超聲波在紡織品水溶液洗滌中的應用

超聲波在紡織品水溶液洗滌中的應用

Keiko Gotoh*, KokoroHarayama

本論文探討了超聲波作為機械去污應用在紡織品的清洗。本實驗將被炭黑或油酸污染的滌綸布（后面文章中稱之為臟織物）與沒有被污染的滌綸布（后面文章中稱之為原織物）在有堿或者表面活性劑的水溶液中和沒有堿或者表面活性劑的水溶液中一起用超聲波、震蕩和攪拌等三種去污方式來洗滌。三種去污方式的清潔度和污垢再沉積的現(xiàn)象用臟織物和原織物的表面折射率的變化來進行評價。實驗發(fā)現(xiàn)超聲波和震蕩、攪拌相比能在較短的時間內和較低的浴比下有效地去除顆粒和油污。隨著超聲功率的增加，超聲波去污的效果更好，超過了常用的Wascator洗衣機（一種橫軸滾筒式洗衣機）。實驗中還使用三種標準織物確定洗滌中機械作用對織物造成的損傷大小，結果顯示超聲波對織物幾乎沒有造成損傷。然而，超聲波清洗中污垢再沉積的現(xiàn)象經(jīng)常被觀察到，尤其是在低浴比條件下。

在過去的二十年中，“前揭式”及“頂揭式”洗衣機已經(jīng)廣泛地應用在日本國內紡織品洗衣。隨著節(jié)水觀念的盛行，洗衣機的浴比（洗衣額定用水量與額定洗衣容量之比）越來越低。對于“前揭式”洗衣機，它的浴比現(xiàn)在已經(jīng)低于5。但是在如此少的水中用常規(guī)洗衣機洗滌時，如果洗滌劑用量沒有保持相同的洗滌劑加載比，會降低清洗的清潔度。即使保持相同的洗滌劑加載比，在洗滌過程中也很難去除洗滌劑殘余物。除了低浴比下去污效果不好外，由于在較低的浴比下水中去除的污漬濃度的變高，在低浴比下污垢再沉積也可能會經(jīng)常發(fā)生。此外，在低浴比下進行洗滌可能會對織物造成損傷，比如由于織物表面之間的摩擦造成的原纖化和織物手感的下降。與之前的洗衣機洗滌過程中的機械攪動不同，超聲波清洗是另一種機械作用。它是在清洗過程中氣泡或空洞的快速生成和猛烈崩塌強烈形成的機械作用。超聲波在很多行業(yè)中被廣泛地應用在硬表面的清洗。由于洗滌過程中不會發(fā)生激烈流動和變化的織物表面之間的摩擦，超聲波清洗會降低織物在洗滌中受到的損傷。另外，通過超聲洗滌過程中生成的活性物質，高功率的超聲波可以使織物上的污點變淡。然而，通常認為超聲波不適合清洗像紡織品這類柔軟和靈活的材料。

在本研究中，使用頻率調制超聲波設備在整個水缸中創(chuàng)造了一個均勻超聲場進行超聲波清洗。實驗中選擇聚酯纖維作為一個面料樣品，因為它是最常見的人造纖維而且它通常是由國內洗衣店清洗的。實驗中將自主開發(fā)的臟織物和原織物一起用超聲波、震蕩和攪拌在水中清洗。臟織物的清潔度和原織物的污垢再沉積是從兩種織物清潔后的表面反射率的變化來確定的。超聲的優(yōu)點通過對織物的損害以及清潔度兩方面來和震蕩、攪拌的作用相比較。此外，還用超聲波清洗的清潔程度與家用洗衣機進行了比較，洗衣機采用的是經(jīng)過ISO 6330認證的水平式滾筒洗衣機。

1．材料和方法

1.1 材料

作為污染源，采用了炭黑（SEAST SP, Tokai Carbon Co. Ltd., Japan）和油酸兩種污染物。采用蘇丹III（oilysoluble dye, CI26100, Wako Pure Chemical Industries，Ltd. Japan）作為一個示蹤劑，將其在污染織物之前與油酸混合均勻。

選擇從Shik isensha有限公司購買的平織滌綸織物（Toray Tropical）作為原始面料，滌綸織物在白開水純化兩次。為評價在洗滌過程中的機械損傷，三種標準機械作用面料，WAT布（Japan Textile Evaluation Technology Council），機械作用（MA）試件（（Danish Textile Institute, Denmark）和EMPA-MA(P) “POKADOT306”（EMPA 306，EMPATestmaterials AG，Sw itzerland）。從SDC有限公司（UK）購買的棉的鎮(zhèn)流器（920×920 mm2，130g）和聚酯（200×200mm2，50g）被選定作為測試加載。

