激光辐射在染整加工中的应用

1. 激光辐射在染整加工中的应用 什么是激光？ • 激光是受激辐射下强化的光。激光器发出的光束是严格平行的，它被用于制造具有高强度的单色辐射和产生极短的光脉冲。

2. 激光历史 • 激光起源于大物理学家‘爱因斯坦’，1916年爱因斯坦提出了一套全新的技术理论‘受激辐射’。这一理论是说在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”，简称激光。 • 1958年，美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象：当他们将内光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。根据这一现象，他们提出了"激光原理"，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时，都会产生这种不发散的强光--激光。他们为此发表了重要论文。肖洛和汤斯的研究成果发表之后，各国科学家纷纷提出各种实验方案，但都未获成功。 • 1960年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。 • 1960年7月7日，梅曼研制成功世界上第一台激光器，梅曼的方案是，利用一个高强闪光灯管，来刺激在红宝石色水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。 • 前苏联科学家H.Γ.巴索夫于1960年发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由P层、N层和形成双异质结的有源层构成。其特点是：尺寸小，耦合效率高，响应速度快，波长和尺寸与光纤尺寸适配，可直接调制，相干性好。

3. 粒子数反转 • 爱因斯坦1917提出受激辐射，激光器却在1960年问世，相隔43年，为什么？主要原因是，普通光源中粒子产生受激辐射的概率极小。 • 当频率一定的光射入工作物质时，受激辐射和受激吸收两过程同时存在，受激辐射使光子数增加，受激吸收却使光子数减小。物质处于热平衡态时，粒子在各能级上的分布，遵循平衡态下粒子的统计分布律。按统计分布规律，处在较低能级E1的粒子数必大于处在较高能级E2的粒子数。这样光穿过工作物质时，光的能量只会减弱不会加强。要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数。这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转。 • 如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。

6. 理论研究表明，任何工作物质，在适当的激励条件下，可在粒子体系的特定高低能级间实现粒子数反转。 • 若原子或分子等微观粒子具有高能级E2和低能级E1,E2和E1能级上的布居数密度为N2和N1，在两能级间存在着自发发射跃迁、受激发射跃迁和受激吸收跃迁等三种过程。受激发射跃迁所产生的受激发射光，与入射光具有相同的频率、相位、传播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干辐射场激发下产生的受激发射光是相干的。受激发射跃迁几率和受激吸收跃迁几率均正比于入射辐射场的单色能量密度。当两个能级的统计权重相等时，两种过程的几率相等。在热平衡情况下N2<N1，所以自发吸收跃迁占优势，光通过物质时通常因受激吸收而衰减。外界能量的激励可以破坏热平衡而使N2>N1,这种状态称为粒子数反转状态。在这种情况下，受激发射跃迁占优势。光通过一段长为l的处于粒子数反转状态的激光工作物质(激活物质)后，光强增大。一段激活物质就是一个激光放大器。　

11. 紫外线激光辐射纤维改性 • 利用紫外线脉冲激光对聚合物表面进行刻蚀，会产生形态变化。 • 采用氩／氟和氪／氟等紫外线激光对涤纶、锦纶和聚芳酚胺纤维进行刻蚀处理，发现纤维表面的形态有明显变化，出现沿纤维轴向取向的所谓圆筒状花纹，即与纤维轴向呈直角的褶状凹凸纹。

12. 这种形态变化不仅和刻烛的激光阂值有关，而且和纤维内部和表面存在的应力、纤维分子取向度有关。 • 无论激光的波长是多少，只要处理时间足够长，都会出现这种褶状凹凸纹，但是其形状随波长的变化有差异。 • 在波长短的氩／氟气场合(193nm)呈细密的褶状凹凸纹。与此相反，在氙／氯气场合(308nm)波纹且熔融状。这可能是由于波长短的激光能量较大．容易引起纤维分子链的化学键断裂，因此容易形成细密的褶状凹凸纹，而波长越长，其光能更易被消耗于热运动中，故波纹呈熔融状。

