第一节 小浴比溢喷染色
溢喷染色经历了四十多年的发展，已成为目前织物间歇式染色的主要工艺方法。染色浴比已由早期的1∶12以上降到1∶（6～8），不仅缩短了染色工艺时间，还降低了能耗（水、蒸气、染化料等）及排污，是节能减排的一项重要举措。研究表明，小浴比染色还可以提高活性染料的直接性，降低盐的用量，减少排放液中盐的残留量，并提高染料的利用率和染色深度。
实现小浴比溢喷染色必须是建立在染化料、工艺和设备统一协调的基础上。小浴比改变了染料的上染条件，如染液浓度提高。由于活性染料的直接性和浓度在小浴比条件下相对较高，对织物的上染速率快。如果被染织物与染液没有良好的交换条件，就会造成染料在织物上分布不均匀。一旦这种状态维持时间过长，就很难通过移染来达到匀染。所以，对织物与染液交换的单次循环上染量，以及染液分布的均匀性的控制提出了更高要求。设备的染液循环系统必须满足循环染液分配的均匀性，尽量缩短染液温度和浓度分布平衡的时间。与此同时，染化料必须与小浴比染色工艺条件相适应，如适当降低活性染料的直接性，尤其是敏感色，提高染料的溶解度。除此之外，小浴比溢喷染色还必须与企业的工艺水平和生产管理相适应，力求工艺的稳定性和重现性。
为了对小浴比溢喷染色有一个全面的认识和了解，本节结合染化料和工艺条件，简单介绍一下与小浴比溢喷染色相关的染化料，以及工艺条件要求和控制。
一、小浴比溢喷染色对染料和助剂的影响及要求
小浴比溢喷染色工艺条件的一个重要参数就是浴比，而浴比的变化会改变染液中的染料和助剂浓度，继而影响到染料的直接性、上染率以及固色率。浴比对不同染料的影响是有差异的，其中小浴比对活性染料的直接性影响最大。对于染色深度较深的染液，小浴比对染料和助剂的溶解性影响也很大，容易使染料产生聚集，造成染色不匀。
1.直接性和固色率 活性染料的直接性和固色率与浴比有着密切关系。当染色深度（即染料用量）一定时，染料和助剂的浓度随着浴比的降低而提高，染料的直接性和固色率也随之增加。表3-1列出了浴比对各类常见活性染料直接性和固色率的影响。对于不同类别的活性染料拼色，浴比会引起较大的色差，这是因染料直接性受到影响而产生。
表3-1 浴比对各类常见活性染料直接性和固色率的影响
染料固色率的增加是因为染料直接性的提高，增加了染料与纤维的反应概率。为了表述染料的直接性和固色率与浴比的关系，可将染料直接性与固色率的比值作为浴比的函数，得到如表3-2所示的关系。该表反映出，直接性与固色率的比值随着浴比的减小而增加，但要比直接性增加得慢一些。
表3-2 直接性与固色率的比值和浴比的关系
由此可见，小浴比提高了活性染料的直接性（或上染率）和固色率，因而对染液与织物的交换条件提出了更高要求。为了保证染料对织物的均匀上染，用于小浴比染色的活性染料直接性应低一些，以控制上染速率。此外，染料的直接性越高，对盐的依存性越低，即所需的盐浓度也就越低，从而可大大减少盐的用量。因此，染液中盐的用量，应根据染色深度、浴比大小、染料溶解度和染料对纤维的亲和力等因素来确定。实验和应用表明，随着浴比的降低，达到相同上染率的盐浓度不断减少，并且这种变化速度很快。例如染料用量为6.0%（owf），浴比为1∶10时，染液的盐浓度可达60%（owf），而在1∶3.5的浴比条件下，染液的盐浓度仅为6%（owf），相差10倍。所以小浴比的活性染料染色，可节省大量的盐。表3-3为浴比与盐浓度的关系。此外，小浴比染色对同一染色深度，也可减少染料和碱剂的用量。
表3-3 浴比与盐浓度的关系
