多頻超聲波去除染色織物浮色的方法及其專用裝置的製作方法
2023-05-14 09:06:36
專利名稱：多頻超聲波去除染色織物浮色的方法及其專用裝置的製作方法
技術領域：
本發明公開了一種用多頻超聲波去除染色織物浮色的方法，本發明還公開了一種多頻超聲波去除染色織物浮色的專用裝置。
背景技術：
超聲清洗是將超聲振動加到洗滌用水中，使洗滌液體產生「空化效應」。當超聲波稀疏時生成氣泡，擠壓時壓碎氣泡，在周圍產生機械衝擊力，用以清除織物表面的雜質、化學品、染料浮色等的一種方法。因此超聲波在機械零件的清洗已經比較普遍了。超聲波作為清潔容器，分散液體中的物質，影響化學反應的強有力的手段在工業上被使用了多年。由於目前染整行業水洗處理工藝應用95℃～100℃的高溫水，經過多個水洗槽多次水洗達到加工目的，其缺點是用水量大，且消耗大量的高溫蒸汽，因此能耗、水耗特別大，不附合節能、節水要求。
發明內容
本發明的目的之一是克服現有技術中存在的不足，提供一種浮色清洗效果好、對織物腐蝕小、洗滌超聲波場強更均勻、能顯著降低蒸汽用量、減少能耗和減少用水量的多頻超聲波去除染色織物浮色的方法。
本發明的另一目的則是提供一種實現多頻超聲波去除染色織物浮色方法的專用設備。
按照本發明提供的技術方案，所述多頻超聲波去除染色織物浮色的方法，該方法包括包含如下步驟 a、在洗滌容器內安裝若干個超聲波振盒，每個超聲波振盒所能發射的超聲波頻率為15～40KHz，且每個超聲波振盒所能發射的超聲波頻率各異； b、在洗滌容器內灌入洗滌液，使洗滌液將超聲波振盒淹沒； c、將待洗滌織物浸入洗滌液中並啟動各個超聲波振盒； d、洗滌完畢，取出織物。
任意兩個超聲波振盒所發射超聲波的功率之比為小數倍或者帶整數的小數倍。
實現上述多頻超聲波去除染色織物浮色方法的專用設備，它包括洗滌容器，洗滌容器內設置若干超聲波振盒，每個超聲波振盒上設有導線管，導線管內設有一端與超聲波振盒接通的連接導線，連接導線另一端與超聲波發生器相接，且每個超聲波振盒所能發射的超聲波頻率為15～40KHz，且每個超聲波振盒所能發射的超聲波頻率各異。
在洗滌容器內壁架設有上下兩層錯位設置的導布輥，且超聲波振盒設置在位於下層導布輥的正上方並與該導布輥平行。所述的超聲波振盒包括振盒，在振盒的兩側面設有若干橫排的超聲換能器，所述超聲換能器與超聲波發生器相連，在振盒兩端頂面設有各設一個導線管，在每個導線管內均設有連接導線，在振盒兩端設有安裝部，安裝部上開設有安裝孔。相鄰兩橫排的超聲換能器呈錯位布置或者呈縱向陣列布置。
多頻超聲技術低溫去除染色織物浮色的基本原理是 超聲去除染色織物浮色方法時，在水洗槽中引入超聲波，超聲波的產生由超聲波發生器產生幾十KHz的高頻電信號通過超聲換能器把原電信號變化高頻機械振蕩，再由機械振蕩變為高頻超聲向水中輻射超聲波。其輻射超聲波的關鍵是靠超聲換能器完成的。
超聲換能器由壓電陶瓷片和前後蓋板經螺杆連結組成的，其原理類似於抇聲器或石英晶體，其電路符號為圖5。
圖6為超聲波發生器輸出端匹配電路，其中有匹配電感L0，Xh為換能器等效阻抗，C0為換能器靜態電容，L、C、R分別為換能器動態電感、動態電容和電態電阻，因此換能器實際上是一個諧振器，因此可以適當改變某些參數，可以得到不同的諧振點。換能器的阻抗Xh可通計算獲得。
