超聲化學效應對染色的影響

于翠巖，吳朝輝，孫德帥，欒吉梅

(1.青島錦緯時裝有限公司，山東 青島 266071；2.青島大學，山東 青島 266071)

超聲化學效應對染色的影響

于翠巖1，吳朝輝1，孫德帥2，欒吉梅2

(1.青島錦緯時裝有限公司，山東 青島 266071；2.青島大學，山東 青島 266071)

在超聲染色設備中不同徑向和軸向位置處，利用碘化鉀分解實驗來表征超聲波的化學效應，并將超聲化學效應與此位置的活性染料染色性能建立聯系，加深對染色過程超聲波作用的理解。實驗發現在行波超聲場與強化超聲場中，超聲的化學效應與染色促染作用不同。

超聲場；化學效應；染色；促染作用

頻率高于20 kHz的聲波，因超出人耳可聞的上限而被稱為超聲波。超聲波在通過液體介質時能夠產生超聲空化作用，即液體中含氣的微小氣泡的產生、增長及崩裂過程?？栈瘹馀荼罎r能夠產生劇烈的局部高溫高壓環境，瞬時溫度可達1900-5200 K，壓力超過500 atm，并伴有400 km/h的強大微射流[1]。超聲空化的特殊作用使超聲在化學工程領域得到廣泛應用。

棉織物是一種重要的天然紡織品材料，織物具有多孔性結構，孔隙內具有絨毛特性，且孔隙結構多變。因此超聲波經過紡織品時，織物會吸收部分聲波能量,導致聲波強度的衰減[2-3]。由于超聲空化作用是非均勻的，在染浴不同位置紡織品對超聲波能量的吸收效率不同[4-6]。本文通過碘化鉀分解實驗來表征超聲波的化學效應，并將超聲化學效應與活性染料染色性能建立聯系，加深對超聲波在染色過程作用的理解。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

超聲染色實驗裝置主要由超聲波信號發生器(采用自激式電路TL-60)、換能器(HNC-8SH-3841，頻率為40 kHz，額定功率為50 W，直徑60 mm)和實驗容器三部分組成。實驗容器的內徑為140 mm，實驗容器內裝有水，深度80 mm，水浴溫度通過外接冷卻循環系統控制，確保染色過程的溫度波動在1℃之間。實驗容器上蓋采用兩種不同材質制備，其一為具有良好吸波特性泡沫塑料，使實驗容器內形成自由行波超聲場；其二為具有剛性反射特點的硬質聚氯乙烯塑料，由于聲波的相干作用在染色容器內形成強化超聲場。用于盛放碘化鉀或染色溶液的5只刻度試管(內徑13 mm)沿徑向放置，試管內溶液1.8 cm(約2 mL)高，以試管中溶液液面中心高度處表示試管所在位置。方案如圖1所示。

圖1 超聲測量點示意圖

1.2 實驗材料與藥品

材料：純棉平紋織物(151 g/m2)

藥品：Dystar remazol red RGB，氯化鈉(分析純)，碳酸鈉(分析純)，碘化鉀(化學純)，鉬酸銨(化學純)

1.3 超聲化學效應測定

染色容器中五個徑向測量點如圖1所示。軸向測量位置為5.4 cm和6.3 cm深度，分別為3λ/2和7λ/4(λ為超聲波在水中傳播時的波長)。配制碘化鉀(0.5 mol/L)溶液，以0.1 g/L的鉬酸銨為催化劑。取約2 mL溶液于刻度試管中，放置到實驗容器(水浴溫度40℃)。開啟超聲振動20 min。以分光光度法測定不同徑向位置試管中碘化鉀分解產生的碘溶液吸光度，通過標準曲線法計算碘濃度。

1.4 染色工藝處方和流程

1.4.1 工藝處方

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

1.4.2 工藝流程

染色工藝流程如圖2所示。常規染色過程中織物在20℃入染，升溫至40℃加入鹽染色30 min，加入堿劑固色40 min。超聲波染色過程，于染色階段開啟超聲波30 min，余下操作與常規染色過程相同。

圖2 染色工藝流程

1.5 上染率的相關測試

染色過程中，從40℃無機鹽加入開始計時，在染至30 mm和70 min各取染液0.1 mL，稀釋成10 mL。在染料最大吸收波長526 nm處測染液的初始吸光度A0及各染色時間下染色殘液的吸光度At，上染率由公式(1)給出。上染率的增加值為相同時刻，超聲染色上染率與常規染色上染率增加值由公式(2)給出。

Ct%=(1-At/A0)×100%

(1)

ΔCt%=Ct(超聲)%-Ct(常規)%

(2)

