超声波技术

超声波技术

一、超声波及其特点

声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为 16kHz一ZOkHz 。当声波的频率低于 16kHz 时就叫做次声波，高于 20Hz 则称为超声波 。一般把频率在20 kHz 到 25MHz 范围的声波叫做超声波。它是由机械振动源在弹性介质中激发的一种机械振动波。

其实质是以应力波的形式传递振动能量，其必要条件是要有振动源和能传递机械振动的弹性介质 (实际上包括了几乎所有的气体、液体和固体 ) ，它能透入物体内部并可 以在物体中传播。

超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式；其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。其与电磁波相似的是可以被反射、 折射和聚焦； 与电磁波不同的是在传播时需要弹性介质。在固体和液体介质中超声波的纵波和横波均可传播； 在气体和液体介质中只有纵波才可以传播。

超声波具有如下特性 :

 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播;

 超声波可传递很强的能量:

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 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象;

 超声波在液体介质中传播时，达到一定程度的声功率就可在液体中的物体

界面上产生强烈的冲击 (基于“空化现象”)；

 利用强功率超声波的振动作用，还可用于例如塑料等材料的“超声波焊接”。

二、超声波技术的空化作用

超声波空化作用是指存在于液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动， 当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。空化作用一般包括 3 个阶段: 空化泡的形成、长大和剧烈的崩溃。

当盛满液体的容器通入超声波后，由于液体振动而产生数以万计的微小气泡，即空化泡。

这些气泡在超声波纵 向传播形成的负压区生长， 而在正压区迅速闭合，从而在交替正负压强下受到压缩和拉伸。

在气泡被压缩直至崩溃的一瞬间，会产生巨大的瞬时压力，一般可高达几十兆帕至上百兆帕。这种巨大的瞬时压力，可以使悬浮在液体中的固体表面受到急剧的破坏。

通常将超声波空化分为稳态空化和瞬间空化两种类型:稳态空化是指在声强较低时产生的空化泡，其大小在其平衡尺寸附近振荡，生成周期达数个循环，当扩大到使其自身共振频率与声波频率相等时，发生声场与气泡的最大能量耦合，产生明显的空化作用; 瞬态

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空化则是指在较大的声强作用下产生的生存周期较短的空化泡(大都发生在 1个声波周期内)。

超声波广泛地运用于各个领域就是应用了其空化作用以及伴随着空化作用而产生的机械效应、热效应、化学效应、生物效应等等。机械效应和化学效应的应用，前者主要表现在非均相反应界面的增大; 后者主要是由于空化过程中产生的高温高压使得高分子分解、化学键断裂和产生自由基等。利用机械效应的过程包括吸附、结晶、电化学、非均相化学反应、过滤 以及超声清洗等 ，利用化学效应的过程主要包括有机物降解、高分子化学反应以及其他自由基反应 。

三、 超声波噪声对人体的影响

超声波的空化噪声属于稳态噪声，其声波频谱谱带较宽，但 以高频为主。当超声波的工作频率较低时，其噪声音一 调高、响度大，令人难以忍受; 超声波的工作频率较高时，噪音很小，远低于国家规定的安全标准 (80 分贝) 。到 目前为止，没有任何研究资料表明: 超声波会给人体带来伤害。

四、超声波技术在纺织上的应用

超声波通常以纵波的方式在气体、液体、固体等弹性介质内传播，高强度的超声波可以产生机械效应、热效应、生物效应等；在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象，因此超声波经常作为一种重要的加工手段被用于各行各业。在纺织领域，超声波已经用于退浆、煮练、漂白、洗涤等湿加工工序。

1、上浆

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正确的上浆方法可以使经纱抵御外部复杂机械力的作用，提高可织性，避免经纱断头和织物质量降低等各种问题，保障织造的顺利进行。

传统经纱上浆是利用纱线在浆槽中受到反复浸浆和压浆作用来达到浆纱的效果。纱线在一定黏度的浆液中浸浆时，表面的纤维首先被润湿，从而黏附浆液。浆槽内部需要加热装置以实现高温上浆的需求，因此需要在浆槽外部加装循环装置，从而保证浆槽内的温度。