換能器阻抗 分母有理化後 式中 匹配電路阻抗X0 可以看到X0由匹配電感和換能器兩部分阻和抗做成，其經計算歸併後，前面部分是實數部分為阻，後面部分是虛數為抗，為方便分析我們取其X0的倒數，因此阻抗表達式為導納表達式。同樣也是個頻率的函數，根據阻抗的倒數導納表達式，可以作出曲線，從式中可以改變某些參數，從而獲得不同的頻率和導納曲線。圖7為根據上述公式由計算機計算得到的換能器多頻特性曲線。可以看到它有二個諧振點，也可從頻率升高還可得到多個諧振點，這就是可通過計算機使超聲波發生器工作在多頻的基本原理。
本發明的方法洗滌後浮色清洗效果好，對織物腐蝕小，洗滌超聲波場強更均勻，能顯著降低蒸汽用量，減少能耗和減少用水量。而且實現該方法的專用設備結構簡單、操作方便。
圖1為本發明的整體結構示意圖。
圖2為圖1的俯視圖。
圖3為本發明中的超聲波振盒結構示意圖。
圖4為圖3的俯視圖。
圖5超聲換能器的結構示意圖。
圖6為超聲波發生器匹配電路。
圖7為換能器的多頻特性曲線。
具體實施例方式 下面結合具體附圖和實施例對本發明作進一步說明。
多頻超聲波去除染色織物浮色的方法，該方法包括包含如下步驟 a、在洗滌容器內安裝若干個超聲波振盒，每個超聲波振盒所能發射的超聲波頻率為15～40KHz，且每個超聲波振盒所能發射的超聲波頻率各異； b、在洗滌容器內灌入洗滌液，使洗滌液將超聲波振盒淹沒； c、將待洗滌織物浸入洗滌液中並啟動各個超聲波振盒； d、洗滌完畢，取出織物。
任意兩個超聲波振盒所發射超聲波的功率之比為小數倍(如0.8倍)或者帶整數的小數倍(如1.2倍)。
實現上述多頻超聲波去除染色織物浮色方法的專用設備，它包括洗滌容器1，洗滌容器1內設置若干超聲波振盒2，每個超聲波振盒2上設有導線管3，導線管3內設有一端與超聲波振盒2接通的連接導線4，連接導線4另一端與超聲波發生器相接，且每個超聲波振盒2所能發射的超聲波頻率為15～40KHz，且每個超聲波振盒2所能發射的超聲波頻率各異，該超聲波振盒2的長度與洗滌容器1寬度適應。
在洗滌容器1內壁架設有上下兩層錯位設置的導布輥5，且超聲波振盒2設置在位於下層導布輥5的正上方並與該導布輥5平行。所述的超聲波振盒2包括振盒101，在振盒101)的兩側面設有若干橫排的超聲換能器102，所述超聲換能器102與超聲波發生器相連，在振盒101兩端頂面設有各設一個導線管3，在每個導線管3內均設有連接導線4，在振盒101兩端設有安裝部6，安裝部6上開設有安裝孔7。相鄰兩橫排的超聲換能器102呈錯位布置或者呈縱向陣列布置。且洗滌容器1設置在支架8內部，在支架8的底端外沿邊角設有支腳9。
多頻超聲去除染色織物浮色的優點 由於織物的多樣性，例如織物的花色、織物的厚度、織物的組織不同，用單一頻率的高頻(25khz-40khz)超聲波對織物進行洗滌，發現洗滌效果並不十分理想，薄的染色織物洗滌效果較好，而厚的染色織物表面的洗滌效果還可以，但織物內部浮色的洗滌效果並不好。這主要是用了單一超聲頻率進行洗滌所造成的結果。
本發明的具有多種超聲頻率的洗滌裝置，在清洗時可以用兩種也可以用三種頻率交替對紡織品進行前處理後的超聲水洗，也可以在同一隻洗滌槽內同時引入雙頻或多頻，雙頻或多頻的洗滌效果要比單頻好得多。例如在水洗槽中引入一種頻率為30khz、另一種頻率為20khz的雙頻超聲，其中頻率低的一種超聲波波長較長，發力較大，易穿透到織物深層處，而頻率高的另一種超聲波對織物的表面清洗效果好，所以用多頻超聲技術對織物進行前處理和染色後的水洗具有很多優點。雙頻或多頻工作方式還具有下列幾點優點 (1)可消除由駐波效應引起的清洗死角； (2)可降低超聲空化泡對被清洗表面的腐蝕作用； (3)可適應不同厚度的織物的洗滌； (4)可提高清洗液中超聲波功率密度臨界值。
