超聲波清洗濕紡用噴絲頭

王載利，李 達

(青島大學紡織服裝學院，山東 青島 266071)

1 引言

噴絲頭是紡絲機的重要部件之一，它的作用是將黏流態的高聚物熔體或溶液，通過微孔轉變成有特定截面狀的細流，經過凝固介質或凝固浴固化而形成絲條。因為噴絲頭小孔的形狀決定纖維的截面形狀，因而噴絲頭小孔在加工過程中出現畸形或使用過程中產生堵塞，都會引起纖維纖度不勻。

噴絲頭堵塞是紡絲過程中最常見的現象，會嚴重影響紡絲的效率和絲條的質量，而且熔體在經過噴絲頭時帶走的極微小的雜質也會造成紡絲斷頭或使纖維的單絲結構發生變化而引起強度降低[1]。傳統的噴絲頭清洗方法如化學、物理或機械法會使噴絲孔磨損以致出現微裂、侵蝕、孔徑不規則等毛病，噴絲頭形狀的缺陷會影響紡絲溶液的可紡性。為解決濕紡用噴絲頭堵塞問題，很多工廠采用超聲波清洗噴絲頭的方法，但對于超聲波清洗噴絲頭的作用效果、工作機理及影響因素缺乏相關的分析探討。本文在分析了噴絲頭的清洗效果對紡絲工藝影響的基礎上，重點對超聲波清洗機的構成、清洗機理及影響清洗效果的因素等進行了分析探討。

2 噴絲頭的特點及其清洗效果對紡絲工藝的影響

濕紡用的噴絲頭一般都是帽形的，一般來說，噴絲頭的毛坯直徑根據噴絲頭上孔的數目而定。噴絲頭的孔徑大小根據纖維的規格而定，一般在0.04～0.16 mm[2]，減小孔徑可以提高纖維的質量，但是卻會加重噴絲時的堵孔現象。

噴絲頭的孔數、孔徑、圓柱體部分的長徑比、入口角孔的分布密度或孔間距等均對纖維的成形很重要，但從纖維成形的意義上看，噴絲孔的尺寸和孔形顯得更重要。濕紡噴絲頭的孔形主要有圓錐形、圓弧形和雙曲線形三種[2]，如圖1、圖2、圖3所示。

在這三種孔形中，第一種使用得最為普遍，使用歷史最久；第二種在最近幾年才開始使用，主要用于長絲的高速連續化紡絲；第三種是最為理想的一種孔形，但是由于工藝條件很難達到，故在實際生產中還無法使用。

圖1 圓錐形孔

圖2 圓弧形孔

圖3 雙曲線形孔

增加噴絲頭孔眼圓柱部分的長徑比，對成形穩定有積極的影響[3]。對長徑比的選擇主要應考慮紡絲液離開噴絲孔后的膨化狀態，紡絲液是一種黏彈性體，它從噴絲孔流出后，與壁之間的摩擦消失，可以看到細流逐漸膨脹至最大值，細流的明顯膨脹對紡絲工藝有不良影響，而長徑比與細流的膨化有直接的關系。一旦紡絲液堵塞噴絲頭就會影響噴絲孔圓柱部分的長徑比，進而影響紡絲工藝，因此應選用一種簡便有效的清洗噴絲頭的方法。

另外，毛細孔入口角的形狀也對紡絲工藝有一定的影響。將入口角變大，可以減少能量損失，因而圓弧形孔比圓錐形孔效果好，雙曲線形孔的曲率變化小，紡絲效果較好。一旦紡絲液堵塞噴絲頭，入口角就會減小，從而影響紡絲效果。

