第三节 气流染色的理论依据

气流染色仍属于织物的浸染过程，即染料对纤维的染色经历吸附、扩散和固着三个基本过程。所以适于浸染的一些基础理论也适于气流染色。与传统溢喷染色相比，气流染色的工艺条件发生了变化，如浴比、织物与染液的交换状态以及温度和浓度分布等，使气流染色与溢喷染色具有不同的上染状态，其中影响最大的是染液的循环状态和交换状态。为此，本节根据染液循环论和领域交换率对气流染色进行分析和讨论，旨在为气流染色工艺设计和参数控制提供帮助。

一、气流染色的染液循环——循环论

与传统溢喷染色所不同的是，在气流染色过程中，染液循环仅仅是提供染料对织物纤维的上染条件，在喷嘴中完成与织物的接触交换，而不牵引织物循环。根据J.卡本奈尔（J.Carbonell.Ect）循环论，可通过染液平均每个循环周期中，染料对织物的上染量(经验值)来分析气流染色的匀染能力，并由此来合理地确定匀染的工艺条件。达到匀染的最短时间可用以下表达式：

式中：F——最短染色时间，min；

E——完成上染过程所需的循环次数，次；

A——流量，L／min；

B——浴比，L/kg（可视为循环一次的全部染液量，即L/次）；

C——染浴及织物每分钟平均循环次数，次数/min；

D——平均每次循环的上染率，%/次。

A、B可根据染色机具体情况自由设定，D表示染色机的匀染能力，为经验值，可取5%～10%/次。在实际应用中，将式2-1、式2-2中的流量和浴比进行调整（即提高流量或降低浴比）也可达到匀染效果。

对于分散染料染涤纶，采用控制升温方式来进行上染速度控制时，假设染料在1℃／min升温时的上染速率为V（%/min），则用升温速率T进行染色时的平均每分钟的上染量为V×T，而平均每次循环的上染量为，也就是平均每次循环的上染率，即：

利用式2-4调整C，使气流染色机的D值控制在5%～10%/次，即可获得良好的匀染效果。由式2-4得知，对于气流染色的织物循环，可通过织物布环长度和织物线速度求出每分钟循环次数，即：

于是，匀染的升温速度、上染速率及织物循环之间的关系可用下式表示：

式中：N——平均每管织物布环长度,m（可视为织物循环一次的长度，即m/次）；

M——织物线速度,m/min。

通常，染色速率V都视为固定值，而实际中上染速率曲线的速度却随着时间而变化。因此，V并非一个固定值，应该对上染速率进行数值化。最简单的数值化方法就是测定上染速率曲线的最大倾斜度，作为最大上染速度(V_max)使用。由于实际的上染速率小于用此方法测定的最大上染速率，所以存在由合理染色条件分离的问题，不能采用。作为上染速率曲线指数的实际表示方法，一般使用上染速率指数(V_sig)和平均上染速率(V_s)。

1．上染速率指数(V_sig) 它表示纤维上染料浓度的微量变化，单位为%/min，可用以下公式计算：

式中：C——纤维上的染料浓度,

dC——纤维上的染料浓度的微分变化；

V_t——t时的瞬间上染速度，V_t＝dC/dt。

在实际应用中，可按图2-4采用下面公式计算上染速率指数：

式中：C_R——纤维上的染料浓度百分率，上染结束时纤维上的染料浓度C_R=100%；

ΔC_R——吸收曲线上一部分直线部分的纤维上的染料浓度百分率。

图2-4 上染速率指数(V_sig)的计算方法

2．平均上染速率(V_s) 分散染料的升温型上染速率曲线的微积分曲线(上染速率的变化曲线)是利用图2-5所示的次数分布曲线，采用方差分析法算出平均值m和标准偏差s。微分曲线大体呈正态分布，在m±s范围，染料的上染率可达到68.3%。因而，平均上染速率可取V_s＝68.3/2s(%/min)。

图2-5 平均上染速率(V_s)

对于分散染料染涤纶，若以1℃/min的升温条件下测定的平均上染速率为基础，通过下面算式可算出对应升温条件下的上染速率，即：

式中：T——升温速率，℃／min；

V_s(1)——1℃/min升温条件下的平均上染速率。

3．平均上染速率与升温条件 实际染色过程中，在固定的升温条件下，并不存在直线型上染的理想状态。不过，即使上染速率曲线不同，只要标准偏差相同，即可获得相同的平均上染速率(V_s)，可用标准偏差的直线来替代上染速率曲线。

