超声波在纺织品水溶液洗涤中的应用

超声波在纺织品水溶液洗涤中的应用

Keiko Gotoh*, KokoroHarayama

本论文探讨了超声波作为机械去污应用在纺织品的清洗。本实验将被炭黑或油酸污染的涤纶布（后面文章中称之为脏织物）与没有被污染的涤纶布（后面文章中称之为原织物）在有碱或者表面活性剂的水溶液中和没有碱或者表面活性剂的水溶液中一起用超声波、震荡和搅拌等三种去污方式来洗涤。三种去污方式的清洁度和污垢再沉积的现象用脏织物和原织物的表面折射率的变化来进行评价。实验发现超声波和震荡、搅拌相比能在较短的时间内和较低的浴比下有效地去除颗粒和油污。随着超声功率的增加，超声波去污的效果更好，超过了常用的Wascator洗衣机（一种横轴滚筒式洗衣机）。实验中还使用三种标准织物确定洗涤中机械作用对织物造成的损伤大小，结果显示超声波对织物几乎没有造成损伤。然而，超声波清洗中污垢再沉积的现象经常被观察到，尤其是在低浴比条件下。

在过去的二十年中，“前揭式”及“顶揭式”洗衣机已经广泛地应用在日本国内纺织品洗衣。随着节水观念的盛行，洗衣机的浴比（洗衣额定用水量与额定洗衣容量之比）越来越低。对于“前揭式”洗衣机，它的浴比现在已经低于5。但是在如此少的水中用常规洗衣机洗涤时，如果洗涤剂用量没有保持相同的洗涤剂加载比，会降低清洗的清洁度。即使保持相同的洗涤剂加载比，在洗涤过程中也很难去除洗涤剂残余物。除了低浴比下去污效果不好外，由于在较低的浴比下水中去除的污渍浓度的变高，在低浴比下污垢再沉积也可能会经常发生。此外，在低浴比下进行洗涤可能会对织物造成损伤，比如由于织物表面之间的摩擦造成的原纤化和织物手感的下降。与之前的洗衣机洗涤过程中的机械搅动不同，超声波清洗是另一种机械作用。它是在清洗过程中气泡或空洞的快速生成和猛烈崩塌强烈形成的机械作用。超声波在很多行业中被广泛地应用在硬表面的清洗。由于洗涤过程中不会发生激烈流动和变化的织物表面之间的摩擦，超声波清洗会降低织物在洗涤中受到的损伤。另外，通过超声洗涤过程中生成的活性物质，高功率的超声波可以使织物上的污点变淡。然而，通常认为超声波不适合清洗像纺织品这类柔软和灵活的材料。

在本研究中，使用频率调制超声波设备在整个水缸中创造了一个均匀超声场进行超声波清洗。实验中选择聚酯纤维作为一个面料样品，因为它是最常见的人造纤维而且它通常是由国内洗衣店清洗的。实验中将自主开发的脏织物和原织物一起用超声波、震荡和搅拌在水中清洗。脏织物的清洁度和原织物的污垢再沉积是从两种织物清洁后的表面反射率的变化来确定的。超声的优点通过对织物的损害以及清洁度两方面来和震荡、搅拌的作用相比较。此外，还用超声波清洗的清洁程度与家用洗衣机进行了比较，洗衣机采用的是经过ISO 6330认证的水平式滚筒洗衣机。

1．材料和方法

1.1 材料

作为污染源，采用了炭黑（SEAST SP, Tokai Carbon Co. Ltd., Japan）和油酸两种污染物。采用苏丹III（oilysoluble dye, CI26100, Wako Pure Chemical Industries，Ltd. Japan）作为一个示踪剂，将其在污染织物之前与油酸混合均匀。

选择从Shik isensha有限公司购买的平织涤纶织物（Toray Tropical）作为原始面料，涤纶织物在白开水纯化两次。为评价在洗涤过程中的机械损伤，三种标准机械作用面料，WAT布（Japan Textile Evaluation Technology Council），机械作用（MA）试件（（Danish Textile Institute, Denmark）和EMPA-MA(P) “POKADOT306”（EMPA 306，EMPATestmaterials AG，Sw itzerland）。从SDC有限公司（UK）购买的棉的镇流器（920×920 mm2，130g）和聚酯（200×200mm2，50g）被选定作为测试加载。

