秦海燕　許靜波　夏衛(wèi)中

[摘要]闡述超聲波的清洗工藝,介紹超聲波清洗槽的工作原理、基本結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用;對清洗工藝流程和影響清洗效果的因素進(jìn)行簡單分析;證明超聲波清洗與其它清洗方式相比有明顯的優(yōu)點。

[關(guān)鍵詞]高強高模聚乙烯超聲波清洗效果

中圖分類號:TS91文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0710123-02

一、引言

20世紀(jì)70年代以來,高性能纖維的研究有了突破性進(jìn)展,各國科學(xué)家在理論和實踐兩方面做了大量的研究工作,使大分子構(gòu)造最簡單的柔性聚合物、理論模量和理論強度最高的聚乙烯實現(xiàn)了高性能化,從而產(chǎn)生了高強高模聚乙烯纖維。高強高模聚乙烯纖維強度和模量非常高,而相對密度小于1,其比強度和比模量明顯高于其它纖維,是最輕的高性能纖維,耐化學(xué)性優(yōu)良,在酸堿堿溶液中強度不會降低。高強高模聚乙烯纖維所具有的優(yōu)異特性,最適合用于防彈材料,制造繩索。因能吸收沖擊的動能,可防割、防刺,也廣泛用于防護(hù)手套、擊劍服等。

我國1985年開始超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維的研制,在溶劑、凝膠紡絲和拉伸后處理方面進(jìn)行了深入研究,現(xiàn)生產(chǎn)能力達(dá)到1000t/a,其纖維性能為國際中等水平,并有自己的特色,其技術(shù)正在進(jìn)一步提升中。

高強高模聚乙烯纖維的清洗是整個后處理過程中一道極為重要的工序,其清洗效果會直接影響到纖維的摩擦系數(shù)、柔軟性和抗沖擊性能。

超聲波清洗作為一種現(xiàn)代清洗技術(shù),具有優(yōu)質(zhì)、省力、高效、無污染等顯著特點,超聲波最大的優(yōu)勢是,清洗效果好且不傷清洗物件,而且效率高!特別在電子行業(yè)超聲波清洗機最為普及!目前在機械行業(yè)也越來越得到廣泛的應(yīng)用。本清洗槽的設(shè)計大膽采用了超聲清洗這一先進(jìn)而又獨特的工藝技術(shù),用來清洗化學(xué)纖維,使經(jīng)本機清洗后的纖維不僅潔凈而且力學(xué)性能得到進(jìn)一步提高。

二、基本原理

(一)工藝要求

清洗槽在高強高模聚乙烯后處理生產(chǎn)線中,位于第三道七輥牽伸與烘箱之間,纖維在經(jīng)過三道牽伸之后進(jìn)行清洗,清洗過程中對清洗液溫度必須進(jìn)行測量與控制。試驗表明:清洗液溫度由14.70℃升高到39.70℃,溫度變化25℃。在開始60min溫度上升比較快,上升了21.10℃;隨后60min,溫度上升比較緩慢。清洗液溫度在這樣范圍內(nèi)變化,有利于空化核的形成,對清洗纖維有利。

(二)清洗原理

本清洗槽利用的是超聲波空化效應(yīng)對高強高模聚乙烯纖維進(jìn)行清洗。清洗原理是由超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻振蕩信號,通過超聲波換能器轉(zhuǎn)成高頻機械振蕩(超聲波)而傳播到介質(zhì)(清洗液)中,超聲波在清洗液中疏密相間的向前輻射,使液體震動而產(chǎn)生數(shù)以萬計的微小氣泡,這些氣泡在超聲波中縱向傳播,在形成的負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生、生長,而在正壓區(qū)迅速閉合,在這種被稱為空化效應(yīng)的過程中,微小氣泡閉合時可產(chǎn)生超過1000個大氣壓的瞬間高壓。連續(xù)不斷產(chǎn)生的瞬間高壓,就像一連串小爆炸一樣不斷沖擊纖維表面,破壞不溶性污物而使它們分散于清洗液中,當(dāng)團(tuán)體粒子被油污裹著而粘附在纖維表面時,油被乳化,固體粒子即脫離,達(dá)到纖維表面凈化的目的,為上成品油劑創(chuàng)造條件,從而滿足纖維加工的工藝要求。