采用十二烷基硫酸鈉（AS, Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Japan），聚氧乙烯（10）十二烷基醚（AE，Lion Corporation，Japan）作為表面活性劑。在1mmo l/L鈉離子存在下通過測量AS和AE的表面張力，臨界膠束濃度分別確定為7.6×10-3和1.5×10-4mol/dm3。氫氧化鈉和氯化鈉被分別作為堿和中性鹽。水（電阻率18MΩcm）是使用一個直接-Q UV設備（M illipore，USA）凈化的。

1.2 臟織物的制備

作為一個污染浴，包含0.02g炭黑或者5g油酸/0.02g蘇丹III的0.1dm3乙醇混合物超聲備用。然后，原織物（50× 50mm2）在每個污染浴中浸漬3分鐘，弄臟后干燥并在洗滌測試之前冷藏7天。

原織物和臟織物的表面反射率的測定使用分光光度計（NF333，N IPPONN DENS- HOKU，Japan）。被炭黑和油酸弄臟的織物的波長分別為460和500nm。

在織物每側讀取不同的兩點，最終取其平均值。Kubelka-Munk函數(shù)值，K/S，被炭黑和油酸污染的織物計算的表面反射率分別為0.39±0.12和0.89±0.15。

如上文所述計算完表面反射率后立即進行洗滌實驗。水性洗滌劑溶液使用NaCl溶液（[NaCl]=1mmol/dm3），NaOH溶液（[NaOH]=2mmol/dm3，[NaCl]=1 mmol/dm3），AS溶液（[AS]=8mm ol/dm3，[NaC l]=1 mm ol/dm3），AS+NaOH溶液（[AS]=8mmol/dm3，[NaOH]=2mmol/dm3，[NaC l]=1mmol/dm3）和AE溶液（[AE]=0.2mmol/dm3，[NaC l]=1mmol/dm3）。臟織物和原織物（臟織物在上）整齊地疊放在一起，并水平地放置在裝有洗滌劑溶液0.2dm3的燒杯中，洗浴比為10～100。

作為機械作用的來源，使用可調頻率的超聲波（38kH z，120W）清洗機，使用一個64106振蕩器和一個64801VS洗衣機（KAIJO，Japan）。洗衣機的水位調節(jié)至68mm，不銹鋼絲網(wǎng)籃設置在離底部40mm處。與超聲清洗作比較，震蕩（120spm，40-mmstroke）和攪拌（40rpm）作用分別選用了BW 201水浴搖床（Yamato Scientific Co. Ltd., Japan）和REXIM RSH-4DR磁力攪拌器（As one, Japan）。為使磁力攪拌棒（8mmΩ×30mm）可以平穩(wěn)轉動，攪拌洗滌只在浴比為100時進行。洗滌溫度為25±1℃。洗滌后，臟織物和原織物用0.1dm3的水沖洗60s。

洗滌測試也使用了通過ISO認證的W sscator洗衣機，使用了4A（正常），7A（柔軟）和手洗程序，并且洗滌和沖洗溫度從原來的程序設定設置在25℃。每16個弄臟的和原始的織物和由6棉和14聚酯鎮(zhèn)流器組成的試驗載荷在相同的容器（15dm3）中一起洗滌。在洗滌前，織物的一側縫上聚酯鎮(zhèn)流器。織物樣品和試驗載荷的總重量為1.5公斤左右，浴比計算為10。

在空氣中干燥洗滌的織物后，從得到的K/S值再次測定表面反射率。去污力D，和污垢再沉積SR，運用下面的公式從原始織物和臟織物洗滌前后的K/S值計算得出：

以及

這里下標s和w分別指的是織物清洗前和清洗后。該實驗在相同的實驗條件下重復5～10次，D和SR的實驗誤差在±10～15%。

所有的實驗均在室溫下25±1℃進行。

1.4 洗滌對織物損傷的評估

三種機械作用測試件，W AT布，M A測試件和EMPA306，裁剪成50×50mm2（對MA測試件35mm的中心孔）。用每種測試件代替臟織物，在1.3章節(jié)提到的在水浴比10下進行相同的洗滌程序。對洗滌前后的測試件進行照相記錄。對W AT布，洗滌L值（CIE L/a/b色標里的白色）的變化DL，來衡量機械作用的強度。

