【集萃网观察】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。

    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。

    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。

    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。

    微波先处理

    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。

    微波后处理

    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。

    微波全处理

    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≈12.2 cm，可见当材料不很厚的情况下，采用微波辐射，可穿透整个介质，实现材料的整体加热，109Hz的频率将导致很大升温速率，达到快速均匀的加热效果。当微波辐射浸没在染液中的织物时，虽然织物纤维自身及染料分子也会产生极化损耗，但南于其ε〃eff远小于染液中水的ε〃eff，因此吸收微波能造成染液迅速升温的主要因素是水。

    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。

    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%。

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