采用十二烷基硫酸钠（AS, Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Japan），聚氧乙烯（10）十二烷基醚（AE，Lion Corporation，Japan）作为表面活性剂。在1mmo l/L钠离子存在下通过测量AS和AE的表面张力，临界胶束浓度分别确定为7.6×10-3和1.5×10-4mol/dm3。氢氧化钠和氯化钠被分别作为碱和中性盐。水（电阻率18MΩcm）是使用一个直接-Q UV设备（M illipore，USA）净化的。

1.2 脏织物的制备

作为一个污染浴，包含0.02g炭黑或者5g油酸/0.02g苏丹III的0.1dm3乙醇混合物超声备用。然后，原织物（50× 50mm2）在每个污染浴中浸渍3分钟，弄脏后干燥并在洗涤测试之前冷藏7天。

原织物和脏织物的表面反射率的测定使用分光光度计（NF333，N IPPONN DENS- HOKU，Japan）。被炭黑和油酸弄脏的织物的波长分别为460和500nm。

在织物每侧读取不同的两点，最终取其平均值。Kubelka-Munk函数值，K/S，被炭黑和油酸污染的织物计算的表面反射率分别为0.39±0.12和0.89±0.15。

如上文所述计算完表面反射率后立即进行洗涤实验。水性洗涤剂溶液使用NaCl溶液（[NaCl]=1mmol/dm3），NaOH溶液（[NaOH]=2mmol/dm3，[NaCl]=1 mmol/dm3），AS溶液（[AS]=8mm ol/dm3，[NaC l]=1 mm ol/dm3），AS+NaOH溶液（[AS]=8mmol/dm3，[NaOH]=2mmol/dm3，[NaC l]=1mmol/dm3）和AE溶液（[AE]=0.2mmol/dm3，[NaC l]=1mmol/dm3）。脏织物和原织物（脏织物在上）整齐地叠放在一起，并水平地放置在装有洗涤剂溶液0.2dm3的烧杯中，洗浴比为10～100。

作为机械作用的来源，使用可调频率的超声波（38kH z，120W）清洗机，使用一个64106振荡器和一个64801VS洗衣机（KAIJO，Japan）。洗衣机的水位调节至68mm，不锈钢丝网篮设置在离底部40mm处。与超声清洗作比较，震荡（120spm，40-mmstroke）和搅拌（40rpm）作用分别选用了BW 201水浴摇床（Yamato Scientific Co. Ltd., Japan）和REXIM RSH-4DR磁力搅拌器（As one, Japan）。为使磁力搅拌棒（8mmΩ×30mm）可以平稳转动，搅拌洗涤只在浴比为100时进行。洗涤温度为25±1℃。洗涤后，脏织物和原织物用0.1dm3的水冲洗60s。

洗涤测试也使用了通过ISO认证的W sscator洗衣机，使用了4A（正常），7A（柔软）和手洗程序，并且洗涤和冲洗温度从原来的程序设定设置在25℃。每16个弄脏的和原始的织物和由6棉和14聚酯镇流器组成的试验载荷在相同的容器（15dm3）中一起洗涤。在洗涤前，织物的一侧缝上聚酯镇流器。织物样品和试验载荷的总重量为1.5公斤左右，浴比计算为10。

在空气中干燥洗涤的织物后，从得到的K/S值再次测定表面反射率。去污力D，和污垢再沉积SR，运用下面的公式从原始织物和脏织物洗涤前后的K/S值计算得出：

以及

这里下标s和w分别指的是织物清洗前和清洗后。该实验在相同的实验条件下重复5～10次，D和SR的实验误差在±10～15%。

所有的实验均在室温下25±1℃进行。

1.4 洗涤对织物损伤的评估

三种机械作用测试件，W AT布，M A测试件和EMPA306，裁剪成50×50mm2（对MA测试件35mm的中心孔）。用每种测试件代替脏织物，在1.3章节提到的在水浴比10下进行相同的洗涤程序。对洗涤前后的测试件进行照相记录。对W AT布，洗涤L值（CIE L/a/b色标里的白色）的变化DL，来衡量机械作用的强度。

