氣流染色機的現狀與發展
邵陽紡織機械有限責任公司 劉江堅
摘 要：氣流染色機的小浴比染色特性，為織物間歇式染色實現節能減排提供了一條有效方法。氣流染色機的染色條件及工藝控制，與普通溢噴染色機有較大的差異，充分了解氣流染色機的工作原理及結構特點，開發適于氣流染色機的染色工藝，可以更好地發揮氣流染色機的功能。分析氣流染色機存在的問題，提出氣流染色工藝的開發思路，并預測其發展趨勢，無論是對設備制造商，還是使用者都會得到一定的啟發。
關鍵詞：氣流染色機 工作原理 結構特征 氣流染色工藝 染色浴比 節能減排

0 前言
氣流染色機與傳統的溢噴染色機相比，它具有顯著的節能減排效果，并且基本涵蓋了傳統的溢噴染色機所適應的織物品種范圍。對于一些新型纖維織物如Lycoell(天絲)、超細纖維織物等，更有其獨特的染色風格。此外，氣流染色機的一些結構特點，為染料均勻上染織物提供非常有利的條件，加之所配置的一些先進控制技術作保證，使其染色的“一次成功率”在98％以上，*大地節省了因返工所造成的能源浪費，并提高了生產效率。
氣流染色仍屬于竭染過程，與其它間歇式染色目的一樣，就是建立一個能夠使染料在纖維上均勻上染和固著的條件，保證被染織物按照所要求顏色和牢度完成染色過程。由于氣流染色機的結構特征和工作過程與普通溢流或噴射染色機有較大差異，所以熟悉和掌握這些基本特征，可為設備結構設計、染色工藝制訂及過程控制提供幫助和指導。

1 氣流染色機的工作原理
氣流染色機采用了空氣動力學原理，以循環空氣替代水來牽引被染織物作循環運動，因而與傳統的溢噴染色機相比，染色浴比大為降低。氣流染色機中織物與染液的交換形式有兩種：一個是氣流霧化，另一個氣壓滲透。氣流霧化是先將染液通過特殊的噴嘴霧化并彌散在氣流中，然后這種帶有霧化染液的氣流與被染織物進行交換并牽引織物循環。在交換的過程中，霧化染液對織物不僅接觸面積大，而且對織物纖維具有較強的滲透力，加速染液向纖維內部的擴散速度。德國特恩(THEN)氣流染色機的噴嘴就是采用這種形式。氣壓滲透形式是采用兩個噴嘴，即一個純氣流噴嘴，一個液流噴嘴。液流噴嘴在前、被染織物先經過該噴嘴，與染液進行交換，然后經過提布輥再進入氣流噴嘴，由氣流對染液露織物進行壓力滲透，在牽引織物循環的過程中加速染液向織物纖維的擴散速度。德國第斯(Thies)氣流染色機的噴嘴是采用這種形式。從目前應用情況來看，以氣流霧化形式的氣流染色機居多，并且具有較好的使用效果。本文也是以這種噴嘴形式的氣流染色機進行討論。

2 氣流染色機的主要特征
2.1 低浴比
氣流染色與普通溢流或噴射染色的**大不同點，就是能夠在非常低的浴比(1：4以下)條件下實現染色過程。然而，這種低浴比染色條件會帶來染料對織物上染率的變化。實驗表明，活性染料的直接性隨著染色浴比的降低而提高。就染色過程而言，在提高染料上染率的同時，還應保證較高的固色率，這是達到一定的顏色深度和色牢度的基本要求。任何染料不可能百分之百全部上染到織物，總有一些水解或者積聚的染料附在織物纖維表面，如果不加以去除，那么會在使用的過程或洗滌中剝落下來。因此，提高染色的牢度是染色過程的一項重要控制指標。織物的染色牢度除了與染料特性有關外，主要取決于染料在染色過程中達到透染的程度，以及對未上染或水解染料是否進行了充分水洗。氣流染色的低浴比條件，可以不需借助過多的促染劑和固色劑即可達到較高的固色率，而固色劑(如堿)的減少，又可以 減少染料的水解。染料直接性的提高，又可以減少對促染劑(如元明粉、食鹽等電解質]的依存性，提高上染率。不過，采用活性染料染色時，為了控制染料的上染速率，氣流染色一般要考慮使用直接性較低的活性染料。
2.2 織物與染液的交換頻率高
