1 引言
棉织物一直是全世界倍受欢迎的纺织品，年消费量达432亿磅。未煮练原棉含有约90%的纤维素和其他多种非纤维素成分，如蜡质、果胶、蛋白质、脂肪和色素。棉前处理的目的就是去除纤维中这些疏水性的非纤维素成分，提高纤维的吸水性，以便能够均匀的染色和后整理。棉中大部分非纤维素成分是通关过氢氧化钠溶液传统煮练浴中加入湿润剂和螯合分散剂溶解并去除的。但是传统的的前处理工艺需要大量的用水和能源，产生大量的碱性废水，严重影响了环境。鉴于这些因素，我们在前处理过程中引入了超声波，将方便、迅速、有效、安全而引人关注的超声波技术应用于纺织品印染加工，可以大大缩短印染加工的时间。降低环境污染、节省能源，同时又保持甚至能提高产品的质量。
频率20Hz～20KHz的声波属于人类正常听觉范围，称“可闻声波”；通常频率在20KHz以上即称为“超声波”；而频率超过5×105Hz则称为：“特超声波”。超声波很像电磁波，可被聚焦、反射和折射，但是不同于可通过真空传输的广播等形式的光波等形式的电磁辐射，超声波必须通过弹性介质传播。超声波在传播时，粒子在弹性介质中被震动，按传播方向通过介质传递超声波的能量。根据其在介质中的传递方式可以区分为：
1、纵波，粒子平行于波的传递方向振动；
2、横波或剪切波（shearing wave），粒子垂直于波的传递方向振动。
在气体和液体内只可传递纵波；而在固体中纵波和横波都可以传递。分子在液体中的纵向振动造成压缩和膨胀，产生空穴作用，形成小气泡。然后，气泡膨胀，在压缩期间剧烈破裂，产生所谓的冲击波（shock wave）。另外，超声波通过介质传播，其能量被液体吸收而产生热量（诱导热）。超声波应用于纺织品染整湿加工中，超声波能量、液体介质和所含物质之间的相互作用，引发了强烈的物理化学反应，使纺织品染整湿加工可以取得良好的效果。
超声波之所以能够改善染整加工，源于流体力学中的空化作用，即存在于液体中的微气泡（空化核）在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后突然崩溃，在气泡崩溃时由于液体间的碰撞，极短时间在空化泡周围的极小空间内，产生5000K以上的高温和大约5×107Pa的高压，温度变化率高达109K/s，并半生强烈的冲击波和时速达400Km的射流，这就是为在一定条件下难以实现或不可能实现的化学反应，提供了一种新的非常特殊的物理环境，开启了新的化学反应通道。超声波条件下对棉织物进行前处理，其目的是提高从纤维素表面去除杂质和色素的效率。
2 试验部分
2.1 试验材料、药品与仪器
试验材料:机织纯棉原胚布。
化学药品:无磷精炼剂YB-1(后简称精炼剂)、氢氧化钠（分析纯）、重铬酸钾（分析纯）。
仪器设备:超声仪(汉邦科技HB3120U)、万能强力机(DN026N)、FY电子天平(常州市幸运电子设备有限公司)、SF-600plus测色配色仪（Datacolor）、HH—8恒温水浴锅(中国金坛市新航仪器)、101A—3E电热鼓风干燥箱(上海试验仪器有限公司)、毛效仪、烧杯、玻璃棒、锥形瓶。
2.2 试验工艺条件
2.2.1传统退煮工艺
配制退煮工作液为2～5g/L，氢氧化钠0～30g/L，室温入布（浴比1:20）升温到80～95℃，保温30～60min，95℃热水洗两次，冷水洗，烘干出布。
2.2.2超声退煮工艺
配制退煮工作液为2g/L，氢氧化钠20g/L，放入超声波波场内，室温入布（浴比1:20）升温到60～80℃，保温30～50min，95℃热水洗两次，冷水洗，烘干出布。
2.2.3断裂强力测定
利用HD026N型多功能电子织物强力仪来测定织物断裂强力。按国标GB/T3923-1997《纺织品织物拉伸性能第1部分：断裂强力和断裂伸长的测定条样发》进行（本研究只测织物经向强力）。
试样为30cm×6cm条样，五经五纬，拆去条样长边5cm。将拆好毛边的织物放入相对湿度为65%的干燥器（或恒温恒湿箱）中，室温（或25℃）平衡12小时以上。
按使用说明调试织物强力仪，调节上下布夹之间的距离为20cm，旋动上夹头松紧柄，使夹头分开约1cm的距离，从干燥器里取出一条试样，将试样短边送入上夹头，条样要居于夹头中间切短边纱线与夹口平行，旋动松紧柄，夹住条样。按上述操作将条样下端送入下夹头，用铁夹夹住（短边纱线与夹口平行）条样下端，使条样自然下垂，旋动松紧柄，夹紧条样。扳动上夹头固定锁，锁定上夹头，设定拉伸速度为10cm/min，给出拉伸指令，下夹头下降，直至将植物拉断。测定五经五纬试样，各自取平均值为试样的经向和纬向强力，按下列公式计算强力下降率（简称降强率）。