因此，式2-6中的V可用V_s(平均上染速率)或V_sig(上染速率指数)替代，即：

上式将平均上染速率与升温条件联系起来，为升温控制的设置提供了方便。

以上是制定气流染色工艺中，升温速率、织物循环速度的理论依据。在具体应用中，再结合织物品种、染料性能以及设备功能进行酌情调整，就可获得织物气流染色的最佳匀染效果。

二、气流染色的染液交换——领域交换论

应用领域交换论可以分析气流染色过程中的染液交换情况，寻找控制匀染的规律和方法。领域交换论中提出了有效领域比（R）和领域交换率（K）两个概念，其表达式如下：

式中：P——有效领域，L（即被染物所占据的染液区域）；

Q——总液量，L；

A——流量，L/min；

B——浴比，L/kg（可视为染液循环一次的全部染液量，即L/次）；

C——平均每分钟的循环次数，次/min。

根据领域交换论，染色装置的匀染能力与染色装置的有效领域比率有关。匀染D值的极限值(D_crit)可用以下算式计算：

式中：D_crit——平均每一循环的临界上染量(匀染D值的最大值，D小于D_crit时可获得匀染）%/次；

k——染色机的匀染能力系数，主要随染色机内的匀染度(如温度分布、流量分布和织物的循环状态等)而变化。

对于气流染色，可用织物循环次数来代替染液循环次数，即：

式中：C′——布的循环次数，次/min；

M——布速，m／min；

N——布环长度，m。

因此，式2-10可变换成：

因式中的k值受染色机种类的制约，可取k=0.143，故式2-15可表示为：

根据领域交换论控制匀染的相关参数和相互之间的关系，对气流染色过程中的匀染条件进行分析，可为确定或设计合理的匀染工艺条件提供依据。下面从领域交换论的观点，对气流染色的领域交换情况作一简单介绍。

1．浸染的匀染性 气流染色仍属于浸染的范畴。要获得良好的匀染效果，必须控制好两个过程：首先，在吸尽阶段应使纤维表面的染料呈阶段性增加，并保持均等分配；其次，使吸附的染料均匀地向纤维内部扩散。要想在短时间内获得匀染效果，就必须通过有效控制这两个过程来实现短时间内染料在纤维内部的均等分配。其中吸尽阶段保证染料在纤维表面得到均等分配，对有效匀染控制起着重要的作用。因此，在染色过程中，必须采用与纤维对染料吸附速度相对应的速度(上染速度)，向纤维各部分均匀地提供染料。染色速度快时，最终吸尽也快，则染色时间缩短。不过，染色速度超过染料供给速度时，就会造成分配不均，产生上染不均匀现象。假如可快速提供染料，则可加快染色速度。染料供给是指，染浴中与被染物接触的染液中的染料。它随着染料向纤维内部的转移而不断减少，需通过总体染液中的染料及时补充。由于染色速度取决于染浴的工艺条件(如温度、pH值、电解质及助剂等)，所以可通过调整工艺条件来控制。此外，染料供给可通过染浴的循环状态、流量大小以及织物的循环速度等进行有效控制。因此，通过控制染色速度和染料供给，可保持一个最佳平衡来达到良好的匀染效果。

2．被染物所占的染浴领域 为了说明染浴领域的概念，这里对两种情况进行分析：

首先，假设染色用的染浴处于静止状态，被染物均匀分布于染浴中，染浴中的染料呈均等分配状态，并且染浴中的染料扩散不受任何阻碍，可自由进行。那么，即使被染物和染料同时处于静止状态，被染物对染料吸附速度(上染速度)也与受染料热扩散左右染浴的染料浓度保持均一平衡。由于染料在染浴中分配均匀，所以被染物可达到均匀的染色效果。对于这种情况，染浴在静止状态时存在单一纤维集合体均匀染色的密度，称为临界密度；而将此时与临界密度相对应的染浴容积称之为染浴的绝对领域。

其次，假如被染物在染浴中的分布状态有变化，并视为有密度的被染物的集合体，在染浴中呈不均匀分布状态(假设此时的染浴条件及染料的热扩散速度与被染物在染浴中完全均匀分布时相同)。当被染物集合体的密度超过规定值时，那么与被染物结合体不同部分所接触到的染浴中的染料就会产生浓度差异，而且染料吸附量也不等。简而言之，将被染物所占染浴的范围称作被染物的所占领域，将被染物所占的染浴领域的最小值称作被染物的最小领域。以静态为基础的考虑方法认为，在采用使染浴循环或使被染物移动的染色方法染色时，有利于匀染的绝对领域是随着被染物中的染液流动的增大而减小。