三、基本結(jié)構(gòu)設(shè)計

清洗槽分為多層,每層包括船槽、進(jìn)輥、導(dǎo)絲輥、壓輥、支撐架,外置循環(huán)水箱等(如圖所示)。

超聲波發(fā)生器安裝在船槽內(nèi),根據(jù)具體需要,每層船槽內(nèi)擺放數(shù)只。清洗槽前后側(cè)裝有鈦合金有機玻璃移門,以便于觀察絲束運轉(zhuǎn)狀態(tài)和保持現(xiàn)場整潔,方便操作。

(一)支承架

由槽鋼和鋼板焊接而成。支承架總高度可根據(jù)操作人員的高度確定,每層高度約300mm,第一層距地面150-200mm。支承架兩側(cè)面各焊有若干塊墊板,用于固定導(dǎo)絲輥軸承座。整個支承架由地腳螺栓與地面相連,前后兩側(cè)焊有連接板,用以增強架體承重能力和安裝壓輥吊鉤,連接板上加工有長槽,以便于調(diào)節(jié)壓輥高度,保持絲束與超聲波發(fā)生器的有效距離。

(二)船槽

船槽用來容納清洗液,底層船槽有排污孔與溢流孔,其它各層只有溢流孔。船槽尺寸一般長2000-2500mm,寬600-1000mm,高150-200mm,材料為1Cr18ni9Ti/δ2,裝有溢流板,清洗過程中,清洗液從頂層開始添加,經(jīng)過每層船槽的溢流孔溢出到下一層船槽,底層船槽的清洗液通過溢流孔流入外置儲液箱,經(jīng)箱內(nèi)油劑泵輸入到頂層船槽內(nèi)循環(huán)使用。

導(dǎo)絲輥剖面圖

(三)導(dǎo)絲輥與壓輥

導(dǎo)絲輥由軸和無縫鋼管焊接而成,輥表面加工有若干個導(dǎo)絲槽,用于分絲,以利于纖維能被均勻清洗。輥表面鍍硬鉻拋光,鍍層厚度≥0.05mm,表面粗糙度達(dá)到Ra0.2。

壓輥材料為尼龍,通過固定在支撐架上的吊鉤懸掛在船槽內(nèi),將纖維壓入清洗液中,可以通過調(diào)節(jié)吊鉤的位置來調(diào)節(jié)纖維在清洗液中的高低位置,壓輥一般不需要采用動力驅(qū)動,纖維與超聲波發(fā)生器之間的距離控制在15-20mm。

(四)傳動型式

清洗槽采用獨立傳動方式,由兩臺擺線針輪減速器經(jīng)彈性柱銷聯(lián)軸器和傳動輥鏈輪傳至兩只進(jìn)輥,兩只進(jìn)輥同速反方向,再通過鏈條分別帶動其它動力輥轉(zhuǎn)動,導(dǎo)絲輥無動力驅(qū)動主要用于調(diào)整絲束旋轉(zhuǎn)方向。

四、清洗工藝流程及影響清洗效果的因素

(一)工藝流程

一般兩臺一組進(jìn)行清洗,纖維由第一臺清洗槽導(dǎo)絲輥分成若干根絲束,經(jīng)右邊的進(jìn)輥牽入底層船槽內(nèi),通過壓輥將纖維壓入清洗液中,此時底層船槽內(nèi)的超聲波發(fā)生器工作,對纖維進(jìn)行清洗(如圖所示),再由底層左邊的進(jìn)輥與第二層右邊的導(dǎo)絲輥曳引至第二層船槽內(nèi),對纖維再次進(jìn)行清洗,重復(fù)多次,進(jìn)入第二臺清洗槽清洗,最后由第二臺頂層左邊的導(dǎo)絲輥把干凈潮濕的纖維牽出,進(jìn)入后道設(shè)備烘燥箱進(jìn)行加熱烘干。

清洗工藝流程圖

(二)影響清洗效率的因素

影響清洗效率的因素有很多,如溫度,時間,超聲波的功率,頻率等。設(shè)定不同清洗槽的頻率和功率分布,將會有不同的清洗效果。下面探討不同超聲波頻率和功率密度及清洗溫度、時間對清洗效率的影響,以達(dá)到最好的清洗效果。

清洗介質(zhì):采用超聲波清洗,一般有兩類清洗劑即化學(xué)溶劑和水基清洗劑。清洗介質(zhì)的化學(xué)作用可以加速超聲波清洗效果,超聲波清洗是物理作用,兩種作用相結(jié)合,以對纖維進(jìn)行充分、徹底的清洗。

