纺织品微尺度点状整理加工技术及产品开发

施楣梧,武光信,崔宝涛,陈统仁,陈作芳,王军锋

(1.总后勤部军需装备研究所,北京 100010;2.山东沃源新型面料股份有限公司,山东 淄博 256100;3.江苏大学 能源与动力学院,江苏 镇江 212013)



纺织品微尺度点状整理加工技术及产品开发

施楣梧1,武光信2,崔宝涛2,陈统仁2,陈作芳2,王军锋3

(1.总后勤部军需装备研究所,北京 100010;2.山东沃源新型面料股份有限公司,山东 淄博 256100;3.江苏大学 能源与动力学院,江苏 镇江 212013)

摘要:提出整理剂在织物表面以微尺度非均匀施加的技术路线,通过整理剂结合其微尺度施加结构,使织物产生特殊功能．采用静电场控制下的喷淋加工方法使拒水整理剂在织物单侧表面实现液滴直径约100～500μm、液滴间距约100～500μm的微尺度点状分布,在整理剂喷淋面形成差动毛细效应,实现液态水在织物上的单向传导效果．

关键词:微尺度；点状整理；喷淋加工；单向传导

0引言

纺织品整理加工中,传统的浸轧法加工只能对织物均匀施加整理剂,整理剂不能在织物中形成非连续的分布结构,故只能实现整理剂所带来的基本功能,且带液量约为60%～100%[1],使烘燥定型时产生较高的能耗．泡沫整理技术可单面施加整理剂,使整理剂在织物厚度方向形成某一分布,并使带液量降至15%～30%[2]．实践证明,当某些功能性整理剂以微小的点状结构离散地施加于织物表面，且宏观均匀,将使织物得到特殊的整理效果,并使带液量更少，焙烘定型时的耗能更低．类似于泡沫整理,泡沫染色和气流雾化染色技术[3]也采用气流将染液分散后施加于织物,起到大幅度降低用水量的作用．但染液液滴仍然在织物上呈均匀分布．泡沫上浆、泡沫丝光、泡沫增白及泡沫印花时在同一色块内的工作液均追求均匀分布,工作液液滴并不形成离散的结构．前人在织物表面离散地实现整理剂分布施加的方法,主要有吴烨芳[4-5]、王建中[6]等提出的印花施加方法,即将拒水整理剂用印花机点状印制在织物的一个表面．这种施加方法通过形成差动毛细效应,使织物具有单向导水效果,液态水会单方向地沿织物法向透通,可对运动服、军警服装和工装提供有助于汗液快速释放的良好功能,其性能优于吸湿快干、吸湿排汗等基于沿织物平面方向毛细效应的水汽扩散效果．

本文提出整理剂在静电场控制下的喷淋加工工艺,采用气助喷雾结合静电场控制的方法[7-9],简便地实现液滴尺寸及分布的控制,使织物的接受面得到点状分布的微尺度整理剂液滴．在整理剂为拒水剂时,可实现织物单向导水功能[10-11],且加工成本更低、生产效率更高;类似地,改变整理剂的种类或喷洒量,可以实现点状抗皱[12]、单面拒水、芳香整理等功能．此类加工方法下的织物带液量约为5%～25%,故同时具有显著的节能效果．