3．有效领域与匀染性 在染浴中，实际对染色有效的部分在被染物移动的场合，由于最小领域的位置发生变动，所以在被染物移动增大的同时，就将全体被染物的平均值视为领域。此时的被染物所占的染浴领域称为有效领域。筒子纱、经轴染色只有染液移动，不存在被染物的最小领域的移动，故也不存在有效领域的扩大，被染物的有效领域与纱线或织物的最小领域相同或者变小。当纱线或织物被过度压缩时，纱线或织物的最小领域缩小，染液得不到充分渗透，就会引起染色不匀现象(在实际染色时，为了避免这种现象的产生，可采取提高染色温度或使用匀染剂提高扩散速度等对策来解决)。对于溢流或溢喷染色机，以及气流染色机来说，因被染物是处于相对运动的，有效领域是根据机械条件的设定而变动的。在被染物的领域足够时，就可实现染液的交换。如果在被染物的领域内设定可有效进行机械性染液交换的条件，即可获得匀染效果。此外，如果随着被染物的领域的增加，动态染色的绝对领域会趋于静态，那么，利用被染物的空隙使染液强制性通过的依赖性就会减小，仅依靠平稳的循环或运行染料也能得到均匀分配。

4．保持平均分配的染浴领域交换率 介绍被染物的有效领域、染浴及被染物移动的概念，目的是为了引出保持染料平均分配的领域交换率的观点。领域交换率指的是，在有效领域内的染液循环或被染物循环时，由新鲜染液交换所产生的染料供给效率。可用下式表示：

领域交换率=有效领域×循环次数(次／min) （2-17）

5．气流染色机的领域交换率 对于液相系染色(织物完全浸没在液面下染色)的匀染，根据被染物的种类、状态、染色机内的机械性填充方法的差异等，染浴中由被染物的展开或悬浮游动引起的平均化或扩大化的程度会产生差异。其有效领域的变动因素，随着浴比的降低而减小，并且有效领域的绝对值也变小。尽管如此，如果调整被染物的循环次数，控制领域交换率，也可获得匀染效果。

对于气相系染色(织物在露出液面的状态下染色)，必须将气相部的被染物所浸渍的染液作为有效领域。通常，机织物和针织物的带液量在常温下为100%～300%，如果考虑到在高温染色条件下的染液黏度降低的因素，浸渍量可视为100%～200%，即有效领域视为被染物重量的1～2倍。

气流染色机染色时被染物与染液接触主要是在气流喷嘴中进行，而离开喷嘴和导布管后，只有被染物所浸渍的染液中的染料参与对纤维的上染，并且只有在下一个循环中通过喷嘴时再次交换时，才能够获得所需的新鲜染液。这种染液与织物的交换过程，无法扩大有效领域。只有利用循环泵对染液进行强制循环，在喷嘴中产生喷射染液，才能够使被染物在喷嘴中与染液进行瞬间交换时达到足够的领域交换率。此时的交换率可表示为：

气流染色领域交换率=有效领域比×织物的循环次数(次/min)

按照这种方式，现将溢喷染色机和气流染色机染色的领域交换率计算结果做一对比。见表2-1。

表2-1 气流染色机和溢喷染色机领域交换率计算对比

续表

由表2-1计算结果得知，织物半处于空气中的溢喷染色机的领域交换率最高，有利于匀染。而织物全处于空气中的气流染色机的领域交换率较低，从领域交换率的角度来考虑，匀染效果较差。然而，事实上气流染色机却能够获得较好的染色效果，其原因是气流染色的分析不仅仅只看领域交换率，还应该结合其他观点来加以分析。其中最重要的是浴比与被染织物所含带的染液中的染料浓度有关，对匀染产生了较大影响。

三、浴比与气流染色气相部的匀染关系

在气流染色的过程中，织物只有在通过喷嘴时才与染液进行交换，而且一个循环周期完成后再次通过喷嘴之前，只有织物所浸渍染液中的染料参与染色。当织物所含带染液中的染料量与布环循环一周时上染的染料的量相比较少时，就容易发生上染不匀的现象；当织物所含带染液中的染料量有充分剩余时，才可获得匀染效果。因此，相同浓度染色时，浴比越低，染液中的染料浓度就越高，越有利于匀染。涤纶织物用分散染料染色时，织物所带染液中的染料量与布环每次循环时的上染量可通过与不同浴比的关系来表示，如图2-6所示。当以1∶15的浴比染色时，因每次循环时的纤维上染量大于织物所含带染液的染料量，因而容易产生不均匀上染。但是，当采用1∶5的浴比染色时，每次循环时的纤维上染量小于织物所含带染液的染料量，就容易获得匀染效果。

图2-6 浴比与织物所含的染料浓度

工艺条件： karon Blue E—FBL，1.0%（owf）；升温速率3℃/min；织物循环频率1次/min；织物带液量200%。

在气流染色中，虽然有效领域被限定，但浴比的降低会使有效领域中所含的染料量增加，容易满足染料供给量大于纤维上染量的条件，所以有助于提高匀染性。