摘要：本文结合气液染色机的设计原理及结构性能，分析和讨论气液染色机与节能降耗相关的一些技术特征。了解和掌握经过实践验证过的技术特征，不仅可以充分发挥节能降耗的功效，而且还可为染色新工艺的开发提供理论依据和思路。

关键词：气液染色机  结构性能  织物单次循环匀染度  染色周期  高效节能

气液染色机的开发与应用，不仅解决了目前低浴比染色存在的一些问题，而且简化了低浴比染色工艺，为节能减排提供了新的染色方法。与目前的气流雾化染色机所不同的是，气流不需携带雾化染液，因而不产生能量消耗，大大降低了风机功率。气液染色机的气流在牵引织物循环的同时还对已吸附染液的织物产生渗透压和纬向扩展作用。提高了织物单次循环的匀染度，并避免折痕的产生。该机的前置组合式染液喷嘴，对织物可提供不同形式的交换方式，提高了染液与被染织物单次循环的匀染程度，缩短染色时间。水洗时，染液喷嘴与织物形成逆流交换方式，不仅提高了净洗效果，而且效率高，节水。与目前气流雾化染色机相比，可节省电50%以上，节省水20%，节省蒸汽30%，并且工艺时间缩短三分之一。在提高染色工艺性的同时，更加凸显出节能降耗的技术特征。

    本文结合气液染色机的设计原理和结构性能，介绍和讨论其节能降耗功效，并给出染色新工艺和潜在功能的开发思路。

1 提高气流循环效能，降低风机额定功率

    1.1 气流循环的能耗

    目前气流雾化染色机的染液在夹套中经雾化喷嘴雾化后，再由气流带动从环缝隙中喷出与织物进行交换，气流在带动染液的过程中需要消耗很大一部分能量，风量会出现大幅度下降。为了保证牵引织物循环所需的风量，必须加大风机风量，即加大风机功率。相比之下，气液染色机采用了分别独立的染液和气流循环方式，利用拉法尔原理设计的气流喷嘴所产生的高速气流仅仅用于牵引织物循环，不对循环染液产生能量消耗。在充分提高气流的有效利用率的同时，大幅度降低了风机消耗功率，将循环风机的额定功率降低到原来的6590以下，例如二管气流染色机风机的额定功率45kW降至15kW。解决了当前气流染色机的电耗大的问题。在1:4以下低浴比染色不仅节水、节汽和节电，而且染色过程控制简单，染色品质更高。

    1.2 气流循环效率

    气液染色机气流循环的作用与气流雾化染色机不完全相同，而气流循环效率主要取决于循环风机和输送管路阻力损失。减少气流循环阻力损失，采用高效循环风机，是提高气流循环效率主要手段。相对染色机的风机而言，风量和风压的关系以及选取要求，与气流喷嘴的作用形式密切相关此外，风机和风管安装结构形式的不同也决定了气液染色机的气流循环效率，例如风机叶片的气动力、风管截面的静压能转换等。

1.3 风机恒功率控制

    对于高温高压气液染色机来说，在100℃工艺条件下，气流是在密闭的压力容器内进行循环。此时的空气中夹带着水蒸气，实际上是一种蒸汽与空气的混合物，密度要比单纯的空气大，并且随着温度的升高，还会增加。因此，风机的工作负载会随着温度的升高而增加，即风机电机工作电流升高，功率升高。在这种条件下，空气的粘性增加，牵引织物循环粘性作用力增加，减少了与织物的相对滑动速度，因而织物的循环速度会增加。

    这种工艺条件会出现两种现象，一是风机的功率上升，增加电耗；二是织物循环速度提高，增加了提布辊与气流喷嘴之间的织物张力。理论上织物循环周期缩短，但实际上织物存在被拉伸长，有些织物的循环周期可能变化不大。这两种现象虽然对织物的匀染性没有影响，但是对风机耗电、织物的幅宽以及纵向折痕有很大影响。

