气流染色机的现状与发展
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本文介绍了气流染色机工作原理、关键技术和特征,指出其不足之处,同时提出了解决方案,最后预测其发展趋势。
The principle, key technologies and features of air flow dyeing machine have been introduced in this article, inadequate and solutions have also been pointed out. Finally, the development trend has been predicted.
随着能源及环保形势的日益严峻,印染行业将面临着生存与发展的挑战。传统的印染工艺和技术装备严重地阻碍了行业的发展,甚至威胁到企业的生存。如何将关系到民生的纺织产业健康、持续地发展下去,是摆在印染工作者面前的一个课题。气流染色机就是在这一背景下发展起来的一种间歇式染色方法。与传统的溢喷染色机相比,它具有显著的节能减排效果,并且基本涵盖了传统的溢喷染色机所适应的织物品种范围。对于一些新型纤维织物如Lyocell、超细纤维织物等,更有其独特的染色风格。此外,气流染色机的一些结构特点,为染料均匀上染织物提供非常有利的条件,加之所配置的一些先进控制技术作保证,使其染色的“一次成功率”在 98% 以上,极大地减少了返工造成的能源浪费,并提高了生产效率。为此,了解和掌握气流染色机的现状和发展趋势,可为设备结构设计、染色工艺制订及过程控制提供帮助和指导。
1气流染色机的工作原理
气流染色机采用了空气动力学原理,以循环空气替代水来牵引被染织物作循环运动,因而与传统的溢喷染色机相比,染色浴比大为降低。气流染色机中织物与染液的交换形式有两种:一个是气流雾化(确切地讲,应该是染液细化),另一个是气压渗透。
气流雾化是先将染液通过特殊的喷嘴雾化并弥散在气流中,然后这种带有雾化染液的气流与被染织物进行交换并牵引织物循环。在交换的过程中,雾化染液对织物不仅接触面积大,而且对织物纤维具有较强的渗透力,加速染液向纤维内部的扩散速度。德国THEN(特恩)气流染色机的喷嘴就是采用这种形式。
气压渗透形式是采用两个喷嘴,即一个纯气流喷嘴,一个液流喷嘴。液流喷嘴在前,被染织物先经过该喷嘴,与染液进行交换,然后经过提布辊再进入气流喷嘴,由气流对染液向织物进行压力渗透,在牵引织物循环的过程中加速染液向织物纤维的扩散速度。德国Thies(第斯)气流染色机的喷嘴是采用这种形式。从目前应用情况来看,以气流雾化形式的气流染色机居多,并且具有较好的使用效果。本文也是以这种喷嘴形式的气流染色机进行讨论。
2气流染色机的主要特征
2.1低浴比
气流染色机与普通溢流或喷射染色机的最大不同点,就是能够在非常低的浴比(1∶4 以下)条件下实现染色过程。然而,这种低浴比染色条件会带来染料对织物上染率的变化。实验表明,活性染料的直接性随着染色浴比的降低而提高。就染色过程而言,在提高染料上染率的同时,还应保证较高的固色率,这是达到一定的颜色深度和色牢度的基本要求。气流染色的低浴比条件,可以不需借助过多的促染剂和固色剂即可达到较高的固色率,而固色剂(如碱)的减少,又可以减少染料的水解。染料直接性的提高,可以减少对促染剂(如元明粉、食盐等电解质)的依存性,提高上染率。不过,采用活性染料染色时,为了控制染料的上染速率,气流染色一般要考虑使用直接性较低的活性染料。
2.2织物与染液的交换频率高
气流染色仍属于竭染。根据竭染的规律,被染织物必须与染液进行连续若干次交换次数,才能够完成染料的全过程上染,气流染色也是依靠这种方式来达到染料对织物的上染目的。根据Beckmann的理论,喷射染色的最佳上染速率是:
Vopt = I × U
