超声化学效应对染色的影响

于翠岩，吴朝辉，孙德帅，栾吉梅

(1.青岛锦纬时装有限公司，山东 青岛 266071；2.青岛大学，山东 青岛 266071)

超声化学效应对染色的影响

于翠岩1，吴朝辉1，孙德帅2，栾吉梅2

(1.青岛锦纬时装有限公司，山东 青岛 266071；2.青岛大学，山东 青岛 266071)

在超声染色设备中不同径向和轴向位置处，利用碘化钾分解实验来表征超声波的化学效应，并将超声化学效应与此位置的活性染料染色性能建立联系，加深对染色过程超声波作用的理解。实验发现在行波超声场与强化超声场中，超声的化学效应与染色促染作用不同。

超声场；化学效应；染色；促染作用

频率高于20 kHz的声波，因超出人耳可闻的上限而被称为超声波。超声波在通过液体介质时能够产生超声空化作用，即液体中含气的微小气泡的产生、增长及崩裂过程。空化气泡崩溃时能够产生剧烈的局部高温高压环境，瞬时温度可达1900-5200 K，压力超过500 atm，并伴有400 km/h的强大微射流[1]。超声空化的特殊作用使超声在化学工程领域得到广泛应用。

棉织物是一种重要的天然纺织品材料，织物具有多孔性结构，孔隙内具有绒毛特性，且孔隙结构多变。因此超声波经过纺织品时，织物会吸收部分声波能量,导致声波强度的衰减[2-3]。由于超声空化作用是非均匀的，在染浴不同位置纺织品对超声波能量的吸收效率不同[4-6]。本文通过碘化钾分解实验来表征超声波的化学效应，并将超声化学效应与活性染料染色性能建立联系，加深对超声波在染色过程作用的理解。

1 实验部分

1.1 实验装置

超声染色实验装置主要由超声波信号发生器(采用自激式电路TL-60)、换能器(HNC-8SH-3841，频率为40 kHz，额定功率为50 W，直径60 mm)和实验容器三部分组成。实验容器的内径为140 mm，实验容器内装有水，深度80 mm，水浴温度通过外接冷却循环系统控制，确保染色过程的温度波动在1℃之间。实验容器上盖采用两种不同材质制备，其一为具有良好吸波特性泡沫塑料，使实验容器内形成自由行波超声场；其二为具有刚性反射特点的硬质聚氯乙烯塑料，由于声波的相干作用在染色容器内形成强化超声场。用于盛放碘化钾或染色溶液的5只刻度试管(内径13 mm)沿径向放置，试管内溶液1.8 cm(约2 mL)高，以试管中溶液液面中心高度处表示试管所在位置。方案如图1所示。

图1 超声测量点示意图

1.2 实验材料与药品

材料：纯棉平纹织物(151 g/m2)

药品：Dystar remazol red RGB，氯化钠(分析纯)，碳酸钠(分析纯)，碘化钾(化学纯)，钼酸铵(化学纯)

1.3 超声化学效应测定

染色容器中五个径向测量点如图1所示。轴向测量位置为5.4 cm和6.3 cm深度，分别为3λ/2和7λ/4(λ为超声波在水中传播时的波长)。配制碘化钾(0.5 mol/L)溶液，以0.1 g/L的钼酸铵为催化剂。取约2 mL溶液于刻度试管中，放置到实验容器(水浴温度40℃)。开启超声振动20 min。以分光光度法测定不同径向位置试管中碘化钾分解产生的碘溶液吸光度，通过标准曲线法计算碘浓度。

1.4 染色工艺处方和流程

1.4.1 工艺处方

染料：2% (o.w.f)；氯化钠：40 g/L；碳酸钠：20 g/L；浴比：1∶8。

1.4.2 工艺流程

染色工艺流程如图2所示。常规染色过程中织物在20℃入染，升温至40℃加入盐染色30 min，加入碱剂固色40 min。超声波染色过程，于染色阶段开启超声波30 min，余下操作与常规染色过程相同。

图2 染色工艺流程

1.5 上染率的相关测试

染色过程中，从40℃无机盐加入开始计时，在染至30 mm和70 min各取染液0.1 mL，稀释成10 mL。在染料最大吸收波长526 nm处测染液的初始吸光度A0及各染色时间下染色残液的吸光度At，上染率由公式(1)给出。上染率的增加值为相同时刻，超声染色上染率与常规染色上染率增加值由公式(2)给出。

Ct%=(1-At/A0)×100%

(1)

ΔCt%=Ct(超声)%-Ct(常规)%

(2)

2 结果与讨论

2.1 超声场化学效应

超声场中碘化钾溶液在超声空化作用下分解产生碘而呈现颜色，不同超声场的化学效应如图3所示。在自由行波声场中，最大碘浓度出现在声波传播的垂直方向，表明轴线位置处超声空化作用最强；碘浓度沿径向方向逐渐减小，基本呈对称分布。最大碘浓度(0,5.4)比最小(5,5.4)处增大约1.0倍。对比5.4 cm和6.3 cm两个轴向深度处，碘浓度变化很小。

