专家解读超声波雾化技术

  主持：梁枫   嘉宾：武汉纺织大学副校长徐卫林教授       主持人：徐教授，作为天然纤维的代表，棉纤维给人的感觉是具有很好的吸湿透气性能以及抗静电性能。是否可以说，在棉纤维的后整理过程中，它们的表面与某些化学助剂具有很好的结合牢度？无需进行大的表面改性处理？
    徐卫林：也不尽然。要想说明这个问题，我先简单介绍一下棉纤维的构造。棉纤维为多层状带中腔结构，梢端尖而封闭，中段较粗，尾端稍细而敞口，呈扁平带状。棉纤维结构可以分为三层。最里层为次生层，这一层是由纤维素在初生层胞壁内沉淀而成的原组织，占纤维总质量的90%以上。中间层是初生层，是纤维的初生胞壁，由网状原纤组成。初生层的厚度为0.1μm~0.2μm，占纤维质量的2.5%~2.7%。初生层和次生层均具有很好的吸湿性能，其公定回潮率为8.5%。最外层是表皮层，这一层是初生层外的一层薄薄的外皮，由蜡质、脂肪与果胶的混合物组成，具有润滑防水作用。这一层的存在就像在海绵的外面包上一层聚乙烯薄膜，使吸湿性能很好的棉变成了拒水的织物。
    棉纤维最外层含有的大量果胶、蜡质和灰分，会严重影响没有经过煮练和漂白纱线的上浆性能。这种未经过处理过的棉亲水性并不太好，影响上浆效果。
    预湿上浆的弊端
    主持人：那如何提高棉纤维的上浆效果呢？
    徐卫林：为提高棉纤维的上浆性能，在上世纪七八十年代，国际上曾提出预湿上浆的方法，并且针对预湿上浆工艺开发出相应的浆纱设备。例如，前些年在预湿上浆研究方面，瑞士贝宁格公司研究了一种新的预湿基本工艺。这种设备有两个洗涤区，进行两次浸轧，然后再进行上浆，使预湿和上浆相结合。文献报道表明，这种预湿上浆可以通过润湿和洗涤使热水充分渗入经纱纤维内部，两个浸渍区优化了洗涤作用。据称该公司研究的这种预湿工艺主要用于高产量、长流程的上浆工艺，粗号纱线采用这种预湿方法可获得较满意的效果。
    国内从事预湿上浆研究的学者和企业很多，最后均因其弊端而放弃了使用。预湿上浆的弊端就是轻浆。纱线通过热水之后，在浸轧辊的作用下将吸入的水分挤出，一般来讲，采用100kN的压力轧纱线可以将纱线的带液量控制在10%~20%之间。但如此高压，一般设备难以长期承受。因此，预湿后的纱线必然会带入部分水浸入浆液中。如果每米纱片带入水0.001kg，在车速40米/分钟的状态下，每分钟就会有0.4kg的水浸入浆槽，1小时就会有24kg的水浸入浆槽。这时浆槽的含固量就会明显下降。当带入的水每增加1g，1小时后进入浆槽的水的重量就会增加24kg。对于郑州纺机生产的GA306浆纱机，其压辊的压力一般可调控在35kN~40kN，在这种压力下，纱线的带液量较高，纱线从压辊出来后，用手摸明显感觉上面带水。在这种情况下，纱线带入浆槽的水量很多，很容易造成浆槽中的固含量下降，造成轻浆现象。
    预湿上浆即快速表面改性处理。棉纤维表面的棉蜡在高于85℃的热水中开始融化，温度进一步提高可以去除其表面的棉蜡。预湿上浆的工艺就是为了改善纱线的吸浆条件，使其能够快速吸浆，在压辊的作用下更容易形成浸透层。但是这种处理方法仅是将浆料粘附到纱线上，对改善纤维粘附力的程度仍有待研究。在预湿上浆的基础上，我们团队经过多年的摸索，发现一种全新的适用于棉及其混纺纱的快速表面改性整理方法——超声波雾化技术，并申请了发明专利。
    超声波雾化技术提高纱线强力
    主持人：什么是超声波雾化技术？
    徐卫林：超声波雾化技术在现代工业中的应用越来越广泛，例如在制备纳米无机颗粒工厂加湿及海水淡化等方面。超声波是频率高于20000赫兹的声波。超声雾化是在超声波的作用下，液体在气相中分散而形成微细雾滴过程。关于超声雾化形成的机理，一直存在着两种解释——微激波理论和表面张力波理论。
    微激波理论是基于声空化效应的，声空化效应是指液体中微小气泡的形成、生长、崩溃及其引起的物理和化学效应。在气泡闭合的过程中，液体的动能转变为热和光辐射以外，其余的能量就以微波形式辐射，即产生微激波。按照这种理论，空化泡闭合时产生很强的微激波，其强度达到一定值时引起雾化。
    而表面张力波理论认为，表面波在传播过程中，由于能量的集中会形成不稳定的张力波，当液体振动面的振幅达到一定值时，液滴即从波峰上飞出而形成雾。我们团队采用超声波雾化设备将快速改性整理液施加到纱线表面，再进行上浆，通过这种方式实现棉纤维表面快速改性整理。
    主持人：这种技术的工作原理是什么？如何能提高纱线强力？
    徐卫林：由超声波雾化设备生成的快速改性整理液是由高效渗透剂、偶联剂和水组成。整理液通过雾化的手段施加到纱线上后，在其表层覆盖了一层分子膜。这层膜是由偶联剂和渗透剂组成的。众所周知，渗透剂对增加浆膜和纤维之间的粘附力并没有直接帮助。但是偶联剂的存在改变了这一现状。偶联剂在渗透剂的帮助下在纱线表面形成分子膜，这层分子膜最终存在于浆膜和纤维之间。当纱线进入烘房后，偶联剂受热后发生交联反应，反应后的分子两端可以将棉纤维的表皮层和浆膜连接，这样就改变了传统工艺中的浆膜与纱线之间的单一的粘合方式。
    超声波雾化是用专门设计的实验装置对纱线进行喷雾，当纱线带液量控制在10%左右时，半小时内，浆纱在浆槽中的浆液粘度几乎没有明显波动。实验显示，经过快速改性的纱线在相同浆料配方条件下，浆纱上浆率减小，纱线强力比未经表面快速改性的要高20%左右。
    究其原因，有以下两种可能：第一，雾化处理具有一定的预湿上浆作用，改善了浆液的浸透速度；第二，雾化整理液中的化学试剂增强了界面牢度。对于第二点原因，工厂曾提出疑义：通过化学键交联反应后退浆会不会褪不干净？从理论上讲，偶联剂是和棉纤维表皮层的棉蜡进行交联反应，这种反应将浆膜和棉蜡连接在一起。退浆工艺可以将棉蜡层完全去除，而在外层的偶联剂、渗透剂、浆料则像剥香蕉皮一样被退浆剂去除。这种方法通过实验室多次验证，并在2009年湖北省和山东省的一些企业进行了生产线联合实验。
    通过对棉纤维纱线的上浆我们可以发现，并不是吸湿性能好的纤维就具有很好的反应活性，与试剂结合得牢固与否还要取决于纤维表面的性能。因此，判断一种纤维与整理试剂的反应活性，首先要考察这两种物质接触的界面特质，然后再确定整理的试剂，这样才能够实现更好的反应，更好的界面牢度。这便是兵家常说的“知己知彼，百战不殆”。