13. 出现这种褶状凹凸纹的机理，尚不十分清楚，但它—定和纤维的取向度和内应力大小有关。出现这种褶状凹凸纹的机理，尚不十分清楚，但它—定和纤维的取向度和内应力大小有关。 • 曾经对四种取向度、结晶度各异的未抽伸涤纶丝、热处理但未抽伸涤纶丝、抽伸300%的冷抽伸涤纶丝以及通常的抽伸和热处理涤纶丝进行福射，然后观察它们的表面形态。 • 发现结晶度和取向度都低的未抽伸丝不会出现凹凸纹，只发生表面全面的刻蚀。对仅热处理而未抽伸的涤纶丝激光辐射后也观察不到表面凹凸纹，而在300%冷抽伸丝的表面出现了凹凸纹。由此可知，取向度越高．就越容易出现凹凸纹，所以凹凸纹的形成主要和取向度有关。

14. 低温等离于体处理涤纶时，在一定的场合下也会出现类似的凹凸纹。低温等离于体处理涤纶时，在一定的场合下也会出现类似的凹凸纹。 • 可以断定，两者都是与取向度有关，只不过紫外线激光引起的凹凸纹之尺寸更大些。它们能切断化学键，局部产生气化作用，因而形成凹凸纹。紫外线激光辐射使纤维分子链的酯键发生了分解。而且有CO、CO2等气体飞散出来。 • 而在低温等离子体处理时，表面凹凸纹的产生，则是在切断化学键的同时，在减压的条件下，形成的自由基、离子等活性粒子与涤纶表面发生反应时，形成的气体物从表面脱离后，以及等离子体粒子直接冲击形成的。

15. 事实上还发现这种激光辐射后的纤维表面的结晶度有所下降，即引起了纤维表层部分的非结晶区结构增多。事实上还发现这种激光辐射后的纤维表面的结晶度有所下降，即引起了纤维表层部分的非结晶区结构增多。 • 如果用丙酮处理紫外线激光辐射后的涤纶(形成凹凸纹状的表面)，原来形成的凹凸纹状会消失，这表明纤维表面上形成了包括分解物在内的聚酯齐聚物，正是这些物质形成了凹凸纹状特征。

16. 紫外线激光辐射纤维后，必然会使纤维的性能发生变化，利用这些性能变化可获得一些特别的功能 。 • 利用表面凹凸纹状特征可以起增深作用，黑色涤纶织物利用这种激光辐射后颜色显著增深，其效果和低温等离子体处理的相当。 • 通过研究染料的扩散深度发现，这种激光辐射后的纤维染色，染料的扩散深度明显增加。这是由于纤维表层结晶度降低的结果，和等离子体处理相比，等离子体的活性粒子较难作用到纤维内层，而激光辐射能力要强些，所以改变纤维表层结构也相对深一些。

17. 当然不同微结构的纤维，作用深度也不同，取向度高的纤维(或薄膜)激光辐射变性的深度相对较小，因而染料扩散深度也较浅 。 • 和等离子体处理相似，激光辐射后纤维表面形成凹凸纹状持征和表层极性基团增多后，纤维的粘合性能有所改善，例如涤纶与橡胶的粘合性本来不强，用激光辐射后，再以适当的橡胶粘合剂处理后，纤维与橡胶间有极好的粘合牢度。

18. 有人为了提高涤纶拒水和拒油整理后的摩擦牢度，将涤纶织物用聚四氟乙烯乳液浸渍后，用紫外线激光辐射进行固着处理，发现可以获得与普通高温焙烘相似的牢度。这也和激光改善涤纶的粘合性能有关。有人为了提高涤纶拒水和拒油整理后的摩擦牢度，将涤纶织物用聚四氟乙烯乳液浸渍后，用紫外线激光辐射进行固着处理，发现可以获得与普通高温焙烘相似的牢度。这也和激光改善涤纶的粘合性能有关。 • 涤纶的粘合性能差，所以颜料印花时用的粘合剂要求粘合力强，如果纤维用激光辐射后，颜料颗粒不仅可以嵌人纤维表面的凹凸纹路中，粘合剂也可以充分和纤维润湿和粘合，颜料印花的摩擦牢度可明显改善。

19. 激光从激光头射出后，通过反射镜射到被处理的织物表面，织物连续通过激光束受到辐射，进行变性处理。激光从激光头射出后，通过反射镜射到被处理的织物表面，织物连续通过激光束受到辐射，进行变性处理。

20. T织物= KP/v+T环境 • K为常数；P为激光强度；v为织物运动速度。 • 因此调节织物运动速度可以控制织物处理温度。

21. 紫外线激光辐射可对纤维表面进行改性，由于这种处理是在常温和常压下进行的，容易在工业生产中推广应用，是一种颇具吸引力的新技术。紫外线激光辐射可对纤维表面进行改性，由于这种处理是在常温和常压下进行的，容易在工业生产中推广应用，是一种颇具吸引力的新技术。 • 但目前用于纤维表面改性仅是刚刚开始，许多问题还有待研究和改进，特别是由于脉冲辐射面小，很难大面积加工。

