（纺织工程专业论文）预湿上浆机理及其应用的研究.pdf

捅要 预湿上浆是经纱在进入浆槽之前呈湿态，即通过热水对经纱的浸湿与洗涤，再 进行上浆。其提高浆纱质量和节省浆料的优势己被企业和学者广泛认可，但是在实 际应用中仍存在诸多的问题与分歧，本课题从预湿上浆的机理及应用方而对其进行 了一定的探讨和研究。 本课题首先利用表面物理化学的相关知识，从预湿技术对浆纱润湿性能的改善、 预湿技术对上浆均匀性的提高、预湿技术对浆液与经纱粘附性能的改善等角度，对 预湿上浆的界面机理进行了深入研究，并提出了自己的见解。 从渗流角度对浆液在纱线中的渗流状态进行了研究。将纱线抽象为多孔介质， 利用孔隙分布及j l 隙率的概念，对纱线中纤维分布状态进行研究；利用流体力学、 渗流理论知识，得出浆液在纱线中渗透的理论模型，最后利用渗透率对影向浆液渗 透性能的因素进行分析。 从试验室的模拟上浆试验，结合实际的预湿上浆没备，对预湿回潮率和预湿压 力的合理范围进行了确认。并结合实际的应用状态对预湿上浆工艺进行了研究，对 预湿上浆的浆纱质量与传统上浆时进行了对比分析。通过切片观察，预湿上浆的浆 液分布均匀性得到了极大的改善，而且由于浆液浓度梯度由纱芯向外层逐渐增加； 通过显微镜观察，发现预湿浆纱的表面较光滑，毛羽伏贴较好。 在传统上浆率计算的基础上，对预湿上浆的上浆率状况以及上浆率降低率进行 研究，提出了“滞留系数”的概念，并且得出了适合与预湿上浆时上浆率计算的公 式。通过计算，认为预湿上浆较传统上浆其上浆率降低率在2 0 4 0 范围内。 最后结合实际生产工艺，通过一定的试验和分析，提出“外干内湿”的概念和 “预湿预烘”的上浆工艺新思路。 关键词：预湿上浆：预湿回潮率：渗透率；外干内湿；预湿预烘 a b s t r a c t p r e - w e t t i n gs i z i n gi san e ws i z i n gp r o c e s s i nt h i sp r o c e s s ，w a r ps h o u l db ei m m e r s e d i n t ow a t e ra n db ec l e a n e df i r s t l y s ow a r pi sw e tb e f o r ei te n t e r si n t os i z eb o x i t s a d v a n t a g e s ，i m p r o v i n gs i z i n gq u a l i t ya n ds a v i n gs i z e ，h a sb e e na c c e p t e db ye n t e r p r i s e s a n ds c h o l a r s h o w e v e rt h e r ea r e m a n yp r o b l e m s a n dd i f f e r e n t s t a n d p o i n t s a b o u t p r e s i z i n g i nt h i st h e s i s ，w ed os o m es t u d i e so nm e c h a n i s ma n da p p l i c a t i o na b o u t p r e - s i z i n g i n t e r f a c em e c h a n i s mi ss t u d i e df i r s t l ya c c o r d i n gt ok n o w l e d g eo fi n t e r f a c ep h y s i c a l c h e m i s t r y t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sh a v eb e e nm a d e f i r s t l y ，w e t t i n gp r o p e r t yo fy a m c a nb ei m p r o v e d s e c o n d l y , s i z ec a nb ew e l ld i s t r i b u t e dw i t h i nt h ey a r n a n da t t a c h m e n t b e t w e e ns i z ea n dy a r nc a nb ei m p r o v e db yp r e - w e t t i n gs i z i n g t h e nt h ep e r m e a t i o nm e c h a n i s mi sd i s c u s s e d y a r ni sa b s t r a c t e dt op o r o u sm e d i u m f i r s t l y a n df i b e rd i s t r i b u t i o ni ss t u d i e d ，u s i n gc o n c e p to fi n t e r s p a c e sd i s t r i b u t i o na n d p o r o s i t y a f t e rt h a t ，t h e o r ym o d e lo fl i q u i ds i z ep e r m e a t i n gi n t h ew a r pi so b t a i n e d 。 