2.溶解度和稳定性 在一定温度下，100g水所能溶解染料或助剂的最大质量（g），为该染料或助剂在此温度下的溶解度。每种染料的溶解度大小都不相同，对于溶解度差的染料就不能制备浓的染液，染深色困难。而对小浴比溢喷染色来说，同一染色深度的染液浓度比大浴比要高很多。能够满足大浴比溶解度的染料，在小浴比条件下浓度会很高，尤其是在加料桶中浓度会更高。例如，浴比为1∶20，染料用量为6%（owf），其染液的浓度为3g/L，在加料桶中化料时的浓度则为60g/L（加料桶中染液体积占总染液的5%）；而在浴比为1∶5的条件下，染料用量同样为6%（owf）时，总染液的浓度为12g/L，加料桶中化料时的浓度则为240g/L。加料桶中如此高的浓度，对许多染料来说是很难溶解的。因此，小浴比溢喷染色应选用溶解度较高的染料。由于传统的染色工艺中，对溶解度相对差的染料，一般是加入如尿素、溶解盐等助剂来帮助溶解。但对小浴比染色来说，这些助剂本身的溶解性可能又会产生问题。因此，应考虑开发溶解度较高，并且具有相对稳定性的染料。
3.染料的聚集 在小浴比条件下染色，染液的浓度较高，尤其是染深色。为了保证匀染性，必须通过染液的快速循环来提高染液与被染织物的交换程度。而快速循环染液内部所产生的剪切力，会破坏分散染料中的分散剂，使得染料容易产生聚集。分散染料发生聚集后，很难向纤维内部扩散。最终影响到颜色的深浅，甚至产生色斑。因此，用于小浴比染色的分散剂，应具有较强的抗剪切能力。
二、小浴比溢喷染色工艺条件
染料对织物纤维的上染（吸附）和固着（反应），必须在一定的工艺条件下，通过过程控制才能够顺利完成。染色工艺条件的稳定性是织物获得匀染和重现性的关键，而控制染色工艺条件中的主要参数，又是顺利实现小浴比溢喷染色过程的基本要求。小浴比溢喷染色工艺条件通常包括以下一些基本内容。
1.染色浴比 对于小浴比染色工艺条件来说，浴比是一个非常重要的参数。浴比除了对染料的影响之外，主要是对染液的循环状态的影响。染色浴比过低往往会造成织物上染液的温度和染料浓度分布不均匀，影响染料对整个织物的均匀上染和固着。因此，溢喷染色的浴比必须保证织物各个部分在上染过程中，均可获得相同上染概率的条件（即染液浓度和温度）。而小浴比满足这一要求，主要是依靠染液与被染织物的交换状态，以及获得均匀分布的时间。显然，只有通过染液循环和喷嘴才能够提供这种条件。
在溢喷染色过程中，染液主要包括两部分：一部分是织物所带染液，纯棉织物带液量为250%～300%，纯涤纶织物约100%；另一部分是循环染液，工作时充满主循环管道、热交换器及喷嘴供液分配管等。织物上所带的染液是无法改变的，而循环染液则可通过设备结构的优化，减少其无效储液空间来降低。但是，循环染液量的降低也是有限的，必须以保证被染织物及时获得温度和染料浓度平衡，以及主循环泵不产生汽蚀为前提。从目前应用的情况来看，能够满足这种条件的染色浴比大多在1∶（5～7）。若低于这个范围，具有一定的工艺风险性。
2.染色温度 染料对织物的染色过程包括上染和固色。其中上染过程中的温度变化率，即升温速率，是控制染料均匀上染的关键。固色是对已上染的染料进行固着的一个过程，不同染料具有不同的固色温度，同一类染料有高温、中温和低温固色之分。对于活性染料来说，随着温度的升高，染料的直接性会降低。所以活性染料在常温下进行上染，更有利于提高染料的上染率。不过，上染温度过低，染料的上染速率较低，时间过长，影响生产效率。考虑到小浴比会提高活性染料直接性，并且染液的浓度相对较高，在一定程度上可以弥补温度对上染速率所产生的影响。因此，小浴比溢喷染色的温度主要是对温度分布均匀性的控制，其染色温度可适当降低一些。
3.被染织物的带液量 小浴比的染液浓度相对较高，在上染的初始阶段，染料对纤维的上染速率很快。若染液与织物不能快速交换，就很容易造成上染不均匀。事实上，在短时间内织物与染液没有足够的交换次数，初始上染是很难获得均匀分配的。所以，在小浴比染色工艺条件下，通常必须控制被染织物在一个循环周期中的带液量，尤其是浅色或上染率较快的超细纤维织物更是如此。
4.染液的pH 不同类型染料的染色需在相应的染液pH条件下进行，例如常规染色中，活性染料是在碱性条件下固色，分散染料是在酸性条件上染。在小浴比条件下，染液的pH波动较大，如果没有精确加料控制，很难保证所需的pH。