染整清洗槽內一般都是一個有限邊界的傳聲媒質，換能器入射到該媒質的聲波(行波)遇到邊界時會產生反射波。駐波由傳聲媒質中行波與反射波疊加而成。駐波形成後，清洗液在聲波傳播方向上被分隔為間隔在1/4波長(約1～2cm)左右的層。清洗能力很強的層和很弱的層交替地分布在這些層裡。在某些區域，超聲波振動幾乎被完全抵消，形成清洗的死角。
超聲波清洗的原理主要依靠清洗液中的空化泡。空化泡的形成過程是，首先，液體中的懸浮微粒或液體微觀結構中的特殊點吸收聲波能量，使特殊點的範圍變大，吸收聲波的能量更多……，這種正反饋作用使該處很快形成一個能量體積比極大的空化泡。由於空化泡所承載的能量與其體積之比極大，它只能存在很短的時間便立刻產生爆炸。空化泡的爆炸在其周圍又形成液體微觀結構中的許多特殊點，這些特殊點成為新的空化泡的核心……，最終象所看到的那樣，清洗液中的空化泡大多數象一條條「龍捲風」似地聚集在一起。這種「龍捲風」「刮」到的地方形成過度的清洗，甚至對被清洗表面產生腐蝕作用；而「刮」不到的地方則成為清洗的死角。單一頻率下超聲波能量還會在被清洗表面具有特殊形狀和顯微凹陷處過度聚集，過度聚集會產生對這些局部區域的嚴重腐蝕作用。
不存在功率倍數(或約數)關係的超聲波頻率的頻繁交替一方面可以產生具有互補能力的不同的駐波分層，另一方面又能大大減輕有害的能量聚集作用和對織物表面的腐蝕作用。
施加於換能器的超聲波電功率較小時，清洗液中的超聲波功率密度隨著電功率的增大而提高。但是當電功率超過某一個臨界點以後，超聲波功率密度反而突然降低。其原因是當激勵換能器的電功率較小時，從聲源表面發射出來的能量比較均勻地分布在清洗液中，能量的傳遞過程呈平衡的穩定狀態。當增大到一定值以後，靠近聲源表面的介質被過分地空化，這局部介質的聲阻隨著功率的增大而增大，因此將部分能量攔截在聲源表面的介質薄層裡，更加劇了該薄層的空化，增大了該薄層的聲阻……，這是一種正反饋系統。當系統的閉環增益大於1時，系統便失去穩定，聲源表面介質薄層的聲阻突然變得很大，清洗液中的超聲波功率密度反而突然降低。超過臨界點以後，過多的電功率一部分在換能器中被轉換成熱能，另一部分在聲源表面的介質薄層裡被轉換成熱能。通常，即使激勵換能器的電功率再大，清洗液中的空化程度都不能達到臨界點以前的最大值。這臨界點以前的最大值就是所謂「超聲波功率密度臨界值」。超聲波頻率的頻繁交替可以減輕聲源表面介質薄層聲阻增大的作用，從而可提高清洗液中超聲波功率密度的臨界值，有利於去除染色織物浮色。
經初步研究發現，超聲波可強化退漿、煮練、漂白、染色、印花、整理等加工後的洗滌過程，可以減少加工時間，降低化學品的消耗、蒸汽消耗和用水量，提高產品質量。當使用單頻超聲作用於水槽中的洗滌水時，由於受到駐波場的影響，水槽中超聲場不均勻，有的地方強，有的地方弱，造成超聲場弱處的洗滌效果變差，同時由於織物品種不同，頻率高的超聲波由于波長短在厚織物中易被織物吸收，超聲衰減大，使厚織物洗滌不淨。但高頻超聲由于振動頻率高對織物表面洗滌效果較好。
