微波在纺织品染色中的应用研究yd10911
赵雪 何谨馨 (东华大学化学化工与生物工程学院，上海201620)
展义臻 (浙江三元控股有限公司，浙江杭州311221)
收稿日期：2008-08-l8
作者简介：赵雪(
原载：染整技术2009/2；13-16
【摘要】 对微波在纺织纤维染色中的应用进行了深入研究，主要从纤维改性、浸染、轧堆染色三个方面对微波染色进行了重点的评述。轧堆染色用微波处理由于其高效，可以节省固色时堆置的时间，有污水排放少等优点。
【关键词】 微波技术；染色；微波轧堆
【中图分类号】TSl93.59 文献标识码：A文章编号： 1005-9350(2009)02
所谓微波染色.就是利用微波加热的染色技术。微波一般可分为米波、厘米波和毫米波波段，频率为300～300000 MHz。在染整行业除了可用于烘干外，还可用于染色前纤维的预处理以改变纤维的表面结构和超分子结构改性，用以提高上染率和固色率，及染色时染料的固色等。微波具有热效应和非热效应，内外同时加热，使织物在短时间内达到内外同热的效果，织物的染色均匀性大大改善、上染率高、色度指标高、色牢度好。由于微波染色高效节能且易于控制，故便于纺织行业实现自动控制和连续生产。
1 微波设备
实验微波没备的结构示意见图1。设备包含一个可调功率的微波源，用探针耦合方式将微波从源引出后经环行器进入波导腔，入射功率由定向耦合器1和中功率计1测量，微波能量在波导腔内按TE01模式传播，与放置样品的PTF反应器相遇。PTF反应器本身对微波“透明”，微波能部分被样品吸收；部分被反射，经过环行器偏转后送入水负载2被吸收，
反射的微波功率由定向耦合器l和中功率计1测量：还有部分透射微波能被水负载1吸收。
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图l微波设备示意图 |
样品温度的测量采用Victor D M-6902数字式温度计(深圳胜利仪器厂产)，测头为K型热电偶(NiCr-NiAl)，精度为±(0.75％+l℃)。微波场中温度的测量一般用非接触式的红外测温：热电偶测量会因电磁干扰失准，更可能因测温元件中的金属材料与波导腔内壁放电而损坏传感器。设备中热电偶的测头用镍管屏蔽并接地，然后将热电偶连同屏蔽镍管以垂直于电场的方向进入微波场并插入PTF反应器内部测温，试验的结果表明，温度测量结果稳定、重复性好。波导腔除了可以按上述模式工作(行波模式)，还可将水负载2换成短路活塞，通过调整短路活塞的位置在波导腔内实现谐振，在波导腔的局部位置集中较高的电场，以满足高分子材料加工的要求。功率、温度的测量结果经过放大电路处理后送入A／D D/A转换卡转化为数字信号，由计算机实时采集和处理，绘出温度、功率的变化曲线并生成数据文件。配合程序和控制电路，还可以由计算机对微波辐照的功率和样品温度进行反馈控制。
2 微波在染色中加热的特点和机理
微波加热优点主要包括以下几个方面：①微波能瞬间穿透被加热物质，只需要加热数秒至几分钟，无需预热。停止加热也是瞬间的，无余热：⑦微波是介电损耗发热，介电损耗系数大的物体有选择性地吸收微波，不需要加热的部分不会吸收微波，避免了无意义的升温；③由于是被加热物体本身发热，周围空气和装置等不加热，不会造成热损失，故热效率高：④由于被加热物各部分同时发热，整个物体内外部都能均匀加热，不会像一般传导加热产生物体表面和内部较大的温度差：⑤能比较容易地用功率量的大小来调整加热状态：⑥微波除了有快速升温的效果外，还能使水分子、染料分子产生振动，促进染料的溶解和扩散。微波发生装置是无公害装置，但在运转中可能会有一部分电磁波从加热装置中泄漏而产生各种干扰，所以要采取措施严格控制，用各种方法将电磁波屏蔽。