22. 激光辐射改性印花 • 激光还可以进行表面光化学反应改性，被改性的部位对光的反射和对染料的吸附性能均有明显的变化，因此只要有规律地局部辐射激光，就可以在织物上形成图案，或经过染色后产生不同颜色或深浅的图案，达到印花的效果。 • 利用二氧化碳激光器辐射织物，使织物局部(图案形状)变性，然后染色，获得单色深浅不同的图案。 • 此外，不仅可通过纤维表面局部化学改性来获得印花效果，还可以利用激光对织物局部进行热处理，改变局部纤维的微结构(局部热定形)来改变染色性能或收缩性能，也能产生印花效果。这实际上是“差别化”染色或收缩加上。

23. 激光辐射活性染料固色 • 利用激光来激化染料或纤维进行反应。 • 进行活性染料的固色。由于激光能且集中(聚焦性)可以快速加热织物，而且方向性强，容易控制加热的区域，还容易采用计算机控制，所以具有很好的潜在应用价值。

24. 曾采用氩离子激光对活性染料印花棉织物进行固色。染料为普施安紫红H-8B，加碱剂(小苏打)和糊料(海藻酸创)调成色浆，通过筛网印花印在丝光棉织物上后，晾干，再用氩离子激光分别在94℃、129℃和235℃温度下处理，为了对比还采用手工汽蒸熨烫5min固色，然后进行冲洗、干燥。曾采用氩离子激光对活性染料印花棉织物进行固色。染料为普施安紫红H-8B，加碱剂(小苏打)和糊料(海藻酸创)调成色浆，通过筛网印花印在丝光棉织物上后，晾干，再用氩离子激光分别在94℃、129℃和235℃温度下处理，为了对比还采用手工汽蒸熨烫5min固色，然后进行冲洗、干燥。 • 出于染料是紫红色的，它对490-500nm的光波有很强的吸收(即紫红色光的补色光)能力，因此采用氩离子激光辐射容易被染色或印花织物吸收，产生很强的热效应，有助于提高固色效率。

25. 在上述试验条件下(氩离子激光器的激光波长为514.5nm，功率为1.9W，织物上辐射光束直径为1.11cm)，1.9W的入射光大约有1.5W传送到织物上，织物被辐射的面积为0.64cm2。在上述试验条件下(氩离子激光器的激光波长为514.5nm，功率为1.9W，织物上辐射光束直径为1.11cm)，1.9W的入射光大约有1.5W传送到织物上，织物被辐射的面积为0.64cm2。 • 发现于235℃和129℃的激光固色效果远好于94℃低温激光处理，也比190℃手工熨烫的效果好。 • 织物颜色的耐光和摩擦牢度均无变化，而耐洗牢度也以高温激光固色的好，手工熨烫的最差。织物的断裂强度和断裂伸长变化很小。 • 说明在这样的条件下激光固色不易损伤织物。通过红外光谱分析，证明印花织物和未印花织物的分子结构也未有明显变化。

26. 激光雕刻和印花 • 1.激光雕刻系统 • 将乳胶涂覆在圆网上，利用激光点蒸发乳胶，通过与计算机结合，数字化的图案直接控制激光点对圆网上的乳胶进行雕刻（气化或蒸发），完成图案的转移。 • 和传统感光制网相比，激光雕刻的速度至少可快5倍，在极短的时间内就可制备新的圆网，生产效率也很高。如果和自动分色、制图系统结合，则效率更高，加工成本也低。

27. 激光雕刻具有以下优点： • (1)软片使用少； • (2)生产效率高； • (3)雕刻制网过程中不需另外进行热聚合处理； • (4)不需显像过程(显影)； • (5)一般不必进行维修； • (6)雕刻设备占地面积很小； • (7)不需另外存储图案花样档案； • (8)操作人员少。

28. 2.激光对花系统 • 采用激光系统对印花机对花，每一只圆网可以瞬时定位，可以大大提高对花的准确性。由于对花快速和准确，它的一个显著特点是可以减少对花过程中织物的消耗。