氣流染色仍屬于竭染。根據竭染的規律，被染織物必須與染液進行連續若干次交換次數，才能夠完成染料的全過程上染，氣流染色也是依靠這種方式來達到染料對織物的上染目的。根據Beckmann的理論，噴射染色的**佳上染速率是：
Vopt=I•U
式中：I—織物每循環一圈時染料的上染率(％)，一般經驗取1～3％：
U—織物和染液循環頻率之和。
顯然單位時間內織物與染液的交換次數越多，越有利于勻染和縮短染色過程的時間。如果在織物不產生過大張力的情況下，提高織物的循環頻率或染液的循環頻率，那么既可以保證織物的均勻上染率，又可以縮短染色時間。氣流染色由于浴比較低，染液的循環頻率很高，并且織物因帶液量低也可以在較誓高的速度下循環。兩者高頻率的交換，為勻染帶來了有利條件，并且在一定的染色工藝支持下，完全可囊以實現快速染色過程。
2．3 染液循環的動態分配
對于一些纖維比表面積較大的織物，通常染料的上染率較快，如果控制不好容易染花。所以為了保證勻染性，工藝上往往需要控制織物在每一個循環中染料的**大上染量。普通溢流或噴射染色機的織物運行速度是由染液噴射量來決定的，染液噴射量的降低就會使織物運行速度降下來，并且還會影響織物與染液的交換頻率。相比之下，氣流染色機的織物循環是依靠氣流牽引的，染液的循環頻率可以根據工藝的需要進行獨立控制，在改變染液對織物的供給量時，并不影響織物的循環頻率。所以，可以根據織物特性和染色工藝，控制織物每一個循環中染料的上染量，保證深、淺顏色的質量。
2.4 染料對織物的上染變化
要實現染料對織物的著色，首先是決定染料和被染織物的結合形式，其次是提供促成兩者結臺的必要條件。眾所周知，染料是通過吸附、擴散和固著三個基本過程來完成織物的染色過程的。其中固著過程主要決定于染料與織物作用，并且時間也是較長的；吸附和擴散過程與染液和織物的相對運動有關，及時打破邊界層動態平衡和減薄其厚度，就是依靠這種相對運動來完成的。染液和織物的相對運動越激烈，越容易及時打破吸附和擴散邊界層動態平衡，或者減薄吸附和擴散邊界層厚度，能夠盡快向固著后的邊界層“空虛”處輸送染料。
由流體動力學得知，液體的運動粘度隨溫度的升高而降低，而空氣的運動粘度卻隨溫度的升高而提高。對氣流染色來說，隨溫度的升高，染液運動粘度的降低和氣體運動粘度的提高，更加有利于打破染液邊界層和減薄其厚度，加速染料的上染過程，從而縮短染色時間。與此同時，兩種流體的運動粘度變化，還為提高織物的運行速度提供了條件，也就是說，在循環風量不變(風機功率會增加)的情況下，空氣粘度的增加提高了對織物的牽引力，使得織物運行速度加快。這樣的條件變化，更加有利于染料對織物的均勻上染。
2.5 溫度的分布
氣流染色過程中的溫度變化仍然是以加熱或冷卻染液來控制的。由于浴比較低，儲布槽內織物及所吸附的染浴與自由染浴(循環染浴)處于分離狀態，所以織物經過噴嘴時的溫度總是要高于儲布槽內織物的溫度，尤其是在快速升溫至l30℃時，兩處的溫差可達l0℃左右。如何控制染料在上染過程中對總體織物的均勻性，對氣流染色機來說是非常重要的，通常需要染液旁通和升溫速率以及織物的循環速度來控制。因此，織物與染液的快速交換，不僅是染料對織物上染量的均勻分布控制要求，同時也是織物獲得均勻溫度分布的重要控制手段。
2.6 織物的汽蒸過程
在染整濕加工過程中，為了保證被加工織物纖維與助劑的充分反應，往往對織物采用一個汽蒸過程。這樣可以使織物纖維充分膨潤，加快助劑向織物纖維內部的擴散和反應速度。在氣流染色機中，織物在儲布槽內不浸在染浴中，在處理的過程中，織物經過噴嘴后落入儲布槽中實際上是受到了一個類似于汽蒸的過程。這對提高織物纖維的膨潤性以及加速助劑向織物纖維的滲透和擴散起到了很重要的作用，其結果是不僅縮短了處理時間，同時還提高了處理效果，具有高效短流程特點。