    如果风机电机采用恒功率控制，通过电脑程序设定一种频率随负载变化而变化的控制过程，使风机电机始终工作在设定的工作范围内，保持设定的功率恒定。这样就可以减小对织物运行状态的影响，避免织物所受张力过大而产生质量问题，同时还可以节省电耗。经生产应用测试，两管机进行分散染料染色（高温130℃），风机采用恒功率控制，一小时可节约3～4度电。

   2 采用多种交换形式，织物单次循环匀染度高

    对于织物浸染方式来说，被染织物与染液交换频率和单次交换的匀染程度，决定着织物达到匀染所需循环次数的多少。显然，加快被染织物与染液的交换频率，或者提高织物单次循环的匀染度，都可以缩短织物达到匀染所需的时间，即缩短工艺时间。有实际应用表明，将现有的气流染色工艺或溢喷染色工艺，直接用于气液染色机，染出的织物颜色都偏深。这充分说明，气液染色达到织物匀染所需的循环次数要比其他染色的循环次数少，在多余的时间里只能不断增加染料的上染率。

    气液染色机能够使被染织物获得较高单次循环匀染度，从设备的结构性能上可以做出以下解释。

    2.1 组合式染液喷嘴的交换形式

目前所有的气流染色机或普通溢喷染色机的喷嘴，在同一机型中只有一种染液与织物的交换形式。对于不同纤维品种或织物结构，一般是通过更换喷嘴口径或调节染液喷射量的大小来满足工艺要求。喷嘴口径大小主要与不同织物克重大小相适应，染液喷射量人小也是与织物克重大小相适应。相比之下，气液染色机的组合式染液喷嘴，不仅可以调节染液量的大小，而且还具有三种交换形式供选择，即：“染液直接雾化”交换、“环喷射”交换以及“雾化+环喷射”交换。“染液直接雾化”交换形式对织物作用均匀，对纤维渗透力较强，但织物损伤较小： “环喷射”交换形式类似于软喷射作用，既可满足织物对染液量的要求，又不会对织物表面产生损伤；“雾化+环喷射”交换形式供液量较大，既可满足吸水较强的织物，又适于水洗所需的大流量。三种交换形式能够满足目前绝大部分纤维织物品种的染色要求，尤其是对提高匀染性、抗褶皱性以及适于敏感色起到了重要作用。解决了目前小浴比罐式溢流喷射染色机存在的一些染色质量问题。

2.2 部分染液逆流的预交换作用

    目前气流染色机或普通溢喷染色机的喷嘴染液与织物交换后，都是沿着同一个方向运行。织物在单次循环过程中，喷嘴染液与织物交换后，浓度逐渐降低，而被染织物的浓度逐渐提高，二者的浓度差逐步减小。也就是说，织物在导布管中与染液的交换能力在逐渐减小。在气液染色机中，染液喷嘴在提布辊之前，染液与织物交换后，总有一部分染液要顺着织物运行的相反方向流动，会与进入喷嘴之前的织物进行预交换。这部分染液浓度比还未进入喷嘴的织物上染液浓度要高许多，为加速织物纤维表面动力边界层和扩散边界层中染料的扩散速度，提供了有利条件。

2.3 提布辊对织物所带染液的挤压作用

    气液染色机的提布辊除了承担对织物的辅助牵引作用外，另一个重要的功能就是对已交换后的织物进行挤压，加速织物表而染液向纤维内部渗透速度。在挤压过程中，多余的染液还可在织物表面进行重新分配，提高织物上染液的均匀分布。

    2.4 气流对织物所带染液的渗透压作用

    在织物单次循环过程中，织物与染液在喷嘴中交换后经过提布辊挤压，除了吸附在纤维内部的染料进行扩散外，进入气流喷嘴后，又要经受气流的渗透压作用。一方面加大了染料向纤维内部的作用力，另一方面对纤维表面所吸附的染液进行再次分配，提高了纤维表面上染料分布的均匀性。