超声波上浆是在传统上浆纺织的浆槽中设置一定量的超声波震荡点，同时去掉浆槽的循环装置，超声波的机械作用可以产生热量，从而保证浆槽温度稳定。

(1)由于超声波的空化作用，在上浆过程中可以促进浆液对纱线的润湿、被覆和渗透，从而在相同含固率情况下，获得更高的上浆率。且浆纱扫描电子显微

镜照片显示，超声波作用可以使得浆液在纱线内部和表面得到更好的分配，在纱线表面形成更为完整的浆膜。

(2)超声波上浆方法得到的浆纱各项性能均优于传统上浆方法，且超声波上浆法的浆纱性能变异系数均小于传统上浆方法。由于超声波上浆方法可以在相同含固率的条件下提高传统上浆方法的浆纱性能，因此为获得相同的浆纱效果，采用超声波上浆方法可以适度降低浆液的含固率，从而节省原料。

(3)超声波上浆方法由于超声波的机械震动产生热量，可维持浆液一定的温度，因此可省去传统上浆中的加热装置。

(4)超声波上浆方法对浆纱性能有较强的优化作用，实现低温上浆。

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2、退浆

用超声波对棉织物进行退浆效果优于常规方法，可提高退浆率。这是因为超声波的空化作用，在一定的空化温度下可使得棉织物的退浆液中空化量达到最大。形成的空化气泡能在很短的时间内在液体中产生强大的冲击波，在其周围产生很大的压力，促使退浆液迅速作用于织物，使浆料脱落。如果此时能够及时洗水去除易脱落的浆料，就能得到很好的退浆效果。

但用超声波对织物进行退浆处理也要把握一个适度的原则，如超声波的作用时间就需要控制在一个适当的范围内，若作用时间太长，就会使得已脱落的浆料在超声波的强烈作用下，重新渗入到织物里面了，与纤维结合 ，从而引起退浆率的下降。除此之外，超声波还可减少退浆剂的用量。这是因为超声波空化引起的分散作用可以使大分子之间产生分离，并且能够促进退浆液与浆料充分接触 ，故可减少退浆剂的用量。

由于超声波的吸热效应可以使反应保持在一定的温度，为反应提供能量，从而节省了其它能量。使用超声波退浆，可以减轻NaOH对纤维的降解，提高精练剂在退浆过程中的反应活性 ，从而减少了退浆时烧碱的使用浓度、退浆温度和时间，节约了能源，降低了环境污染。

3、煮练和漂白

超声波对棉织物漂白和毛效的影响。无论白度还是毛效上，采用超声波要比常规方法漂白效果好。随着浸渍时间的延长，白度和毛效都相应增加。这是因为在练漂过程中，超声波的空化作用可以使练漂液与纤维充分接触，一方面超声波作用于纤维使纤维内部的比表面积加大，从而增大了纤维吸附练漂液的比表面积 ，提高反应速率；另一方面超声波的

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空化作用有助于破坏发色系统 ，从而起到消色的作用，提高白度。同时超声波有助于织物上蜡质的乳化、污物和油垢的清除，从而改善织物的润湿性，提高毛效。

4、染色

超声波对染液的作用

液体介质在超声波作用下能产生空穴现象，并且在波腹生成驻波时可能产生空穴泡。在空穴带消失、空穴泡崩溃时会产生强烈的水力冲击。这些引发冲击波的水力冲击伴有很大的局部压力脉冲，并产生高速度梯度流。这一方面有利于染料在染液中高度的分散洲; 另一方面有利于染料在纤维外部和内部更好地扩散，使织物染得匀透， 同时有可能提高染料的上染速率，缩短上染达到平衡时所需时间，提高生产率。超声波在染液中的作用，以超声波染色为例，通常被认为有3个方面:

(l)分散作用。染料对纤维的上染过程必须以单分子的状态来完成，但在染液中染料分子或离子会形成聚集体，以胶束的状态存在; 分散性染浴的染料则以染料晶体颗粒的状态存在阻碍了纤维对染料的吸收。 超声波不但能使染液中的染料颗粒聚集体解聚，而且还可以将染料分散浴中染料颗粒击碎，获得粒度为1um以下高稳定性的分散液，促进了染料对纤维的上染。此外 ，超声波可以提高水溶性和难溶性染料在染液中的溶解度。还有研究表明: 超声波可以提高染料对纤维的亲合力，加速了染料的吸收，提高了纤维的得色量，但不同染料亲合力提高的幅度不同。