如圖1、2所示，本發明的實現多頻超聲波去除染色織物浮色方法的專用設備，主要用於紡織品的各種水洗處理。包括洗滌容器1、支腳9、支架8、導布輥5與超聲波振盒2，洗滌容器1放置於支架8內，可以有多個組成，多個洗滌容器1可前後排列設置，每個洗滌容器1間由軋輥連接被洗織物，每個洗滌容器1內設有七個導布輥5，導布輥5分上下二行，織物10由上至下然後由下至上繞過各導布輥5，在下行的導布輥5上方設有超聲波振盒2，洗滌時洗滌液11將超聲波振盒2完全浸入其中。
超聲波振盒2由超聲換能器102及其超聲波發生器結合構成，它可以在洗滌容器1內輻射功率相同、頻率各不相同的多種超聲波，使洗滌容器1中形成一個強度均勻的超聲波場強。多種頻率的超聲波作用於織物10上，使超聲波的機械效應(如傳聲媒質的質點振動位移、速度、加速度、聲壓等力學量)、熱效應(聲波在傳播過程中其部分能量被媒質吸收變成熱能)和空化效應同時起作用，在這三種效應作用下，洗滌容器1中液體氣核膨脹長大，並為周圍的液體蒸汽或氣體充滿，由於內外壓力懸殊使空腔塌陷、破裂，把集中的聲場能量在極短的時間和極小的空間內釋放出來，使介質局部形成幾百到幾千K的高溫和超過數百個大氣壓的高壓環境，並產生出強大的衝擊力，把殘餘的染料浮色從被洗織物中脫離出來，以達到去除染色織物浮色的目的。為了提高處理效果，這種安裝有三個超聲波振盒2的洗滌容器1可以多個串聯使用，以實現最佳處理效果。
如圖3、4所示，多頻超聲換能器由振盒101、超聲換能器102與導線管3等組成，導線管3內設置連接導線4，在振盒101輻射面背部焊接有不鏽鋼螺釘，超聲換能器102前蓋板塗上環氧樹脂後與螺釘擰緊，超聲換能器102用導線連接後通過導線穿線管引出，然後與多頻超聲發生器連接。
本發明由大功率的超聲波振盒2通過超聲換能器102向水中織物發出強大的多頻超聲波。在保證對織物10進行洗滌效果前提下，使去除染色織物10浮色的某些技術指標還有所提高，且洗滌容器1處理溫度由原95～100℃下降到50℃以下，由低溫替代高溫對染色織物進行前處理，從而大大節省蒸汽消耗和洗滌用水量。工作原理如下 被處理的織物10經導布輥5進入洗滌容器1內，當織物10進入超聲波振盒2時，織物一面受到頻率f1、f2超聲聲強w1的超聲直接輻射，織物通過第二個導布輥5時，又受到頻率f1、f2超聲聲強w1的超聲直接輻射，也可以是頻率f3、f4超聲聲強w1的超聲直接輻射，再進入第三個導布輥5時受到頻率f1、f2超聲聲強w1的超聲直接輻射，也可以是頻率f5、f6超聲聲強w1的超聲直接輻射，因此織物進入水槽後獲得多種超聲波的輻射，而且整個水槽聲場由多個頻率的超聲波聲場合成，從而不易形成駐波，聲場較均勻。清洗織物效果明顯，由低頻、中頻、高頻不同頻率的超聲波對織物進行清洗處理使厚料和薄料的布清洗效果一致。
該專用設備的安裝與使用 1、設備安裝 染色過程完成後，目前工業生產上洗除浮色的方法是使用一系列連續的可以通過蒸汽加熱的水洗箱體，織物在熱水箱體內的穿行實現洗除浮色的目的。多頻超聲波不改變這種基本結構，僅在水洗箱體中加裝多頻超聲波裝置，保持原來的生產路線，只是改變水洗箱體中水的溫度，不對水加熱，完成水洗過程。
2、在前處理水洗生產中的應用 生產流程按標準的燒毛、冷堆、平洗、煮練、漂白、染色工藝對棉織物處理，其中平洗採用常規水洗和超聲波水洗，然後測定水洗後織物的毛效、白度等指標，並與常規水洗織物進行對比，觀察超聲波水洗裝置的使用效果。
(1)生產工藝流程 織物前處理工藝流程燒毛→冷堆→平洗→煮練→漂白。
在平洗工藝中，我們採用了蒸汽加熱水洗(常規工藝)和超聲波常溫水洗(超聲波工藝)，其它工序和工藝條件均保持一致。