1整体设计

纺织品微尺度点状加工工艺的实施,可以采用点状印花[4-6]、气助喷雾静电雾化[7-9]、列阵式静电喷雾[13-14]、旋转式雾化喷嘴[15]等方法．采用印花法将整理剂点状施加于织物表面时,因需要制网、调浆、网印、蒸化、清洗等工序,生产流程长、加工成本高．采用喷雾方法将整理剂直接施加于织物一侧表面,直接进定型机烘定固着,可显著降低成本、提高效率．其中气助喷雾静电雾化系统的液滴管理水平高、运行可靠性强，其结构如图1所示.气助喷雾静电雾化系统可以制成单元机安装在定型机之前,也可以以简易方式在定型机前段架设一个龙门架安装喷嘴．因此,对于前者需要有专门的导布机构,并为防止喷淋到织物表面的液滴被导布机构沾染拖移而破坏点状结构,需要有红外灯等预烘机构使织物表面基本干燥;对于安装在定型机前段的简易方式,则不需要设置预烘装置,可直接利用定型机的导布机构,将经喷淋加工的织物直接导入定型机．喷淋机构是气助喷雾静电雾化系统的关键．由于目前国内外的扇形气助喷嘴的喷雾宽度最大仅70cm,故至少需要3个扇形喷嘴来衔接,使喷雾宽度达到坯布门幅(170cm左右,经热定型后使成品门幅达到150cm).为使多个扇形喷嘴喷出的雾滴密度在门幅方向保持均匀,应选用在宽度方向喷洒均匀的扇形喷嘴,并在喷洒密度开始下降,直至喷洒密度为0的衰减段呈现线性衰减的特性,以便左右相邻的两个喷嘴只要调整到衰减段重叠,即可达到沿门幅方向喷洒密度均匀的目的．

静电控制机构是在喷嘴前端设置一个与喷嘴壳体保持电绝缘的针型或环型发射电极，在织物下方设计一个平板状的接收电极,在这两个电极之间采用高压发生器施加高电压(根据液滴粒径要求确定为8kV左右)[15],形成静电场．随着静电场场强的提高,静电场的电磁力破坏液滴表面张力的能力增强,可使液滴分离成更小的尺寸,从而实现通过调整静电压来调整液滴尺寸的目的．

整理剂调液输液系统由调液桶、搅拌机构和定量输送泵组成,并设计了切换液路,在喷淋加工结束后,采用专用的清洗液对管路和喷嘴进行清洗,以防堵塞．气流平衡机构由喷淋区域四周的密封罩和织物下方的吸风口组成．为防止气助喷雾使喷淋区产生正压，雾化气体从喷淋区域逸散，浪费物料并污染环境,需根据气助喷雾喷嘴的气体总流量,在织物背面设置一个与接收电极极板尺寸相对应的吸风口,在喷淋区域基本密封的前提下,采用织物下方抽吸的方法来平衡气流,防止雾气扩散,并使雾化液滴在气流和静电作用下渗入织物内部．气助喷雾静电雾化系统的喷雾气压、工作液流量、静电雾化所需的静电压及其他控制设备均集成安装在单元机的控制台内;或集中安装在定型机旁边,供调整操作．气助喷雾静电雾化系统适用于常规功能性整理剂的喷淋加工,在控制工作温度，选用高交联温度整理剂的前提下,配合一定的操作规程,可避免喷嘴堵塞,保证正常运行．气助喷雾静电雾化系统的输液量可以在0～55mL/s范围内调整,静电压的调节范围为0～15kV,工作液液滴尺寸可以在100～500μm范围内进行调节,工作液在织物表面的施加量为10～50mL/m2．假设织物的面密度为200g/m2,故带液量仅为5%～25%,节能效果突出．

2液滴尺寸和分布状态的调整

液滴尺寸和分布状态决定于喷嘴结构、气压、工作液流量、喷洒距离,以及静电场电极结构、静电压、工作液的液滴的荷质比和织物的加工速度．在喷嘴规格确定后,增加气压可降低液滴尺寸,同时会增加液滴的逸散,特别在液滴以较大倾角吹向织物表面时,会因碰撞而脱离织物表面．在喷淋机构确定后,喷洒距离也不可变．织物的加工速度直接影响加工效率,不允许加工速度过低．

