交变循环染色方式及控制.pdf

印染（2023 No.8）交变循环染色方式及控制郑永忠，刘江坚，董林，陈红军，周生勇三技精密技术（广东）股份有限公司，广东 佛山 528000摘要：介绍一种交变循环染色方式，织物由传统的恒定循环改为交变循环，以达到降低染色过程总能耗的目的。将染液或气流牵引织物循环的持续恒定作用力，转换为周期性间歇变化的作用力，织物仍然可以获得良好的匀染性。织物受到交替张力作用，不断改变其纱线受力状况和堆置形态，可有效消除织物的永久性折痕。现有染色机只要稍作部分功能和程序的改进，即可实现交变循环染色工艺。关键词：交变循环；恒定循环；移染过程；织物循环周期；功率消耗中图分类号：TS193.3文献标志码：B文章编号：1000-4017（2023）08-0058-04Alternating cycle dyeing method and controlZHENG Yongzhong,LIU Jiangjian,DONG Lin,CHEN Hongjun,ZHOU ShengyongSon-Tech Precision Technology(Guangdong)Co.,Ltd.,Foshan 528000,ChinaAbstract:An alternating cycle dyeing method is introduced,which changes the fabric from the traditional constant cycle to alternating cycle to reduce the total energy consumption of the dyeing process.By convertingthe continuous and constant force of dyeing solution or airflow traction on the fabric cycle into periodic and intermittent force,the fabric can still achieve good levelness.The fabric is subjected to alternating tension,andby constantly changing the stress condition and stacking form of its yarn,permanent creases in the fabric canbe effectively eliminated.The existing dyeing machine can realize the alternating cycle dyeing process with only a slight improvement of some functions and procedures.Key words:alternating cycle;constant cycle;migration process;fabric cycle;power consumption传统喷射染色的染液循环通常采用恒定循环方式，被染织物也随之做恒定循环运行。根据染料对织物的上染及织物可能产生折痕的规律，织物的循环周期一般控制在3 min以内。通常，染色过程中织物与染液交换的频率设为恒定，而染料对织物的上染是一个变化过程，需通过界面移染和全过程移染来获得织物的匀染。染料对织物纤维的上染主要是吸附、扩散和固着三个过程。染料在织物中未达到饱和时，是一个上染动态平衡过程，即吸附始终伴随着解吸。尤其是在固着之前，总是存在不均匀上染现象。为此，工艺上通过控制温度、时间、循环速度及加料等手段，利用染料的移染性来达到均匀上染。这种控制方式虽然能够保证织物的染色质量，但没有考虑染液与织物交换频率的可变性对匀染的影响。因而在设定的工艺条件下，牵引织物循环的染液或气流始终处于较高的能耗状态。采用交变循环染色方式，主循环泵（或风机）的功率由持续消耗改为间歇消耗，可在相同的工艺时间内降低总功率消耗。与此同时，被染物也随着染液或气流做交变循环运行，在染料达到上染饱和值之前，通过移染达到整体的匀染效果。实践证明，交变循环染色方式能够满足一般织物品种的染色需求。与相同工艺时间的恒定循环相比，减少了单机的功率消耗。喷嘴染液对被染物的交变作用，可减少纱线毛羽和织物折痕。对于大载量的多管间歇式染色机，提高产品质量和降低能耗的优势更明显。1交变循环的移染分析由浸染原理得知，染色初始阶段，染料对织物上染是不均匀的，只有在一定的时间和控制条件下，通过移染才能逐步达到均匀分布。按照染料在纤维上的分布状态，可分为界面移染和全过程移染两种形式，并且分别发生在上染和固色两个过程中。