第二节 小浴比纱线筒子（经轴）染色
纱线筒子染色是纱线染色的一种方法，并且由色纱制成的纺织品具有较高的附加值。小浴比纱线筒子染色过去是指浴比在1∶4，并且染液是单向循环。由于对设备的染液循环系统以及筒子纱的接口密封要求很高，而国产的筒子染色机一般无法达到，所以在过去相当一段时间里，染色浴比都在1∶（6～7），也称之为中浴比。近几年，一些设备制造商通过机器结构优化设计，对关键件的质量控制，已经能够做到浴比1∶4的染色工艺，从而进一步地降低了加工过程中的水、蒸汽、染化料消耗，减少污水排放。小浴比条件下的纱线染色，不仅能够节省水和蒸汽、减少排放，而且还可提高活性染料的直接性，减少对盐类的依存性，降低盐类的消耗和污水助剂的含量。因此，小浴比是筒子纱染色节能减排的一个主要特征。
一、小浴比纱线筒子染色的主要特点
在筒子染色技术的发展过程中，染液与纱线的交换条件及方式始终是作为降低染色浴比的主要研究对象。在能够满足纱线染色质量的基础上，不断对染色工艺参数和设备结构性能进行优化，很大程度上提高了节能减排的功效。其中染液的比流量、循环方式、染液与纱线的交换状态以及纱线筒子络筒质量等，对纱线筒子实现小浴比染色起到了非常重要的作用。
1.比流量 它是纱线筒子染色流量设计的主要依据。过去一直认为比流量越大越有利于匀染，但近年来的实际应用表明并非如此。过大的比流量，需要消耗很大的主循环泵功率，并且会使纱线产生毛羽，甚至将筒子纱冲垮，造成染液循环短路。实际上，过去提高比流量，很大程度上是为了弥补由于泄漏而造成的染液有效循环量不足而采取的保守方法。而现在，通过提高筒子纱装载接口的密封性能，大大减少了染液的泄漏量。只要满足筒子纱染色实际所需的比流量，就完全可以保证染色质量。如果采用变频技术控制染液有效循环流量，实现同步染色，那么将更有利于匀染和节能。因此，小浴比纱线筒子染色的比流量要比传统的筒子纱染色小很多。
2.染液单向循环 为了保证染料在筒子纱内中外层的上染和固色达到均匀一致，染液循环通常都是采用“内→外”和“外→内”交替进行。染液双向循环要求主缸内的所有筒子纱必须被浸没在染液之中，如果没有设备结构上的措施减少染液循环系统中的储液量，那么浴比至少要在1∶8以上才能满足染液双向循环的要求，否则，主缸内顶层筒子纱就会露出液面。染液单向循环只有“内→外”，而没有“外→内”的循环，筒子纱可以露出染液面。因而这也意味着浴比可以大为降低。
采用染液单向循环时，必须保证筒子纱之间、顶锁等接口的密封性。同时，对染色工艺、筒子纱的密度、比流量以及主循环泵特性等方面都有一定要求。在设备结构上，采用抗汽蚀性强的离心泵可以提供稳定的比流量，每根筒子纱柱上增加一个外套管，染液由内向外穿过纱层后在筒子纱外部形成一定的静压腔，有利于外层纱的匀染性。染色工艺上，通过自动程序能够精确控制温度和加料过程。
3.染液与纱线的交换频率 染色工艺一般以时间来控制染色过程的每个工序，一定的染色工艺条件进行染色过程的时间，实际上就是完成染料上染和固色过程所需的时间。实践表明，温度的变化率、浴比的大小、染液与纱线的交换频率以及加料方式，对完成上染和固色过程所需的时间是有影响的，其中影响最大的是染液与纱线的交换频率，而它又体现在两者的相对运动程度上。在染色过程中，染料对纤维的上染和固色需要通过一定的染液和纱线的交换次数来完成，而交换次数所需的时间就是达到匀染和所需染色深度的时间。
由此可见，要完成一定的染液和纱线的交换次数，交换频率高的要比交换频率低的所需的时间短。由于小浴比的染液相对较少，即使不采用很大流量的主循环泵，也可获得较高的染液循环频率，从而缩短了染液与纱线交换次数所需的时间。除此之外，染液与纱线的交换过程，还可根据染料对纤维的上染规律，对上染速率较快的阶段提供较大的流量循环，而其余上染速率慢或者还没有上染的阶段，降低染液循环流量。这样既可保证匀染性，避免对纱线表面产生毛羽，又可节省能耗。这种染液循环流量的变化，也称为“脉动循环”。