a c c o r d i n gt op e r m e a b i l i t y , f a c t o r sa f f e c t i n gp e r m e a t i o np r o p e r t yo fs i z ei sa n a l y z e d 。 w h e ns t u d y i n gp r o c e s so fp r e s i z i n g ，w e f i r s t l y d o s i z i n ge x p e r i m e n ti n t h e l a b o r a t o r y t h er e a s o n a b l er a n g e so fp r e - w e t t i n gm o i s t u r er e g a i na n dp r e - w e t t i n gp r e s s u r e a r ec o n f i r m e d o nt h ep r e w e t t i n gs i z i n gm a c h i n e ，p r o c e s so fp r e - w e t t i n gs i z i n gi ss t u d i e d s y s t e m a n dt h es i z i n gq u a l i t yb e t w e e nt r a d i t i o n a ls i z i n ga n dp r e w e t t i n gs i z i n gi s c o n t r a s t e da n da n a l y z e d b yo b s e r v i n gs i z i n gy a r nc h i p ，w es e et h a te v e n n e s so fs i z i n g d i s t r i b u t i o ni si m p r o v e dg r e a t l ya n ds i z ei ny a mi si n c r e a s i n gg r a d u a l l yf r o mi n n e rl a y e r t oo u t s i d e a f t e ro b s e r v a t i o nw i t hm i c r o s c o p e ，w es e et h a ty a r no fp r e w e t t i n gs i z i n g l o o k ss m o o t ho u t s i d ea n dh a i r i n e s si sk e p tc l o s et ot h ey a r nb o d y o nt h eb a s i so fc a l c u l a t i o na b o u tt r a d i t i o n a ls i z i n gp e r c e n t a g e ，w es t u d i e dt h a to f p r e - w e t t i n gs i z i n g w ep u tf o r w a r dt ot h ec o n c e p to f “r e s e r v a t i o nc o e f f i c i e n t ”a n dd e d u c e t h ef o r m u l as u i t a b l et ot h ec a l c u l a t i o no fs i z i n gp e r c e n t a g eo fp r e w e t t i n gs i z i n g a f t e r c a l c u l a t i o n ，w et h i n kt h a tt h es i z i n gp e r c e n t a g eo fp r e - w e t t i n gs i z i n gi s2 0t o4 0p e r c e n t l o w e rt h a nt h a to ft r a d i t i o n a ls i z i n g f i n a l l y ，w ep u tf o r w a r dt h ec o n c e p to f “d r yo u t s i d ea n dw e ti n s i d e ”a n d “p r e w e t t i n ga n dp r e - d r y i n g ”，w h i c hi s an e wt h i n k i n ga b o u ts i z i n gp r o c e s s ，i s p u t f o r w a r d g r a d u a t es t u d e n t ：m a o l e i ( t e x t i l ee n g i n e e r i n 曲 d i r