染料在上染初期主要是界面移染，而上染后期主要是全过程移染。染色工艺参数和设备的运行条件，可以根据这两种移染形式进行设置。实际应用表明：在上染的整个过程中，染料被织物纤维表面吸附的同时，也存在从纤维表面向染液中的解吸；染料向纤维内部扩散的同时，纤维内部的染料也向纤维表面扩散，并解吸到染液中。织物纤维吸附染料多的部位比吸附少的部位解吸速率快，染料会自然从浓度高的部位向浓度低的部位转移。一般，染料在收稿日期：2023-04-25；修回日期：2023-07-17作者简介：郑永忠，男，高级工程师，公司董事长。通信作者：刘江坚（1958），男，高级工程师，主要从事染整装备技术研发和咨询。E-mail：。58交变循环染色方式及控制印染（2023 No.8）织物某一部位达到平衡后，会自动迁移到未达到平衡的部位，直到整个被染织物达到平衡。浸染正是利用移染的这一特性来获得匀染。1.1界面移染界面移染主要发生在纤维表面对染料的吸附，但还未扩散到纤维内部的这段时间。染料从纤维表面解吸下来后，再通过染液的循环运动重新被染料浓度较低的纤维部位吸附。界面移染过程的染料并未扩散到纤维内部，解吸或吸附所需的能量相对较小，故可通过一定的保温时间来实现。界面移染是上染初始阶段的一种自然迁移现象，利用和控制好界面移染是获得匀染的重要一步。活性染料染浅色，在固色之前的第一次上染要控制好界面移染，否则，固色以后就无法再通过全过程移染来改变已出现的上染不匀。1.2全过程移染全过程移染主要发生在染料已扩散到纤维内部之后。此时纤维内部的染料又扩散到纤维表面，并解吸到染液中，然后再重新被纤维所吸附。显然，该移染过程所需要的能量更高，只有在高温区保持一定时间才能够实现。为此，在染色过程中，织物处在高温的时间要比低温长，就是要加快染料的解吸速度，通过移染获得更好的匀染。对于常规线密度的纤维，在高温区域保温一定时间，通过全过程移染可获得较好的匀染效果。超细纤维因其比表面积大，发生界面移染的速度较快，可在低温区域保温一定时间，通过界面移染来提高匀染性。1.3交变循环的移染性界面移染和全过程移染的条件主要取决于温度、染液与织物的交换程度以及纤维的线密度，而染液或织物循环主要是驱使染料（吸附和解吸）由高浓度区向低浓度区转移，其循环周期变化对移染的影响相对较小。因此，在保证移染条件不变的前提下，改变染液和织物的循环方式，由恒定循环改为交变循环，仍然可以达到匀染目的。也就是说，即使相邻两个循环织物交换的染液量不同，但只要在达到所要求颜色深度之前，织物通过移染仍然能够实现匀染。2交变循环的设计方案交变循环是以染液喷嘴的喷射压力与提布辊的线速度同步变化为控制方式的一种节能染色方式。根据交变循环的变化规律,又可分为同步交变循环和异步交变循环，并且作为两种染色模式可分别用于一种机型。2.1同步交变循环同步交变循环是两个不同循环周期交错变换的循环方式，将传统的恒定循环分为快速循环和慢速循环两部分。快速循环相当于恒定循环的正常设定值，慢速循环比快速循环降低约30%50%。但无论是快速循环还是慢速循环，在其本身一个循环（快速或慢速）内，仍然是一个恒定循环，只不过相邻循环是一个交变过程。试验证明，在快速循环和慢速循环交替作用下，织物仍可以获得很好的匀染效果，并且节能效果明显。同步交变循环控制比较简单，只要通过程序设定由主循环泵或风机变频控制染液或风量同步交变循环即可实现。在同步交变循环过程中，被染织物的循环周期是整体快慢交替变化的。根据具体织物品种，可划分几种交变模式，如表1所示。表1同步交变循环Table 1Synchronous exchange cycle交变循环方式“快”“慢”“快”“慢”“快+快”“慢”“快+快”“慢”“快+快+快”“慢+慢”“快+快+快”“快+快”“慢+慢”“快+快”“慢+慢”快速循环周期/（min 圈-1）1.5、2、2.5、3233慢速循环周期/（min 圈-1）3、4、5、644.552.2异步交变循环异步交变循环是在同一个时间内，将若干个布环（或管）等分为两组进行不同循环频率的交换方式。相对同步交变循环，异步交变循环在同一个时间段内，一半快速循环，另一半慢速循环。例如n管异步交变循环：“快速循环（n/2 个布环）慢速循环（n/2 个布环）”。与传统的恒定循环相比，异步交变循环在任何一个循环周期中，总有一半处于慢速循环，因而不仅可以降低装机容量，而且还可以摆脱限电和用电高峰所带来的困惑，保证满负荷生产。异步交变循环方式如表2所示。表2异步交变循环Table 2Asynchronous exchange cycle管数2468交替循环方式“（1管）快”“（1管）慢”“（2管）快”“（2管）慢”“（3管）快”“（3管）慢”“（4管）快”“（4管）慢”快速循环周期/（min 圈-1）1.5、2、2.5、31.5、2、2.5、31.5、2、2.5、31.5、2、2.5、3慢速循环周期/（min 圈-1）3、4、5、63、4、5、63、4、5、63、4、5、62.3设备基本性能要求交变循环对设备的控制和性能有一定要求。