(2)洗滌效果指標測試結果 由測試結果對比分析可得出，超聲波水洗後的織物，毛效和白度略好於常規水洗的織物，而且手感也好。超聲波水洗省去了加熱的蒸汽，帶來了可觀的經濟效益。
3、在染色後水洗去除浮色生產中的應用 (1)生產工藝流程 ①常規水洗 浸軋染液→烘乾→汽蒸(烘焙)→冷水洗1格→85℃熱水洗4格→95℃以上皂洗4格→冷水洗1格→烘乾 ②超聲波水洗 浸軋染液→烘乾→汽蒸(烘焙)→常溫水洗5格→常溫超聲波水洗3格→95℃以上皂洗1格→冷水洗1格→烘乾 (2)試驗結果 由結果對比分析可得出，超聲波水洗的織物，摩擦牢度和皂洗牢度均好於常規水洗的織物，而且產品質量穩定。超聲波水洗節省了蒸汽，具有較好的經濟效益。
工廠使用經濟效益 在常溫下或適當將1～2槽溫度加熱到40～50℃對前處理和染色織物進行超聲波水洗，其洗滌效果達到了原工藝95℃高溫水洗的效果。超聲波本身也有熱效應，隨著開機時間的延長，水箱水溫也會慢慢上升，所以1～2h後完全是常溫水洗。原高溫水洗每條流水線每天(以20小時計)需消耗15噸蒸汽(每噸蒸汽按140元計算)共計2100元現用超聲波水洗每條流水線每天以20小時計，每小時耗電20千瓦，每千瓦以0.6元計算，則每天能源費為0.6×20×20＝240元，每天可節能源費1860元，一年可節能源費1860×300＝558000元。每套多頻超聲波水洗裝置以28萬元價格計算，則半年就能收回成本。
此外，生產實踐證明，染色後超聲水洗技術降低了用水量，每條水洗生產線每年可以節約用水3萬噸，直接節省用水成本12萬元，同時減少汙水排放3萬噸。
本發明由大功率多頻超聲波發生器通過多頻換能器向傳送中的水中織物發出強大的多頻超聲波。在保證去除染色織物浮色，使各項染色牢度指標達到原水洗工藝的牢度指標前提下，水槽內洗滌用水的溫度由原水洗工藝的95℃下降到50℃，由低溫水洗替代高溫水洗，同時降低了洗滌用水，從而大大節蒸汽耗量和用水量，有一定的社會和經濟效益。
一、前處理水洗生產應用 生產流程按標準的燒毛→冷堆→平洗→煮練→漂白→絲光工藝對棉織物處理，其中平洗採用超聲波水洗，其他工藝參數不變，然後測定前處理完成後織物的毛效、白度等指標，並與常規水洗織物進行對比，得出超聲波水洗設備的使用效果。
1、生產工藝流程 超聲波水洗生產工藝流程燒毛→冷堆→平洗(超聲波)→煮練→漂白 其中平洗工藝中，我們採用了蒸汽加熱水洗(常規工藝)和超聲波常溫水洗(超聲波工藝，)，其它工序工藝條件均保持一致。
表1生產工藝流程/參數對比 2、生產產品指標測試表2前處理完成後各項指標測試結果對比
由測試結果對比分析看出超聲波水洗後的布，毛效和白度略好於常規水洗的布。而且手感也好。超聲波水洗省去了加熱的蒸汽，而且由於加強了水洗效果，使水的交換速率降低，節約了水資源，帶來了可觀的經濟效益。
二、染色水洗生產應用 1、生產工藝流程 (1)常規水洗 浸軋染液→烘乾→汽蒸(焙烘)→冷水洗1格→85℃熱水洗4格→95℃以上皂洗4格→冷水洗1格→烘乾 (2)超聲波水洗 浸軋染液→烘乾→汽蒸(焙烘)→常溫水洗5格→常溫超聲波水洗(皂洗)3格→常溫水洗1格→冷水洗1格→烘乾 2、生產產品指標測試 表3染色後各項指標測試結果對比
表4染色後各項指標測試結果對比
由結果對比分析看出超聲波水洗後的布，摩擦牢度和皂洗牢度指標與常規水洗接近，個別指標略好於常規水洗。而且降低了因蒸汽溫度變化而導致的產品質量的波動。超聲波水洗省去了加熱的蒸汽，降低了水洗用水的交換頻次，節省了水資源，帶來了較大的經濟效益。