2．结果和讨论

2.1 清洁度和污垢再沉积随时间的变化

图1所示的是在AS溶液中不同洗涤时间下脏织物的清洁度和炭黑在原织物上的污垢再沉积。在震荡以及没有机械作用下几乎没有炭黑从织物上脱去。在超声清洗中，炭黑的清洁度大约为20%，而且可以持续几分钟的时间，然而污垢再沉积随着洗涤时间而增大。

与炭黑相比，油酸（如图2所示）的清洁度是相当大的。在震荡作用和在没有机械作用下清洁度在5分钟内分别达到40%和10%。另一方面，超声波在几分钟内除去了大约80%的油酸。油酸的清洁度和污垢再沉积相对于洗涤时间和机械作用的结果与炭黑表现出相似的趋势。然而，炭黑的污垢再沉积随时间延长而增大，而油酸的污垢再沉积在5分钟后达到饱和。炭黑的清洁度随时间延长略微增大，但是不能解释清楚两种污染物污垢再沉积随时间表现出的不同。

从清洁度和污垢再沉积的观点出发，短时间的超声波清洗是值得关注的。

2.2 浴比对清洁度和污垢再沉积的影响

图3所示的是在多个浴比下AS溶液中炭黑的污垢再沉积。震荡过程中在任何浴比下很少的炭黑被清除掉。炭黑的污垢再沉积随浴比的下降而上升，尤其是在超声清洗中。观察图像可以得出，在浴比为30时超声的清洁度最大。这可能是由于超声作用的机械功率降低造成的，同时也是洗浴比增大时污垢再沉积降低的原因。超声的最大清洁度（ca.20%）和震荡在浴比为100时的震荡洗涤的效果相当。

图1 炭黑在浴比为30的AS溶液中的去汚力D，污垢再沉积SR，在没有机械作用（空心圆），震荡（实心圆），超声（实心三角）下随洗涤时间的变化

图2 油酸在浴比为30的AS溶液中的去汚力D，污垢再沉积SR，在没有机械作用（空心圆），震荡（实心圆），超声（实心三角）下随洗涤时间的变化

图3 炭黑在AS溶液中的去汚力D，污垢再沉积SR在没有机械作用（空心圆），震荡（实心圆），超声（实心三角）和搅拌（空心三角）洗涤后随浴比的变化

图4 油酸在AS溶液中的去汚力D，污垢再沉积SR在没有机械作用（空心圆），震荡（实心圆），超声（实心三角）和搅拌（空心三角）洗涤后随浴比的变化

另外，油酸的清洁度和浴比没有关系。清洁度最大的是超声，其次是震荡，最低的是没有机械作用（如图4所示）。油酸的污垢再沉积和炭黑一样也是随着浴比的降低而增大（如图3所示），这表明在低浴比下会增大污垢再沉积现象。

2.3 在各种水溶液中的清洁度和污垢再沉积

图5和图6分别所示的是用超声在两种浴比（10和30）下，炭黑和油酸在各种水溶液中的清洁度和污垢再沉积。炭黑在高浴比下的清洁度是比较大的（如图5所示），而油酸的清洁度和浴比没有关系（如图6所示）。两种污染物在低浴比下都会经常被沉积到织物上。另外，结果还表明在表面活性剂的存在下清洁度会增强，污垢再沉积也会降低。

图7和图8所示的是比较了炭黑和油酸的清洁度和污垢再沉积在浴比为10各种水溶液中经过超声和震荡洗涤后的大小。结果表明在任何溶液中，相对于震荡来说，超声清洗都可以有效地去除炭黑和油酸。然而，和震荡相比，超声洗涤后的两种污染物的污垢沉积是相当大的。

通常情况下，在洗涤中污垢再沉积和从织物上去除污垢的量是没有关系的。因此，污垢再沉积SR，除以脏织物洗涤前后K/S的差值（如下所示），这和污染物在水中的量是对应的：