式中,I:织物每循环一圈时染料的上染率(%),一般经验取 1% ～ 3%;U:织物和染液循环频率之和。
显然单位时间内织物与染液的交换次数越多,越有利于匀染和缩短染色过程的时间。如果在织物不产生过大张力的情况下,提高织物的循环频率或染液的循环频率,既可以保证织物的均匀上染率,又能缩短染色时间。气流染色机由于浴比较低,故染液的循环频率很高,并且织物因带液量低也可以在较高的速度下循环。织物与染液的快速交换,为匀染带来了有利条件,同时在一定的染色工艺支持下,完全可以实现快速染色过程。
2.3染液循环的动态分配
对于一些纤维比表面积较大的织物,通常染料的上染率较快,如果控制不好就容易染花。所以为了保证匀染性,工艺上往往需要控制织物在每一个循环中染料的最大上染量。普通溢流或喷射染色机的织物运行速度是由染液喷射量来决定的,染液喷射量的降低就会使织物运行速度降下来,并且还会影响织物与染液的交换频率。相比之下,气流染色机的织物循环是依靠气流牵引的,染液的循环频率可以根据工艺的需要进行独立控制,在改变染液对织物的供给量时,并不影响织物的循环频率。所以,可以根据织物特性和染色工艺,控制织物每一个循环中染料的上染量,保证深、浅颜色的质量。
2.4染料对织物的上染变化
由流体动力学得知,液体的运动粘度随温度的升高而降低,而空气的运动粘度却随温度的升高而提高。对气流染色来说,随温度的升高,染液运动粘度的降低和气体运动粘度的提高,更加有利于打破染液边界层和减薄其厚度,加速染料的上染过程,从而缩短染色时间。与此同时,两种流体的运动粘度变化,还为提高织物的运行速度提供了条件,也就是说,在循环风量不变(风机功率会增加)的情况下,空气粘度的增加提高了对织物的牵引力,使得织物运行速度加快。这样的条件变化,更加有利于染料对织物的均匀上染。
2.5温度的分布
气流染色过程中的温度变化仍然是以加热或冷却染液来控制的。由于浴比较低,储布槽内织物及所吸附的染浴与自由染浴(循环染浴)处于分离状态,所以织物经过喷嘴时的温度总是要高于储布槽内织物的温度,尤其是在快速升温至 130 ℃时,两处的温差可达 10 ℃左右。如何控制染料在上染过程中对总体织物的均匀性,对气流染色机来说是非常重要的。通常需要通过染液旁通循环,以及升温速率和织物的循环速度来控制。因此,织物与染液的快速交换,不仅是染料对织物上染量的均匀分布控制要求,同时也是织物获得均匀温度分布的重要控制手段。
2.6织物的汽蒸过程
在染整湿加工过程中,为了保证被加工织物纤维与助剂的充分反应,往往对织物采用一个汽蒸过程。这样可以使织物纤维充分膨润,加快助剂向织物纤维内部的扩散和反应速度。在气流染色机中,织物在储布槽内不浸在染浴中,在处理的过程中,织物经过喷嘴后落入储布槽中实际上是受到了一个类似于汽蒸的过程。这对提高织物纤维的膨润性以及加速助剂向织物纤维的渗透和扩散起到了很重要的作用,其结果是不仅缩短了处理时间,同时还提高了处理效果,具有高效短流程特点。
3气流染色机的关键技术
与其他间歇式染色机一样,气流染色机能够满足染色工艺条件,其原理、结构和功能也是建立在一定的关键技术基础之上。从机器的设计和制造角度来看,具有以下几项关键技术。
3.1空气动力循环系统
气流是牵引织物循环的主要动力源,同时还兼有织物对染料均匀和加速吸附的作用。通常由风机、气流喷嘴、气流风道和过滤装量等组成一个封闭循环系统。风机一般采用高压离心风机,并有足够大的风量。其安装形式有内置式和外置式两种。内置式结构紧凑,风道沿程阻力损失小;外量式占地空间较大,局部阻力损失小。风机的额定功率一般设计得比较大,主要是考虑到克重大的织物需要保证足够大的风量牵引。而对中厚以下织物的风量,通过变频控制到 80% 以下;如果是轻薄织物,风量甚至可用到 50%。此外,气流对织物还可产生扩展效果,不断改变织物的绳状位置,以避免织物褶皱的产生。
3.2染液循环系统