e c t e db yp r o f e s s o rx i n gm i n g j i e a n da s s o c i a t ep r o f es s 0 rd o uy u k u n k e y w o r d s ：p r e - w e t t i n gs i z i n g ，p r e w e t t i n gm o i s t u r er e g a i n ，p e r m e a b i l i t y , d r yo u t s i d e a n dw e ti n s i d e ，p r e - w e t t i n ga n dp r e - d r y i n g 第一章概述 第一章概述 经纱在织机上织造时，要经受停经片、综丝和钢筘登机件的反复摩擦：在丌口 过程中，经纱还要受到弯曲和拉伸作用，在变换梭口时，经纱之间又相互摩擦：在 打纬时，经纬纱之间有剧烈的摩擦，而且钢筘在打纬时还强烈的打击经纱，特别是 边布经纱。经纱从离开织轴到织成布，通常要受到几千次乃至更多的反复“折、摩、 拉、打”的机械作用。而未经上浆的单纱，经纱表面毛羽比较多，表面摩擦阻力大； 组成单纱的纤维与纤维问的抱合力不够强。经纱在织造过程中，经受上述机械力的 反复作用后，经纱的结构松散、起毛而造成大量断头，严重影向织机生产效率和织 物的质量。经纱经过上浆后，通过浆液的“浸透”与“被覆”已达到提高经纱强力 和耐磨性能，提高经纱的可织性，从而以较低的费用，织成优质的织物。 显然，经纱上浆在织造中是必不可缺的，而且占有重要的地位。“浆上的好，等 于布已织好了一半”的谚语，是对经纱上浆在纺织d h i 中的地位较为形象的说明。 相反，上浆不良，不但会增加织机的断头，降低织机效率和成品质量，有时甚至会 陷入无法进行织造的地步，浪费了原料而造成了损失。 目前用于经纱上浆的主要浆料有淀粉( 包括变性淀粉) 、p v a 、丙烯酸系浆料， 这也是目前经纱上浆的三大主浆料。我国现有各种织机约1 1 0 万台，其中棉织机占 8 5 左右。每年浆料耗用量在3 0 万吨左右。可以晓，浆料已是纺织厂耗用量占第二 位的原材料，历来为纺织界所重视。 为了获得良好的上浆效果，更好的提高经纱的可织性，围内外学者也一直进行 不断的探索和研究，特别是新型浆料和浆纱技术的研究。 1 1经纱上浆方式的发展和分类 浆纱技术一直以来是科学工作者们研究的课题，传统的上浆方式耗能比较多， 约占棉纺织厂耗能总量的1 2 ，为了降低浆纱机的能耗，降低浆料的消耗，并提高浆 纱的质量，浆纱技术和浆纱方法也在不断的出现创新性的发展。 上浆方式与上浆工艺的研究已有较长的历史，除了传统的轴对轴的水液上浆外， 青岛大学硕士学位论文 过去还有过对溶剂上浆、泡沫上浆、高压上浆等的研究。近年来，主要进展是在预 湿上浆、“冷上浆”、拖浆式上浆和在线检测等方面( 表1 1 ) 。这些研究对提高上 浆效果、降低浆料消耗、减少环境污染、节约浆纱成本方面都有一定的作用。 表1 1 上浆方式研究概况 上浆方式研究年代进展状况 高压上浆2 0 世纪7 0 年代1 9 7 5 年出产品，现已广为应用 溶剂上浆2 0 世纪7 0 年代1 9 7 5 年样机展出，1 9 7 9 年后消失 热熔上浆2 0 世纪7 0 年代1 9 7 4 年发表专利，后无进展 泡沫上浆2 0 世纪8 0 年代有样机展出，无商品机 预湿上浆2 0 世纪9 0 年代1 9 9 2 年长丝上浆机，1 9 9 7 年短纤上浆机 “冷上浆”2 0 世纪9 0 年代1 9 9 9 年有样机 拖浆式上浆2 0 世纪9 0 年代2 0 0 0 年有样机 液态c 0 2 一l 浆2 0 世纪9 0 年代 正在探索中 1 1 1 高压上浆 高压上浆工艺在上世纪7 0 年代从节能和提高上浆速度的角度被提出。由于它带 来了良好的上浆效果而得到了越来越多的应用。我国纺织行业经过多年( 特别是近 几年) 的实践与摸索，已总结出“二高一低”的高压上浆工艺，并在广泛推广应用。 高压上浆的最初意图是想通过对浸浆经纱放出高压，挤去过多的水分，降低浆 纱的压出，以减轻烘房的负荷、达到节约能源及提高车速的目的。这项新技术一经 问世，就引起了全球纺织界的极大兴趣，因为在此以前浆纱的烘干问题一直是困扰 着浆纱机速度提高的关键问题之一。据查阅到的资料表明，高压上浆可以节约能源 3 0 4 0 。高压上浆不但可以节约能源，还可增加浆液的浸透性，减少毛羽，提 高浆纱质量、降低织机断头、特别是可以提高喷气织机的织造效果o “1 。国内有些工 厂的实践证明：高压上浆的浆纱截面积小，纤维抱合紧密，浆纱增强高、减伸小， 抗磨强度大大提高。这些都是人们预先未料到的。 在8 0 年代对高压压浆力的界定是：高压压浆：压浆辊总压力为7 0 k n 1 0 0 k n ；中 压压浆：压浆辊总压力为2 0 k n 4 0 k n ，经过人们的实践证明，浆纱机的压浆力一般 ， 第一章概述 在2 0 k n 4 0 k n ，如果压浆辊的总压力超j 立3 0 k n ，即使再加大挤压力，其挤压效果 变化不大，相反地还会带来很多问题，如压浆辊的结构、硬度等问题。从国内近年 来的实践证明，总压浆力的使用范围大都在2 0 k n 以内，也有用2 5 k n 左右。 