2．結果和討論

2.1 清潔度和污垢再沉積隨時間的變化

圖1所示的是在AS溶液中不同洗滌時間下臟織物的清潔度和炭黑在原織物上的污垢再沉積。在震蕩以及沒有機械作用下幾乎沒有炭黑從織物上脫去。在超聲清洗中，炭黑的清潔度大約為20%，而且可以持續(xù)幾分鐘的時間，然而污垢再沉積隨著洗滌時間而增大。

與炭黑相比，油酸（如圖2所示）的清潔度是相當大的。在震蕩作用和在沒有機械作用下清潔度在5分鐘內分別達到40%和10%。另一方面，超聲波在幾分鐘內除去了大約80%的油酸。油酸的清潔度和污垢再沉積相對于洗滌時間和機械作用的結果與炭黑表現(xiàn)出相似的趨勢。然而，炭黑的污垢再沉積隨時間延長而增大，而油酸的污垢再沉積在5分鐘后達到飽和。炭黑的清潔度隨時間延長略微增大，但是不能解釋清楚兩種污染物污垢再沉積隨時間表現(xiàn)出的不同。

從清潔度和污垢再沉積的觀點出發(fā)，短時間的超聲波清洗是值得關注的。

2.2 浴比對清潔度和污垢再沉積的影響

圖3所示的是在多個浴比下AS溶液中炭黑的污垢再沉積。震蕩過程中在任何浴比下很少的炭黑被清除掉。炭黑的污垢再沉積隨浴比的下降而上升，尤其是在超聲清洗中。觀察圖像可以得出，在浴比為30時超聲的清潔度最大。這可能是由于超聲作用的機械功率降低造成的，同時也是洗浴比增大時污垢再沉積降低的原因。超聲的最大清潔度（ca.20%）和震蕩在浴比為100時的震蕩洗滌的效果相當。

圖1 炭黑在浴比為30的AS溶液中的去汚力D，污垢再沉積SR，在沒有機械作用（空心圓），震蕩（實心圓），超聲（實心三角）下隨洗滌時間的變化

圖2 油酸在浴比為30的AS溶液中的去汚力D，污垢再沉積SR，在沒有機械作用（空心圓），震蕩（實心圓），超聲（實心三角）下隨洗滌時間的變化

圖3 炭黑在AS溶液中的去汚力D，污垢再沉積SR在沒有機械作用（空心圓），震蕩（實心圓），超聲（實心三角）和攪拌（空心三角）洗滌后隨浴比的變化

圖4 油酸在AS溶液中的去汚力D，污垢再沉積SR在沒有機械作用（空心圓），震蕩（實心圓），超聲（實心三角）和攪拌（空心三角）洗滌后隨浴比的變化

另外，油酸的清潔度和浴比沒有關系。清潔度最大的是超聲，其次是震蕩，最低的是沒有機械作用（如圖4所示）。油酸的污垢再沉積和炭黑一樣也是隨著浴比的降低而增大（如圖3所示），這表明在低浴比下會增大污垢再沉積現(xiàn)象。

2.3 在各種水溶液中的清潔度和污垢再沉積

圖5和圖6分別所示的是用超聲在兩種浴比（10和30）下，炭黑和油酸在各種水溶液中的清潔度和污垢再沉積。炭黑在高浴比下的清潔度是比較大的（如圖5所示），而油酸的清潔度和浴比沒有關系（如圖6所示）。兩種污染物在低浴比下都會經(jīng)常被沉積到織物上。另外，結果還表明在表面活性劑的存在下清潔度會增強，污垢再沉積也會降低。

圖7和圖8所示的是比較了炭黑和油酸的清潔度和污垢再沉積在浴比為10各種水溶液中經(jīng)過超聲和震蕩洗滌后的大小。結果表明在任何溶液中，相對于震蕩來說，超聲清洗都可以有效地去除炭黑和油酸。然而，和震蕩相比，超聲洗滌后的兩種污染物的污垢沉積是相當大的。

通常情況下，在洗滌中污垢再沉積和從織物上去除污垢的量是沒有關系的。因此，污垢再沉積SR，除以臟織物洗滌前后K/S的差值（如下所示），這和污染物在水中的量是對應的：