在实验容器顶部加刚性反射顶盖，由于顶盖对声波的反射作用使声波的传播方向发生180°改变，与原有声波形成相互干涉作用，使实验容器内的超声场得以强化。对比图3中的两类超声场，可以发现强化超声场中碘浓度明显增加，表明超声空化作用加强。由于声波的相干作用，5.4 cm和6.3 cm两个轴向深度处，碘浓度分布出现明显不同。在5.4 cm处，径向浓度分布虽然仍呈对称分布，但中心位置碘浓度下降，最大碘浓度出现在径向-2 cm和2 cm处。在6.3 cm处，碘浓度分布规律与行波超声场相同，但浓度比相同位置的行波超声场中增大约2倍。

图3 超声场的化学效应

2.2 超声场对染色的促进作用

2.2.1 行波超声场对染色的促进作用

将织物放入刻度试管中，在超声场不同位置处对织物进行染色。图4(a)为不同径向位置染色30 min时的上染率，图4(b)为染色70 min时的上染率。由图4可见，超声场作用能够显著提高染色织物的上染率。虽然超声波仅在染色初始30 min内开启，但对上染率的提高作用能够维持到染色结束(70 min)。在超声场不同径向位置处，由于超声空化作用不同，导致染色促染效率的差异。不同径向位置处30 min和70 min的染色上染率变化规律与行波声场化学效应的变化规律一致。均为轴线中心位置处超声促染效果最强，沿径向方向上染率逐渐减小。

2.2.2 强化超声场对染色的促进作用

图5所示为强化超声场对染色的促染作用。图5(a)为不同径向位置染色30 min时的上染率，图5(b)为染色70 min时的上染率。由图5可见，5.4 cm和6.3 cm两个轴向深度处，超声促染作用有较大差别。在5.4cm的轴线位置处，超声促染效率最低；而在6.3 cm的轴线位置，超声的促染效率最大。沿径向防线超声促染效率仍然呈对称分布。图4与图5对比发现，虽然输入到两种超声场的电能相同，但强化超声场促染效率更高，更有利于能源的节省。

图4 行波超声场中织物的染色上染率

图5 强化超声场中织物的染色效应

2.3 超声场化学效应与促染作用分析

图6与图7分别为两种超声场化学效应与促染作用的关联，可以发现在行波和强化超声场中，碘浓度与染色上染率增加值基本呈线性关系，即超声过程产生的碘浓度越大，对染色的促进作用越强。虽然染色过程中超声波的开启时间仅有30 min，但超声的作用能够使织物在固色过程中仍旧保持较高的反应速率。在不同超声场中30 min和70 min的两条关联曲线的斜率比较接近，表明超声波的关闭(30 min)并不会使超声带来的促染作用迅速衰减。在染色过程中阶段式的超声运用即可以达到良好的促染效果，这对减少超声运用时间是非常有益的。

图6 行波超声场化学效应与促染关系

图7 强化超声场化学效应与促染关系

3 结论

在行波超声场中，超声化学效应使最大碘浓度出现在中心位置处；沿径向方向碘浓度减小，基本呈对称分布。在超声染色容器通过声波的干涉作用，能够强化超声效应，但不同轴向位置5.4 cm和6.3 cm碘浓度的最大值出现不同。在5.4 cm处最大碘浓度出现在径向-2 cm和2 cm处；而在6.3 cm处碘浓度最大值仍为中心位置。超声波在染色过程中具有促染与超声化学效应密切相关。染浴中不同位置上，碘浓度与染色过程上染率的增加值基本呈线性关系。该线性关系表明超声波在染色30 min后关闭并不会使超声带来的促染作用迅速衰减。因此在超声波染色过程中，可以通过间歇性地开启强化超声场，提高超声能量的利用效率。

[1] 孙德帅,张晓东,张中一.活性染料的低频声场和超声场染色工艺[J].印染,2008,34(5): 14—17.

[2] 孙德帅,张宇菲,林旺锦,等.驻波超声场对染色的促进作用[J].染料与染色,2013，(6)：34—36.

[3] Vankar P S,Shanker R,Srivastava J.Ultrasonic dyeing of cotton fabric with aqueous extract of Eclipta alba[J].Dyes Pigments,2007,72(1):33—37.

[4] Sun D,Fang L,Liu T. Investigation into acceleration efficiency of ultrasound in dyeing process[J].Advanced Materials Research,2013，(734): 2222—2225.

[5] Suslick K S,Cassadonte D J.Heterogeneous sonocatalysts with nickel powder[J].J Am Chem Soc,1987,109(11):3459—3461.

[6] 杨英贤,陈言芳.多频超声波在棉织物染色中的应用研究[J].印染助剂,2005,22(8):19—21.

Chemical Effects of Ultrasound Effected on Dyeing Process

YuCuiyan1,WuChaohui1,SunDeshuai2,LuanJimei2

(1.Qingdao S&G Apparel Co., Ltd.,Qingdao 266071,China； 2. Qingdao University,Qingdao 266071,China.)

In different axial and lateral position of ultrasound field,the decomposition of potassium iodide was used to represent the chemical effect of ultrasound wave. This chemical effect was related to the dyeing property of reactive dye in the same site. The experiments could improve the efficiency of ultrasound dyeing. The results found the chemical effects and dying acceleration of ultrasound were different in dispersion wave and strengthen ultrasound.

ultrasonic field; chemical effects of ultrasound; dyeing; dyeing acceleration

2014-10-20

国家自然科学基金(21206080)

于翠岩(1969—)，女，山东青岛人，工程师。

TS193.59

A

1009-3028(2015)01-0019-04