高压上浆时，为了保证浆纱质量，其浆液必须要满足高浓度、低粘度的要求。 这就是通称的“两高一低”。国内许多纺织厂在高压、高浓、低粘新工艺条件f 生 产，车速由4 0 米分提高到6 0 米分，浆后织轴质量提高，经纱毛羽减少约5 0 ， 布机效率由9 0 提高到9 5 。 l 1 2 溶剂上浆 所谓溶剂上浆，是一种利用溶剂( 一般为三氯乙烯、四氯乙烯) 来溶解浆料( 聚 苯乙烯浆料) 来进行上浆的方法。它实现了上浆退浆不用水的目的，从而避免了日 益严重的废水处理和环境污染的困扰。由于所采用的溶剂沸点低、比热小、蒸发快， 对纱线的浸润性能好，所以浆纱能耗大大降低，浆纱质量有所提高。因溶剂和浆料 能循环使用，故不需进行上浆和退浆的污水处理。由于有机溶剂易挥发，故其上浆 装置和烘房都要紧闭，另外还要有溶剂回收装置。 1 1 3 热熔上浆 所谓热熔上浆，是把1 0 0 的热融浆料适于经纱表面，而完成上浆的工艺。与 常规上浆相比它有很多优点：能量消耗低。因使用1 0 0 的固体浆料，对经纱不 会加水份，意味着在上浆时没有水份蒸发，所以能源消耗比常规减少8 0 。省去 了煮浆区和浆液的储存。由于不需调浆和储存，热熔上浆工艺简单。上浆的质量 优良。因每根经纱分开上浆，其质量胜于任何常规上浆的浆纱且上浆速度等于整经 速度，不失为一种经济合理的上浆方式。上浆速度快。由于没有水份的蒸发，热 熔上浆速度不受干燥能力的限制，以浆液凝固到不粘结来决定，其凝固速度短至不 到1 秒。落浆少。热熔上浆由于使用的浆料弹性好，因而上机织造时落浆很少。 热熔上浆的工艺过程为：上浆的槽辊表面沿圆周方向开有多个梯形沟槽，每根 经纱按顺序排列依次通过一个浆槽，而且槽辊本身内部可以加热。聚合物固体浆料 以一定的压力顶在槽辊表面，加热后的槽辊使浆料熔化，随后槽辊转动将浆料带入 3 青岛大学硕士学位论文 沟槽内，填满沟槽底部，而经纱则以大于槽辊的速度在沟槽底部通过，浆料就可以 涂于经纱的表面来实现上浆。在离开槽辊后，经纱中的浆料在空气中迅速凝匿| ，不 需要再通过烘筒来烘干浆料，即可卷绕成形。 1 1 4 泡沫上浆 所谓泡沫上浆是利用可以产生泡沫的浆料( 属于气、液二相体) 均匀的分布在 经纱上，然后泡沫破裂，气体溢出，浆液附在经纱匕，使经纱获得可织性。泡沫浆 料山气体、水、浆料、发泡剂和添d i ：l t t 等组成。易发泡的浆s - m r 4 多，如部分醇解的 p v a 、丙烯酸浆料、液态聚酯及上述浆料的混合浆等。浓度大的浆液在压缩空气的 作用下，在发泡装置中形成泡沫，由于加入了发泡剂，泡沫比较稳定，并达到了一 定的发泡比例。然后，用罗拉刮刀将泡沫均匀的涂在经纱一卜，经压浆4 琨4 - l 压，泡沫 破裂，浆液对经纱作适当的浸透与被覆。由于浆液浓度大，因而需要高压轧浆。泡 沫上浆方法简单，上浆过程中浆纱的压出回潮率很低，为5 0 - - 8 0 或更小，因而 起到节能、节水、提高车速、降低毛羽的明显效果。 1 1 5 冷上浆 确切地说，“冷上浆”应该叫“经纱表面处理方式”( 国外文章资料中称为：c o l d s i z i n gp r o c e d u r e ，我们有时直译为“冷上浆”) 。它最适宜于色织和毛纺行业，在分条 整经机的经纱架与卷绕滚筒之间装一套类似于“上蜡”的简单装置。浆料或处理剂 放在槽中，经纱在回转的浸浆辊上拖过，达到吸浆。所用的材料，一般是具有较强 粘附力的低熔点( 5 0 7 5 。c ) 的高分子材料，例如氧化乙烯的各种形式的缩合物。 最近德国报道了另一种冷上浆形式，是使具有高粘附力的低分予量聚乙烯醇和 抗静电剂在水中的混合物作为冷上浆的浆料，并已有不同粘度和粘附力规格的商品 供应。显然，这种上浆方式能节约大量的设备投资，据称比传统上浆的成本低8 5 ， 也能大大地降低能量地消耗、减少排放物，有利于环境保护。 这种上浆方式的关键是筛选出具有高粘附性的低熔点浆料。低分子量聚乙烯醇 作为主体用在这种上浆方式可能不完全会胜任。氧化乙烯缩合物一类物质，从理论 上说是可行的，要从中优化筛选出来，似乎还需要做进一步的工作。 4 第一章概述 1 1 6 拖浆式上浆 德国的c h i m i t e x 公司推出了这种拖浆式的上浆方式。对不能承受过大的张力 和伸长的纱线( 例如：羊毛纱、粘胶纤维纱) 来说，却也是一种值得尝试的上浆方 式。其上浆过程如图所示。它没有浸渍，也没有压浆，主要靠经纱压向拖浆辊表面 吸取浆液。因此，经纱与拖浆辊的接触角、接触压力、经纱与拖浆辊的速度和接触 时间、浆液粘度等都是关键因素。同时要求所用浆液应有较高的浓度。显然，吸浆 量不会很大，上浆温度也可较低( 4 5 。c ) 。 据称，上浆率比传统上浆方法低3 8 的情况下，仍有同样的织造效果。它可减 少能源和浆料的消耗，但达不到“绿色”要求。 1 1 7 预湿上浆 预湿上浆，是在传统上浆方法基础上，通过改变纱线吸浆前的干湿状态，米收 到较好的上浆效果。干法上浆即经纱在进入浆槽吸浆之前呈干态。预湿上浆则是经 纱在进入浆槽之前呈湿态，通过热水对经纱的浸湿与洗涤，再进行上浆，能获得较 好的浆纱质量。 经纱的预湿可以通过预湿浆槽或者喷淋预湿来实现，目前国内外均以预湿浆槽 为主。