如圖7和圖8中所示，標準化的污垢再沉積SR'， 無論是哪種污染物或者哪種溶液中，超聲依然比震蕩大。值得注意的是，炭黑的SR'值比油酸大10倍，而兩者的SR'值在加入表面活性劑后大大減少，尤其是陰離子表面活性劑AS。

圖5 炭黑在洗浴比為10（白色柱子）和30（黑色柱子）的各種水溶液中超聲洗滌后的去汚力D，和再沉積SR

圖6 油酸在洗浴比為10（白色柱子）和30（黑色柱子）的各種水溶液中超聲洗滌后的去汚力D，和污垢再沉積SR

圖7 炭黑在洗浴比為10的各種水溶液中震蕩（黑色柱子）和超聲（白色柱子）洗滌后的去汚力D，和污垢再沉積SR

圖8 油酸在洗浴比為10的各種水溶液中震蕩（黑色柱子）和超聲（白色柱子）洗滌后的去汚力D，再沉積SR，和標準再沉積SR

圖9 炭黑和油酸在AS水溶液中使用Wascator 4A（白色柱子），7A（陰影柱子）和手洗（黑色柱子）程序后的去污力

2.4 超聲和Wascator去污力的比較

圖9是兩種臟織物用Wascator洗衣機在AS溶液中清洗后的清潔度。在圖中未給出污垢再沉積的圖像，因為它大約比圖1～8所示的震蕩和超聲清洗的污垢再沉積低一個數(shù)量級。兩種污染物在Wascator洗衣機洗滌后的清潔度是4A＞7A＞手洗，這和機械作用的強度是一致的（如圖11所示）。油酸在4A程序下的去污與超聲清洗是相似的。另外，圖9中炭黑的清潔度明顯大于油酸。在實驗中的超聲功率是120W，因此附加的洗滌測試是改變超聲波功率。圖10中所示的是超聲功率對炭黑和油酸的清潔度和污垢再沉積在浴比為30的AS溶液中的影響（震蕩洗滌，調制160spm，兩種污染物的污垢再沉積幾乎沒有增加）。發(fā)現(xiàn)炭黑的清潔度隨著功率的增加而增大，在360W時達到了41%，這個功率和使用Wascator4A模式是對應的。另外，在360W下油酸幾乎全部被去除掉。盡管污垢再沉積SR，隨功率的增大而增加，然而標準污垢再沉積SR'，卻隨著功率的增大而降低。

圖10中樣品的標準污垢再沉積SR'=0.08的情況是可以通過肉眼觀察到的。另外，增強聚酯表面親水性和向洗滌劑溶液中加入分散劑可以有效地減少在較低浴比下超聲清洗的疏水性污垢再沉積。我們已經(jīng)報道了經(jīng)過常壓等離子體處理后的聚酯織物的可濕性的增加可以顯著地預防炭黑在其上的再沉積。在超聲清洗過程中污垢再沉積的預防有很大的改進空間。

2.5 超聲和普通洗衣機對織物損傷的比較

圖11顯示的三種機械作用織物在經(jīng)過震蕩、超聲、攪拌和Wascator洗衣機清洗前后的照片。可以看出震蕩和超聲清洗后對織物幾乎沒有造成損傷。另外，可以清楚觀察到Wascator洗衣機洗滌后對織物造成了大面積的損傷。

圖10 炭黑（d）和油酸（N）在浴比為30的AS溶液中洗滌后的去汚力D，再沉積SR和標準再沉積SR'隨超聲功率的變化

圖11 在浴比為10下震蕩、超聲、攪拌和Wascator洗滌之前和之后三種機械作用織物的照片。對W AT布，L在CIE L/a/b彩色標尺中是白色的以及DL是由于洗滌和相對應于機械作用強度L值的變化

因此，從降低洗滌過程中對織物的損傷，清潔度以及污垢再沉淀的觀點出發(fā)，可以預見超聲的應用可以得到高洗衣機的性能。

3．總結

聚酯織物通過超聲波清洗，在短時間內和較低浴比下的任何洗滌劑溶液中模型顆粒物和油污都能被有效地去除。另外，超聲清洗中對織物造成了很小的損傷。然而，使用超聲波去除的污物會經(jīng)常沉積到織物上，尤其是在低浴比下。未來，在紡織品洗滌過程中超聲和機械攪拌的組合將會得到實際應用。

（楊杰/編譯）

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