2.2.4毛效测定
利用LCK-800纺织品毛效应测试仪测量织物毛效；（本研究只测织物经向毛效）。
取煮练前后试样个2条，尺寸为25cm×3cm（经×纬），在试样下端用别针将约3g中的玻璃棒固定或夹上张力夹（使织物不漂浮），用铅笔或水笔在玻璃棒上方画一条与经纱垂直的基线，将试样的另一端固定在毛效仪的布夹上，调整布夹夹取织物的量，使基线与标尺读数的零点重合。在水槽中加入0.5%的重铬酸钾溶液至水位线，慢慢下降横梁架，使试样基线、标尺零位及水位线三者重合，启动计时器（预先设定测试时间为30min）开始测试，待蜂鸣器报警，立刻量取每条试样的液体上升高度。若液体上升高度参差不齐，应量取最低点并记录（以cm为单位），以两条试样的平均值作为试样的毛效值。
2.2.5白度测定
利用电脑测配色仪测试织物CIE白度。
3 结果与讨论
3.1传统退煮工艺正交试验
将主要影响因素：精炼剂和氢氧化钠的用量，煮练时间和煮练温度列因素水平表1。
表1因素水平表
|
序号 |
精炼剂 （g/L） |
氢氧化钠 （g/L） |
温度 （℃） |
时间 （min） |
|
1 |
2.0 |
0.0 |
80 |
30 |
|
2 |
3.0 |
10.0 |
85 |
40 |
|
3 |
4.0 |
20.0 |
90 |
50 |
|
4 |
5.0 |
30.0 |
95 |
60 |
按表进行L20（54）正交试验，以棉织物的白度、毛效、强力作为测试指标，其结果如下表2。
表2正交试验表
|
序号 |
精炼剂 （g/L） |
氢氧化钠 （g/L） |
温度 （℃） |
时间 （min） |
白度 |
毛效 (cm/30min) |
强力 （N） |
|||
|
1 |
2 |
0 |
80 |
30 |
11.91 |
9 |
259.8 |
|||
|
2 |
2 |
10 |
85 |
40 |
19.31 |
11.2 |
260.7 |
|||
|
3 |
2 |
20 |
90 |
50 |
23.18 |
12.2 |
324.1 |
|||
|
4 |
2 |
30 |
95 |
60 |
29.90 |
14 |
304.0 |
|||
|
5 |
3 |
0 |
85 |
50 |
14.53 |
9.9 |
302.1 |
|||
|
6 |
3 |
10 |
80 |
60 |
17.56 |
10.7 |
259.2 |
|||
|
7 |
3 |
20 |
95 |
30 |
23.97 |
13.4 |
323.3 |
|||
|
8 |
3 |
30 |
90 |
40 |
27.15 |
14.2 |
272.5 |
|||
|
9 |
4 |
0 |
90 |
60 |
13.43 |
9.6 |
261.2 |
|||
|
10 |
4 |
10 |
95 |
50 |
22.63 |
13.5 |
339.9 |
|||
|
11 |
4 |
20 |
80 |
40 |
23.89 |
14.2 |
313.1 |
|||
|
12 |
4 |
30 |
85 |
30 |
27.56 |
13.3 |
239.1 |
|||
|
13 |
5 |
0 |
95 |
40 |
17.61 |
10.4 |
312.9 |
|||
|
14 |
5 |
10 |
90 |
30 |
19.31 |
13.5 |
339.8 |
|||
|
15 |
5 |
20 |
85 |
60 |
24.80 |
13.5 |
307.3 |
|||
|
16 |
5 |
30 |
80 |
50 |
28.55 |
13.5 |
312.1 |
|||
|
白度 |
1 |
21.075 |
14.370 |
20.477 |
20.688 |
|||||
|
2 |
20.802 |
19.703 |
21.550 |
21.990 |
||||||
|
3 |
21.878 |
23.960 |
20.767 |
22.223 |
||||||
|
4 |
22.567 |
28.290 |
23.527 |
21.422 |
||||||
|
极差 |
1.765 |
13.920 |
3.050 |
1.535 |
||||||
|
毛效 |
1 |
11.600 |
9.725 |
11.850 |
12.300 |
|||||
|
2 |
12.050 |
12.225 |
11.975 |
12.500 |
||||||
|
3 |
12.650 |