纱线进入浆槽前先经过高温预湿处理，再经过高压榨力的挤压，然后进入浆 槽进行上浆。图1 1 为典型的浆纱机预湿槽的工艺流程。 1 一引纱辊；2 一第一压辊；3 一浸水辊； 4 一第二压辊上挤水辊；5 一下挤水辊；6 一纱线 图1 1 浆纱机预湿槽 5 青岛大学硕士学位论文 根据国内外的相关报道，预湿上浆具有以下优点( 与传统上浆相比较) ： a 预湿上浆可减少浆料消耗2 5 3 5 ，节约浆纱成本； b 经纱毛羽减少可达5 0 ； c 纤维粘附力可提高2 5 ；纱线强力提高1 5 2 0 ； d 经纱的耐磨性提高1 0 0 或更多； e 在纺织染整企业内由浆料引起的废水污染将由于上浆率的降低而降低。 1 2 预湿上浆的研究现状 预湿上浆作为一种环保、节能、节约、提高浆纱质量等的新型的浆纱工艺，该 项技术引起了国内外浆纱行业的广泛关注。国内知名浆纱专家就预湿上浆问题进行 过专门讨论，大家一致认为，应当加快对预湿上浆机理和工艺的研究。 1 2 1 国外的研究状况 预湿上浆在国外的研究开始于4 0 多年前，但在很长一段时间进展一直不大，看 法也不尽相同”。到1 9 9 2 年国外才开始有预湿上浆装置用f 长丝上浆机，到1 9 9 7 年用于短纤纱的上浆机见之于市场。德国祖克( s u c k e rm u l l e r ) 、 尔迈耶( k a r l m a y e r ) 、瑞士贝宁格( b e n n i n g e r ) 、美困西点( w e s tp o i n t ) 、日本津f = = | 驹等浆纱机制 造商都有预湿上浆装置供应”“，且市场反应良好。 预湿浆槽有两种型式：一种是独立式的双浸双压预湿槽，一种是联合式预湿浆 槽。b e n n i n g e r 推荐独立式的双浸双压预湿槽“，认为效果最好，作用最充分；s u c k e r m u l l e r 推荐的“w e t s i z e ”是联合式的预湿浆槽。 德国l a u f f e n m i i h l e 公司在1 9 9 6 1 9 9 7 年度就开始在现有设备上( 双浆槽浆纱机， 压浆力可达1 0t ) 慎重地开始进行预湿上浆试验“。并对外介绍了应用预湿上浆的 实际经验，除节约浆料外，还指出了在织造性能、废水成本降低和成品织物耐磨性 等方面的改善情况。并建议，如果没有相应的控制系统，不要采用预湿上浆。 在德国巴登州政府负责的联合项目中，德国邓肯道夫纺织工艺研究所( 1 t v d e n k e n d o r f ) 研究了预湿工艺的技术要求、预期效果和应用前景；此后在德国四家 中型纺织厂，预湿技术被用于中综合浆纱和织造实验，并有两家浆料生产商通过实 6 第一章概述 验来调整浆料配方。参与实验的纺织机械公司有b e n n i n g e r 、k a r l m a y e r 、s u c k e r m u l l e r 等，它们参与分析数据，并开发适用于预湿技术的新设备1 。 德国一个纺织研究所建议用蒸汽作为预湿剂3 ，可获得更好的上浆效果。应用 实验证明，在其它条件相i 司下，用1 4 5 1 9 5 的蒸汽预湿，浆纱耐磨性最好。 美国西点公司( w e s tp o i n t ) 在a t m e l 上也推出了用喷嘴进行喷淋预湿的上 浆装置“。 另外，据报道马米西弧引进b e n n i o g e r 预湿上浆机已有3 0 多台。 1 2 2 国内的研究状况 国内对预湿上浆的研究主要集中在对国产：低压浆纱机的改造，新型国产预湿浆 纱机的研究开发，以及在生产实践中对工艺参数的摸索与调整上。 国内引进预湿上浆浆纱机的厂家：德棉集团股份有限公司、广东韶关一棉织分 厂、高明溢达纺织有限公司、衡水棉纺织厂、四川自贡棉纺织厂、石家庄五棉等。 它们多是k a d m a y e r ，主要是价格便宜，但质量并不好( 伸长大，浓度变化大) 。其 中，德棉集团2 0 0 0 年底从德国k a r l m a y e r 引进了具有预湿上浆功能的全烘筒七单 元传动的1 9 0 c m 幅宽浆纱机一台；2 0 0 2 年又从该公司引进了具有预湿上浆功能的全 烘筒九单元传动的2 8 0 c m 幅宽浆纱机一台。 国内自行改造的有：淮北二棉、山西云河纺织集团公司。它们都是在现有浆纱 机上进行预湿上浆，以双浆槽中的一个作为预湿槽，但设计双( 多) 浆槽的目的是 解决上浆覆盖率高的问题，浆槽与预湿上浆机构有许多不同之处，因此不能简单地 代用1 。 早在1 9 9 7 年，国内就有“湿法上浆”的说法，并进行了初步探讨和研究“。 2 0 0 0 年，青岛大学窦玉坤“8 “”在潍坊第四棉纺织厂的祖克浆纱机上进行过试探 性尝试，在经轴架与浆槽间加装一预湿装置，并将四个织物品种的浆纱指标与干法 上浆质量指标对比，分析说明了预湿上浆有利于提高浆纱的质量，认为是一种比较 理想的上浆方法。 2 0 0 1 年，万明、郝风鸣“”在祖克浆纱机的经轴架与浆槽间加装一单浸单压式预 湿装置，并进了浆纱质量对比，指出预湿上浆是一种值得进一步研究和推广的上浆 7 青岛大学硕士学位论文 方法。 