利用微波进行染色的原理主要是：当浸轧染料溶液的织物受到微波照射后，由于纤维中的极性分子(如水分子)的偶极子受到微波高频电场的作用，因而发生反复极化和改变排列方向(如2450 MHz时，在l s内有24亿5千万次的偶极子旋转运动)，在分子间反复发生摩擦而发热，这样可迅速地将吸收电磁波的能量转变为热能。与此同时，一些染料分子在微波的作用下，也可发生诱导而升温，从而达到快速上染和固色的目的。也就是说，微波是利用织物上的水在感应作用下发热。除了热效应机理外，微波在染色过程中也应用到了非热效应机理，微波非热效应源于化学基团对微波的选择性吸收，从而促进基团的旋转振动，故在化学方面表现为有选择地提高某些化学反应的速度，起到高效催化剂的作用：在物理方面表现为具有调整材料的无定形区结构，甚至有改变结晶区晶型的能力。微波非热效应机理在于纤维表面结构和超分子结构的改性以利于染色加工[1]。
3 微波技术在染色中的应用
3.1 微波技术用于染色前纤维预处理
微波技术在染色前纤维预处理中的应用主要是改变纤维的形态、表面结构、超分子结构或者对纤维接枝改性以提高其染色效果。
微波辐射技术可以改变纤维的形态、表面结构，现在国内外已经有许多学者在纤维染色前利用此技术对纤维进行预处理以提高纤维染色的效果。
H.Sun，L.Lin用微波处理通过改变纤维表面的粗糙程度提高了亚麻纤维的可染性，同时通过电镜扫描照片(经过微波处理的和未经微波处理的亚麻纤维)验证了这一事实，分析原因可能是，亚麻纤维的表面分子吸收微波能量后活性增加转化成分子之间相互运动的动能造成亚麻纤维表面结构的变化，因此提高了亚麻纤维对染料的吸收和渗透，并且增加了染料与纤维之间的反应。观察未经过处理的、经过微波处理的亚麻纤维表面结构的扫描电镜照片，显示出经微波处理的亚麻织物表面结构变得粗糙了，因此经过其处理后，染料可以很快地被纤维吸收并渗透进入纤维内部，提高染料对纤维的上染率[2]。
微波辐射技术除了可以改变纤维的形态和表面结构，还可以通过非热效应机理改变纤维的超分子结构，减小纤维的结晶度或者使纤维分子间力的作用减弱以提高对染料上染的可及度。苏州大学的邹利云研究了微波辐照后的真丝纤维超分子结构的变化，结果发现真丝纤维经过长时间微波处理后，纤维大分子主链有序度降低和部分
链的断裂导致丝纤维结晶度的下降，会使得纤维的结晶化趋向遭到破坏，无定形区含量提高[3]。同时纤维也遭到损伤，丝织物拉伸强度下降。无定型区含量的提高可以增加染料对纤维上染的可及度。
在有些情况下纤维经过用微波辐射技术处理后结晶度是增加的，但是最后得到的上染率却是增加的。在这种情况下主要利用了微波的以下几个作用原理：首先在微波辐射过程中纤维分子中一定数量的氢键断裂和分子链分离，因此增加了在纤维结构里的空隙、体积和微孔，因此增加了上染率。其次，表面形态结构被损坏，因此增加了纤维对染料的吸附性。最后，微波辐射后纤维直径的增加有利于染料溶液渗透进入纤维内部[4]。
微波辐射还可以对纤维进行接枝改性，以增加纤维的活性基团和亲水性，因此提高染色效果。曹雪琴利用微波技术对真丝纤维用柠檬酸进行接枝交联改性，其反应机理为在微波高温辐照下，丝素分子中的羟基与柠檬酸中的羧基发生酯化反应，使丝素的大分子主链接枝上小分子，从而使丝素分子间通过柠檬酸分子相互交联。微波的热效应可使可逆的酯化反应中生成的水分快速蒸干，促进平衡向右移动，提高接枝率。经过微波辐射后真丝纤维分子中活性基团和亲水性基团的数量增多，因此染色性有所提高[5]。
用微波技术在染色前对纤维进行预处理，快速、方便、环保，且可以提高染色加工的效果。
3.2 微波技术在浸染中的应用
微波浸染时，先将织物浸渍染液，然后放入密闭的微波回热室(反应箱)中，在微波的作用下，染料和助剂分子发生反复极化并改变排列方向，分子之间反复摩擦生热，染料分子可快速获得较大的动能，纤维膨化更显著，可望提高上染百分率达到快速均匀上染和固色的目的[6]。在浸染过程中微波可以作用在不同的染色阶段。
先用微波辐射，使染浴从室温迅速升温至某一温度，再改用常规水浴加热法续染，这样做的目的是利用微波可使染浴快速升温，染料的上染速率也迅速提高，从而缩短染色时间。由于微波加热具有体加热的特点，内外同热，从理论上讲这样做可以实现快速匀染。再改用常规水浴加热法续染，以巩固快速染色的效果。
