reactive dyes and natural vegetable dyes dyeing) were introduced. Recent research progress at home and abroad were reviewed.

　　Key words： ultrasound; wool; pretreatment; dyeing

　　收稿日期：2009-08-06 作者简介：王科林(1984-),男,江西高安人,硕士研究生,主要从事羊毛织物染整工艺研究及产品质量管理.

　　超声波是人耳听觉无法感知的振动波,频率在2×104~2×109 Hz,与电磁波相似,它可以被聚集、反射和折射,但在传播时需要有弹性介质.[1]超声波作为一种波动形式,可以横波在固体、液体、气体中传播或以纵波在液体、气体中传播.在传播过程中,弹性介质的粒子产生摆动并沿传播方向传递能量,可产生3 种主要效应:机械效应、热效应和空化效应.超声波作为一种新兴的高新技术,已应用于许多领域,但在纺织品染整加工中的应用起步较缓,许多作用机理还不够明确.本文结合近几年国内外学者有关超声波技术在纺织品加工中的应用研究成果,主要介绍了其在羊毛前处理和染色加工中应用的基本原理、特点及其研究进展。

1 超声波在羊毛前处理中的应用

1.1 洗毛

　　洗毛主要是利用化学和机械方法,除去羊毛纤维上的土杂、脂汗和污垢等杂质,使洗净毛洁净、松散、柔软、弹性良好.洗毛在羊毛纤维初加工中有重要作用,因为原毛纤维中的污物、杂质大部分由洗毛工艺去除,洗毛质量的优劣直接关系到后道梳、纺、织、染等的加工是否顺畅,也影响产品质量的优劣.[2]89洗毛方法有:水和洗涤剂除污的乳化洗毛法、用有机溶剂浸润溶解去污的溶剂洗毛法、电液洗毛法、超声波电磁振动式洗毛法等.[2]89 目前,大多采用乳化洗毛法.随着各国对洗毛研究向着效能高、少用水、少污染的方向发展,超声波洗毛法在羊毛洗毛工序中将占有越来越重要的地位。

　　 超声波在洗毛过程中具有很多特殊作用,但主要印染助剂（TEXTILE AUXILIARIES Vol．27 No．11 Nov．2010 第27 卷第11 期 2010 年11 月 印染助剂27 卷）利用其加速度作用、直进流作用,对液体和污物直接、间接作用,使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的.当超声波用于水介质洗毛时,其以20 000 次/s 以上的压缩力和减压力交互性的高频变换方式向液体进行透射.在减压力作用时,液体中产生真空核群泡现象,在压缩力作用时,真空核群泡受压力压碎,产生强大的冲击力,这种现象称为空化效应.[3]在空化效应的连续作用下,羊毛表面或隐蔽处的污垢被爆裂和剥落.同时,在超声波作用下,清洗液的渗透作用加强,脉动搅拌加剧;溶解、分散和乳化加速;空化效应使粘附的污垢更易脱落、加速污垢和油垢的乳化,协助清除油垢,达到洗净的目的.[4-5]崔运花[4]、郭嫣[5]和Chris Hurren[6]等人将超声波技术应用于水介质洗毛工艺中,比较了超声波条件下与常规乳化条件下的洗毛效果.结果表明:在洗净毛质量达到与常规洗毛工艺相同的水平时,超声波洗毛可以缩短洗毛时间,提高洗毛效率,降低洗毛温度,减少洗剂和助剂用量,所得洗净毛蓬松性好,羊毛之间不发生纠缠,白度高且几乎无细小杂质.另外,在洗毛时,超声波对羊毛鳞片有刻蚀作用,会使纤维鳞片产生裂缝,使其变钝、摩擦效应降低,从而改善了羊毛纤维的毡缩性能;纤维表面的裂缝增加了染料向纤维内部扩散的路径,加大了染料的上染速率,改善了羊毛的染色性能。