4.筒子纱络筒密度和重量 严格控制筒子纱的松式络筒密度和重量，是保证筒子纱染色质量的前提。过去的筒子染色机由于技术水平和结构性能的限制，设计者没有真正了解和掌握循环染液在筒子纱中的流动规律。普遍认为，筒子纱的松式络筒密度不宜过大，否则会影响染液的穿透力，造成单个筒子纱内中外色差。而现在的应用表明，在低比流量条件下，由于有较高的染液循环系统压力，并且染液泄漏很少，染液完全可以穿透密度较大的纱层。筒子纱络筒密度提高，染液从纱的纤维之间穿过，并且纱线各点与染液可获得均等的接触（尤其是圆柱形两端最外圈部分），为整体筒子纱纤维提供了均匀上染的条件。因此，只要有设备性能的保证，纯棉筒子纱密度在0.40g/cm3以上可得到更好的匀染性。
在筒子纱染色中，单个筒子纱的纱层厚度通常不大于50mm（主要是考虑到染液的穿透能力），络筒密度也是有限制的，所以单个重量在1kg左右。一般容量大的筒子染色机，筒子纱的数量也多，形成了很多筒管之间的接口，不仅增加了泄漏口，而且装卸纱的劳动强度高。如果是长丝类的筒子纱，单个重量在1.2kg，那么纱线接头增多，给下游工序如织造带来了一定的工作量。为此，现在已有向大筒子纱染色发展的趋势（单个重量达到2～5kg），通过增加长度（纱层厚度基本不变）来加大重量，减少泄漏口和纱线接头。这样有利于降低比流量和提高生产效率。当然，这对松式络筒机和染色机的性能有更高的要求。
5.染料和助剂减少 等量的同种染料，在不同浴比染浴中的浓度是不一样的。浴比高的染料浓度低一些，浴比低的染料浓度高一些。由于任何染料不可能全部都上染到纤维上，总有一部分残留在染液中，因而要达到相同的染色深度，浴比高的要增加染料的用量。这里除了与染料的结构特性有关外，主要是与染料在不同浴比条件下所表现出的直接性有关。实验表明，活性染料的直接性随着浴比的降低会提高，也就是上染率会提高。而活性染料的直接性提高，就意味着对促染剂（如盐）依存性的降低，不仅提高了活性染料的利用率，而且还减少了盐的用量。
除此之外，许多染料需在一定的碱性条件下与织物纤维发生反应，如活性染料在碱性条件下与织物纤维形成化学键而固着，还原染料在碱性浴中进行还原。碱将染浴的pH控制在一定的范围内，高浴比要消耗大量的碱，而活性染料的直接性又低，在碱液浓度较高的染浴中，会产生大量的染料水解，造成染深色困难。相比之下，小浴比提高了染料的直接性，在相同的碱液浓度下所消耗的碱量也小，染料的水解程度下降，有利于染深色，节省染料。
6.设备结构性能 小浴比纱线筒子染色的节能与设备结构性能总是分不开的。采取染液强制对流加热方式，加快了染液循环的热传递，可提高换热效率，减少蒸汽的消耗量。将传统的重力排放改为压力排放，可减少纱线排液后的带液量，有利于提高水洗效率，减少纱线脱水能耗。利用间接降温余热水进行同步水洗，既省水又省蒸汽。这些设备的结构性能，对染色加工的节能减排起到了不同程度的作用。
二、比流量的分析与选择
在筒子纱染色技术中，涉及一个非常重要的技术参数—比流量。它的基本概念是：每千克纱线在单位时间内所穿过的染液量，其单位是：升染液/（千克纱线·分钟）［L/（kg·min）］。完成染色工艺过程就是在设定的时间内，使染料在纱线纤维上达到均匀的上染并固着在纱线纤维上。按照间歇式染色原理，被染物（这里指纱线）与染料必须在一定的接触次数中，才能完成上染的三个基本过程：吸附、扩散和固着。在这个过程中，除了以温度来控制上染速率的快慢外，主要是通过染液的循环，保证整个被染物（纱线）的温度均匀性和与染料接触均匀。