先采用常规水浴加热法染色至某一温度，再改用微波辐射完成后期染色过程。这样做的目的是让织物上已有一定的染料上染，此时染料继续上染将越来越受到已上染的染料分子的阻力影响，改用微波辐射以期让更多的染料分子获得足
够的能量上染，同时纤维分子吸收微波导致进一步膨化，已上染的染料分子进一步向织物纤维内部扩散，从而提高染料的上染百分率和织物的色牢度。
整个染色过程全部用微波辐射，这样做的目的是选择合适的微波辐射条件，控制升温速度，希望达到在大大缩短染色过程所需要时间的同时，也能提高染料的上染百分率，并保证织物上染均匀。
微波上染除了高效快速以外，还有一个重要的特点就是上染的均匀性，上染的均匀性和微波的穿透深度有关。很显然，愈深入材料内部，渗透进入的微波功率愈小，定义渗透深度Dp为当功率从材料表面衰减至表面的1／e时的距离。
一般低耗材料，渗透深度近似为：Dp=λ0(ε’)1/2／2PAIε〃eff，式中λ0为入射电磁波波长。对常用工业材料(染料、织物等)可进一步近似估算出Dp≈λ0，在2450
MHz附近，Dp≈
微波染色固色工艺与常规水浴加热染色固色工艺相比，可提高织物上染料的上染率：织物的摩擦色牢度与皂洗色牢度均能达到或超过常规水浴加热染色固色工艺，可能是由于用微波加热比用传统的加热方式均匀，在微波加热时又很少或者几乎没有染料的泳移，染料在纤维的内部呈现好的固色率并且有比较好的摩擦色牢度：对比传统的浸染工艺，微波染色可以节省30％～50％的能量，并且大大缩短染色时间，节能效果明显[1]。
3.3 微波技术在轧堆染色中的应用
国外研制出的一种微波加工装置叫Apollotex电反应器，对织物进行染色加工，被染色的织物经过浸轧后，以平幅状态进入充满蒸汽的反应器中经微波照射并打卷即可固色，这套装置还可用于对涤纶织物碱减量加工，其工艺流程是：把涤纶织物以常温浸轧含碱工作液，用微波照射15 min，再在pH=8的热水中洗涤，然后水洗。据介绍用这套装置对涤纶织物减量加工，不会产生减量不匀和强力降低过多，而手感比挂练法柔软，助剂用量可减少一半，有显著的经济效益。
M.j.Delaney研究了羊毛活性染料染色微波轧堆工艺。羊毛的微波轧堆染色，一般堆置时染液中要加入高浓度的尿素(尿素可以显著吸收微波的能量)，因此在堆置时提高染色固色温度，可以显著加快活性染料在羊毛上的固色速率，由于微波加热的高渗透性，可以显著地减少羊毛固色所需要的时间。只要羊毛在微波的加热区域放置均匀并且微波设备设计适当，则羊毛就可以获得均匀加热固色[7]。在羊毛用微波活性染料轧堆染色时，添加亚硫酸氢钠，活性染料固色率可以提高，原因如下：①羊毛二硫键的减少产生巯基，使得羊毛上有更多的活性基和染料发生反应：②染料上卤代杂环活性基在亚硫酸氢钠存在下转化为活性更高的磺酸盐基团，亚硫酸氢钠不是对所有的活性染料的固色率都有提高，如包含α-溴代丙烯酰胺活性基团的活性染料的固色率反而下降，产生负面影响的原因是由于染料的失活。α-溴代丙烯酰胺活性基团可以与亚硫酸氢钠反应形成复合物，此复合物是不能和纤维发生反应的。
微波轧-卷堆置系统的优点包括：
(1)简单性：织物在堆置前不需要加热并且在堆置室内不需要湿度控制。
(2)灵活性：堆置不一定必须在微波条件下进行，如果必要的话也可以在室温堆置后再用微波加热。
(3)高效性：微波提供了一个非常有效的加热过程，当用900 MHz的频率加热时，电能转化为热能的效率可以超过～70%。
4 结论
随着微波应用技术的普及和不断完善，微波元器件性能在不断提高，成本亦大幅度降低，作为一种高新技术在纺织纤维染色加工中的应用已经越来越广泛，且与传统染色技术之间的结合正日趋成熟。微波染色、固色工艺与常规染色、固色工艺相比，可大大缩短染色时间，节能效果明显。
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参考文献
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