设备的控制主要涉及到喷嘴压力交变、织物循环速度交变以及相互变化的协调关系；设备的使用性能涉及到织物单次循环的匀染度、织物循环的扩展性以及提布辊的握持力等方面。2.3.1主要控制功能交变循环主要通过气流和染液喷嘴阀门的程序动59印染（2023 No.8）作，控制各管织物的交变循环。同步交变循环时，可通过主泵或风机变频控制；而异步交变循环时，喷嘴阀门采用比例控制，以满足一部分织物快速循环，另一部分织物慢速循环。织物循环速度的同步升降、异步升降及交变切换，均由主泵、风机、气流喷嘴或染液喷嘴阀门控制。2.3.2织物单次循环匀染度织物单次循环的匀染度取决于染液交换和其他机械作用的程度。织物与染液交换后经历多次机械作用，如部分染液的逆流交换、提布辊的挤压以及气流的渗透压作用等，是提高单次匀染度的有效途径。具有较高织物单次循环匀染度的设备，即使织物与染液交换的总次数减少，也同样能够获得匀染效果。2.3.3织物循环的扩展性在织物单次循环中，设备具有扩展织物、消除暂时性折痕的功能，即使织物循环周期超过一定时间，也不会产生折痕。例如气流或染液对织物的纬向扩展、织物的纵向回缩等，都有利于去除织物的暂时性折痕。此外，储布槽底部采用非等半径弧形设计，可减小堆积织物相互之间的挤压力。2.3.4提布辊的握持力喷射染色机中，主要通过提布辊和喷嘴染液喷射力牵引织物循环，但提布辊和喷嘴喷射力二者的作用程度因织物品种及染色方式而有所不同。当喷嘴喷射力较小（可称为软喷射）时，以提布辊作为牵引织物循环的主要动力源，喷嘴喷射力仅起辅助作用；当喷嘴喷射力比较大（可称为硬喷射）时，则相反。提布辊牵引织物的握持力（不是摩擦力）大小，除与织物的包角有关，还与辊体表面的结构形式有关。喷嘴染液的喷射力大小主要取决于主泵的扬程和流量，即功率消耗。要减小主泵功率消耗（减小喷嘴染液的喷射力），满足织物循环的最低牵引力，就需要增加提布辊的握持力，使其成为织物循环的主要牵引力。2.4染色工艺控制交变循环的切换次数和时间可由具体染色工艺来确定，但无论如何切换，所有管数的织物循环次数及与染液的交换次数是相同的，只是将相同的循环周期改为不同的循环周期。采用同步交变循环模式时，所有管数的织物循环周期是同步变化的，即“快速循环”与“慢速循环”是交替变化的。采用异步交变循环模式时，1/2管数快速循环，1/2管数慢速循环，并且是以“一半快速、一半慢速”交替变化的。染色工艺控制主要包括织物循环周期、交变循环模式切换、加料方式、温度和时间控制，可通过程序自动控制。根据染色工艺需要，同步和异步两种交变循环模式既可设置在染色的全过程，也可设置在某一区域，如设置在升温或保温区域。2.4.1织物循环周期相对传统的织物循环周期概念，快速循环实际上就是按照传统织物循环周期设定，而慢速循环比快速循环降低30%50%。虽然慢速循环阶段的周期比快速循环的周期长一些，但在整个染色过程中，所有管都会经历相同的周期变化，因而不会产生管差。试验结果也证明了这一点。2.4.2交变循环切换同步交变循环和异步交变循环可作为两种染色模式。每一种模式中的交变切换，是根据织物品种和工艺要求通过程序进行控制。可通过工艺试验或成熟工艺的拓展开发一些新工艺，然后编入控制程序中。2.4.3温度控制使用同步交变循环模式时，除加料过程外，其余升温、保温和降温均可按此模式进行。异步交变循环模式建议采用恒温法进行温度控制，在染料上染最快的温度段，设置恒温控制，保证各管中的织物能够获得均匀上染。2.4.4时间控制织物由恒定循环改为交变循环，速度出现快与慢的现象，短时间内会产生上染差异。为此，整个染色工艺过程的时间控制，必须建立在各管织物能够均匀上染的基础上。根据移染在整个染色过程中的作用，设定相应的时间进行控制。3试验结果与讨论在喷射染色机和气液染色机进行交变循环染色试验，与传统的恒定循环染色相比，品质相同，能耗更低。此外，前处理和水洗也可采用交变循环控制，水洗效率高，能耗低。3.1染色工艺试验以两管喷射染色机为例，染色工艺条件按照目前的常规工艺进行，仅织物进行交变循环，并与恒定循环进行电耗对比。（1）工艺试验一175 g/m2，18.45 tex 彩蓝色含氨纶棉平纹针织物，载量200 kg。采用同步交变循环模式。快速循环运行周期为8588 s/圈，主泵实际功率是额定功率的95%；慢速循环运行周期为8990 s/圈，主泵实际功率是额定功率的70%。（2）工艺试验二330 g/m2咖啡色含氨纶棉针织物，载量320 kg。采用同步交变循环模式。