王載利，李 達(dá)

(青島大學(xué)紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266071)

1 引言

噴絲頭是紡絲機(jī)的重要部件之一，它的作用是將黏流態(tài)的高聚物熔體或溶液，通過(guò)微孔轉(zhuǎn)變成有特定截面狀的細(xì)流，經(jīng)過(guò)凝固介質(zhì)或凝固浴固化而形成絲條。因?yàn)閲娊z頭小孔的形狀決定纖維的截面形狀，因而噴絲頭小孔在加工過(guò)程中出現(xiàn)畸形或使用過(guò)程中產(chǎn)生堵塞，都會(huì)引起纖維纖度不勻。

噴絲頭堵塞是紡絲過(guò)程中最常見(jiàn)的現(xiàn)象，會(huì)嚴(yán)重影響紡絲的效率和絲條的質(zhì)量，而且熔體在經(jīng)過(guò)噴絲頭時(shí)帶走的極微小的雜質(zhì)也會(huì)造成紡絲斷頭或使纖維的單絲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而引起強(qiáng)度降低[1]。傳統(tǒng)的噴絲頭清洗方法如化學(xué)、物理或機(jī)械法會(huì)使噴絲孔磨損以致出現(xiàn)微裂、侵蝕、孔徑不規(guī)則等毛病，噴絲頭形狀的缺陷會(huì)影響紡絲溶液的可紡性。為解決濕紡用噴絲頭堵塞問(wèn)題，很多工廠采用超聲波清洗噴絲頭的方法，但對(duì)于超聲波清洗噴絲頭的作用效果、工作機(jī)理及影響因素缺乏相關(guān)的分析探討。本文在分析了噴絲頭的清洗效果對(duì)紡絲工藝影響的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)超聲波清洗機(jī)的構(gòu)成、清洗機(jī)理及影響清洗效果的因素等進(jìn)行了分析探討。

2 噴絲頭的特點(diǎn)及其清洗效果對(duì)紡絲工藝的影響

濕紡用的噴絲頭一般都是帽形的，一般來(lái)說(shuō)，噴絲頭的毛坯直徑根據(jù)噴絲頭上孔的數(shù)目而定。噴絲頭的孔徑大小根據(jù)纖維的規(guī)格而定，一般在0.04～0.16 mm[2]，減小孔徑可以提高纖維的質(zhì)量，但是卻會(huì)加重噴絲時(shí)的堵孔現(xiàn)象。

噴絲頭的孔數(shù)、孔徑、圓柱體部分的長(zhǎng)徑比、入口角孔的分布密度或孔間距等均對(duì)纖維的成形很重要，但從纖維成形的意義上看，噴絲孔的尺寸和孔形顯得更重要。濕紡噴絲頭的孔形主要有圓錐形、圓弧形和雙曲線形三種[2]，如圖1、圖2、圖3所示。

在這三種孔形中，第一種使用得最為普遍，使用歷史最久；第二種在最近幾年才開(kāi)始使用，主要用于長(zhǎng)絲的高速連續(xù)化紡絲；第三種是最為理想的一種孔形，但是由于工藝條件很難達(dá)到，故在實(shí)際生產(chǎn)中還無(wú)法使用。

圖1 圓錐形孔

圖2 圓弧形孔

圖3 雙曲線形孔

增加噴絲頭孔眼圓柱部分的長(zhǎng)徑比，對(duì)成形穩(wěn)定有積極的影響[3]。對(duì)長(zhǎng)徑比的選擇主要應(yīng)考慮紡絲液離開(kāi)噴絲孔后的膨化狀態(tài)，紡絲液是一種黏彈性體，它從噴絲孔流出后，與壁之間的摩擦消失，可以看到細(xì)流逐漸膨脹至最大值，細(xì)流的明顯膨脹對(duì)紡絲工藝有不良影響，而長(zhǎng)徑比與細(xì)流的膨化有直接的關(guān)系。一旦紡絲液堵塞噴絲頭就會(huì)影響噴絲孔圓柱部分的長(zhǎng)徑比，進(jìn)而影響紡絲工藝，因此應(yīng)選用一種簡(jiǎn)便有效的清洗噴絲頭的方法。

另外，毛細(xì)孔入口角的形狀也對(duì)紡絲工藝有一定的影響。將入口角變大，可以減少能量損失，因而圓弧形孔比圓錐形孔效果好，雙曲線形孔的曲率變化小，紡絲效果較好。一旦紡絲液堵塞噴絲頭，入口角就會(huì)減小，從而影響紡絲效果。

