مطالعه تجربی رنگرزی پلی استر توسط گرمایش میکروویو

[ps.zine]

خلاصه
مطالعه تجربی ای به جهت تحقیق اثر گرمایشی میکروویو بر رنگرزی پلی استر صورت پذیرفته است. نتایج حاصل افزایش زیادی در جذب رنگ دانه و آهنگ شتاب گیری رنگرزی نشان می دهند. عملکرد هم تراز سازی رنگ دانه و همگن رنگ با موفقیت رو به رو گشته آشکار شد که نتیجه بهتری نسبت به گرمایش رسانشی حاصل می شود.


مقدمه
در حالی که هزینه های بالا مانع اصلی استفاده گسترده تر از میکروویو در صنعت نساجی می باشند، مانع مهم دیگر، عدم درک چگونگی بر هم کنش مواد با میکروویوها در طول فرایند گرمایشی است. انرژی میکروویو منافع ممکن فراوانی در فرآورش منسوجات دارد. جانشینی پرتو افکنی میکروویو به جای روش های مرسوم گرمایش، باعث دستیابی به گرمایش سریع تر و یک دست تر، دستگاههای فرآورش کوچک تر که نیاز به فضای کمتر و مواد کمتر در یک زمان مشخص در فرآیند دارند، می شود.

گرمایش میکروویو در فرایند رنگرزی سالهاست که مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است، اما تنها اطلاعات اندکی انتشار یافته است. هدف از این مطالعه بررسی بیشتر اطلاعات ارائه شده در مقاله تحقیقی پیرامون تاثیر پرتوافکنی میکروویو – که در بند یکم منابع و ماخذ ذکر شده – می باشد. تنها تفاوت موجود این است که طی مرحله دسته کردن در رنگرزی دسته ای–لایه ای (Pad-batch) برای تسریع تثبیت رنگ دانه های واکنش پذیر روی پنبه گرمایش میکروویو به کار رفته است.


زمینه های پیشین
در فراورش منسوجات، به کار بستن حرارت مثلا برای تثبیت رنگدانه و نشاندن حرارت ضروری می باشد. حرارت می تواند به روش های تابشی، رسانشی و همرفتی به مواد انتقال یابد. این سه روش انتقال را می توان به تنهایی یا به صورت ترکیبی با هم استفاده کرد. صرفه جویی در زمان و انرژی برای صنعت نساجی منافع آنی و بسیاری دارد. معرفی روش های جدیدی که ما را قادر سازند انرژی کمتری صرف کنیم زمینه فعالیت بسیار مهمی فراهم می کند. یک مقطع نسبتا کوتاه گرمایش میکروویو، که به خوبی طراحی شده باشد، می تواند سرعت تولید را افزایش دهد.

رطوبت در یک جسم متخلخل، در فضاهای خالی شبکه های جامد نگاه داشته می شود. در طی فرایند گرمایش جریان های مویینی منافذ بزرگتر را خالی می کنند و اغلب سطح را بدون پوشش و به اندازه کافی مرطوب نگاه می دارند تا فرایند خشک شدن به طور کلی توسط انتقال رطوبت/بخار توسط هوای اطراف کنترل شود.
فرایند گرمایش منسوجات پیچیده تر است چرا که انتقال رطوبت در شبکه و توده های لیفی به روش های گوناگون انجام می گیرد، از آن جمله حرکت ناشی از مویینگی و جاذبه در فضاهای میان لیفی، پخش مایع در میان الیاف به علت شیب دما و رطوبت، و پخش شدن بخار در فضاهای خالی توده ها را می توان نام برد. رطوبت جذب شده توسط سطح وقتی "مسافت آزاد میانگین مولکولی و ابعاد مشابهی با فضای انتشار داشته باشد، می تواند توسط نفوذ مولکولی پراکنده شود. این نوع پاک سازی رطوبت عموما در شرایط خشک سازی تجاری غیرمحتمل می باشد. هر گونه انتشار سطحی رطوبت خورده شده (sorbed) شاید نتواند به طور محسوسی انتقال کلی رطوبت را تحت تاثیر قرار دهد، چرا که ممکن است مواد انتقالی، تنها پیرامون یک حباب پر از هوا در گردش باشند. با وجود این جا به جایی رطوبت خورده شده در میان الیاف سلولوزی به نظر ممکن می آید.