29. 激光测定染料浓度和上染浓度 • 传统测定染料浓度和上染速度是通过分光光度法测定的，而自动测定和控制上染过程则是通过检测染液浓度变化来达到的。 • 与普通卤素灯光源相比，由于激光的波长一定，所以被染料选择吸收效率高，测定的精确度比普通灯光高。又由于激光的光密度高，透射性好，不易散射，特别是测定高浓度的染液时，精确度利灵敏度均比普通灯光高。

30. 激光测定染料浓度通常是采用颜色测量范围较宽的三原色气体激光和波长很宽的染料激光作为光源，以适应各种颜色的染液测定。激光测定染料浓度通常是采用颜色测量范围较宽的三原色气体激光和波长很宽的染料激光作为光源，以适应各种颜色的染液测定。 • 为了在染色机中用激光测定染液浓度变化，应专门设计浓度传感器。 • 为了提高浓度传感器的精确度，还应该能够自动去除染液中的气泡和纤维杂质。

31. 其他辐射能在染整加工中的应用 • 利用γ-射线引发丙烯酸从其酯类单体进行聚合，生产了低温粘合剂和印花增稠剂。由于γ-射线能量高，穿透能力强，聚合时不必加入常用的引发剂，也不必升温就可以进行聚合，而正反应均匀，聚合物分子量分散性小，形成的乳液稳定性也好。 • 红外线 • 电磁波

32. 纺织物微波加热是利用织物上的水在感应作用下发热，来升高织物和印在其上面的色浆的温度，因此织物(色浆)应保持一定的水分。纺织物微波加热是利用织物上的水在感应作用下发热，来升高织物和印在其上面的色浆的温度，因此织物(色浆)应保持一定的水分。 • 分散染料对涤纶的固色，采用微波的效果基本上和高温汽蒸的相同。 • 一些油溶性染料和分散染料对醋酯纤维的固色，采用微波固色也有很好的效果，升温快，团色效果好。若在印花色浆中加入一些助剂则可以加快固色和提高面色效果(例如加入尿素)。 • 微波的方向性强，因此设计能够均匀加热的微波焙烘设备对改善印花产品的均匀固色非常重要，为此微波和高温汽蒸相结合固色可获得很好的结果，不仅得色浓，而且匀染性也好。

33. 超声波在染整加工中的应用 • 所谓超声波，是一种频率很高的声波，即超出人类听觉范围17kHz以上的频率振动。 • 超声波很像电磁波，能聚焦、反射和折射，然而和电磁波又不同，它的传播要依靠弹性介质，而电磁波可以在真空中自由传播。超声波传播时，使弹性介质中的粒子振荡，并通过介质按超声波的传播方间传递能量 。

34. (1)纵向波，粒子振荡方向与波的传播方向平行。(1)纵向波，粒子振荡方向与波的传播方向平行。 • (2)横向波或剪切波，其粒子的振荡方向与波的传播方向垂直。 • 纵向波和横向被都能在固体内传送，而在气体和液体内，只有纵向波可以传送。

35. 在液体内，分子在纵向产生了压缩和稀松，即存在压缩、高压、松弛和低压四个阶段和部位，低压部位会形成气穴(或称空穴)或气泡、这些气穴发生膨胀，最后猛烈地塌陷或破灭而产生激波，这种作用称为气穴作用。 • 诱导产生气穴现象的超声波频率以20～50kHz最为适当。声源赋予液体的大部分能量消耗于产生气穴现象。 • 在气穴作用过程中，在溶液极微小范围内会产生极高的压力和温度，并引起局部极大的搅动，它是超声波产生大部分物理和化学作用的重要原因。

36. 这种气穴作用是十分惊人的，可使介质局部的温度上升到摄氏几百度，水中的压力上升到几百个大气压。这种气穴作用是十分惊人的，可使介质局部的温度上升到摄氏几百度，水中的压力上升到几百个大气压。 • 产生气穴决定于许多因素，例如波的频率和强度、介质温度，以及液体介质的蒸汽压力。 • 频率过高对气穴产生并不利，需要大量能量(由于分子加速快)，而且波幅小，绝大部分能量转变成加热介质的热能，而在中等强度的低频率超声波．容易产生气穴现象(形成约为500um的小气泡)，而且需要的功率小，其分子加速适中，波幅大，转变热能也少。