快速循环运行周期为129130 s/圈，主泵实际功率是额定功率的95%；慢速循环运行周期为132134 s/圈，主泵实际功率是额定功率的70%。（3）工艺试验三220 g/m2，14.76 tex哈密瓜绿色棉双面织物，载量60交变循环染色方式及控制印染（2023 No.8）650 kg。采用同步交变循环模式。快速循环运行周期为167168 s/圈，主泵实际功率是额定功率的95%；慢速循环运行周期为177178 s/圈，主泵实际功率是额定功率的70%。（4）工艺试验四织物210 g/m，14.76 tex绿色紧密纺棉单面针织物，载量650 kg。采用同步交变循环模式。快速循环运行周期为 153154 s/圈，主泵实际功率是额定功率的95%；慢速循环运行周期为164165 s/圈，主泵实际功率是额定功率的70%。3.2恒定循环与交变循环的耗电量对比表3恒定循环与交变循环的耗电量对比Table 3Comparison of power consumption between constantcycle and alternating cycle试验试验一试验二试验三试验四恒定循环主泵耗电量/（kWh）29.38153.51141.88523.56交变循环主泵耗电量/（kWh）21.18114.6798.89353.4节电/%27.925.330.332.53.3讨论3.3.1染色品质采用交变循环染色的试验品种，染色质量均达到合格品要求。与传统恒定循环相比，交变循环改变了相邻两个循环的周期，或者同一个循环中的速度有快有慢，但织物与染液的总体交换条件（包括时间、温度、织物与染液的交换次数）是相同的，因而仍然能够达到匀染效果。这也足以说明织物的恒定循环，并不是在任何时候都对匀染产生重要影响的必要条件，只要提供一定的交换条件，通过移染也可达到匀染。3.3.2单机功率消耗染色过程的持续功率消耗改为间歇消耗，降低了单机整体运行的电耗。主泵（多管）的运转频率处于交变状态，变频器也发挥出节电功效。采用交变循环染色模式，单机运行的总功率可降低30%以上。3.3.3染液循环喷射染色机除了织物本身所吸附的染液外，还需要足够的染液循环产生牵引力，以保证织物的正常循环，尤其是多管机的循环用水量更大。采用染液交变循环方式，只要满足部分循环染液即可。循环染液的减少不仅可以降低浴比，减少蒸汽消耗和排放，还可缩短进水和排液时间。3.3.4织物张力在交变循环中，织物运行受到的张力也是周期性变化的（快速循环张力大，慢速循环张力小），并且张力变化的间隔时间延长。织物处于慢速循环时，受到的张力较小，可获得充分的回缩机会，降低了张力作用过大或时间过长对其面密度及折痕的影响。3.3.5织物折痕试验中发现，某些织物采用恒定循环，需要主泵开到额定功率的90%以上才能够避免产生折痕。而采用交变循环时，在额定功率的 70%95%进行交变运行时，织物也不会产生折痕。这说明加大喷嘴压力，虽然可以减少某些织物的折痕，但不一定是恒定的喷嘴压力。3.3.6移染的作用织物在浸染过程中，染料主要通过移染均匀上染被染织物。快速循环有利于界面移染，而慢速循环有利于全过程移染。快与慢的交替作用，可以将界面移染和全过程移染发挥到最佳状态。3.3.7气液染色气液染色机的织物循环主要依靠气流和提布辊牵引，采用前置式染液喷嘴。织物与染液的交换量完全可以根据具体的织物循环周期，通过染液喷嘴进行独立控制。与喷射染色机相比，气液染色机中织物低速循环不受染液循环的影响。织物即使处在非常低的循环速度条件下，仍然可以提供较高的染液交换量，保证织物在一个循环中所需染料的移染量。4结论采用交变循环染色方式，既可保证织物染色品质，又可减少单机能耗以及对织物表面质量的影响。通过试验可以得出以下结论。（1）交变循环染色方式有效降低了主循环泵和风机能耗，尤其是多管染色机的节电和降低装机容量优势明显。（2）分解水流或气流对被染物表面的持续作用力，减少织物受到的摩擦损伤。（3）降低喷射染色机牵引织物循环所需的染液量，减少染色和水洗浴比，并降低加热用蒸汽的消耗。（4）在交变循环过程中，界面移染和全过程移染能够发挥出最佳效果。（5）根据工艺及织物的适用性，对同步交变循环与异步交换循环两种染色模式进行选择。（6）同步交变循环染色控制，对设备的要求不高，一般喷射染色机均可实现；异步交变循环染色控制，对设备性能的要求相对较高，但节能效果更显著。参考文献：1刘江坚编著.织物间歇式染色技术M.北京：中国纺织出版社，2012.2刘江坚.低能耗气液染色机的设计与应用J.印染，2013，39（11）：33-35.3刘江坚.气流染色机的功率消耗分析及节能改造J.纺织导报，2014（1）：77-78.4刘江坚.气液染色工艺特性探析J.印染，2017，43（5）：46-49.61