对工作液添加特定盐类化合物以达到固定的荷质比，并在电极结构确定后,施加的静电压的高低可有效控制液滴的尺寸和分布状态．因为静电场中荷电液滴的运动是由电场力、重力和喷嘴的气流驱动力共同决定．在喷嘴压力较小、静电场强度较大的前提下,液滴主要受静电场力控制,当液滴的内聚能低于电场能量时将发生液滴的破裂,使液滴尺寸细化．并因相邻液滴具有相同的电极性,在电场中相互分离且逐渐趋于均匀化;即使对于由两个相邻喷嘴喷出的呈交叉喷射状态的液滴而言,也会在电力线作用下转变为相互平行的行进轨迹,避免相邻喷嘴在喷淋重叠区域产生因液体碰撞而出现液滴变大的现象．

图2所示为在相同喷嘴及气压条件下,不同静电压下的液滴在普通织物上的施加尺寸和分布状态．为便于观察,采用红色食用色素代替整理剂．图2(a)为未施加静电场,仅依靠气助喷嘴,在气压0.2MPa、流量12mL/s、织物移动速度25m/min时,液体在织物表面的施加状况．可以看出,液体尺度和液滴间的间隙尺度均达到数毫米,不能满足单向导水等功能的需要;图(b)为施加4kV静电时的液滴分布状态,显然比未施加静电场时要均匀得多;图(c)是施加8kV静电时的液滴分布状态,其液滴尺寸和液滴间距已经可以满足制备单向导水织物的拒水剂施加要求．

需要说明的是,图2所示液滴分布状态因液滴在普通织物上有润湿和渗透现象,故液滴形状变得模糊，边界也有扩展,看起来影响了点状加工的分布均匀性．为展示液滴未在织物表面渗开时的分布状态,在8kV静电压下,分别施加14mL/s和22mL/s两档工作液流量,将液滴喷淋到经拒水整理的织物表面(布速25m/min),得到图3所示的外观．

从图3可以看出，在8kV静电压下,两个工作液流量下的液滴形状均基本接近圆形,液滴的尺度约为80～90μm和90～100μm,液滴间的间距约为130～150μm和100～130μm,液滴尺寸已可满足制造单向导水织物的需要．

因此,喷淋法点状整理加工在喷嘴规格等设备条件决定后,宜采用适当偏低的喷雾气压进行初步的雾化,再通过静电压和工作液流量的调整,达到所需要的液滴尺寸和分布．当然,采用调整工作液流量的方法改变液滴分布状态时,需要同时调整工作液浓度,以达到功能性整理的效果．

3功能性产品制造及性能评价

采用微尺度点状染整加工技术,能够生产具有特殊功能的纺织品,例如单向导水面料、单面拒水面料、点状抗皱面料,等等．单向导水面料在面料内表面接触汗水等液态水时能沿面料的法向快速导往外表面,而面料外表面接触液态水时不会向织物内表面渗透,只在外表面扩散．故单向导水面料可为运动服、工装，以及医生的手术服提供很多合用的功能．单向导水面料的制造,是在其内表面用含氟拒水剂、含硅拒水剂等常规拒水剂进行点状施加,当织物内表面接触液态水时,因施加拒水剂的点状区域和未施加拒水剂的缝隙之间存在差动毛细效应,液态水就被引导到拒水剂的缝隙区域,并被毛细力引导并扩散到织物正面;而织物正面接触水分后由于毛细力的方向是指向织物外表面的,故低于某压强的液态水无法抵御该毛细力，无法将液态水渗入到织物内表面．