2 0 0 2 年，东华大学姚梓芬“6 3 在j c 2 5 t e x 及t c5 0 5 01 9 5r e x 产品上做预湿上浆 试验，与普通上浆相比，上浆率降低2 3 ，节约浆料成本1 5 2 3 ，并指出预湿 机构高压挤水辊挤压后的纱线含水量控制在2 0 4 0 ，预湿水温一般采用8 5 。c 9 5 。 五环集团股份有限公司何安民9 ”等，在祖克$ 4 3 2 型双浆槽浆纱机上对涤棉细布 进行了预湿上浆实践，结果上浆率比传统上浆下降2 5 ，可织性能及布面效果得到 提高。 德棉集团股份有限公司的原好东、陈淑芹。”从浆纱质量指标和上浆成本两个 方面介绍了预湿上浆技术的特点，通过分析确定了预湿压出回潮率的量化值在2 5 3 5 为宜，并提出由预湿压出回潮率和纱线的上浆质量指标两个参数来确定最佳预 湿压力值，经试验得出，8 5 k n 9 5 k n 的预湿压力下的压出回潮率是比较合适的。 万明、渠叶红”提出了利用预湿上浆原理对国产低压浆纱机进行改造的具体方 法。对于诸如s f j i 型、g 1 4 2 改造型、g 1 4 2 b 型等单浆槽双浸双压式低压浆纱机， 可在经轴与浆槽间加装一预湿装置，亦可在浆槽中部焊接一块挡板将原浆槽一分为 二，第一槽为预湿槽，第二槽为浆槽。 2 0 0 3 年，湖北蒲纺三陆实业股份有限公司的陈新祥、余桂莲”，在$ 4 3 2 型祖 克双浆槽浆纱机上作过实践，将第一浆槽作预湿槽，预湿上浆后，在z a 2 0 9 1 1 9 0 型喷气织机上生产精梳涤棉防雨布，浆纱质量和织造效果有了明显改观，浆纱好轴 率和布机效率分别提高了4 6 和1 2 6 ，织疵率下降了o 0 7 。 德棉集团刘建忠、王建强“6 1 等在纯棉色织物上使用预湿上浆工艺，与传统上浆 工艺相比，上浆率明显降低，但织机效率略有上升。认为经水浸润后的纱线虽被轧 辊压出大部分水分，但仍有部分水分保留在纱体中，阻碍了浆液的浸透，所以预湿 上浆以被覆为主。 河北保定依棉集团。”在2 0 0 2 年引进一台带预湿功能的津田驹h s 一3 0 双浆槽浆纱 机。仅在两个品种上预湿生产半年，未发现因预湿造成的质量问题，节约浆料折合 人民币近5 万元。如大规模推广，其效益非常可观。该公司的张辉指出，预湿成功 的关键是浆液浓度粘度的稳定，并得到结论：为保证压出回潮率控制在4 0 左右， 8 第一章概述 压水辊最大压力须达到1 0 吨，使用范围6 0 1 0 0 k n ；纤维种类以纯棉品种及混纺 品种中棉比例大的品种为宜；纱支宜选用中低支纱。 西安工程科技学院的本德萍等“对传统卜浆方式和预湿上浆方式的原理进行了 对比，测试了采用传统上浆工艺和预湿上浆工艺浆纱的毛羽指数、耐磨次数、断裂 强力、断裂伸长率等性能指标，结果表明，采用预湿上浆明显改善了浆纱质量，并 且节约了浆料用量，有利于企业提高经济效益。 国内几家著名的浆纱机制造厂家，也在争相开发具有预湿功能的浆纱机，盐城 纺织机械有限公司投入6 0 0 万元使预湿浆槽浆纱机实现了产业化；郑州纺织机械股 份有限公司，在2 0 0 4 年北京国际纺织机械展览会上以“中国预湿”推出了具有预湿 功能的单、双浆槽浆纱机。 1 3 本课题的目的意义及研究内容 l - 3 1 本课题的目的意义 浆纱工序在织布厂处于非常重要的地位。近十几年来在纺织经纱上浆领域中， 无论在浆料开发和应用方面，还是在上浆方式与上浆工艺方面，国内外研究者一直 倾注着许多力量，并开展了很多工作，取得了不少成果。 预湿上浆作为一种新型的上浆技术，既减少了浆料的消耗，又提高了浆纱质量， 具有诸多优点。但是作为一项新技术，业内人士对其认识上仍然存在着如下分歧与 疑问： ( 1 ) 预湿上浆后浆纱中浆液的分布是以渗透为主还是以被覆为主。 ( 2 ) 上浆率的降低与浆纱质量指标的改善二者之间看似矛盾的问题。 ( 3 ) 经纱进入浆槽前的回潮率大小导致的浆液稀释问题。 ( 4 ) 预湿上浆所适用的纤维的种类及纱支问题 这一系列的问题导致预湿上浆在生产中还没有被完全推广应用。我们认为，最 主要问题还是在于对预湿上浆的上浆机理缺乏深入的了解，同时对一些实际问题缺 乏进一步的理论研究。国内知名浆纱专家也就预湿上浆问题进行过专门讨论，大家 一致认为，应当加快对预湿上浆机理和工艺的研究。为此，我们将从理论和应用方 9 青岛大学硕士学位论文 面对预湿上浆进行较深入和全而的研究，以推动为这项正在为国内外浆纱行业所广 泛关注的技术在国内进一步推广应用。 1 3 2 主要研究内容 在本课题的研究期间，主要做了以下几方面的工作： ( 1 ) 从表面物理化学与渗流理论两方面对预湿上浆的机理进行研究 首先利用表面物理化学的相关知识，从浆液与经纱间润湿和粘附的角度对预湿 上浆中所存在的界面机理进行深入研究，探讨预湿上浆改善浆纱质量指标的原因， 提出我们自己的见解。 然后利用渗流理论对浆液在纱线中的渗流状态进行研究。首先将纱线抽象为多 孔介质，利用孔隙分布及孔隙率的概念，对纱线中纤维分布状态进行研究；再利用 流体力学、渗流理论知识，得出浆液在纱线中渗透的理论模型，对预湿上浆中在压 浆力作用下的渗透机理及相关问题作出合理解释。 ( 2 ) 从实验室模拟到实际上机，对预湿上浆具体工艺进行系统研究 对于预湿上浆工艺的应用研究，我们从预湿效果的控制与实现、浆纱质量指标 的对比分析等方面，并结合实际的预湿上浆设备，对预湿上浆具体工艺( 预湿压力、 浆液的调制、压浆力的配置等) 进行系统的研究。 