採用超聲波水洗技術後，特別是在降低蒸汽成本方面取得顯著的效果，同時在降低水用量，提高水洗效率，減少廢水排放量方面也明顯有效果。我公司從2007年8月至2008年1正式應用於大生產以來，共生產棉類產品850萬米，節約蒸汽8500噸，節約(減排)用水2萬噸，年可節約成本105萬元。
總之，在當前國家大力要求企業完成節能減排的任務下，超聲波染整水洗技術對於能耗大戶印染企業來說無疑具有重要意義。
權利要求
1、一種多頻超聲波去除染色織物浮色的方法，其特徵是該方法包括包含如下步驟
a、在洗滌容器內安裝若干個超聲波振盒，每個超聲波振盒所能發射的超聲波頻率為15～40KHz，且每個超聲波振盒所能發射的超聲波頻率各異；
b、在洗滌容器內灌入洗滌液，使洗滌液將超聲波振盒淹沒；
c、將待洗滌織物浸入洗滌液中並啟動各個超聲波振盒；
d、洗滌完畢，取出織物。
2、如權利要求1所述的多頻超聲波去除染色織物浮色的方法，其特徵是任意兩個超聲波振盒所發射超聲波的功率之比為小數倍或者帶整數的小數倍。
3、實現權利要求1或2所述多頻超聲波去除染色織物浮色方法的專用設備，其特徵是它包括洗滌容器(1)，洗滌容器(1)內設置若干超聲波振盒(2)，每個超聲波振盒(2)上設有導線管(3)，導線管(3)內設有一端與超聲波振盒(2)接通的連接導線(4)，連接導線(4)另一端與超聲波發生器相接，且每個超聲波振盒(2)所能發射的超聲波頻率為15～40KHz，且每個超聲波振盒(2)所能發射的超聲波頻率各異。
4、如權利要求1所述的多頻超聲波去除染色織物浮色方法的專用設備，其特徵是在洗滌容器(1)內壁架設有上下兩層錯位設置的導布輥(5)，且超聲波振盒(2)設置在位於下層導布輥(5)的正上方並與該導布輥(5)平行。
5、如權利要求3或4所述的多頻超聲波去除染色織物浮色方法的專用設備，其特徵是所述的超聲波振盒(2)包括振盒(101)，在振盒(101)的兩側面設有若干橫排的超聲換能器(102)，所述超聲換能器(102)與超聲波發生器相連，在振盒(101)兩端頂面設有各設一個導線管(3)，在每個導線管(3)內均設有連接導線(4)，在振盒(101)兩端設有安裝部(6)，安裝部(6)上開設有安裝孔(7)。
6、如權利要求5所述的多頻超聲波去除染色織物浮色方法的專用設備，其特徵是相鄰兩橫排的超聲換能器(102)呈錯位布置或者呈縱向陣列布置。
全文摘要
本發明公開了一種多頻超聲波去除染色織物浮色的方法及其專用裝置，該方法包含如下步驟a.在洗滌容器內安裝若干個超聲波振盒，每個超聲波振盒所能發射的超聲波頻率為15～40KHz，且每個超聲波振盒所能發射的超聲波頻率各異；b.在洗滌容器內灌入洗滌液，使洗滌液將超聲波振盒淹沒；c.將待洗滌織物浸入洗滌液中並啟動各個超聲波振盒；d.洗滌完畢，取出織物。實現上述方法的專用設備它包括洗滌容器，洗滌容器內設置若干超聲波振盒，每個超聲波振盒上設有導線管，導線管內設有一端與超聲波振盒接通的連接導線，連接導線另一端與超聲波發生裝置相接。
文檔編號D06M10/00GK101250807SQ20081002045
公開日2008年8月27日 申請日期2008年3月7日 優先權日2008年3月7日
發明者王樹根, 範雪榮, 平 盧, 強 王, 劉春瑜 申請人:江南大學, 無錫南方聲學工程有限公司