三、染色工艺过程控制
满足小浴比染色工艺条件，主要是对染色工艺的过程控制。既要控制单缸的染色过程，保证匀染性和所需的染色深度，还要保证相同工艺的重现性，提高染色的“一次成功率”。小浴比染色工艺过程控制，主要是对几个重要参数进行控制，使其在整个染色过程中处于受控状态。小浴比染色工艺条件是根据所用染料、助剂、织物性能以及最终染色质量要求，由设备的结构性能和控制功能来保证的。染液温度和浓度的分布，以及染液与织物的交换状态，与设备的结构性能和过程控制有密切关系。染色机除了其储布槽、染液循环管路和喷嘴的结构，能够满足织物的循环状态以及织物与染液的交换过程之外，还必须具备一些重要染色工艺参数（如温度、染液与织物交换状态、pH及计量加料等）在线检测和动态控制的功能，使整个染色过程处于受控之中。
1.模拟量液位控制 小浴比能够提高活性染料的直接性，不仅意味着上染率的提高，而且还降低了对中性电解质的依存性。因而染色浴比的波动对染色过程影响较大，必须精确控制，以确保染色工艺的重现性。一般采用压差式模拟量控制，或者入水计量控制，能够有效地控制小浴比精度。对于混纺织物的染色浴比，应按照织物某一组分纤维计算，而不是按织物总重量来计算。
2.比例升温 在小浴比染色的实际升温过程中，喷嘴中的染液温度总是要高于其他部分的染液，织物的热平衡需要一定时间，所以实际升温曲线总要滞后于设定升温曲线。除了一些特殊工艺在升温过程中适当设置保温段外，还必须采用比例升温控制，即以控制加热蒸汽的进汽量大小来控制温度变化率。一些对温度比较敏感的染料，主要是控制低升温速率，以便染料在温度敏感区达到均匀上染。
3.染液与织物的交换状态 对小浴比溢喷染色来说，染料与被染织物的接触，以及向织物纤维表面动力和扩散边界层提供新鲜染液，主要是发生在喷嘴和导布管中。由于喷嘴中的染液对织物的作用比较剧烈，并且小浴比的染液浓度相对较高，即使在1秒之内，织物也可获得非常高的上染量。所以，为了保证整个织物的均匀上染，必须控制织物循环一圈的染料上染量。
在间歇式溢喷染色过程中，染料对织物的上染和固着，需要一定的染液和织物交换次数，而完成一定交换次数所需的时间就反映出了染色时间的长短。显然，提高织物与染液的交换频率可以缩短染色过程的时间。因此，小浴比溢喷染色过程应根据染液与织物的交换次数来确定每个阶段所需的时间，而不应套用大浴比的过程时间。否则，超出的时间里织物只能做无用的运行，对织物的表面产生磨损，甚至对已键合的活性染料造成水解断键。
4.染液温度和浓度的分布 要获得织物的均匀上染，必须在固色之前对整个织物提供一个温度和浓度均匀分布的条件。在小浴比染色条件下，储布槽内织物仅与部分主循环染液接触，升温过程中织物各部分总会存在一定温差，需经历一个热平衡时间。而染液的浓度差，主要是发生在加料过程中，尤其是一些敏感色如咖啡、艳蓝和翠绿等，会影响均匀上染。
因此，小浴比染色的染液温度和浓度的均匀分布，主要是由设备的结构性能来保证，而且也是小浴比染色机的关键技术。首先是设备需具备染液的快速循环系统，并设置染液循环旁路，在温度的变化中能以非常短的时间达到温度平衡；其次是在保证织物不产生过大张力（主要是针织物和弹力织物）的条件下，织物与染液具有较快的交换频率；再次就是主体循环染液的浓度变化率不要太大，刚注入的染料或助剂与主体循环染液要有一个稀释过程，然后再与被染织物接触。
5.染液pH 在染色过程中，随着染料对被染物的上染，会出现染浴pH的变化，例如活性染料随着上染的进行，逐渐呈现酸性。而这种变化破坏了适于染色的染浴的pH（活性染料须在碱性下）状态，影响了染料对被染物的继续上染，所以必须检测和控制染浴pH的变化。对于酸性染料染色，必须保持染液始终处于酸性状态。分散染料的染色也是处于弱酸条件，以保证其稳定性。由此可见，染液的pH状态是保证染色正常进行所必须满足的条件，应该始终处于控制之中。