对预湿效果的控制与实现，我们先从试验室的模拟上浆试验进行初步探索开始， 然后结合实际的预湿上浆设备，对预湿回潮率和预湿压力的合理范围进一步确认， 并在理论上作出解释。最后通过上机试验，结合实际的应用状态对预湿上浆工艺进 行了系统研究。通过对预湿上浆和传统上浆的浆纱质量指标的对比分析，验证预湿 上浆的良好效果；通过浆纱切片试验，来消除对浆纱中浆液分布问题所存在的分歧。 ( 3 ) 对预湿上浆的上浆率计算及降低幅度进行研究 针对预湿上浆上浆率的问题，大家对上浆率的降低都达成了共识，但是缺乏一 定的理论分析和支持，本课题在传统上浆率计算的基础上，对预湿上浆的上浆率状 况进行了研究。 ( 4 ) 提出预湿上浆工艺新思路 最后结合实际生产工艺，通过一定的试验和分析，提出预湿上浆工艺新思路。 1 n 第二章预湿上浆中界面机理的研究 第二章预湿上浆中界面机理的研究 要想确定出合理的预湿上浆工艺，并解释预湿后出现的各种现象，必须在传统 上浆理论的基石j j 上，对预湿上浆的机理进行深入的探讨。预湿上浆之所以在国内没 有大规模推广应用丌来，在很大程度上是因为对预湿机理的认识还存在不少分歧以 及盲区。本章将根据自己的理解，运用相关知识，对预湿上浆中的界面机理进行初 步的探讨。 2 1预湿技术对经纱润湿性能的改善 润湿( w e t t i n g ) 是指在固体表面上一种液体取代另一种与之不相混溶的流体的 过程。因此，润湿作用必然涉及三相，其中两相是流体。常见的润湿现象是固体表 面上的气体被液体取代的过程。润温现象是固体表面结构与性质、液体的表面与界 面性质以及固体两相分子间相互作用等微观特性的宏观表现“。 浆纱技术的不断发展使浆纱高速成为可能，但随之带来的问题是经纱在浆槽内 浸浆时问的缩短，会影响浆纱的上浆性能，并影向织机的效率和织物的质量。若经 纱在浆槽内的浸浆长度为2 m ，浆纱机速度为4 0 m m i n ，则浸浆时问为3 s ，当速度为 8 0 m m i n ，则浸浆时间仅为1 5 s 。如此短的浸浆时间是很难保证浆液对浆纱的浸透和 被覆效果的实现。为此寻求合适的方法，对上浆经纱进行预处理，提高经纱的润湿 性能就显得很有必要。 2 1 - 1 润湿过程 润湿过程可以分为三类：沾湿( a d h e s i o n ) 、浸湿( i m m e r s i o n ) 和铺展( s p r e a d i n g ) 。 它们各自在不同的实际问题中起作用。这些过程的实质及其自动进行的条件分别如 下3 “。 ( 1 ) 沾湿指液体与固体从不接触到接触，变液气界面和固气界面为回液界面 的过程。例如农药喷雾能否有效地附着在植物枝叶上、雨滴会不会沾在衣服上，此 皆为沾湿过程能否自动进行的问题。 1 1 青岛大学硕士学位论文 设形成的接触而积为单位值，此过程中体系自由能降低值( 一a g ) 应为 - a g = y 。+ y l g 一= 睨 2 ( 1 ) 式中，y 。为气固界面自由能；y ，。为液体表面自由能；y ，为固液界面自由能。睨为 粘附功，是沾湿过程体系对外所能作的最大功，也是将接触的固体和液体自交界处 拉开，外界所需作的最小功。显然，此值越大则固体和液体结合越牢。故睨值反映 固液界面结合能力及两相分子间相互作用力的大小。根据热力学第二定律，在恒温 恒压条件下，睨，0 的过程为天然过程。这也就是沾湿发生的条件。 ( 2 ) 浸湿指同体浸入液体中的过程。洗衣时把衣服泡在水中就是浸湿过程。 此过程的实质是固气界面为固液界面所代替，而液体表面在过程中并无变化。在浸 湿面积为单位值时，此过程的自由能降低值为： 一a g = k y 。= 彬 2 一( 2 ) 形称为浸湿功，它反映液体在固体表面上取代气体( 或另一种与之不相混溶的流体) 的能力，彬) 0 是浸湿过程能否自动进行的判据。 ( 3 ) 铺展多种工业生产中应用涂布工艺。其目的在于在固体基底上均匀地形 成一流体薄层。这时不仅要求液体能附着于固体表面，而且希望能自行铺展成为均 匀的薄膜。农药喷雾时也有类似的要求，即不仅能附着于植物枝叶上产生药效，而 且能自行铺展，以便覆盖面积最大达到最好的织物保护效果。铺展过程的实质是以 固液界面代替气固界面的同时还扩展了气液界面。当铺展而积为单位值时体系自由 能降低为 - a g = y 镕一7 k y ，= s 2 一( 3 ) s 为铺展系数。在恒温恒压下，s ，0 时液体可以在固体表面上自动展开，连续地从 固体表面上取代气体。只要用量足够，液体将会自行铺满固体表面。将式2 一( 3 ) 与 式2 一( 2 ) 结合可得 s = 彬一y l g 此式说明若要铺展系数s 大于0 ，则彬必须大于y k 。r 。是液体的表面张力，表征液 12 第二章预湿i 二浆中界面机理的研究 体收缩表面的能力。与之相应，彬则体现了固体与液体间粘附的能力。因此，又称 之为粘附张力，用符号a 来代表 a2y 一y 。 三种润湿过程自发进行的条件皆可以用粘附张力来表示 w o = a + y k 0 = a 0 s = a 一0 由于液体的表面张力总是正值，对于同一体系彬，彬，s ，故凡能自行铺展的体系， 其它润湿过程皆可自动进行。