(2)脱气作用。超声波的空化作用可将纤维毛细管或织物经纬交织点中溶解

或滞留的空气排除，从而有利于染料与纤维的接触，加速了纤维对染料的吸收

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(3)扩散作用。超声波的空化作用可以穿透覆盖纤维的隔离层 ，从而促进染

料向纤维内部的扩散速度。另一方面，超声波染色还可能增加纤维内无定形区分子链段的活动性。研究表明，超声染色与常规染色相比较，可提高扩散系数30%降低染色活化能，加速染料的扩散速度。

超声波染色的温度一般选为45 ~ 65 ℃，因为产生空化作用的最佳温度为50℃，因此超声波染色属于低温染色。由于在染色过程中部分声能转换为热能，因此超声波染色的染浴无需外加热能，有利于节能降耗 。同时，由于超声波染色属于低温染色，可改善工艺和提高产品质量。例如，超声波染色可以使腊防印花得以顺利进行; 羊毛纤维的超声波染色可以避免高温沸染造成的纤维损伤; 超声波染色还可以减轻织物的经向条痕和折痕等。

5、超声波清洗加工

织物染色后要进行水洗， 以去除纺织品上未固着的染料、 化学品和各种杂质提高染色产品的色牢度、鲜艳度、手感和其它服用性能。水洗过程很复杂，不仅发生物理性交换和稀释作用，还伴随着物理作用和化学作用。

5.1 常规净洗的机理

常规水洗主要是通过洗液与纤维表面发生相对运动、分子的扩散作用以及机械震荡作用达到清洗目的。常规水洗时，染料的洗除存在三种过程:

(l)纤维表面或纤维与纤维间毛细网络孔道溶液中的染料，水洗时被水洗溶液稀释交换而去除;

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(2)纤维内孔道中的染料先从纤维孔道溶液中扩散至纤维表面，发生解吸后，再被水洗液稀释交换而去除。

(3)纤维表面一些难溶的染料聚集体或颗粒 (与金属离子或阳离子固色剂形成的色淀等)则主要通过机械力脱离纤维，分散到洗液中。洗涤时，还要去除残存在织物上的电解质，包括中性盐和碱剂等。电解质特别是中性盐，对纤维基本上没有直接性，所以其主要通过水洗液的稀释交换作用而去除。在纤维内孔道溶液中的电解质，则先从孔道中扩散到纤维表面，然后稀释交换去除; 碱剂由于氢氧根负离子对纤维素纤维有一定的直接性，扩散出来相对较慢一些，之后则随水浴pH值降低而去除。

5.2 超声波净洗的机理

超声波发生器发出的高频振荡信号， 通过换能器转换成高频机械振荡而传播到液体介质 (清洗溶剂) 中，而超声波能够引起质点振动 ，质点振动的加速度与超声波频率的平方成正比。因此，几十千赫兹的超声波会产生极大的作用力。强超声波在液体中传播时，产生声 “ 空化”现象。空化气泡突然闭合时发出的冲击波可在其周围产生上千个大气压力，对污层进行直接反复地冲击，一方面消除污物与清洗工件表面的吸附作用力，另一方面也会引起污物层的破坏，从而使其脱离清洗工件表面，并分散到清洗液中。气泡的振动既能对固体表面进行擦洗，还能 “ 钻入”裂缝中做振动，使污物脱落。对于油脂性污物 ，超声波空化作用能使清洗溶剂和油脂在界面处迅速分散而乳化，从而达到清洗的 目的。 当固体粒子被油污裹着而粘附在清洗工件表面时，油脂被乳化，固体粒子即会脱落。

空化气泡在振动过程中会使液体本身产生环流，即所谓声流。它可使振动气泡表面存在很高的速度梯度和粘滞应力，促使清洗件表面污物的破坏和脱落，超声波空化作用在固体和液体表面上所产生的高速微射流能够除去或削弱边界污层，腐蚀固体表面; 增加搅拌

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作用，加速可溶性污物的溶解; 强化化学清洗剂的清洗作用。此外，超声波振动在清洗液中引起质点很大的振动速度和加速度，亦使清洗件表面的污物受到频繁而激烈的冲击。