染液循环系统是为完成染液上染织物过程而设置的。染料在织物每一个循环中的上染量,织物所含带的染液与主体染液的温度差和浓度差,都是由染液循环系统来控制。由于气流染色机的浴比极低,染液的浓度相对较高,对温度和浓度的变化非常敏感,因此,必须通过系统的结构和控制来保证整个染液系统,在温度变化(升、降温)和浓度变化(加料)时的均匀性。
3.3水洗受控
气流染色染色机的浴比很低,采用的是连续式水洗方式,并且对水洗过程分阶段进行水流和温度的控制。染色刚结束时,织物纤维表面上主要分布着未上染的染料、水解染料和电解质,必须采用强烈的水流冲刷才能加快它们与织物纤维的剥离速度。通常加大喷嘴喷射压力(主泵电机通过变频提高转速),织物连续循环 2 ～ 3 圈即可达到要求。在强烈水流对织物表面污物作用后,第二阶段就是以温度的作用,将纤维内部的水解染料去除。这种温度作用效应,也是提高水洗效率不可缺少的控制部分。由于纤维内部孔道上也存在水解染料,水流作用不能使其脱离纤维,所以必须提高温度,扩大纤维内部孔隙,加大分子向纤维外迁移的动能,并将其从纤维表面解吸下来。当完成前面两个控制阶段后,织物纤维内外的大部分污物已脱离,但还有一部分附在织物表面上,这时只要用较低水流和温度即可去除。这一过程控制实际上是一种受控过程,是低浴比水洗达到最佳效果的主要手段。
3.4染色过程控制
实现染色工艺必须对染色过程进行控制。染液的温度、染料和助剂的注入,都是对染色过程实施控制的手段。相对溢喷染色机浴比较大的条件而言,气流染色机的低浴比条件,对这些控制手段的精度要求更高。除此之外,空气在常温和高温下的密度变化,热塑性纤维在高温条件下收缩,也会影响到织物最初设定的循环频率。对于这些变化,只要有可能影响到织物的匀染性,就应该实施过程控制。通过对织物运动检测,由PLC和电脑进行动态控制。
染色过程控制,已经涉及到了染液循环比例分配,对织物进行高给量和低给量的控制。根据被染织物纤维比表面积大小的不同,以及染色与水洗所需水量的不同,可控制织物的带液量,以保证上染速率快的织物在最短的时间内达到最佳的匀染效果。超细纤维织物在这种条件下染色的效果要比溢喷染色更好,并且“一次成功率”很高。所以,染色过程控制是气流染色机有一项关键技术,必须与染化料、织物纤维和染色工艺密切结合起来,形成一个软件控制系统,而不是简单的几个动作控制。
4气流染色机的常见问题及解决方法
任何染色机都不可避免存在一些自身的缺陷,尤其是气流染色机作为一项新技术更不例外,过去的十几年基本上是处于试验探索之中,也正是经历了这个过程才有了今天成熟技术的出现。然而,气流染色机在日常使用过程中依旧存在以下问题。
4.1织物的擦伤和起毛现象
在气流染色过程中,织物的运行速度相对较快,当进入喷嘴和导布管时,虽然接触到染液,但不像溢喷染色那样能够完全被包围在染液中。因此,织物表面与管壁之间产生了较大摩擦力,严重时将织物表面擦伤。设计者曾试图通过气流形成一个气垫,将织物包围起来,但事实上并非如此。
织物的起毛或起球现象,除织物纤维强力和抗挠曲性能高、暴露的纱线表面积大(如针织物)外,大多是由于外界的机械作用(拉伸、摩擦)所促成的。所以,目前解决的办法是,提高设备内表面的制造精度,工艺上采取适当降低织物运行速度,添加平滑剂等措施加以消除或改善。
4.2织物的折痕
气流染色机通常布速较快,其目的是提高织物与染液的交换频率,保证匀染性,缩短织物在储布相对静态的停滞时间,避免织物产生折痕。但是,有些轻薄高支高密长丝类织物,布速过快时,容易出现擦伤;而布速慢时,则会产生折痕。对此情况,需要确定一个合适的布速。
有些针织物可能出现的折痕(纵向),是因为针织物在纺织过程中形成较大的内应力,如果外界经向张力过大,就容易产生经向折痕,而且在第一次遇水加工(如前处理)中就形成了。在接下来的染色过程中,染料在折痕处的吸附量有差异,形成深浅不一的痕迹。要避免或减少这种现象出现,在前处理过程中,必须通过风量与提布辊线速度的匹配关系,让织物离开导布管后有一个扩展过程,不断改变束状位置,使得折叠处迅速展开。只要经历一次这种过程,织物没有形成永久性折痕,那么在以后加工过程中就不会再形成折痕了。