    3 凸显低耗、保质的工艺性

    气液染色机的组合式染液喷嘴，可提供较高的织物单次循环的匀染度，因而特别适于敏感色染色以及高温活性染料染色工艺条件。解决了目前小浴比溢流或喷射染色、气流雾化染色存在的一些工艺性问题，同时还为开发新型纤维或织物品种的染色工艺提供了拓展空间。从节能减排意义上讲替代了部分织物必须以较高浴比才能够满足染色质量要求的做法，提供了小浴比染色工艺的重要条件。

    3.1 匀染条件

    气液染色机的前置式组合染液喷嘴、匀染导布管、提布辊、气流喷嘴及气流导布管之间的位置关系，对被染织物形成了一个匀染条件。使得被染织物在单次循环过程中，即可获得较高的匀染度，同时又可减少染液与被染织物交换的总次数，为实现缩短上艺时间或快速染色提供了条件。

    3.2 工艺的重现性

    工艺的重现性对间歇式染色机来说是非常重要的。气液染色工艺重现性除了工艺本身之外，主要是来自于设备性能的保证。机械性能在强大的控制系统支持下，更重要的是设备性能对工艺的适应性和过程控制功能的可靠性。缩短染液温度和浓度平衡的时间，主要依赖于染液与被染织物获得均匀交换过程所需的时间。组合式染液喷嘴所提供的不同染液与织物交换状态，以及气流对吸附染液后的织物产生的渗透压作用，均为相同工艺的重现性提供了可靠保证。此外，按照不同染料的上染特性和上染过程不同变化，采用计量加料方式，有效地保证染料对织物上染的均匀性。这些设备的性能和功能，使得染色过程始终处于受控状态，从而保证了染色工艺的重现性。

    3.3 工艺过程的优化

    部分弹力针织物免预定形处理在气液染色机中直接进行前处理和染色机。该项工艺简化曾在广东某印染厂尝试过，并取得了成功，经估算一吨织物可节省加工费1000元。由于气液染色机具有较好的织物单次循环匀染度，因而一般织物完全可以缩短保温固色时间。该机曾经做过试验，比传统工艺缩短三分之一。

    3.4 适于敏感色染色

    敏感色主要表现在各组分染料在同一温度上染速率的差异。如果在同一温度条件下，被染织物所获得的染料在较短的时间内能够均匀地分布在整个织物纤维上，或者说织物的每一部分在较短的时间内获得匀染的几率是相等的，那么就可大大减少因各组分染料在同一温度上染速率的差异，敏感色的匀染性就会大大提高。

    在实际应用中发现，气液染色机特别适于敏感色。这与气液染色机的前置组合式染液喷嘴、提布辊和气流喷嘴三者之间的位置，以及作用条件密切相关。气液染色机的前置组合式染液喷嘴的交换形式，提布辊辊面对织物的挤压和气流的渗透压作用，对单次循环染液中染料上染织物温度和浓度产生了多次作用过程，因而为敏感色的匀染性提供了有利条件。

    3.5 织物的抗折皱性

    织物以绳状染色加工产生折痕的主要原因是受到长时间的挤压，没有获得扩展机会以及温度变化纤维收缩不均匀所致。在小浴比的罐式染色机（俗称“0”型缸）中，浴比低，织物在储布槽中产生相互挤压，而织物在动程中经过喷嘴和导布管后，没有被展开的机会，就容易产生折痕，尤其是紧密度较高的针织物更是如此。

    相比之下，气液染色机的独立气流循环，织物通过气流导布管后，受到气流自由射流的作用，会产生纬向扩展，不断改变织物的绳状形态。至少在织物的每一个循环中，织物被扩展一次，大大减少了织物折痕。此外，纬向扩展后的织物进入储布槽，会出现局部吹鼓现象，也减少了织物局部折皱印的产生。正由于气液染色机的作用条件使得织物一般不出现折痕，所以解决了目前低浴比溢流或溢喷染色机容易产生折痕的问题。

3.6 纬编针织物开幅染色

普通溢流或溢喷染色机对针织物的纬向扩展性较差，而一些弹力针织物开幅后容易卷边，绳状染色时因卷边没有扩展就造成染不透。为此，这类针织物在普通溢流或溢喷染色机都是采用筒状染色。由于纬编弹力针织物为了结构尺寸的稳定性和减少折痕产生，一般需要进行毛坯开幅预定形。