功率密度:功率密度=發(fā)射功率(W)/發(fā)射面積(CM2),超聲波的功率密度越高,空化效果越強,速度越快,清洗效果越好,但采用長時間的高功率密度清洗會對纖維表面產(chǎn)生空化、腐蝕。

超聲波頻率:20KHz～33KHz,超聲波頻率越低,在液體中產(chǎn)生的空化越容易,產(chǎn)生的力度大,作用也越強,適用于纖維初洗,頻率高則超聲波方向性強,適合于纖維的進(jìn)一步精細(xì)清洗。

清洗溫度:一般來說,超聲波在30℃～40℃時的空化效果最好,清洗劑則溫度越高,作用越顯著,通常實際應(yīng)用超聲波清洗纖維時,采用14℃

～40℃的工作溫度。

五、超聲波清洗纖維的優(yōu)點

超聲波在液體中傳播,使液體與清洗槽在超聲波頻率下一起振動。因超聲波具有傳播方向性強、介質(zhì)振動強度大、在液體中可產(chǎn)生空化現(xiàn)象等特點,相比其他多種的清洗方式,超聲波清洗槽顯示出了巨大的優(yōu)越性,尤其化學(xué)纖維后加工工業(yè)中,已逐漸用超聲波清洗取代了傳統(tǒng)的振動清洗和蒸氣清洗等工藝方法,超聲波清洗槽的高效率和高清潔度,得益于其聲波在介質(zhì)中傳播時產(chǎn)生的穿透性和空化沖擊性,所以很容易將帶有油污和雜質(zhì)的纖維清洗干凈,其速度比傳統(tǒng)方法可提高幾倍,甚至幾十倍,清潔度也能達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn),這在對纖維表面質(zhì)量和生產(chǎn)率要求較高的場合,更突出地顯示了用其它處理方法難以達(dá)到或不可取代的結(jié)果。超聲波清洗的優(yōu)點歸納如下:

1.清洗效果好,清潔度高且纖維清潔度一致。

2.清洗速度快,提高生產(chǎn)效率,易于實現(xiàn)自動化。

3.不須人手接觸清洗液,減輕勞動強度,安全可靠。

4.對纖維表面無損傷,節(jié)省溶劑、熱能、工作場地和人工等。

六、綜述

當(dāng)今,清洗設(shè)備作為機械設(shè)備制造行業(yè)中的一分子,與國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)息息相關(guān),而化纖的超聲波清洗尚未形成規(guī)模,要在我國化纖行業(yè)中占有一定的地位,還必須繼續(xù)努力。

高強高模聚乙烯纖維后處理過程的重要配套設(shè)備之一的清洗槽,在高強高模聚乙烯生產(chǎn)線中發(fā)揮了重要的作用,使纖維達(dá)到了理想的清洗效果和增強了纖維的綜合性能,提高了生產(chǎn)效率。相信超聲波清洗作為一種現(xiàn)代清洗技術(shù),其優(yōu)質(zhì)、省力、高效、無污染等顯著特點將會在化纖機械行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用,具有廣闊的發(fā)展前景。

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作者簡介:

秦海燕(1980-),女,江蘇如皋人,中共黨員,大專學(xué)歷,2001年畢業(yè)于南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院新型紡織機電專業(yè),現(xiàn)為江蘇省灌溉動力管理一處技術(shù)科助理工程師,從事機械設(shè)計工作,致力于技術(shù)創(chuàng)新,主持開發(fā)并研制成功多項化纖機械及成套設(shè)計。曾在《天津紡織科技》、《江蘇水利》上發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文;許靜波(1969-),男,江蘇姜堰人,1992年畢業(yè)于揚州大學(xué)機械工程系機制工藝及設(shè)備專業(yè),參加工作以來,先后參加過多種化纖后處理設(shè)備的設(shè)計和研發(fā)工作,并設(shè)計開發(fā)有腈綸后處理生產(chǎn)線、滌綸多品種試驗線和高強高模聚乙烯后處理生產(chǎn)線等,在《天津紡織科技》、《江蘇水利》等雜志上發(fā)表論文,現(xiàn)為江蘇省灌溉動力管理一處(江蘇華綸化纖機械廠)技術(shù)設(shè)備科工程師,專職從事化纖機械產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計工作;夏衛(wèi)中(1981-),男,江蘇東臺人,大專學(xué)歷,2002畢業(yè)于江蘇省徐州工程學(xué)院,同年進(jìn)入江蘇省灌溉動力管理一處工作?，F(xiàn)為江蘇灌溉動力管理一處助理工程師,從事技術(shù)設(shè)計工作。