به طور معمول پنداشته می شود که شبکه ها و توده های بزرگ لیفی در سطوح ریزمقیاس همگن اند، بنابراین به کاربردن معادلات پایستگی و ساختمندی برای حجم های کنترل به اندازه کافی کوچک، به جهت بدست آوردن نمایه یکنواخت محتوای رطوبت و درجه حرارت، ممکن می باشد. در این نمایه ها اطلاعات با جزئیات نیاز نیستند، از این رو نسبت دادن یک معادله ساده انتشار به فرایند خشک شدن امکان پذیر می باشد و اغلب این معادله یک ضریب انتشار وابسته به غلظت دارد.
انتقال رنگدانه می تواند هنگام گرمایش پارچه نرم شده، با پاشیدگی رنگ دانه در آب رخ دهد. چنین انتقالی می تواند در محصول نهایی اشکالات جزئی رنگی به وجود آورد. نخست شبکه منافذ پارچه از مویین های بزرگ تر از ذرات رنگ دانه تشکیل شده است و رنگ دانه پاشیده می تواند آزادانه به همراه رطوبت مایع حرکت کند. با پیش رفتن گرمایش اندازه مویین های باقی مانده کوچک تر و ناپیوستگی های مایع متعدد تر می شود و بدینسان به طور تصاعدی ذرات رنگ دانه را گیر می اندازد. در نتیجه برای هر پارچه ای نقطه بازیافت بحرانی ای وجود دارد که پایین آن هیچ انتقالی صورت نمی گیرد. برای تخفیف این مشکل برگیرنده های لیکوری به حداقل رسیده اند و در طول مرحله رنگرزی مواد غلیظ کننده افزوده می شوند.


متود مطالعه و فرضیات
در گرمایش میکروویو مهمترین متغییر در تعیین قدرت جذب، عامل افت است که وابسته به خواص الکتریکی مواد می باشد. عامل افت موثر یک ماده از شبکه جامد، آب مقید و آب آزاد مشتق می شود. این مورد آخر در محتوای رطوبت بالاتر غالب است و مشتق از رسانش یونی نمک های حل شده و افت ناشی از چرخش مولکول های دو قطبی در میدان الکتریکی به کار بسته شده، می باشد. در غیاب نمک های حل شده، عامل افت در محدوده میکروویو Hz 17 بیشینه می شود. در مقایسه با روش های خشک کردن مرسوم که شامل گردش هوای داغ درون و پیرامون بسته ها می شود، گرمایش میکروویو در بسته های خشک شده، نم نیز تولید می کند که باعث نوسان کمتر در تنش پیچش می شود. به طور معمول در گرمایش همرفتی مرسوم گرمایش بیش از اندازه مواد رخ می دهد.


آزمایشات
گرمکن میکروویو مورد استفاده همان گرمکنیست که در مرجع بند 1 معرفی شده است. رنگرزی دسته ای با استفاده از پدر آزمایشگاه انجام شد. رنگرزی کنترل شده برای اهداف مقایسه ای در دستگاه رنگرزی آهیبا انجام شده است. تمام رنگدانه ها و مواد شیمیایی تولیدات بازاری بوده اند. پارچه بافته شده 100% پنبه که از قبل آماده شده بود به جهت رنگرزی استفاده شد. سنجش رنگ و آنالیز داده های کالری متری توسط طیف نورسنج انجام شدند.

رنگرزی های کنترل به منظور اهداف مقایسه ای، با روال پیشنهاد شده توسط فروشنده های رنگ دانه ها انجام شدند. فرایند سرد-دسته ای (cold-batch) برای رنگرزی کنترل توسط رنتگدانه های وینیل سولفون و VS/MCT (وینیل سولفون/مونوکلروتریازین) انجام شد در حالی که فرایند تخلیه در دمای 100 درجه سانتیگراد با رنگ دانه های اسید نیکوتینیک صورت گرفت. رنگ دانه های تثبیت نشده بلافاصله پس از اتمام مرحله تثبیت رنگ دانه پاک شدند. پاک سازی شامل "دوبار شستشوی پارچه به مدت 5 دقیقه و با صد برابر وزن خودش آب در دمای 90 درجه سلسیوس"، "صابون زنی در محلول پاک کننده آنیونی" و "شستن با آب به همراه تثبیت رنگ دانه های واکنش پذیر و با شرایط مشابه" می باشد. عملا در شستشوی نهایی هیچ رنگدانه ای پاک نشد.
رنگ دانه ها توسط لایه گذاری -مانند فرایند مرسوم دسته-لایه- به کار گرفته شده و پارچه روی غلتک دسته شد. توپ پارچه توسط مقوای موج دار با ضخامت یکسان پیچیده شد و سرهای بی حفاظ توپ با کف پلی اورتان عایق بندی شدند. سپس در دمای تقریبا 90 درجه سلسیوس در برابر گرمایش میکروویو قرار گرفت. در نهایت پارچه طی فرایند مرسوم رنگرزی شسته شد.