從以上分析可以看出，清潔的噴絲頭對紡絲質量影響顯著，因而要選用清洗效果好且不會對噴絲孔造成損傷的清洗方法。

3 超聲波清洗機的組成及工作機理

超聲波清洗機一般由超聲波發生器、換能器、清洗缸三部分組成。

3.1 超聲波清洗機各構件

超聲波換能器主要有電子管式和晶體管式兩種[4]，其中后者使用較多。晶體管式換能器也有兩種形式，一種是上世紀七八十年代使用的自激式D類晶體管，其特點是線路短，換能器是自激式振蕩器的一部分，頻率可以隨著負荷頻率的變化而變化，但是它沒有保護電路，功率不能連續調節。另一種超聲波換能器是他激式的，這種換能器的頻率、脈沖寬度可以調節，功率可以連續調節[5]。

超聲波清洗機用的超聲波發生器有以下特點：隨著清洗深度的不同，換能器共振頻率和阻抗變化很大，但是實踐表明，槽內放入噴絲頭后，共振頻率和阻抗基本可以穩定在某一個數值；一般來說，由于清洗負載變動較小，可以不要求復雜的頻率自動跟蹤電路。

換能器是將電能轉化為機械能的裝置[4]，主要有磁致伸縮換能器和壓電式換能器兩種。由于前者的價格高，電聲效率低，很少使用。壓電式換能器電聲效率高，價格便宜，安裝使用方便，使用較普遍。壓電式換能器為單螺釘緊固的縱向振動換能器，由兩片中心穿孔的壓電陶瓷晶片及前后蓋板組成。一臺清洗機有多個換能器，經黏結劑黏結在清洗缸底部且并聯組成一臺清洗機的換能器，換能器基元之間相距5～10 mm為佳，太大了容易產生彎曲振動，且振動板受到腐蝕，同時輻射面相對減少。

清洗缸也叫清洗槽，其尺寸根據超聲波功率的大小而定。缸的材料多選用不銹鋼，厚度在1.5～3.0 mm之間，缸底加工必須平整，還要經過噴砂處理。

3.2 超聲波的工作機理

超聲波清洗機理分兩種情況，一種是在中、低頻時，即頻率在20～130 kHz時，超聲空化起著最重要的作用。空化作用是指當超聲波在作為清洗介質的液體中傳播時，存在于液體中的微氣泡在聲場作用下產生振動，當聲壓達到一定值時，氣泡迅速擴大，然后突然閉合，在氣泡閉合時產生強大的沖擊波，在其周圍產生上千個大氣壓的壓力，破壞不溶性污物而使它們分散在清洗液中[4]。另一種是在高頻區，即頻率在1 MHz左右時，由于頻率太高，聲波在清洗液中很難發生空化作用，機理一般認為是由于聲壓梯度、粒子速度及聲流的作用，空化作用是次要的。這種超聲清洗的方向性強，清洗時一般將零件表面與聲束平行。

在清洗噴絲頭時，主要用低頻聲波，因而空化作用是主要因素。氣泡爆破時產生的高溫高壓沖擊波減小了污垢與被清洗件之間的黏著力，引起污垢的破壞和脫離，并且氣體型氣泡的振動對工件表面進行擦洗，振動可以傳入內部縫隙中，使黏著物脫落。超聲空化在液體和固體表面產生的微射流，能夠除去或削弱邊界污層，增加攪拌作用，加速黏著物在清洗液中的分散作用，強化洗滌效果。

4 影響超聲波清洗效果的因素

影響超聲波清洗效果的因素有多種，其中超聲波的功率、頻率、清洗液的選擇、清洗箱容量、清洗溫度和時間等工藝參數對清洗效果均有影響。

4.1 超聲波的功率

超聲波清洗的效果不一定與所加的功率成正比。如果超聲波功率太大，液體中的空化強度將大大增加，較精密的器件可能產生蝕點，而且清洗缸底部振動板空化也很嚴重，使缸的壽命縮短。另外，超聲波功率過大會使液體中的聲強過高，產生大量的氣泡，在聲波表面形成一道屏障，聲波不易擴散到整個缸體中，使得離聲源較遠的地方清洗作用減弱。超聲波的功率太小則會降低空化強度，達不到清洗的目的。因而用超聲波清洗噴絲頭時選擇合適的功率是必須的。