縮短織物濕處理時間，不僅可以提高生產效率，降低能耗，同時還可以減少織物因加工過程長而造成表面損傷或者拉伸變形(主要是含氨綸的針織物)。實踐證明，用氣流染色機來做織物濕處理的“一次成功率”非常高，比常規溢噴染色機具有明顯的優勢。

3 氣流染色機的關鍵技術
與其他間歇式染色機一樣，氣流染色機能夠滿足染色工藝條件，其原理、結構和功能也是建立在一定的關鍵技術基礎之上。從機器的設計和制造角度來看，具有以下幾項關鍵技術。
3.1 空氣動力循環系統
氣流是牽引織物循環的主要動力源，同時還兼有織物對染料均勻和加速吸附的作用。通常由風機、氣流噴嘴、氣流風道和過濾裝量等組成一個封閉循環系統。風機一般采用高壓離心風機，并有足夠大 的 風量。其安裝形式有內量式和外量式二種。內量式結構緊湊，風道沿程阻力損失小；外量式占地空間較大，局部阻力損失小。風機的額定功率一般設計得比較大，主要是考慮到克重大的織物需要保證足夠大的風量牽引。而對中厚以下織物的風量，通過變頻控制到80％以下；如果是輕薄織物，風量甚至可用到50％。
氣流噴嘴是氣流染色機的核心部分，尤其是采用氣流霧化形成的結構，須保證染液的霧化效果，以及與織物的充分接觸。與此同時，氣流對織物還可產生擴展效果，不斷改變織物的繩狀位置，以避免織物褶皺的產生。對于這部分結構，制造商都有自己的**技術保護。
3.2 染液循環系統
染液循環系統是為完成染液上染織物過程而設置的。染料在織物每一個循環中的上染量，織物所含帶的染液與主體染液的溫度差和濃度差，都是由染液循環系統來控制。由于氣流染色機的浴比*低，染液的濃度相對較高，對溫度和濃度的變化非常敏感，因此，必須通過系統的結構和控制來保證整個染液系統，在溫度變化(升、降溫)和濃度變化(加料)時的均勻性。
染液噴嘴是染液循環系統中的一個重要單元，其作用是為織物和染液提供交換條件。在氣流染色機中，無論采用哪種噴嘴形式，它都不起牽引織物循環的作用。它的結構形式取決于織物與染液的交換方式，對于采用霧化形式的染液噴嘴，要求能夠產生霧化(確切的講，應該是染液的細化)效果；而對于采用氣壓滲透形式的染液噴嘴，則相當于一個軟噴射的噴嘴，要求能夠控制織物的帶液量，保證氣壓滲透作用的效果。
3.3 水洗受控
氣流染色機的浴比很低，采用的是連續式水洗方式，并且對水洗過程分階段進行水流和溫度的控制 。染色剛結束時，織物纖維表面上主要是分布著未上染的染料、水解染料和電解質，必須采用強烈的水流沖刷才能加快它們與織物纖維的剝離速度。通常加大噴嘴噴射壓力(主泵電機通過變頻提高轉速)，織物連續循環2～3圈即可達到要求。在強烈水流對織物表面污物作用后，第二階段就是以溫度的作用，專將纖維內部的水解染料去除。這種溫度作用效應，也是提高水洗效率不可缺少的控制部分。由于纖維內部孔道上也存在水解染料，水流作用不能使其脫離纖維，所以必須提高溫度，擴大纖維內部孔隙，加大分子向纖維外遷移的動能，并從纖維表面解吸下來。當完成前面兩個控制階段后，織物管維內外的大部分污物己脫離，但還有一部分附在織物表面上，這時只要用較低水流和溫度即可去除。這一過程控制實際上是一種受控過程，是低浴比水洗達到**佳效果的主要手段。
3.4 染色過程控制
實現染色工藝必須對染色過程進行控制。染液的溫度、染料和助劑的注入，都是對染色過程實施控制的手段。相對溢噴染色機浴比較大的條件而言，氣流染色機的l氐浴比條件，對這些控制手段的精度要求更高。除此之外，空氣在常溫和高溫下的密度變化，熱塑性纖維茬高溫條件下收縮，也會影響到織物**初設定的循環頻率。對于這些變化，只要有可能影響到織物的勻染性，就應該實施過程控制。通過對織物運動檢測，由PLC和電腦進行動態控制。