1.2 羊毛氧漂

　　羊毛纤维或织物的漂白可以用氧化剂,也可以用还原剂,或者两者联合使用.氧化剂漂白一般采用双氧水在碱性条件下进行,通过破坏羊毛中的色素而达到漂白效果.尽管双氧水能使羊毛中的色素破坏,增加纤维白度,但同时也会使纤维受到损伤,特别是工艺条件控制不当时,羊毛纤维损伤严重,强力明显下降,影响产品质量.因此,羊毛纤维或织物用双氧水漂白时,一定要严格控制工艺条件.双氧水漂白液一般由双氧水、稳定剂、纯碱、润湿剂和水组成.[7-8]超声波的超声空化效应及机械效应可增加分子动能,将其应用于羊毛的氧漂中,可增加漂白液与羊毛纤维的接触机会,还可增加单位时间内分子碰撞的个数及碰撞能量,降低反应活化能,提高化学反应速度,减少漂白时间和降低漂白温度[9];更可节约药剂,减少对羊毛纤维的损伤.高云玲[10]等将超声波技术应用于羊毛的氧漂中,并将其与常规漂白进行了对比.结果表明:在达到同等白度的情况下,超声波氧漂可以节省双氧水用量,延缓双氧水的分解,降低漂白温度,缩短漂白时间,提高生产效率;受超声波的空化作用,氧漂时无需加入润湿剂仍可达到良好的漂白效果.而在常规漂白中,若不采用润湿剂,则羊毛漂白效果较差.若想提高漂白效果,要延长漂白时间,提高漂白温度,从而加重了氧漂对羊毛纤维的损伤。

1.3 羊毛防缩

　　羊毛是由包覆在毛干外部的鳞片层、组成羊毛实体主要部分的皮质层、在毛干中心不透明毛髓组成的髓质层3 部分构成.髓质层只存在于较粗的纤维中,细毛无髓质层.鳞片层是由角质化的扁平状角蛋白细胞组成,它的主要作用是保护羊毛不受外界条件的影响而引起性质变化.[11]羊毛纤维典型的鳞片层结构,使其具有与众不同的缩绒性.羊毛纤维集合体在一定的温湿度条件下,经连续不断的无规则外力作用,体积会逐渐缩小、单位面积质量加大,并且表面出现细密绒毛,可以得到外观粗犷、表面绒毛密布、结实厚重、保暖性好的毛纺制品.但这种缩绒性也使未经防缩处理的普通纯毛织品发生缩绒,导致产品外观不良,起球起毛,甚至出现尺寸收缩、织纹不清、扭曲变形、增厚毡并等不良现象,严重影响产品质量.[12-13]目前,为了解决羊毛的毡缩问题,国内外学者对羊毛的物理、化学改性都进行了大量的研究工作,多为如何减小定向摩擦效应、改变羊毛固有弹性.羊毛防毡缩处理方法主要有:(1)化学降解法;(2)聚合物沉积法(树脂法);(3)降解-树脂联合法.降解法一般采用化学物质对羊毛鳞片进行强制性破坏,剥除鳞片,达到防缩目的.但过度降解会改变纤维聚集体的性质,也会损害织物的手感.树脂法利用聚合物沉积于羊毛纤维表面,把鳞片包裹起来,或在纤维之间形成“粘连”,从而阻止纤维的相对运动,起到防缩作用,此法不会对羊毛纤维造成损伤,但手感不太理想,需要另加柔软剂.降解-树脂联合法先对羊毛进行缓和的表面预处理,破坏一部分鳞片,并利用纤维表面自由能的加大,促使聚合物更好地在纤维表面扩散沉积,能减少降解带来的纤维损伤,又能减缓因树脂用量过多带来的手感恶化问题.[14-15]在洗毛过程中,超声波对羊毛鳞片有刻蚀作用,可使毛纤维鳞片变钝、摩擦效应降低.而超声波作用于羊毛纤维,也能达到改变羊毛毡缩性的目的.唐淑娟[16]等以高锰酸钾为氧化剂,在常规条件和超声波条件下,对比了被处理羊毛纤维的摩擦系数和单纤维强力,结果表明:在超声波条件下处理羊毛纤维,可以减少氧化剂用量,降低反应温度,还有助于避免氧化剂在较高温度下对羊毛纤维的损伤,降低防缩处理过程中纤维强力下降的幅度.李霞[17]等研究了超声波技术在2709碱性蛋白酶处理羊毛织物中的应用,结果表明:超声波在处理中产生的空化效应,增加了局部压力,使分子的瞬间动能增加;2709 碱性蛋白酶分子的动能增加,酶分子的运动加剧,使其与鳞片层的接触机会增多,对鳞片层的去除作用增强,从而使被处理羊毛织物具有更低的毡缩率、更好的防缩性能,并使羊毛织物断裂强力下降的幅度降低。