從以上分析可以看出，清潔的噴絲頭對(duì)紡絲質(zhì)量影響顯著，因而要選用清洗效果好且不會(huì)對(duì)噴絲孔造成損傷的清洗方法。

3 超聲波清洗機(jī)的組成及工作機(jī)理

超聲波清洗機(jī)一般由超聲波發(fā)生器、換能器、清洗缸三部分組成。

3.1 超聲波清洗機(jī)各構(gòu)件

超聲波換能器主要有電子管式和晶體管式兩種[4]，其中后者使用較多。晶體管式換能器也有兩種形式，一種是上世紀(jì)七八十年代使用的自激式D類(lèi)晶體管，其特點(diǎn)是線路短，換能器是自激式振蕩器的一部分，頻率可以隨著負(fù)荷頻率的變化而變化，但是它沒(méi)有保護(hù)電路，功率不能連續(xù)調(diào)節(jié)。另一種超聲波換能器是他激式的，這種換能器的頻率、脈沖寬度可以調(diào)節(jié)，功率可以連續(xù)調(diào)節(jié)[5]。

超聲波清洗機(jī)用的超聲波發(fā)生器有以下特點(diǎn)：隨著清洗深度的不同，換能器共振頻率和阻抗變化很大，但是實(shí)踐表明，槽內(nèi)放入噴絲頭后，共振頻率和阻抗基本可以穩(wěn)定在某一個(gè)數(shù)值；一般來(lái)說(shuō)，由于清洗負(fù)載變動(dòng)較小，可以不要求復(fù)雜的頻率自動(dòng)跟蹤電路。

換能器是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置[4]，主要有磁致伸縮換能器和壓電式換能器兩種。由于前者的價(jià)格高，電聲效率低，很少使用。壓電式換能器電聲效率高，價(jià)格便宜，安裝使用方便，使用較普遍。壓電式換能器為單螺釘緊固的縱向振動(dòng)換能器，由兩片中心穿孔的壓電陶瓷晶片及前后蓋板組成。一臺(tái)清洗機(jī)有多個(gè)換能器，經(jīng)黏結(jié)劑黏結(jié)在清洗缸底部且并聯(lián)組成一臺(tái)清洗機(jī)的換能器，換能器基元之間相距5～10 mm為佳，太大了容易產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，且振動(dòng)板受到腐蝕，同時(shí)輻射面相對(duì)減少。

清洗缸也叫清洗槽，其尺寸根據(jù)超聲波功率的大小而定。缸的材料多選用不銹鋼，厚度在1.5～3.0 mm之間，缸底加工必須平整，還要經(jīng)過(guò)噴砂處理。

3.2 超聲波的工作機(jī)理

超聲波清洗機(jī)理分兩種情況，一種是在中、低頻時(shí)，即頻率在20～130 kHz時(shí)，超聲空化起著最重要的作用。空化作用是指當(dāng)超聲波在作為清洗介質(zhì)的液體中傳播時(shí)，存在于液體中的微氣泡在聲場(chǎng)作用下產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡迅速擴(kuò)大，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波，在其周?chē)a(chǎn)生上千個(gè)大氣壓的壓力，破壞不溶性污物而使它們分散在清洗液中[4]。另一種是在高頻區(qū)，即頻率在1 MHz左右時(shí)，由于頻率太高，聲波在清洗液中很難發(fā)生空化作用，機(jī)理一般認(rèn)為是由于聲壓梯度、粒子速度及聲流的作用，空化作用是次要的。這種超聲清洗的方向性強(qiáng)，清洗時(shí)一般將零件表面與聲束平行。

在清洗噴絲頭時(shí)，主要用低頻聲波，因而空化作用是主要因素。氣泡爆破時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓沖擊波減小了污垢與被清洗件之間的黏著力，引起污垢的破壞和脫離，并且氣體型氣泡的振動(dòng)對(duì)工件表面進(jìn)行擦洗，振動(dòng)可以傳入內(nèi)部縫隙中，使黏著物脫落。超聲空化在液體和固體表面產(chǎn)生的微射流，能夠除去或削弱邊界污層，增加攪拌作用，加速黏著物在清洗液中的分散作用，強(qiáng)化洗滌效果。

4 影響超聲波清洗效果的因素

影響超聲波清洗效果的因素有多種，其中超聲波的功率、頻率、清洗液的選擇、清洗箱容量、清洗溫度和時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)清洗效果均有影響。

4.1 超聲波的功率

超聲波清洗的效果不一定與所加的功率成正比。如果超聲波功率太大，液體中的空化強(qiáng)度將大大增加，較精密的器件可能產(chǎn)生蝕點(diǎn)，而且清洗缸底部振動(dòng)板空化也很?chē)?yán)重，使缸的壽命縮短。另外，超聲波功率過(guò)大會(huì)使液體中的聲強(qiáng)過(guò)高，產(chǎn)生大量的氣泡，在聲波表面形成一道屏障，聲波不易擴(kuò)散到整個(gè)缸體中，使得離聲源較遠(yuǎn)的地方清洗作用減弱。超聲波的功率太小則會(huì)降低空化強(qiáng)度，達(dá)不到清洗的目的。因而用超聲波清洗噴絲頭時(shí)選擇合適的功率是必須的。

