微波技术的应用
微波是一种电磁波,波长1~1 000mm,频率300MHz~300GHz,被称为超高频电磁波。微波作为一种新的能源应用技术,在工农业中用于加热、干燥等。
1.微波的作用机理
微波加热是一种介质加热,当介质在微波中被加热时,由于介质的偶极子在微波的交变电场作用下产生“变极”效应,分子通过热运动和相互摩擦作用获得能量,并以热量的形式表现出来,介质的温度随之升高。与传统加热方式不同,微波加热时热量是从物质内部产生,而不是因物质内外温度梯度差异以对流和传导的方式将热能传到材料的内部。微波能瞬间穿透被加热的物质,无须预热,也无余热,物质内外无温度差,加热均匀、速度快、没有热损失、热效率高。
微波对介质的作用或介质对微波的吸收是有选择性的,微波是介电损耗发热,在同样的微波频率和电场强度下,介质的相对介电常数或损耗角正切越大,它们的相互作用越大,则介质吸收微波的功率越大。水是纺织品染整加工中的重要介质,对纤维材料起溶胀、膨化和增塑的作用。水的相对介电常数约为80,介质损耗(tanδ)约为0.2,比一般材料(干燥纤维材料的介电常数一般为2~5,tanδ为0.001~0.054)的大,所以水分子能强烈地吸收微波辐射的能量。采用微波进行纺织品加工时,水或其他损耗类的物质一定要存在。在微波辐射下,存在于织物和溶液中的水分子首先被加热,再通过水加热纤维,从而使纤维膨化,进而促进染料和助剂分子在织物内部的扩散,加速染料分子与纤维分子的结合,增大染料及助剂的扩散系数,最终提高织物的加工质量。同时在微波的作用下,一些染料分子可发生诱导升温,从而提高上染和固色效率。
2.微波在纺织品前处理中的应用
(1)麻类纤维脱胶。微波照射能使麻类纤维本身发热,加快胶质的溶解,从而有效提高脱胶效果。用微波处理技术对未沤大麻在碱性条件下进行脱胶的结果表明,微波处理对纤维细度和亮度有显著影响。增加微波处理时间,纤维细度提高,亮度增加。
(2)丝织物的精练。丝织品的精练是脱去丝素表面丝胶的过程,传统的脱胶工艺,碱脱胶或酶脱胶,丝胶溶解缓慢,加工周期长,且需高温作业,工作环境差。微波用于精练工艺,是利用微波与丝胶分子键能的共振作用。当蚕丝的内部能级和微波频率间满足玻尔条件时,因共振而达到发热量最大。其关系式为:
ΔW=hf
式中:ΔW为物质内部状态变化,f为微波频率,h为普朗克常数6.624×10-34 J·s。对于频率为915MHz和2 450MHz的不同微波,分别算得:ΔW≈0.60×10-24J,ΔW≈1.62×10-24J。据测定,丝胶、丝素分子主键能大于4×10-10J,与微波能量相差很大,没有共振吸收作用,即微波对生丝强度、丝胶变性不会产生显著的影响。但丝胶大分子范德瓦耳斯键的能量为1×10-24J,能发生共振吸收作用。所以,微波辐射能加速丝胶溶解。相比于传统的精练脱胶,微波精练缩短了时间,节能降耗。
(3)漂白中的应用。当前研究微波用于制浆漂白的比较多,但还未见工业应用报道,而且实验室研究还处于初步阶段。在H2O2漂白中应用微波技术,能够改变纤维的漂白机理,加速一些影响织物白度的物质结构的改变,如木质素及有色物质,从而使整个漂白历程大大缩短,提高了漂白效果和效率,同时还能减少漂白剂用量、用水量,降低纤维的损伤及污染等,做到真正的节能降耗。
3.微波在纺织品染色中的应用
在微波辐射下,由于染色织物受热均匀,热效高,微波染色较之常规染色有许多突出的优点,不仅极大地缩短了染色时间,染色均匀性得到改善,而且染色深度和上染率也得到了提高。
微波在纺织品染色中的适用范围很广,纤维可以包括棉、麻、蚕丝和羊毛等天然纤维,也可以包括涤纶、腈纶等化学纤维,染料可以包括活性、还原、直接等水溶性染料,也可以包括分散染料等非水溶性染料。当然,对于非极性或弱极性的纤维和非水溶性染料,直接采用微波染色效果并不十分理想,若将微波用于它们的染色后处理、固色和干燥加工,将有利于染料在纤维上的进一步扩散,提高染料的上染率和织物的色牢度,并保证染色的均匀性。当前对于微波的染色应用更多的集中在天然纤维和亲水性染料的染色。
4.微波在纺织品后整理中的应用
微波在纤维后整理加工中的重要应用就是干燥纺织品,充分利用微波快速加热的特性,加工品升温均匀且迅速,同时省去了预烘工序,又可利用湿态材料的升温能力,显著缩短整理时间,整理效率较常规烘箱加热要高。
微波辐射对纺织染整加工中的化学反应有着较好的促进作用,可引起激发分子的转动,对化学键的断裂做出一定的贡献。从动力学上说,分子一旦获得能量而跃迁就达到一种亚稳态状态,此时分子状态极为活跃,分子间的碰撞频率和有效碰撞频率大大增加,从而促进反应的进行,可以认为微波对分子具有活化作用。因此用微波辐射含有整理剂的织物可赋予整理剂分子更强的活化能力,同时微波还可解散纤维大分子间的物理连接,提高整理剂对纤维的可及度,促进整理剂向纤维内部的渗透,从而改善整理剂与纤维的反应性。微波辐射已广泛应用在织物的免烫整理、阻燃整理、防水防油整理、羊毛防毡缩整理等加工中。