1.比流量的作用 比流量在筒子纱染色中起着非常重要的作用，它是设备主泵流量选取的主要依据。传统的观念认为，选择较大的比流量可以提高染液（确切地讲是染料）与纱线的交换次数，有利于纱线的匀染性。同时还认为，单个筒子纱的内、中、外色差，或者层与层之间的色差与比流量过小有关系。实践证明，过去主要考虑的是理想中纱线与染液的交换频率，也就是染液的循环频率（因为纱线是静止的），而忽略了染液循环流量受循环系统（包括纱线的穿透）阻力的影响而发生的变化。正由于这种变化影响的存在，使得实际上的染液循环流量并不是我们当初设置的数值，而是减去泄漏（占的比例较大）和克服阻力损失后所剩余的那部分流量。如果在这种流量条件下能够将纱线染好，那么，我们假设将泄漏（通过结构的改进）降低到最低限度，并适当提高主泵扬程来克服阻力损失，完全可以降低当初设置的比流量。
2.实际染液循环 在染液实际循环系统中，由于设备结构的影响，染液循环时不可避免地产生沿程和局部阻力损失，而克服这些损失必须消耗一定能量。同时，系统中还存在一个非常大的阻力损失，那就是穿透筒子纱层的阻力损失。这些阻力损失统称为压力降损失，都是由对流体（即染液）产生强制循环的动力源——主循环泵的扬程来提供的。由流体力学原理得知：系统中压力降与流体流速的平方成正比，也就是与流量的平方成正比（流量=过流面积×流速）。如果实际中能够实现较大的比流量，单从染色这方面来考虑，对匀染性是有利的。但对密度较大的纱层（如经轴纱的密度一般在0.40～0.45g/cm3），或者吸水后具有较大溶胀的纤维（如粘胶纤维），则会因为阻力增大而产生很大压力降。这种压力降必然会使主循泵特性曲线的工作点向较高扬程方向移动，而流量随之下降。也就是说实际产生的流量已经发生变化，并不是原设定的流量了，而且主泵有可能没有工作在特性曲线上的经济效率范围内（通常认为主泵在不低于最高效率的7%范围内工作是经济的）。出现这种情况，纱线中的染液循环流量下降，整个循环系统压力增高，相当一部分染液可能从密封较差的接口泄漏，造成染液短路。因此，实际染液的循环是受到整个系统影响的。
3.比流量的选择 传统筒子染色机的设计中普遍认为：纱线与染液的交换频率，主要取决于染液的循环流量，因此比流量的选取都比较大，而对扬程的选取并不看得那么重要。按照这个要求，一般都是选择混流泵，其特点就是大流量，低扬程。事实上，由于过去的设备结构上存在较大的缺陷，如顶锁、换向装置等容易产生很大的泄漏，造成染液循环短路。而为了保证一定的染液量必须穿过纱层，所以不得不将总流量的30%～40%用于补充这部分泄漏。从这一点可以说明，传统的比流量仅仅是一个名义值，并没有反映出纱线染色实际需要的比流量。
由此可见，筒子染色机通过结构的改进，提高循环染液的利用率，省去曾经作为补偿泄漏的那部分流量，适当提高系统总体所需的扬程，就可以满足纱线密度或者容量增加而产生纱层阻力所需的能耗。实践证明，在保证循环系统有效染液循环率90%以上筒子染色机的比流量，可以选择20L/（kg·min）［传统设计至少在35L/（kg·min）以上］。由于按此比流量所选取主泵的比转数小于300，属于高比转数的离心泵，所以可以减小主泵进、出口管径，减少管路中的储水量，降低染液浴比。
三、低比流量的功效
通过上述分析可以看出，采用低比流量，只要染色机的结构性能能够得到保证，不仅可以满足染色质量要求，而且还可带来节能减排的功效。具体有如下几个方面。
1.主泵工作效率 选择低比流量和较高扬程后，可以将过去采用的混流泵改为高比转数（ns=200～300）离心泵，随之而来的特性曲线也发生了变化。根据叶片离心泵设计理论，在流量—功率特性曲线上，离心泵的功率随流量变化比混流泵快。由于现在筒子染色机主循环泵电机都采用了交流变频技术，在保证主泵效率不变的条件下，可通过转速变化给出不同的流量和扬程，所以基于离心泵的流量—功率变化特点，能够在不同流量下减少功率消耗。