13.325 |
12.375 |
12.275 |
||||||
|
4 |
12.725 |
13.750 |
12.825 |
11.950 |
||||||
|
极差 |
1.125 |
4.025 |
0.975 |
0.550 |
||||||
|
强力 |
1 |
287.150 |
284.000 |
286.050 |
290.500 |
|||||
|
2 |
289.275 |
299.900 |
277.300 |
289.800 |
||||||
|
3 |
288.325 |
316.950 |
299.400 |
319.500 |
||||||
|
4 |
318.025 |
281.925 |
320.025 |
282.925 |
||||||
|
极差 |
30.875 |
35.025 |
42.725 |
36.625 |
||||||
由表2知，就白度而言，各因素的影响从大到小一次为：氢氧化钠用量＞时间＞精炼剂用量＞温度，其较适合的工艺条件为：精炼剂5g/L、氢氧化钠30g/L、温度95℃时间50min。就毛效而言，各因素的影响从大到小一次为：氢氧化钠用量＞精炼剂用量＞时间＞温度，其较适合的工艺条件为：精炼剂5g/L、氢氧化钠30g/L、温度95℃时间40min。就强力而言，各因素的影响从大到小依次为：温度＞时间＞氢氧化钠用量＞精炼剂用量，其较适合的工艺条件为：精炼剂5g/L、氢氧化钠20g/L、温度95℃时间50min。
根据染整工艺加工条件，毛效在8～11cm即满足加工要求，且未经漂白，白度要求也不严格，所以本最佳工艺条件要求白度在20以上，并且强力必须损伤较小，根据以上要求顾得出传统最佳退煮工艺为表3：
表3传统退煮最佳工艺处方
|
精炼剂（g/L） |
氢氧化钠（g/L） |
温度（℃） |
时间（min） |
|
2 |
20 |
95 |
40 |
3.2超声退煮工艺单因素试验
将影响超声退煮的因素：时间和温度列一下试验表4、表5。
表4时间对超声前处理的影响
|
序号 |
时间 （min） |
温度 （℃） |
白度 |
毛效（cm/30min） |
强力 （N） |
|
1 |
30 |
60 |
8.62 |
1.3 |
226.4 |
|
2 |
40 |
14.45 |
8.0 |
176.4 |
|
|
3 |
50 |
17.02 |
9.5 |
289.4 |
表5温度对超声前处理的影响
|
序号 |
温度 （℃） |
时间 （min） |
白度 |
毛效（cm/30min） |
强力 （N） |
|
1 |
60 |
50 |
17.02 |
9.5 |
289.4 |
|
2 |
70 |
22.88 |
10.1 |
280.6 |
|
|
3 |
80 |
22.99 |
10.6 |
247.8 |
由表4知，随着超声处理时间的增加，织物的白度、毛效、强力均在增加，但是与传统退煮工艺相比较，在相同的处理条件下超声在60℃的温度处理后，与传统高温处理工艺处理在白度、强力等指标相差不大，顾选择50min为超声处理的最佳时间。
由表5知，随着超声处理温度的增加，织物的白度、毛效、强力均在增加，但是当温度达到70～80℃时，白度和毛效虽然也有增加，但是增加并不是很明显，同时织物的拉伸断裂强力开始下降，再与传统高温退煮相比，在相同的药品用量的条件下经超声70℃、50min处理后的织物的白度、毛效、强力均以超过传统工艺，顾选择70℃为超声处理的最佳温度。
根据以上试验得出最终超声处理的最佳工艺条件为表6：
表6超声前处理退煮最佳工艺处方
|
精炼剂（g/L） |
氢氧化钠（g/L） |
温度（℃） |
时间（min） |
|
2 |
20 |
70 |
50 |
结 论
(1)通过试验证明，超声前处理在70℃时，加入2g/L精炼剂，20g/L氢氧化钠，保温50min，白度、毛效、强力最佳。
(2)超声波前处理与传统前处理相比可以大大缩短印染加工的时间，降低环境污染、节省能源，同时又保持甚至能提高产品的质量。
(3)采用精练剂YB-1进行超声棉织物退、煮的工艺流程为:织物以浴比1：20放入退煮液中,然后升温至70℃,保温煮漂50min,最后进行清洗即可。退煮工作液处方为:精练剂YB-1： 2.0g/L,氢氧化钠：20g/L。按上述工艺条件处理的织物白度可达22.88,毛效10.1cm/30min,强力下4%。
参考文献
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