2 結果與討論

2.1 超聲場化學效應

超聲場中碘化鉀溶液在超聲空化作用下分解產生碘而呈現顏色，不同超聲場的化學效應如圖3所示。在自由行波聲場中，最大碘濃度出現在聲波傳播的垂直方向，表明軸線位置處超聲空化作用最強；碘濃度沿徑向方向逐漸減小，基本呈對稱分布。最大碘濃度(0,5.4)比最小(5,5.4)處增大約1.0倍。對比5.4 cm和6.3 cm兩個軸向深度處，碘濃度變化很小。

在實驗容器頂部加剛性反射頂蓋，由于頂蓋對聲波的反射作用使聲波的傳播方向發生180°改變，與原有聲波形成相互干涉作用，使實驗容器內的超聲場得以強化。對比圖3中的兩類超聲場，可以發現強化超聲場中碘濃度明顯增加，表明超聲空化作用加強。由于聲波的相干作用，5.4 cm和6.3 cm兩個軸向深度處，碘濃度分布出現明顯不同。在5.4 cm處，徑向濃度分布雖然仍呈對稱分布，但中心位置碘濃度下降，最大碘濃度出現在徑向-2 cm和2 cm處。在6.3 cm處，碘濃度分布規律與行波超聲場相同，但濃度比相同位置的行波超聲場中增大約2倍。

圖3 超聲場的化學效應

2.2 超聲場對染色的促進作用

2.2.1 行波超聲場對染色的促進作用

將織物放入刻度試管中，在超聲場不同位置處對織物進行染色。圖4(a)為不同徑向位置染色30 min時的上染率，圖4(b)為染色70 min時的上染率。由圖4可見，超聲場作用能夠顯著提高染色織物的上染率。雖然超聲波僅在染色初始30 min內開啟，但對上染率的提高作用能夠維持到染色結束(70 min)。在超聲場不同徑向位置處，由于超聲空化作用不同，導致染色促染效率的差異。不同徑向位置處30 min和70 min的染色上染率變化規律與行波聲場化學效應的變化規律一致。均為軸線中心位置處超聲促染效果最強，沿徑向方向上染率逐漸減小。

2.2.2 強化超聲場對染色的促進作用

圖5所示為強化超聲場對染色的促染作用。圖5(a)為不同徑向位置染色30 min時的上染率，圖5(b)為染色70 min時的上染率。由圖5可見，5.4 cm和6.3 cm兩個軸向深度處，超聲促染作用有較大差別。在5.4cm的軸線位置處，超聲促染效率最低；而在6.3 cm的軸線位置，超聲的促染效率最大。沿徑向防線超聲促染效率仍然呈對稱分布。圖4與圖5對比發現，雖然輸入到兩種超聲場的電能相同，但強化超聲場促染效率更高，更有利于能源的節省。

圖4 行波超聲場中織物的染色上染率

圖5 強化超聲場中織物的染色效應

2.3 超聲場化學效應與促染作用分析

圖6與圖7分別為兩種超聲場化學效應與促染作用的關聯，可以發現在行波和強化超聲場中，碘濃度與染色上染率增加值基本呈線性關系，即超聲過程產生的碘濃度越大，對染色的促進作用越強。雖然染色過程中超聲波的開啟時間僅有30 min，但超聲的作用能夠使織物在固色過程中仍舊保持較高的反應速率。在不同超聲場中30 min和70 min的兩條關聯曲線的斜率比較接近，表明超聲波的關閉(30 min)并不會使超聲帶來的促染作用迅速衰減。在染色過程中階段式的超聲運用即可以達到良好的促染效果，這對減少超聲運用時間是非常有益的。

圖6 行波超聲場化學效應與促染關系

圖7 強化超聲場化學效應與促染關系

3 結論

在行波超聲場中，超聲化學效應使最大碘濃度出現在中心位置處；沿徑向方向碘濃度減小，基本呈對稱分布。在超聲染色容器通過聲波的干涉作用，能夠強化超聲效應，但不同軸向位置5.4 cm和6.3 cm碘濃度的最大值出現不同。在5.4 cm處最大碘濃度出現在徑向-2 cm和2 cm處；而在6.3 cm處碘濃度最大值仍為中心位置。超聲波在染色過程中具有促染與超聲化學效應密切相關。染浴中不同位置上，碘濃度與染色過程上染率的增加值基本呈線性關系。該線性關系表明超聲波在染色30 min后關閉并不會使超聲帶來的促染作用迅速衰減。因此在超聲波染色過程中，可以通過間歇性地開啟強化超聲場，提高超聲能量的利用效率。

[1] 孫德帥,張曉東,張中一.活性染料的低頻聲場和超聲場染色工藝[J].印染,2008,34(5): 14—17.

[2] 孫德帥,張宇菲,林旺錦,等.駐波超聲場對染色的促進作用[J].染料與染色,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] 楊英賢,陳言芳.多頻超聲波在棉織物染色中的應用研究[J].印染助劑,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

國家自然科學基金(21206080)

于翠巖(1969—)，女，山東青島人，工程師。

TS193.59

A

1009-3028(2015)01-0019-04