因而常以铺展系数为体系润湿性指标。 从上述三式还可以看出，固体表面能对体系润湿特性的影响都是通过粘附张力 a 来起作用。其共同的规律式：固气界面能越大、固液界面能越小，也就是粘附张 力越大，越有利于润湿。液体表面张力对三种润湿过程的影响各不相同。对于沾湿， y 。大有利；对于铺展，y 。4 、有利；而对于浸湿，则y ，。大小与之全无关系。 从上述内容得出一个结论：根据有关界面能的数值i 叮判断各种润湿过程是否能 够进行；再通过改变相应的界面能的办法即可达到所需要的润湿效果。但实际并非 如此简单，有关各界面能的数值并不是都能求之即得的。在三种界面中只有液体表 面张力可以方便地测定，因此应用上述润湿判据实际上是困难的，在固液界面存在 接触角的情况下，润湿角与有关界面能的关系为研究润湿现象提供了方便。 2 1 2 接触角与润湿方程 将液体滴于固体表面上，液体或铺展而覆盖固体表面，或形成一液滴停于其上， 随体系性质而异。所形成液滴的形状可以用接触角来描述。接触角是固、液、气三 相交界处，自固液界面经液体内部到气液界面的夹角，以。表示。平衡接触角与三 个界面自由能之间有如下关系： y 一y “5y l gc o s 0 此式最早是t y o u n g 在1 8 0 5 年提出的，常称为杨氏方程。它是润湿的基本公式，亦 称为润湿方程。此关系适用于具有固液、固气连续表面的平衡体系。 1 3 青岛大学硕士学位论文 将润湿方程与式2 一( 1 ) 、2 一( 2 ) 、2 一( 3 ) 结合则得： 睨= f i g ( c o s 0 + 1 ) a = 彬= c o s 8 s = y i g ( c o s 一1 、 因此，原则上说，测定了液体表面张力和接触角即可得到粘附功、粘附张力和铺展 系数得数值，从而解决了应用各种润湿判掘的团难。从以上三式不难看出接触角大 小是很好的润湿标准。接触角越小润湿性越佳。习惯上常将0 = 9 0 。定为润湿与否的 标准。8 ，9 0 。为不润湿，pc9 0 。为润湿，口= 0 或不存在则为铀展。 2 1 3 预湿处理对于经纱润湿性能的改善 对纺织材料而言，未经煮练和漂白脱去油脂、蜡质的亲水性天然纤维及疏水性 纤维，与水之间界面张力大，加之纱线是一种多孔性物质，有着巨大的表面积，纤 维之间存在着空气，不易被润湿“2 ”3 。 在预湿上浆过程中，经纱在预湿浆槽中经过8 5 。c 以上高温水的浸润洗涤作用， 以及压辊在纱线轴向的剪切力作用下，可将棉纱表层纤维的棉蜡、胶质物、糖衣等 表面包覆物更多的去除掉，减小了液体在纤维表面的润湿角目，利于浆液在纤维表 面的铺展润湿，同时电为纱线中毛绌效应的进行、以及浆料与纤维之间更好的粘附 提供了有利的前提条件。 纱线是多孔介质，纤维之间存在着许多相互贯通的毛细管( 设半径为，) ，如果 液体能够润湿毛细管壁( 口c9 0 。) ，则液体能在毛细管内上升至一定高度而达到平 衡。7 。，这时毛细管中浆液重量( 浆液密度p ) 、渗透深度h 和液体的表面张力y 。之 间存在着如下关系： p n r 2 h = 幼w 1 9 c o s 8 则：h 2 y 】g c o s 8 g p r 当进行预湿上浆以后，使纤维的润湿性能增强，即润湿角臼减小，渗透深度h 增 大，即浆液自动发生良好的渗透作用的能力增强。所以，预湿上浆在增加浆液与纤 维之间润湿性能的基础上，还能促进浆液的自动渗透作用。 1 4 第二章预湿上浆中界面机理的研究 2 2 预湿技术对上浆均匀性的影响 预湿上浆中，浆液与纱线中水份的质量交换对上浆均匀性的提高起到了至关重 要的作用。 从流体通过多孔介质的观点，只有那些相互连通的孔隙刊有意义，和其它孔隙 不相连通的孤立的孑l 隙是无效的。我们把相互连通的、不为结合水所占据的那一部 分孔隙称为有效孔隙”1 。一般孔隙率都是指有效孔隙率。 其中宴际上不 端孔晾 图2 1 死端孔隙不总图 应当晓明，还有一种孔隙称为死端孔隙或滞流孔隙( 如图2 1 ) ，它看上去属于 相互连通的一类孔隙，但对流动几乎不起作用。因而从流体运动的角度来看，这类 孔隙是无效的。经纱经预湿后，在这些死端孔隙中构成了水、空气、浆液这三种流 体共同存在的微环境，这在一定程度上会对浆液的均匀分布起到很微妙的影响”。 传统浆纱： 艺中，浆液容易急速进入主流通道，对于死端孔隙，则由于内部空 气经压缩后压强增大，浆液很难进入，最终导致浆液的量虽多，但由于问隙的存在 影响了分子间的结合力，且浆液分布并不均匀。而经纱预湿以及经过压辊的压轧以 后，原先由空气占据的大部分毛细孔已经由热水取代，由于浆液和热水两种液体问 存在浓度差异，必将在两者问存在质量的交换，而且从经纱进入浆槽到烘房烘燥结 束的整个过程中，质量交换都在发生。这样，在纱线径向的外层区域，传统工艺中 不易进浆的死端孔隙中也有了浆液存在，使浆液的分布更趋于均匀，结合更加紧密， 增大了纤维之间的粘附力，且浆膜的根基更加牢固，耐磨能力进一步提高。 在纱线的芯部，由于水份相对集中，外层吸附的浆液也将与其发生质量的交换， 并呈辐射状向芯部形成扩散。再者，纱体中的浆液在浸透过程中经水稀释后粘度梯 1 5 青岛大学硕士学位论文 度下降，也有利于浆液的渗透与铺展。 所以说，由于浆液与死端孔隙以及纱线芯部中所含水份之间