4.3织物色牢度降低
从理论上讲,采用活性染料染色,织物经气流染色后的各项色牢度指标高于普通溢喷染色,这也被大多数使用过的染厂所证实。但是有个别染厂特别是没有真正掌握气流染色机的厂家,出现了染色牢度下降的现象。其实这完全是没有根据气流染色机特点去设计染色工艺,而是简单套用普通溢喷染色机的工艺所致。其原因主要是染色工艺时间过长,将已经达到了匀染的时间误以为还不够,结果造成了已与纤维形成化学键的染料又断键,而在水洗时又没有得到有效充分去除。因此,制订适于气流染色的工艺是非常重要的,尤其是时间的控制,一定要考虑到同种染料和被染织物染同一颜色,气流染色的时间比普通溢喷染色时间短,因为织物与染液的交换频率高,完成相同交换次数所用的时间短。
5气流染色机在应用中的不足
尽管目前有许多制造商在研发气流染色机,但真正掌握其核心技术的确寥寥无几,更谈不上研发实验的经历。这种状况不仅给使用者的选择带来了困难,而且对真正技术上成熟的气流染色机的应用推广也产生了阻力。从目前应用中反映出比较突出的问题有以下几点。
5.1对气流染色机的理解程度
如何正确理解气流染色机的工作原理,以结构和控制方法去实现气流染色过程,是气流染色机开发者所必须面对的首要问题。目前有一部分制造商简单地将风机装机容量降低,不考虑风量和风压的关系,对外声称他们的机器功率消耗比别人低,结果使织物的品种和克重适用范围大大缩小。实际上,气流染色机的风机额定功率,是从满足绝大部分织物染色工艺而设计的,尤其是超细旦织物、高支高密织物必须加快与染液的交换频率,否则,会出现上染不均匀现象。对于常规织物可以缩短工艺时间,适当降低风机频率,再配合一定的工艺优化,也就能够降低电能的消耗。实践证明,技术成熟的气流染色机的染色“一次成功率”在 98%以上,远高于普通溢喷染色机。这实际上也是减少了返修所造成的能耗。因此,对气流染色机的理解是建立在全面理解染色全过程的理论和实践基础上的,而不是简单地模仿或想当然。
5.2设备的工艺试验经历
在对设备原理和结构理解的基础上,设计满足原理的机械结构和控制条件,寻求适于气流染色的工艺方法,是气流染色机研发的必由之路。一些成功的气流染色机制造商,不管是原创的还是在一定消化吸收基础上的,都经历过漫长的试验过程,并总结了自己的实践经验。少数设备制造商仅仅靠弄些别人的设计图纸,挖几个设计人员,而没有自己的研发和实验过程经历的制造方法,是不可能在短时间内获得成功的。现在已经出现了不少这种现象,结果是扰乱了气流染色机市场,误导使用者,给成熟的气流染色机应用推广带来了阻碍。
5.3气流染色技术的应用指导
气流染色作为一项新的染色技术,在没有为大多数人所掌握之前,设备制造商有责任和义务向使用者进行技术指导和帮助。对于成熟的气流染色工艺应该在行业里普及推广,对于设备的潜在功能,设备制造商应该联合染化料供应商、染色工艺研究机构共同开发。并且在染色工艺的开发过程中不断完善或再增加新的功能,使气流染色机的性能和功能进一步得到提高或拓展。
5.4落后技术装备和染色工艺的阻碍
在落后染色机充斥市场的环境下,先进技术装备的应用推广存在很大阻力,主要体现在设备的价格上。气流染色机虽有诸多的优点,但毕竟由于设备的制造水平要求高,需要一些必要的加工设备来作保证,加工成本远高于普通溢喷染色机,所以不是一般的印染厂所能够承受或者愿意接受的。相比之下,一些落后设备的制造商,为了自己的眼前利益,以低成本推销技术性能落后的染色机,严重阻碍气流技术的应用推广。因此,气流染色机的应用推广必须以淘汰落后的技术装备为前提。
5.5缺乏气流染色工艺