如图7和图8中所示，标准化的污垢再沉积SR'， 无论是哪种污染物或者哪种溶液中，超声依然比震荡大。值得注意的是，炭黑的SR'值比油酸大10倍，而两者的SR'值在加入表面活性剂后大大减少，尤其是阴离子表面活性剂AS。

图5 炭黑在洗浴比为10（白色柱子）和30（黑色柱子）的各种水溶液中超声洗涤后的去汚力D，和再沉积SR

图6 油酸在洗浴比为10（白色柱子）和30（黑色柱子）的各种水溶液中超声洗涤后的去汚力D，和污垢再沉积SR

图7 炭黑在洗浴比为10的各种水溶液中震荡（黑色柱子）和超声（白色柱子）洗涤后的去汚力D，和污垢再沉积SR

图8 油酸在洗浴比为10的各种水溶液中震荡（黑色柱子）和超声（白色柱子）洗涤后的去汚力D，再沉积SR，和标准再沉积SR

图9 炭黑和油酸在AS水溶液中使用Wascator 4A（白色柱子），7A（阴影柱子）和手洗（黑色柱子）程序后的去污力

2.4 超声和Wascator去污力的比较

图9是两种脏织物用Wascator洗衣机在AS溶液中清洗后的清洁度。在图中未给出污垢再沉积的图像，因为它大约比图1～8所示的震荡和超声清洗的污垢再沉积低一个数量级。两种污染物在Wascator洗衣机洗涤后的清洁度是4A＞7A＞手洗，这和机械作用的强度是一致的（如图11所示）。油酸在4A程序下的去污与超声清洗是相似的。另外，图9中炭黑的清洁度明显大于油酸。在实验中的超声功率是120W，因此附加的洗涤测试是改变超声波功率。图10中所示的是超声功率对炭黑和油酸的清洁度和污垢再沉积在浴比为30的AS溶液中的影响（震荡洗涤，调制160spm，两种污染物的污垢再沉积几乎没有增加）。发现炭黑的清洁度随着功率的增加而增大，在360W时达到了41%，这个功率和使用Wascator4A模式是对应的。另外，在360W下油酸几乎全部被去除掉。尽管污垢再沉积SR，随功率的增大而增加，然而标准污垢再沉积SR'，却随着功率的增大而降低。

图10中样品的标准污垢再沉积SR'=0.08的情况是可以通过肉眼观察到的。另外，增强聚酯表面亲水性和向洗涤剂溶液中加入分散剂可以有效地减少在较低浴比下超声清洗的疏水性污垢再沉积。我们已经报道了经过常压等离子体处理后的聚酯织物的可湿性的增加可以显著地预防炭黑在其上的再沉积。在超声清洗过程中污垢再沉积的预防有很大的改进空间。

2.5 超声和普通洗衣机对织物损伤的比较

图11显示的三种机械作用织物在经过震荡、超声、搅拌和Wascator洗衣机清洗前后的照片。可以看出震荡和超声清洗后对织物几乎没有造成损伤。另外，可以清楚观察到Wascator洗衣机洗涤后对织物造成了大面积的损伤。

图10 炭黑（d）和油酸（N）在浴比为30的AS溶液中洗涤后的去汚力D，再沉积SR和标准再沉积SR'随超声功率的变化

图11 在浴比为10下震荡、超声、搅拌和Wascator洗涤之前和之后三种机械作用织物的照片。对W AT布，L在CIE L/a/b彩色标尺中是白色的以及DL是由于洗涤和相对应于机械作用强度L值的变化

因此，从降低洗涤过程中对织物的损伤，清洁度以及污垢再沉淀的观点出发，可以预见超声的应用可以得到高洗衣机的性能。

3．总结

聚酯织物通过超声波清洗，在短时间内和较低浴比下的任何洗涤剂溶液中模型颗粒物和油污都能被有效地去除。另外，超声清洗中对织物造成了很小的损伤。然而，使用超声波去除的污物会经常沉积到织物上，尤其是在低浴比下。未来，在纺织品洗涤过程中超声和机械搅拌的组合将会得到实际应用。

（杨杰/编译）

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