2 超声波在羊毛染色中的应用

　　羊毛纤维表面鳞片层对染料扩散有很大阻力,故羊毛纤维纺织品一般进行沸染,且染色时间较长,对羊毛纤维的强力具有较大的损伤.超声波对液体、分散体、聚合体都有作用,使超声波技术在染色方面的应研究引起了很大关注.它可降低染色温度、提高染深性、缩短染色时间、节约染料和减少污染.[18]将超声波技术应用于羊毛的染色中,由于其空化效应以及对羊毛鳞片层的刻蚀作用,实现低温、短时、节能和环保的羊毛染色,以避免羊毛纤维或织物因高温、长时间沸煮而造成强力等性能指标下降是完全可行的.

2.1 酸性染料染色

　　酸性染料是羊毛染色常用的染料.而以耐缩绒酸性染料应用很多.[19]114-115 高树珍[20-21]以酸性大红G、酸性蓝绿G 染羊毛为例,对超声波在羊毛染色中的作用进行了研究.结果表明:与常规染色工艺相比,在提高染色织物皂洗牢度的同时,超声波染色可提高染料的平衡上染百分率,节约染料,降低环境污染,还可加大扩散系数,降低染料上染的活化能,降低染色温度,缩短染色时间,从而节约能源,提高生产效率,实现酸性染料对羊毛的低温短时间染色.何江[22-23]等研究了在超声波作用下,酸性橙Ⅱ、酸性大红GR和酸性大红3R 染羊毛的染色行为.结果表明:与常规染色相比,超声波的存在可以明显提高酸性染料染羊毛的速率,缩短达到染色平衡的时间,且染色牢度略有提高。

2.2 活性染料染色

　　过去,活性染料主要应用于棉纤维染色,近年来正在向其他天然纤维(毛、丝)以及合成纤维的染色方面发展,应用范围不断扩大,并取得了较好的效果.活性染料用于羊毛染色时,和纤维素纤维染色一样,也包含吸附、扩散和反应的过程.羊毛鳞片层使染料充分扩散进入纤维内部需要更高的温度.一般活性染料容易水解,产生大量的水解染料吸附在纤维上造成浮色,由于温度高,染料与纤维的反应过于迅速,容易造成染色不匀.[19]158 因此,开发一种羊毛活性染料低温染色方法十分重要.将超声波技术应用于羊毛活性染料染色中,不仅可以解决上述难题,而且还可以提高羊毛织物摩擦牢度和皂洗牢度.展义臻[24]等对比了活性红CEW 和活性蓝CEW在常规和超声波条件下染羊毛织物的染色性能.结果表明:在超声波条件下染色不仅有利于提高染料上染率,节约染色时间,降低染色温度,提高染色效率,还可提高染色羊毛织物的摩擦牢度和皂洗牢度。

2.3 天然植物染料染色

　　随着人们生态意识的日益增强,与生态环境相容性好,可生物降解,对人体毒性小且具有保健功效的天然植物染料染色受到越来越多的关注.但染色织物牢度较差是一瓶颈.超声波辅助天然植物染料染色,可以降低染色温度,节约染化料,还有助于提高染色物的牢度.[25-26]李化茂[27]等对天然栀子黄色素在超声波作用下上染羊毛进行了试验研究,发现在超声波作用下,被染毛料上色更容易、染色更均匀,染色后又有较强的坚牢度.解新生[28]等研究了植物ML-CT 色素在超声波和常规条件下对羊毛织物的染色性能,发现超声波对ML-CT 色素染羊毛织物有明显的促染作用,并可将织物的摩擦牢度提高0.5 级左右。

3 结语

　　超声波与液体介质相互作用能产生机械效应、热效应和空化效应,使超声波技术能用于羊毛的染整加工(如前处理、染色).随着工艺技术的进步和超声设备费用的降低,超声波技术在染整加工中的应用将会越来越广泛。

参考文献:

[1] 高云玲.超声波应用于纺织品前处理[J].染整技术,2000,22(4):27-28.