پارامترهای وابسته الکترو مغنتاطیسی که بر گرمایش میکروویو حاکم اند
تانژانت افت می تواند از گذردهی الکتریکی مختلط مواد اشتقاق یابد. جزء حقیقی گذردهی الکتریکی ثابت دی الکتریک نام دارد و جزء موهومی آن به عامل افت نسبت داده می شود. نسبت عامل افت به ثابت دی الکتریک تانژانت افت می باشد. ثابت مختلط دی الکتریک از فرمول زیر استخراج می شود.



که در آن ε گذردهی الکتریکی مختلط، 'ε قسمت حقیقی ثابت دی الکتریک، ''εعامل افت و "tanδ= ε'⁄ε تانژانت افت می باشد.





که در آن Pav توان متوسط جذب شده بر حسب وات، ω بار بسامد زاویه ای مولد بر حسب رادیان بر ثانیه، ε0 گذردهی الکتریکی فضای آزاد، εeff عامل افت موثر، E شدت میدان الکتریکی بر حسب ولت بر متر و V حجم بر حسب متر مکعب می باشند.

εeff شامل تاثیر رسانش به علاوه افت های ناشی از قطبش می باشد، که مقیاس مناسبی برای افت کلی فراهم می آورد، چرا که ایزوله کردن مکانیسم هایی که به افت کمک می کنند در اغلب شرایط مشکل می باشد.

عامل مهم دیگر در گرمایش دی الکتریکی، عمق نفوذ پرتوها می باشد چرا که برای گرمایش یک دست پخش میدانی یکنواخت در ماده ضروری می باشد. خواصی که عمق نفوذ را به شدت تحت تاثیر قرار می دهند خواص دی الکتریک مواد هستند. این خواص ممکن است با طول موج فضای آزاد و بسامد موج انتقالی تغییر کنند. برای دی الکتریک های با افت کم مانند پلاستیک ها عمق نفوذ تقریبا برابر با :



که در آن Dp عمق نفوذ، λ0 طول موج فضای آزاد، 'ε ثابت دی الکتریک، εeff عامل افت موثر می باشند.

عمق نفوذ با توجه به طول موج به طور خطی افزایش می یابد، همچنین با کاهش عامل افت عمق نفوذ افزایش می یابد با وجود این، نفوذ وقتی که از طول موج های افزاینده استفاده شود به طور محسوسی تحت تاثیر قرار نمی گیرد. چرا که عامل افت نیز وخیم تر شده و تعادل معقولی در معادله بالا ایجاد می شود. می توان در معادله 3 مشاهده کرد که کاهش عامل افت باعث افزایش عمق نفوذ پرتوها می شود.


مباحثات
در گرمایش توسط تابش میکروویو تحت تاثیر شرایط ثابت، آب از روی سطوح بی حفاظ الیاف تبخیر می شود و با آب منتقل شده از ساختمان پارچه جایگزین می گردد. در خلال این فرآیند یک حالت پایا برقرار می گردد و دمای پارچه و آهنگ تبخیر تقریبا ثابت می مانند. در پایان این دوره گرمایش با آهنگ ثابت مذکور، دمای پارچه رو به افزایش گذاشته و آهنگ تبخیر کاهش می یابد چرا که پایین محتوای مشخص بحرانی آب، انتقال آب مایع و سپس بخار آب به سطوح بیرونی بسیار مشکل شده و سرانجام متوقف می شود.

تایید شده است که میکروویو می تواند عملکرد مفیدی در گرمایش منسوجات، در یکنواخت کردن مقاطع عرضی مرطوب در سرتاسر نمونه خیس داشته باشد. جای تعجب نیست چرا که آب از هر ماده دیگری در برابر گرمایش دی الکتریکی واکنش پذیر تر است و از این روست که پاک سازی آب شتاب می گیرد. گرمایش میکروویو شاید توزیع دمای غیر یکنواخت در برخی فرم های هندسی را بیشتر توضیح می دهد. این مسئله باعث اختصاص دادن شیب درجه حرارت با جهت های مخالف نسبت به فرایند خشک کردن مرسوم در درون نمونه چرم می شود. درجه حرارت در باریکه پارچه بالاتر از درجه حرارت روی سطح می گردد و از این رو شیب انتشار و انتشار گرمایی منجر به افزایش یکسانی در جهت و آهنگ تفکیک آب می شود.


نتایج
ترازهای تثبیت رنگ دانه ها در فرایندهای دسته سازی می توانند توسط گرمایش پارچه در مرحله دسته سازی به شدت تسریع شوند. گرمایش میکروویو پارچه می تواند زمان تثبیت رنگ دانه های واکنش پذیر را کاهش دهد.