6、 印花

超声波印花用途十分广泛，可用于包装、鞋帽、文具、皮包等。在普通纺织品上，可以先通过网版印花，再通过超声波机高温加压， 使织物不用任何辅助材料和不损坏织物质地情况下出现凹凸的浮雕立体图案， 得到雅俗共赏的效果。与在平绒和绒布上网版浮雕印花有所不同，浮雕印花是通过使用防缩整理剂配制的浆料印在织物上，再焙固和缩绒，未印上缩绒浆的植物绒毛变得丰满，与印上缩绒浆的部分形成立体图案，超声波是通过电子回路产生超声波段使金属模具产生电子火化而产生热量，加压使绒毛瞬间萎缩而形成立体效果，给人耳目一新的感觉。

7、超声波制备纺织生产中的纳米材料

采用超声辐照方法可以使在一般条件 下，难以实现的或不可能实现的化学反应得以实现 。它具有使固体粉碎、分散以及产生自由基或其他活性基团，引发单体聚合作用 ，可以用于制备超声粉碎、超声波分散和嵌段 ( 接枝 )共聚物。用超声技术制备纳米材料的方法主要有以下三种 ：

7.1聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)纳米粒子制备

利用超声波的空化效应 ，在不加引发剂的条件下， 实现甲基丙烯酸甲酯 ( MMA)的微乳液聚合。与采用微乳液聚合法制备聚合物纳米粒子不同的是，无需乳化剂 ，避免需要提纯的困难。

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7.2导电聚苯胺纳米粒子的制备

利用超声波的空化效应产生的分散、粉碎、乳化等作用，可制备出粒子均匀、分散性好的聚苯胺纳米粒子

7.3聚合物／无机纳米粒子复合材料制备。

利用超声波的粉碎、分散、活化、引发等多重作用，可实现无机纳米粒子在液相中的均匀分布分散 ，还可实现单体在纳米粒子表面聚合，制备出聚合物包裹无机纳粒子的复合材料。

8、超声波处理纺织生产污水

印染排放的废水中含有大量的碱类物质、pH值高 (通常在9 ～12 之间)；含有残余的染料和助剂 ，颜色深 ，色度大 ；含有机杂质多，悬浮物 多；此外还含有微量的毒性物质。印染废水若不加 处理而直接排放 ，会对环境造成严重的污染。先前对印染废水的处理有生物处理法、物理和化学处理法及组合工艺处理法。近年来随着超声技术的兴起及人们环保意识的增强 ，人们探索用超声波处理纺织生产中的污水。

声化学法可使印染废水中的有机污染物高速降解而且可以去除有毒难降解的有机物。当超声波辐照水质环境时，其高能量的输出产生涡旋气泡，而气泡内部的高温高压状态可将水分子分解生成 强氧化性的氢氧自由基，这些自由基可将有机物很快 氧化分解成较简单的分子，最终生成二氧化碳和水。

超声处理废水具有无二次污染等优点。因此 目前国际上许多国家把超声降解有机物作

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为处理污水的新的方法。但是从经济上来考虑，与其他水处理的物理方法相比较，仍存在处理量小、费用高的问题。

五、小结

现代高新技术在纺织印染中所发挥的作用已经越来越大， 缩短了印染加工时间， 降低了环境污染， 节省了能源， 同时保持甚至提高了产品的质量。现代化学、生物技术在纺织印染的发展中起了积极的促进作用，近代物理技术如等离子技术、 电磁场技术、 激光技术也已经渗入到了染整加工的各个方面， 其中超声波技术以其方便、 迅速、 有效、 安全而引人注目。 因此超声波技术在纺织上的应用已经越来越受到重视。

但同时也存在一些问题，如超声波设备昂贵提高了加工设备的成本，影响到了超声波技术的普及使用；超声波具有的方向性和在退浆过程中的噪音等问题也有待解决。

随着科技的发展和超声波设备的推广应用，高性能超声波设备的普及会使其价格有所降低。总之，从解决环境污染、节能降耗等角度来考虑，超声波在纺织品加工中以其方便、迅速、高效、安全的特点将引起更多的科研工作者和企业的关注，因此超声波在纺织品加工中的应用应有良好的发展前景。

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