4.2 超聲波的頻率

超聲波清洗噴絲頭常用的頻率在20～40 kHz之間。當(dāng)超聲波頻率低時(shí)，在清洗劑中由空化作用引起的物理清洗作用顯然有利，但空化引起的噪聲很大，其分貝遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際生產(chǎn)中20 kHz以下的超聲波很少使用。對(duì)于小間隙、狹縫、深孔類(lèi)零件的清洗選用頻率大些的超聲波較好。

4.3 清洗液

由于在紡絲過(guò)程中紡絲液經(jīng)過(guò)噴絲頭進(jìn)入凝固浴中，因而堵塞噴絲頭的污物多是紡絲液中的細(xì)小雜質(zhì)或是未溶解的物料。只要在超聲波清洗時(shí)選擇合適的清洗液將紡絲液溶解或稀釋?zhuān)湍苓_(dá)到良好的清洗效果。

黏膠纖維是再生纖維素纖維，是從不能直接紡織加工的纖維素原料中提取純凈纖維素，經(jīng)過(guò)燒堿等處理后制成黏稠的紡絲溶液，因而黏膠纖維的紡絲液可以溶于堿液中，在清洗黏膠紡絲所用的噴絲頭時(shí)，選擇稀堿液為清洗液能夠達(dá)到更好的清洗效果。

殼聚糖纖維是將殼聚糖溶解到乙酸溶液中制成紡絲液，經(jīng)過(guò)噴絲頭后在堿性凝固浴中成絲，因而酸液可以使紡絲液的濃度變小，從而降低其黏度。選擇酸性清洗液效果更好。

由此可見(jiàn)，超聲波清洗噴絲頭的清洗液要根據(jù)所紡纖維品種進(jìn)行選擇才能達(dá)到最佳效果。

4.4 清洗箱容量

清洗液量一般高于振子表面100 mm以上為好，但根據(jù)超聲波的功率進(jìn)行選擇所達(dá)到的效果最好。由于清洗器受駐波場(chǎng)的影響，波節(jié)處振幅很小，而波幅處振幅很大，因而清洗效果不均勻，將清洗件放在波幅處時(shí)清洗效果最好?；蛘咴谇逑磿r(shí)將清洗件上下移動(dòng)，使清洗均勻。

4.5 清洗溫度和時(shí)間

超聲波清洗噴絲頭的溫度大約在40～60 ℃之間。若清洗溫度太低，則空化效果比較差，清洗效果也不好。因而部分超聲波清洗機(jī)中裝有加熱保溫裝置。如果溫度太高，氣泡內(nèi)的氣壓增加，引起沖擊聲壓下降，對(duì)清洗效果不利。

超聲波作用的時(shí)間與空化閾值有關(guān)，作用時(shí)間越長(zhǎng)空化閾值越小?？栈撝凳侵甘挂后w產(chǎn)生空化作用的最低聲強(qiáng)或聲壓幅值。作用時(shí)間越長(zhǎng)，超聲波產(chǎn)生空化作用越容易，但是清洗時(shí)間不能無(wú)限制的延長(zhǎng)，否則會(huì)造成資源浪費(fèi)。

5 超聲波清洗噴絲頭的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景

超聲波清洗噴絲頭與其他清洗方法相比具有清洗效果好、所用時(shí)間短、殘留物少的優(yōu)點(diǎn)。只要將噴絲頭浸入清洗液中，噴絲頭的各個(gè)部位都可以得到充分的清洗，包括深孔和凹槽。由于超聲波發(fā)生器采用工作放大的方式，換能器的電聲效率高，因而具有高效節(jié)能的特點(diǎn)，是一種高速、高質(zhì)，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的超聲波清洗技術(shù)。另外，超聲波對(duì)聲反射強(qiáng)的材料清洗效果好，而噴絲頭是用對(duì)超聲波反射強(qiáng)的金、鉑等金屬制成的，清洗效果又有很大的提高，因而采用超聲波清洗技術(shù)清洗噴絲頭是最理想的清洗方法。隨著濕紡纖維產(chǎn)量的增加，采用超聲波清洗噴絲頭將會(huì)得到更大的應(yīng)用和推廣。

[1]田家偉.噴絲頭、紡絲泵、紡絲濾器的清洗[J].北京化纖，1995(3)：16-17.

[2]吳正之.黏膠長(zhǎng)絲噴絲頭與紡絲可紡性[J].人造纖維,1999(1)：3-6.

[3]趙琪.濕紡噴絲頭的材質(zhì)、孔形與可紡性的關(guān)系[J].廣東化纖技術(shù)通訊,1980(7)：31-36.

[4]李春妹.超聲波清洗技術(shù)及其在紡織行業(yè)的應(yīng)用[J].紡織器材,1997(5)：26-27.

[5]陳思忠.超聲波清洗技術(shù)與進(jìn)展[J].洗凈技術(shù),2004(2)：7-12.