染色過程控制，已經涉及到了染液循環比例分配，對織物進行高給量和低給量的控制。根據被眷墅物纖維比表面積大小的不同，以及染色與水洗所需水量的不同，可控制織物的帶液量，以保證上染速率快的織物在**短的時間內達到**佳的勻染效果。超細纖維織物在這種條件下染色的效果要比溢噴染色更好，并且“一次成功率”很高。所以，染色過程控制是氣流染色機又一項關鍵技術，必須與染化料、織物纖維和染色工藝密切結合起來，形成一個軟件控制系統，而不是簡單的幾個動作控制。

4 氣流染色機的常見問題及解決方法
任何染色機都不可避免存在一些自身的缺陷，尤其是氣流染色機作為一項新技術更不例外，在過去的十幾年中基本上是處于試驗探索之中，也正是經歷了這個過程才有了今天成熟技術的出現。那么，氣流染色機現在還可能出現哪些問題昵?應用中反映出以下幾點。
4.1 織物的擦傷和起毛現象
在氣流染色過程中，織物的運行速度相對較快，當進入噴嘴和導布管時，雖然接觸到染液，但不像溢噴染色那樣能夠完全被包圍在染液中。因此，織物表面與管壁之間產生了較大摩擦力，嚴重時將織物表面擦傷。設計者曾試圖通過氣流形成一個氣墊，也將織物包圍起來，但事實上并非如此。
織物的起毛或起球現象，除織物纖維強力和抗撓曲性能高、暴露的紗線表面積大(如針織物)外，大多是由于外界的機械作用(拉伸、摩擦)所促成的。所以，目前解決的辦法是，提高設備內表面的制造精度，工藝上采取適當降低織物運行速度，添加平滑劑等措施加以消除或改善。
4．2 織物的折痕
氣流染色機通常布速較快，其目的是提高織物與染液的交換頻率，保證勻染性；同時，縮短織物在儲布相對靜態的停滯時間，避免織物產生折痕。但是，有些輕薄高支高密長絲類織物，布速過快時，容易出現擦傷；而布速慢時，則會產生折痕。對此情況，需要尋找一個合適的布速。
對于有些針織物可能出現的折痕(縱向)，其原因是針織物在紡織過程中形成較大的內應力，如果外界經向張力過大，就容易產生經向折痕，而且在第一次遇水加工(如前處理)中就形成了。在接下來的染色過程中，染料在折痕處的吸附量有差異，形成深淺不一的痕跡。要避免或減少這種現象出現，在前處理過程中，必須通過風量與提布輥線速度的匹配關系，讓織物離開導布管后有一個擴展過程，不斷改變束狀位置， 使得折疊處迅速展開。只要經歷一次這種過程，織物沒有形成永久性折痕，那么在以后加工過程中就不會再形成折痕了。
4.3 織物色牢度降低
從理論上講，采用活性染料染色，織物經氣流染色后的各項色牢度指標高于普通溢噴染色，這也被大多數使用好的染廠所證實。但是有個別染廠特別是沒有真正掌握氣流染色機的廠家，出現了染色牢度下降的現象。其實這完全是沒有根據氣流染色機特點去設計染色工藝，而是簡單套用普通溢噴染色機的工藝所造成的。分析其原因，主要是染色工藝時間過長，將已經達到了勻染的時間誤以為還不夠，結果造成了已與纖維形成化學鍵的染料又斷鍵，而在水洗時又沒有得到有效充分去除。因此，制訂適于氣流染色的工藝是非常重要的，尤其是時間的控制，一定要考慮到同種染料和被染織物染同一顏色，氣流染色的時間比普通溢噴染色時間短，因為織物與染液的交換頻率高，完成相同交換次數所用的時間短。

5 氣流染色機的發展趨勢
在有水染色工藝中，氣流染色機作為一種具有高效、節能和環保特性的新機型，在未來的印染行業發展過程中一定能夠起到積*的作用，至少可以逐步取代傳統浴比較大的溢噴染色機。氣流染色機在完善自身一些結構和性能的同時，還有更多的功能有待于去拓展或開發。
5.1 開發完全適于氣流染色的工藝