此外，离心泵与混流泵相比，其流量—效率特性曲线也比较平缓，在流量变化的范围内，偏离最高效率点的范围也不会太大。这对筒子纱在装载变化或者对遇水容易发生溶胀的纤维（如粘胶纤维）来说，流量在变化过程中，可始终保持较高的工作效率，提高了主泵的工作效率。
2.主循环系统容积 采用低比流量，主泵在相同总功率条件下，相对提高扬程可以增大克服纱层穿透阻力的能力。这样不仅能够充分保证被染物获得均等的上染概率，还可以减少循环管路系统的容积，因为相同功率的离心泵进出口管径一般比混流泵小。如果再通过结构的优化设计，又可达到进一步降低浴比的目的。
3.筒子纱的匀染性 采用低比流量、高扬程后，密度较大的单个筒子纱（有经验表明，纯棉单个筒子密度可达0.45g/cm3），由于染液主要从纱线纤维之间穿过，而不是从纱线之间穿过，所以可获得较好的匀染性和透染性。主泵的扬程相对提高，还可将纱杆的染液过流口面积相对减少，增加筒子纱层（在实际应用中最高可达17层纱），并能使上下层筒子纱获得均等流量。这对于大容量筒子纱染色来说，对保证上下层筒子纱的匀染性尤为重要。因此，低比流量提高了筒子纱的染色质量，减少了因染色质量问题而返修所造成的能源和时间浪费。
四、动态染液循环控制
根据染料对纤维的上染规律，在染色过程中染料在染液和被染物之间的浓度是变化的，并且染料随着时间会逐步转移到被染物中。染料在这个转移过程中，总是从初始对被染物上染最快逐步降至最慢，最后达到一种动态平衡。如果被染物还没有达到所需的染色深度，那么就要通过工艺措施（如通过染液与被染物相对运动，强化两者的交换程度）打破这种动态平衡，不断让染液中的染料向被染物中迁移。但是染料向被染物转移速率的总趋势是下降的，并且染料在纤维上达到了所需的浓度后，染液的循环作用就不再明显了。因此，为了有效利用染液的循环，就应该根据染料对纤维的上染规律，采用一种动态染液循环。这就是近几年出现的动态染液循环控制技术。
1.染色过程的流量作用 固定的染液循环流量在同一染色过程中，并非总是能够发挥最佳效果。分散染料在聚酯纤维的玻璃化温度以下几乎不上染，剧烈运动的染液会使它产生凝聚，染浅色时保温固色阶段几乎没有再多的染料上染。这些现象都说明始终不变的染液循环流量，在染料不上染或已经达到饱和值的情况下，对上染过程并不产生作用。相反只会消耗更多的功率，并且由于染液频繁穿过纱线而使表面造成毛羽。此外，经轴纱以及在水中溶胀性较大的纤维（如粘胶纤维）或热收缩性大的化纤长丝，由于纱线的密度在染色过程中发生的变化会影响到染液循环流量，如果是发生在上染最快的时间段里，就有可能造成动力边界层内染料供应不足而出现上染不均匀。因此，染液循环流量对保证纱线染色质量、减少无效染液循环和降低能耗起着很重要的作用，应根据染料对纤维上染过程的变化规律或上染条件进行控制。
2.同步染色的控制 同步染色就是根据染料在被染物上的上染和固色规律，以及温度、流量、浴比和助剂产生的影响，给予一个合理的染液循环流量，以最少的能耗达到染色质量要求。显然，采用同步染色能够在保证质量的同时有效地利用能源。同步染色控制要求根据染料在不同温度或者不同密度上染的规律，给予相应的染液循环流量控制，在染料上染快和慢的时间内进行增减染液循环流量。同步染色在设备上主要是通过主循环泵的交流变频控制循环染液流量来实现的。循环染液流量最好是采用流量计检测并可反馈信号给计算机，再由PLC实时控制主循环泵转速。对主循环泵的特性曲线，从目前的使用效果来看，选择高比转数的离心泵比较适合，其特性曲线平缓，有利于纱层压力的稳定性。