6.计量加料 加料过程包括染料和助剂两部分，而加料方式对染料上染的均匀性有很大影响。一般染料的上染速率随时间呈逐减趋势，为了在尽可能短的时间让织物获得匀染，就必须控制织物在每次交换中染料的上染量，也就是希望染料在整个上染过程中始终保持均匀的上染量。这就需要对染料采取非线性添加，染料的加入量随时间成对数曲线关系。对药剂和助剂的控制，主要反映在分几次添加、按怎样的比例分配、每次加入的速度是多少等方面。对于活性染料染色，盐控制着上染率，碱控制着固色率。染深、浅色时，盐剂和碱剂的添加方式，对染料上染起到非常重要的作用。由于活性染料染色需要较多的盐促染，而一次化盐需很多染液，并且还不能及时溶解，所以许多加料系统配置了溢流式化盐装置，采用动态化盐。
四、适于小浴比染色的基本条件
应用表明，在小浴比溢喷染色中，染化料、工艺和设备三者之间有着非常紧密的联系。纺织纤维及面料的发展必然引导染色新工艺和染化料的开发应用，同时也对工艺条件提出了新的要求。小浴比溢喷染色工艺的开发不仅是满足染色工艺的品质要求和重现性，更重要的是节能降耗。只有将这三者有机地结合起来，才能够真正实现小浴比溢喷染色。
1.适于小浴比染色的染料 目前应用于溢喷染色的大部分活性染料，基本上都是针对1∶8浴比以上而开发的，并且为了提高上染率，采用多活性基设法提高染料的直接性。但是，活性染料的直接性随着浴比的降低而提高，如果在1∶4的浴比条件下选用直接性较高的活性染料，就会加快上染速率，容易产生不均匀上染。因此，小浴比染色应选用直接性低的活性染料。此外，不同类别的活性染料拼色时，浴比对色差影响较大。特别是小浴比条件下的活性染料拼色，应尽量选择上染曲线相同的染料进行拼色。其原因主要是每只染料的直接性存在差异。
2.开发小浴比的染色工艺 染色工艺是根据染料对织物纤维的上染规律，并结合选用的染料性能和设备功能而设置的染色步骤。只有在相应的染料、纤维、设备结构性能和控制所构成的一定条件下，才能够实现相对应的染色工艺。因此，同一类染料对某一纤维的上染过程，与染色过程的工艺条件有很大关系，并且工艺条件又是由具体使用的设备所提供或满足的。浴比的改变实际上就是工艺条件发生了变化，必然要影响到染料的上染状态。在小浴比条件下，染料的浓度提高了，被染织物经过喷嘴时，即使带有较少的染液量，也足以保证织物在一个循环周期中对扩散边界层所需的染料量。如果在良好的染液循环状态下，并有较快的织物和染液的交换频率，那么完成上染和固色的时间显然要缩短许多。染色工艺时间的缩短，不仅可以减少已固色染料的水解断键，提高色牢度，同时还可减少能耗，提高生产效率。所以，小浴比溢喷染色工艺，必须结合染料和小浴比设备的性能去开发，而不应套用传统大浴比溢喷染色的工艺。
3.满足小浴比染色工艺条件的设备功能 染色机是提供染色工艺条件，为完成染料向织物纤维上染和固着过程的具体实施手段或者工具。染料在小浴比条件下，加快了对织物纤维的上染速率，为了获得均匀上染，必须采取有效的温度变化率来控制。在固色过程中，固色的均匀性必须通过计量加料进行控制。显然，温度和染液浓度变化的均匀性及梯度，以及染液pH的稳定性，都是要通过染色机相应的功能和控制来保证的。
小浴比溢喷染色是目前纺织品染色实现节能减排的有效手段之一。只有掌握小浴比染色的基本要求和规律，并将染化料、工艺和设备三者结合起来同步进行研发和应用，才能够保证染色过程的顺利实现和工艺的重现性。而实现小浴比水洗，又是提高溢喷染色机水洗效率，降低用水量和能耗的关键技术。对染色和水洗过程进行控制，是顺利实现小浴比溢喷染色的重要方式，也是染化料、染色工艺与设备功能的高度统一和结合。随着控制技术的不断发展，以及人们对小浴比染色的深入研究，无论是染色工艺，还是染色设备，都将为使用者提供更加节能、可靠而简便的加工方法。