所以染色之前还要经过一道缝筒工序，增加了工艺流程和加工成本。实践证明，气液染色机的气流扩展作用，可以使开幅的针织物直接进行绳状前处理和染色加工，省去了缝筒工序。

3.7 染色“一次成功率”

从间歇式染色机节能减排的角度来讲，除了浴比和工艺时间外，染色的“一次成功率”是节能减排最重要的环节。正因为气液染色机的原理和结构形式融入了气流雾化染色和溢流喷射染色两者的优点，同时还衍生出自身的一些特点，充分体现出了染色“一次成功率”的优势。生产实践证明，气液染色机的染色“一次成功率”在98%以上。大大减少了因返修而造成的能耗。与其它间歇式染色机相比，气液染色机的节能降耗已成为一项主要技术特征。

4 高效、低耗水的水洗过程控制

在间歇式染色机中进行水洗，是目前耗水和产生废水最大的一道工艺。小浴比溢流喷射染色机以及气流雾化染色机虽然染色浴比低，但由于水洗方式及水洗作用条件的局限性，往往水洗不充分，而且时间长。相比之下，气液染色机在结构上采用了前置组合式染液喷嘴，不仅可以提供较大的水流量，而且洗液与织物形成一定的逆流交换过程，极大地提高了水洗浓度梯度。此外，对水洗不同阶段进行控制，可达到高效水洗的目的。

4.1 水洗逆流交换

根据净洗原理，增大洗液扩散系数、缩短扩散路程以及增加浓度梯度，可提高水洗效率。气液染色机的前置组合式染液喷嘴在水洗中，洗液与织物可形成一个逆流交换过程。与前段织物交换后的部分水会逆流而下，继续与后段较脏的织物进行交换。经交换后的污水与织物分离并直接排放，不参与再次循环。通过这种逆流水洗方式，可增加水流作用，增大洗液扩散系数，提高水洗的浓度梯度。不仅水洗效率高，而且省水。

4.2 水洗阶段

    染色后织物纤维中含有未上染的染料、水解染料以及化学助剂等，必须通过水洗进行去除，以提高织物牢度和洁净度。固色过程结束后，主要是残留在织物纤维表面上的未上染的染料、水解染料以及化学助剂，需要通过大水量进行冲洗去除，因而需要加大喷嘴喷射流量。完成这一水洗过程后，主要是对残留在织物纤维孔道中的未上染的染料及水解染料。必须通过提高洗液温度，加大水分子动能，借助纤维内外浓度差不断将纤维孔道中的杂物向外扩散。最后是通过一定的温度和水量将纤维表面的杂物去除。因此，水洗过程可分为三个阶段，对每个阶段实施水量、温度不同的控制方式，以达到省水、省时的最佳水洗效率。

5 结语

气液染色机采用了新的设计原理，将气流与染液进行分别控制，气流对染液不产生能量消耗，大大降低了风机功率。气液染色机部分继承了溢喷染色对织物具备较好交换的匀染度的特点，并加以提布辊的挤压和气压的渗透作用，因而提高了被染织物单次循环的匀染程度，能够在较短的时间内完成均匀上染。

气液染色机从三个方面体现出了低能耗的功效，一是：水、汽和染化料在低浴比条件下所产生低能耗功效；二是：风机功率省去了对染液雾化作用以及携带染液的能耗；三是：组合式染液喷嘴加强了织物与染液交换程度，提高了织物单次循环的匀染度，并且可扩展到逆流水洗的功效（相当于染色的逆过程）。第三点实际上就是提高了染色的“一次成功率”和工艺简便与优化。因此，气液染色机所具有的节能降耗功能，以及较高的染色“一次成功率”，改变了目前存在返修所产生的能耗和排放，并且工艺操作简便，减少了对人员技能的依赖性。

    参考文献

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[3] 刘江坚编著．气流染色实用技术[M]北京：中国纺织出版社，2014.