37. 超声波按强度可分成两大类，即低强度和高强度。在低强度超声波的应用中，一般介质的性能不会有明显变化，而高强度的应用(即可产生气穴作用)，对介质可产生剧烈作用，对湿加工，例如纺织品的染整加工具有重要意义。超声波按强度可分成两大类，即低强度和高强度。在低强度超声波的应用中，一般介质的性能不会有明显变化，而高强度的应用(即可产生气穴作用)，对介质可产生剧烈作用，对湿加工，例如纺织品的染整加工具有重要意义。 • 波的强度还受到介质温度的影响，液体温度越高，作用越小，在水介质中，最大的气穴效应在50℃左右出现，所以在高温染整加工中采用超声波则效果不如低温加工时好。另外，在多相的液体介质中(例如纺织品的湿加工)要比均相液体介质为好，所以超声波用于纺织品湿加工是有利的。

39. 超声波在助剂加工中的应用 • 这方面的应用包括制浆、乳化和染料溶解及分散等加工。例如淀粉等亲水性糊料与水混合后，于一定温度用超声波处理，可以迅速糊化，不但糊化快速，而且制糊均匀，流动性好。 • 许多非水溶性的油剂或整理剂，用超声波乳化比通常机械搅拌乳化得到的乳液分散稳定性好，颗粒也小，用这些助剂和整理剂乳液加工的织物，整理效果也好。

40. 超声波在前处理加工中的应用 • (一)退浆 • 在纺织品上浆时，曾试验采用超产波制浆和上浆。同理，在退浆时，应用超声波也可以加速织物上的浆膜膨化和脱离，因此可以提高退浆效率，这对于—些难膨化的浆膜，例如淀粉浆膜特别有意义，可带来节水和节能效果。 • 实验证明，采用超声波退浆不会降解纤维，而织物的白度和润湿性和常规退浆方法相同。

41. (二)煮练和漂白 • 有人应用超声波来加速羊毛的精练，其纤维损伤比常规方法要少，因为应用超声波后，精练液的碱性可以更弱。 • 也有人使用20kHz频率的超声波对棉织物进行双氧水漂白，发现可以加快漂白速度，可以节省漂白时间。而织物的白度反而比常规漂白法的好。对亚麻纤维加工应用超声波后，白度也比常规方法的好。

42. 超声波在纺织品染色加工中的应用 • (1)能使纤维表面的染液动力边界层减薄，起有力的搅拌作用，加速了染料对纤维表面的吸附。这种作用对纱线或织物内部的染液上染特别有利，因为内部的染液边界层特别厚，染液不易流动，染料很难吸附上纤维。同理，这种作用会提高透染和匀染效果。

43. (2)能加速染料在纤维内的扩散速率，这一方面是由于纤维表面吸附染料量增多后，增大了纤维内外染料浓度梯度，因而加快了染料向纤维内部扩散速率。(2)能加速染料在纤维内的扩散速率，这一方面是由于纤维表面吸附染料量增多后，增大了纤维内外染料浓度梯度，因而加快了染料向纤维内部扩散速率。 • 另一方面，也有可能通过超声波的作用，使纤维无定形区分子链活动性增强或纤维内孔道增大，或其中染料分子运动速度被加快，这些都可能是加速上染(扩散)的原因。

44. (3)对一些难溶或容易聚集的染料，超声波还可以增加染料的溶解度或降低它的聚集程度，因而也可加速上染作用。(3)对一些难溶或容易聚集的染料，超声波还可以增加染料的溶解度或降低它的聚集程度，因而也可加速上染作用。 • (4)脱气作用。施加超声波后，可以把溶解或截留的气体或空气从纺织品内部驱逐至染液中，并通过气穴作用而排除，这样就改善了染液对纺织品纤维表面的渗透和润湿，缩短染色时间。

45. 用超声波染整虽然有许多优点，但是要用于工业生产还有许多问题要解决，例如加工成本、超声波的方向性、噪声等问题。用超声波染整虽然有许多优点，但是要用于工业生产还有许多问题要解决，例如加工成本、超声波的方向性、噪声等问题。 • 不过从高效和上染率高等方面来看．还是值得继续研究开发，特别是对一些难渗透扩散的纺织品采用超声波染整还是很有前途的。特别是高能量的超声波用于纺织染整加工很有希望、这要从节约能量、降低化学品和染料消耗、减少加工时间来全盘考虑，而且出于染化料用量减少后，污水中的染化料浓度也会减小，可减轻污水处理的负担。用水量减少后，还可节约用水，很有经济和社会效益。 • 随着这个领域的继续开发，超声波在染整加工中的应用定会越来越广阔。