در حالی که هزینه های بالا مانع اصلی استفاده گسترده تر از میکروویو در صنعت نساجی می باشند، مانع مهم دیگر عدم درک چگونگی برهمکنش مواد با میکروویوها در طول فرایند گرمایش می باشد. یکی از اصلی ترین خصایصی که گرمایش میکروویو را از فرایند گرمایش همرفتی جدا می کند این است که از آنجا که مایعات عمده انرژی الکترومغناطیسی در بسامد های میکروویو را جذب می کنند، انرژی مستقیما به ماده خیس منتقل می شود. این فرایند به رسانش گرما از سطح فرآورده وابسته نیست، در نتیجه افزایش سرعت انتقال گرما رخ می دهد که فرایند گرمایشی را شتاب می بخشد. این پدیده همچنین مزیت حذف سخت گردندگی سطحی فرآورده ها را نیز دارد که معمولا در گرمایش همرفتی هوای داغ رخ می دهد.

ویژگی دیگر افزایش زیاد عامل افت دی الکتریک با محتوای رطوبت است. این نکته می تواند تاثیر زیادی در ایجاد پدیده ترازسازی رطوبت در خلال فرایند خشک سازی بگذارد چرا که انرژی الکترومغناطیسی به صورت گزینشی یا ترجیحی نواحی خیس تر را خشک می کنند.

در این تحقیق تابش میکروویو روی نمونه ها در ترازهای توان گرمایشی گوناگونی انجام شد.

مشاهده می شود که توان وابسته، به شدت سینتیک خشک سازی را تحت تاثیر قرار می دهد و با بالا بردن توان گرمایشی میکروویو، زمان گرمایش کاهش می یابد. تمام نمونه ها به تبعیت از توان میکروویو رفتار یکسانی نشان می دهند.

تاثیر تراز توان به روشنی مشخص است. به نظر می رسد که شدت بالای گرمایش ناشی از گرمایش زیاد لایه سطح فرایند، توزیع انتقال جرم در ماده را با مشکل مواجه می سازد. این اثر در تمام نمونه های بررسی شده دیده شده است.

بیشینه آهنگ گرمایش بلافاصله پس از شروع فرایند حاصل می شود، چرا که محتوای اولیه رطوبت پایین محتوای رطوبت نمونه بحرانی می باشد و توان میکروویو کافی در محفظه وجود دارد.

گرمایش میکروویو نمونه ها آهنگ گرمایش بالاتر و در نتیجه زمان گرمایش سریع تر و شیب های فشار و دمای بالاتری را نشان می دهد. در این مرحله اثر مکش در مواد آشکار می شود. این اثر مکش مقدمتا بر اثر افزایش فشار داخلی تدریجی که مایع آزاد را در منافذ نمونه ها می راند حاصل می شود. اگر چه این اثر مکشی آهنگ گرمایشی را افزایش می دهد، اما دما و فشار افزایش یافته می تواند به مواد آسیب برساند.

این مطالعه امکان بررسی های آتی گرمایش میکروویو منسوجات را فراهم می کند.


نتیجه گیری
در این بررسی تجربی، رنگ دانه های واکنش پذیر با گونه های متفاوت گروههای عملی، در متود دسته-لایه ای داغ یکسان رفتار نمی کنند. گونه های وینیل سولفون هنگام استفاده از متود داغ رنگ های محصول کمتری نسبت به هنگام استفاده از متود سرد مرسوم تولید می کنند.

رنگ دانه های اسید نیکوتینیک به هنگام استفاده از متود دسته-لایه ای داغ رنگ های محصول برابری با متود دسته ای پیشنهاد شده تولید کردند. این رنگ دانه ها در متود سرد-دسته ای قابل استفاده نیستند.

رنگ دانه های واکنش پذیر و عملگری VS/MCT در متود دسته-لایه ای داغ نتایج بسیار عالی ای نشان دادند. رنگ محصول و سرعت شستشوی رنگ در این متود برتر از نتایج حاصل از پروسه دسته-لایه ای سرد پیشنهاد شده بود.

مترجم: ماني رشتي پور

منابع:

1. Haghi, A.K, 2003, Heat and Mass Transport Through Moist Porous Materials, 14th Int. Symp. On Transport Phenomena, 209-214.
2. Robinson, T.G, McMullan, G.R, Marchant, P, 2001 Remediation of dyes in textile effluent: A critical review
on current treatment technologies with a proposed alternative, Journal of Bioresource Technology, 77, 247-255.
3. Lin, S.H, and Liu, W.Y, 1994, Continuous Treatment of Textile Water by Ozonation and Coagulation, Journal of Environmental engineering, 120(2), 78-89.
و ...
برای دیدن دیگر منابع به متن اصلی مراجعه شود:

Haghi, A.K, An experimental study on dyeing of polyester with microwave heating.

www.pszine.net