4.2 超聲波的頻率

超聲波清洗噴絲頭常用的頻率在20～40 kHz之間。當超聲波頻率低時，在清洗劑中由空化作用引起的物理清洗作用顯然有利，但空化引起的噪聲很大，其分貝遠遠超過有關標準，在實際生產中20 kHz以下的超聲波很少使用。對于小間隙、狹縫、深孔類零件的清洗選用頻率大些的超聲波較好。

4.3 清洗液

由于在紡絲過程中紡絲液經過噴絲頭進入凝固浴中，因而堵塞噴絲頭的污物多是紡絲液中的細小雜質或是未溶解的物料。只要在超聲波清洗時選擇合適的清洗液將紡絲液溶解或稀釋，就能達到良好的清洗效果。

黏膠纖維是再生纖維素纖維，是從不能直接紡織加工的纖維素原料中提取純凈纖維素，經過燒堿等處理后制成黏稠的紡絲溶液，因而黏膠纖維的紡絲液可以溶于堿液中，在清洗黏膠紡絲所用的噴絲頭時，選擇稀堿液為清洗液能夠達到更好的清洗效果。

殼聚糖纖維是將殼聚糖溶解到乙酸溶液中制成紡絲液，經過噴絲頭后在堿性凝固浴中成絲，因而酸液可以使紡絲液的濃度變小，從而降低其黏度。選擇酸性清洗液效果更好。

由此可見，超聲波清洗噴絲頭的清洗液要根據所紡纖維品種進行選擇才能達到最佳效果。

4.4 清洗箱容量

清洗液量一般高于振子表面100 mm以上為好，但根據超聲波的功率進行選擇所達到的效果最好。由于清洗器受駐波場的影響，波節處振幅很小，而波幅處振幅很大，因而清洗效果不均勻，將清洗件放在波幅處時清洗效果最好。或者在清洗時將清洗件上下移動，使清洗均勻。

4.5 清洗溫度和時間

超聲波清洗噴絲頭的溫度大約在40～60 ℃之間。若清洗溫度太低，則空化效果比較差，清洗效果也不好。因而部分超聲波清洗機中裝有加熱保溫裝置。如果溫度太高，氣泡內的氣壓增加，引起沖擊聲壓下降，對清洗效果不利。

超聲波作用的時間與空化閾值有關，作用時間越長空化閾值越小。空化閾值是指使液體產生空化作用的最低聲強或聲壓幅值。作用時間越長，超聲波產生空化作用越容易，但是清洗時間不能無限制的延長，否則會造成資源浪費。

5 超聲波清洗噴絲頭的優勢及應用前景

超聲波清洗噴絲頭與其他清洗方法相比具有清洗效果好、所用時間短、殘留物少的優點。只要將噴絲頭浸入清洗液中，噴絲頭的各個部位都可以得到充分的清洗，包括深孔和凹槽。由于超聲波發生器采用工作放大的方式，換能器的電聲效率高，因而具有高效節能的特點，是一種高速、高質，易實現自動化的超聲波清洗技術。另外，超聲波對聲反射強的材料清洗效果好，而噴絲頭是用對超聲波反射強的金、鉑等金屬制成的，清洗效果又有很大的提高，因而采用超聲波清洗技術清洗噴絲頭是最理想的清洗方法。隨著濕紡纖維產量的增加，采用超聲波清洗噴絲頭將會得到更大的應用和推廣。

[1]田家偉.噴絲頭、紡絲泵、紡絲濾器的清洗[J].北京化纖，1995(3)：16-17.

[2]吳正之.黏膠長絲噴絲頭與紡絲可紡性[J].人造纖維,1999(1)：3-6.

[3]趙琪.濕紡噴絲頭的材質、孔形與可紡性的關系[J].廣東化纖技術通訊,1980(7)：31-36.

[4]李春妹.超聲波清洗技術及其在紡織行業的應用[J].紡織器材,1997(5)：26-27.

[5]陳思忠.超聲波清洗技術與進展[J].洗凈技術,2004(2)：7-12.