為了充分發揮出氣流染色機優勢，必須結合氣流染色機的特點，開發出與其相應的染色工藝，并且不斷擴展染色工藝適用范圍。這里需要設備、染化料、織物纖維和染色工藝幾方面的密切配合，將各自的適應條件和要求進行**佳組合，然后形成智能化的控制軟件，使用者只要按照指令要求輸入相關的基本參數即可由設備自動完成。隨著新型紡織材料的不斷出現，以及紡織品功能性要求的提高，還要開發滿足這些整理要求的氣流染色工藝和設備功能。
5.2 實現動態質量控制
這部分的發展要求是，除溫度和加料實現自動控制外，還可以通過模擬量液位的檢測裝置，根據基礎數據和預設定參數，制定出**佳的運行時間和工藝條件(包括水和蒸汽的消耗)；同時，對不同織物的克重和長度，可自動設定布速、浴比等參數，充分保證織物的勻染性和工藝的重現性。這是一種智能型控制系統，也稱為DQC(DynamJ Quality Control一動態質量控制)系統。
5.3 用于織物整理
織物的整理是提高服用性的一道工藝，在現代紡織品中占有越來越重要的地位。利用氣流染色機的氣流對織物作用，通過一些整理助劑與織物的反應，可以獲得一些織物特殊風格。
5.3.1 生物酶拋光
生物酶除應用于染整行業中的退漿外，現在已經擴展到織物的表面處理。Lyocell纖維經過“初次原纖化”處理后，進行生物酶處理，再經過氣流染色過程中所伴隨的“二次原纖化”，**終可以獲得織物表面帶霜的桃皮絨效果。此外，一些針織物面料經生物酶拋光后，不僅可以提高布面的光潔度，而且．還可獲得非常好的手感。如果通過一定的助劑作用是否能以此方法來取代燒毛工藝，那么將省去燃燒氣體所造成的廢氣排放，節省能耗。這也意味著對某些傳統工藝的改進將更具有節能減排的意義。
5.3.2 海島型超細纖維堿溶離開纖加工
海島型超細纖維是聚酯海島復合纖維經燒堿(NaOH)溶解海組分而獲得的，完成這一過程通常是在染色設備上進行的。在進行過程中要求織物與處理液具有激烈的相對運動，目的是要加快反應速度和進行的程度，同時要求對反應過程中堿溶液的濃度差變化進行嚴格控制。采用氣流染色的前處理加工方法，可以較好地滿足這一要求。
5.3.3 機械柔軟
含有亞麻類的織物一般都要經過柔軟處理，提高服用性。還有高檔毛巾類織物，人們開始注重生態環保，盡量少用或者不用化學柔軟助劑，而通過織物運動的拍打機械作用進行柔軟處理。氣流染色機利用其氣流的振動和拍打作用，可降低織物纖維分子的剛性，提高織物的柔軟性。事實上，氣流染色機在染色過程中已經伴隨著這種作用，所以經氣流染色機加工后的織物，無論是布面風格還是手感都明顯比普通溢噴染色機好。
5.3.4 織物表面產生紋痕或褶皺感
有的廠家用氣流染色機進行植絨布面的冰花絨加工，并獲得了非常好的效果。這種加工的方法主要是通過工藝設計，控制循環風量、織物速度和溫度，讓植絨布在一定的條件下，通過機械的拍打及降溫速率控制，使植絨布面原本均勻平整的絨面產生均勻不規則的皺紋印跡，看似冰面的細裂紋，時尚感強。此外，也是通過工藝參數設計，讓化纖織物表面產生均勻的褶皺，形成一種人為的褶皺，具有鮮明的服裝個性化。

6 結束語
氣流染色機作為一種新型間歇式染色設備，經過十多年的改進和發展，已經逐步達到了成熟的階段。它除了具有顯著的節能減排效果外，不論是對織物的適用范圍，還是織物的加工品質及風格都明顯優于普通溢噴染色機。在為使用者帶來了良好的經濟效益的同時，也產生了較好的社會效益。其使用的效果及適用的織物品種范圍已超出了當初人們的想象。盡管如此，氣流染色機還有許多功能沒有開發出來。隨著染化料、織物纖維和染色工藝的發展，氣流染色機的各項性能和功能還會不斷完善，將會被更多的使用者所掌握和采用。種種跡象表明，未來的幾年將進入一個氣流染色時代，印染行業也將伴隨這項新技術的應用推廣得到發展和進步。
參考文獻
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