采用气助喷雾静电雾化系统进行拒水剂点状加工的方法适合于除含毛量很高的毛织物外的各种面料．高含毛量的毛织物因毛纤维表层具有一定量的脂肪蜡质,导致施加了拒水剂后的点状区域和基底的脂蜡之间均具有较好的拒水效果,即难以形成差动毛细效应,故较难形成明显的单向导水功能．对于棉织物(经正常的煮练加工，特别是丝光加工后棉蜡已经充分洗去)、化纤织物等常规纤维制品而言,只要点状施加的拒水剂与织物基底的拒水性有比较明显的差异,即可保证差动毛细效应存在,即可使其单向导水效应具有足够的持久性．以制作运动衫的纯涤双面针织布(150g/m2)为例,采用气助喷雾静电雾化方法点状施加拒水剂后,织物反面向上，距织物上表面1cm处用普通滴管滴下一滴混入红色食用色素的水(约0.05mL)时,红水在1s内沿织物法向渗入到织物的外表面,在外表面下方垫置的吸水滤纸上出现直径接近2cm的红色斑痕;当织物外表面向上，也采用同样方法滴红水到织物外表面时,1s内在织物外表面形成直径不小于2cm的斑痕,且在6s内不在下方所垫滤纸上沾染红水痕迹．说明该织物具有显著的单向导水功能．类似地,对涤棉混纺的梭织面料进行含氟整理剂的点状整理后制成医生手术服,可按医院消毒要求经50次消毒后仍保持良好的单向导水功能,且在织物内表面接触液态水后,液态水迅速移至织物外表面,而织物内表面仍保持干燥状态．如果将拒水剂的喷洒流量增大到形成连续拒水膜层后再经焙烘定型,即可得到类似于泡沫整理的单面拒水效果．另外,如将工作液改为交联剂,并施加到棉织物表面,则可实现点状交联,可以克服现有棉织物抗皱整理导致织物手感硬、撕裂强度低的问题．采用此类方法,可使棉织物具有类似于液氨整理+潮交联加工后的抗皱效果．

4结束语

在纺织品的整理加工中,使整理剂在织物表面实现微尺度的点状结构或其他结构,可实现特殊的功能．采用气助喷雾静电雾化系统进行拒水整理剂点状喷洒的方法,可有效实现整理剂的点状均匀施加,在织物表面实现差动毛细效应,实现织物单向导水功能,并具有织物带液量低、节省能源及降低加工成本等优点．点状加工方法还可以开发单面拒水、点状抗皱等功能性面料,具有良好的应用前景．

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编辑、校对：武晖

文章编号:1006-8341(2016)02-0239-05

DOI：10.13338/j.issn.1006-8341.2016.02.018

收稿日期:2016-01-23

基金项目：山东省科技发展计划项目(2014GGX108002);山东省成果转化专项项目(2014CGZH0209)

通讯作者:施楣梧(1957—),男,浙江省余姚市人,总后勤部军需装备研究所教授级高工,研究方向为纺织材料和战场防护装备．E-mail:shimeiwu@263.net.cn

中图分类号：TS 195.5

文献标识码：A

Processing technology and functional product development of textile microscale dot finishing

SHIMeiwu1,WUGuangxin2,CUIBaotao2,CHENTongren2,CHENZuofang2,WANGJunfeng3

(1.The Research Quartermaster Institute of General Logistic Department of the PLA, Beijing 100000, China;2.Shandong Woyuan Newfashioned Fabric Co. Ltd, Zibo 256100，Shandong, China;3.School of Energy and Power Engineering,Jiangsu University, Zhenjiang 212013，Jiangsu, China)

Abstract:The technical route of microscale non-uniform application of finishing agent on fabric surface is put forward, which can make the fabric achieve special functions by finishing agent and its microscale application structure.With the spray processing method controlled by electrostatic field, water-repellent finishing agent can achieve microscale dot distribution,in which the droplet diameter is about 100 to 500μm and droplet spacing is about 100 to 500μm on one side of the fabric.The differential capillary effect is formed on the finished surface; thus the unidirectional conduction effect of water is realized on the fabric.

Key words:microscale; dot finishing; spray processing；unidirectional conduction

引文格式：施楣梧,武光信,崔宝涛,等.纺织品微尺度点状整理加工技术及产品开发[J].纺织高校基础科学学报,2016，29(2)：239-243.

SHI Meiwu,WU Guangxin,CUI Baotao,et al.Processing technology and functional product development of textile microscale dot finishing[J].Basic Sciences Journal of Textile Universities,2016，29(2)：239-243.