[2] 郁崇文.纺纱工艺设计与质量控制[M].北京:中国纺织出版社,2005.

[3] KARABO譏A C,K魻RL譈A E,DURAN K,et al.Use of ultrasonic technology in enzymatic pretreatment processes of cotton fabrics[J].Fibers & Textiles in Eastern Europe,2007,15(4):97-100.

[4] 崔运花.超声波在洗毛中的应用[J].中国纺织大学学报,1999,25(2):50-55.

[5] 郭嫣,张茂林.超声波洗毛工艺[J].纺织学报,2006,27(10):96-98.

[6] HURREN C, ZHANG Mao -lin,LIU Xin,et al.A study of ultrasound scouring of greasy Australian wool [C]//Proceedings of 2006 China

International Wool Textile Conference IWTO Wool Forum.2006:493-

王科林，等：超声波在羊毛染整加工中的应用研究及进展9印染助剂27 卷

　　产品型号：JP600G型超声波提取/乳化机组

　　机型结构：超声波发生器与提取罐分体式

　　超声频率：28KHz

　　超声峰值功率：1000W （由原600W升级至1000W，价格不变）

　　提取罐内尺寸：直径320 ×高250mm

　　提取罐容积：小于等于20L

　　搅拌电机功率：15W

　　搅拌电机转速：10-30转/min（可调）

　　电加热功率：2KW

　　供电电源：220VAC 50HZ 

　　具有数显时钟可调功能

　　具有数显功率可调功能

　　具有数显扫频可调功能

　　具有数显温度可调功能

　　武汉嘉鹏电子有限公司专业致力于超声波提取/萃取、超声波乳化、超声波清洗、超声波污水处理、超声波酒类醇化产品的研发、生产及销售。公司拥有多项技术。其中“数字式大功率多用途超声波电源系统”获武汉市重大科技成果奖。数字扫频实现了用户迫切需要的变频要求的同时还弥补了早期双频或多频技术带来的超声转换效率很低的弊端。此项技术经由全国各大院校的用户使用后反应很好。应用于植物提取、乳化、污水处理等领域，院校包括：清华大学、北京大学、浙江大学、华中科技大学、武汉大学、华中师大、中国地质大学、武汉科技大学、上海交大、浙江工业大学、兰州大学、河南农业大学、武汉化工学院、吉林大学、四川大学、华南理工大学、华东理工大学、江汉大学、长江大学、中科院武汉植物所、昆明植物所、中科院过程所、中科院武汉物理所、武汉市药检所等。公司产品行销全国除港、澳、台外的所有省份及直辖市。售后方面：公司产品使用自主技术故性能稳定、质量很好。公司承诺5年内免费质保。用户采用超声波需注意的事项：超声波提取方面：一、被提取物需粉碎到20目或更细。粉碎越细得率越高。二、选用合适的提取溶剂。三、根据产品的特性和产量合理的安排提取工艺。

　　超声波乳化方面：一、乳化液的配方包括乳化剂的用量。二、乳化时间的选定，并不是时间长就越好，乳化过程是分散和聚合不停的循环的过程。按现有试验结果显示10－15分钟的乳化粒径可达100纳米。

　　重要的是数字扫频的选择，此项共有16档选择，数值越低则气泡越粗、力量越大；数值越高则气泡越细、力量越小。不同的提取或乳化物质改变数字扫频会带来不同的效果及效率。

　　超声波提取天然产物包括超声波提取多肽、氨基酸、核酸、各种酶类、单糖、寡糖、多糖、糖蛋白、树脂、胶体物、木质素、维生素、脂肪、油脂、蜡、生物碱、挥发油、黄酮、糖苷类、苯丙素类、有机酸、酚类、醌类、甾体化合物、抗生素类等。