相对普通溢喷染色工艺而言,气流染色由于出现得比较晚,应用还不是很普及,所以,真正掌握它的人并不多。事实上,气流染色与溢喷染色有很大的区别,首先是浴比存在很大的差异。实验表明,在极低浴比条件下,染料的直接性(尤其是活性染料)、对电解质的依存性、染料的上染率,与大浴比条件下的情况是有很大差异的;其次是织物与染液的交换方式不同,它直接反映出匀染性和染色过程的时间。如果完全套用浴比较大的溢喷染色工艺,那么必然导致这样的结果:活性染料产生大量水解,已结合的染料断键,造成色牢度下降,织物运行时间过长出现布面起毛现象。所以,开发适于气流染色的工艺是非常重要的,尤其是进行常规织物的染色加工,就更需要采用适合气流染色的工艺。
6气流染色机的发展趋势
在有水染色工艺中,气流染色机作为一种具有高效、节能和环保特性的新机型,在未来的印染行业发展过程中一定能够起到积极的作用,至少可以逐步取代传统浴比较大的溢喷染色机。气流染色机在完善自身一些结构和性能的同时,还有更多的功能有待于去拓展或开发。
6.1开发完全适于气流染色的工艺
为了充分发挥出气流染色机的优势,必须结合气流染色机的特点,开发出与其相应的染色工艺,并且不断扩展染色工艺适用范围。这里需要设备、染化料、织物纤维和染色工艺几方面的密切配合,将各自的适应条件和要求进行最佳组合,然后形成智能化的软件控制程序,使用者只要按照指令要求输入相关的基本已知参数即可由设备自动完成。随着新型纺织材料的不断出现,以及纺织品功能性要求的提高,还要开发满足这些整理要求的气流染色工艺和设备功能。
6.2实现动态质量控制
这部分的发展要求是,除温度和加料实现自动控制外,还可以通过模拟量液位的检测装置,根据基础数据和预设定参数,制定出最佳的运行时间和工艺条件(包括水和蒸汽的消耗);同时,对不同织物的克重和长度,可自动设定布速、浴比等参数,充分保证织物的匀染性和工艺的重现性。这是一种智能型控制系统,也称为DQC(Dynamic Quality Control,动态质量控制)系统。
6.3用于织物整理
织物的整理是提高服用性的一道工艺,在现代纺织品中占有越来越重要的地位。利用气流染色机的气流对织物作用,通过一些整理助剂与织物的反应,可以获得一些织物特殊风格。
如对Lyocell纤维进行“初次原纤化”处理后,进行生物酶处理,再经过气流染色过程中所伴随的“二次原纤化”,最终可以获得织物表面带霜的桃皮绒效果。对一些针织物面料经生物酶抛光后,不仅可以提高布面的光洁度,而且还可获得非常好的手感。
海岛型超细纤维是聚酯海岛复合纤维经烧碱(NaOH)溶解海组分而获得的,完成这一过程通常是在染色设备上进行的。在进行过程中要求织物与处理液具有激烈的相对运动,目的是要加快反应速度和进行的程度,同时要求对反应过程中碱溶液的浓度差变化进行严格控制。采用气流染色的前处理加工方法,可以较好地满足这一要求。
此外,含有亚麻类的织物经过气流染色机气流的振动和拍打作用,可降低织物纤维分子的刚性,提高织物的柔软性。事实上,气流染色机在染色过程中已经伴随着这种作用,所以经气流染色机加工后的织物,无论是布面风格还是手感都明显比普通溢喷染色机好。
7展望
气流染色机作为一种新型间歇式染色设备,经过 10 多年的改进和发展,已经逐步达到了成熟的阶段。它除了具有显著的节能减排效果外,不论是对织物的适用范围,还是织物的加工品质及风格都明显优于普通溢喷染色机。在为使用者带来了良好的经济效益的同时,也产生了较好的社会效益。其使用的效果及适用的织物品种范围已超出了当初人们的想象。尽管如此,气流染色机还有许多功能没有开发出来。随着染化料、织物纤维和染色工艺的发展,气流染色机的各项性能和功能还会不断完善,将会被更多的使用者所掌握和采用。种种迹象表明,未来的几年将进入一个气流染色时代,印染行业也将伴随这项新技术的应用推广得到发展和进步。
参考文献
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