膜分散技术（精选4篇）
膜分散技术 篇1
纳米Fe3O4由于具有粒径小、比表面积大、超顺磁性等特点, 在磁记录材料、光纤传感技术、光导功能材料、磁流体、催化、吸附与分离、微波吸收等领域得到了广泛的应用[1,2,3,4]。目前, 制备纳米Fe3O4的方法主要有共沉淀法[5]、氧化沉淀法[6]、溶剂热法[7]、微乳液法[8]、溶胶-凝胶法[9]、热分解法[10]等。但这些方法制得的纳米Fe3O4粒子存在着粒径大、粒度分布不均匀、成本高且均不能连续制备等不足, 尤其是反应物在溶液中充分混合问题, 因此发展分散效果好、污染少且能耗低的混合技术已成为纳米材料合成研究的一个重要内容。马光亮等[11]开展了中空纤维膜分散法制备纳米颗粒的研究;骆广生等[12]利用平板式微孔膜组件, 以一种反应物为分散相, 另一种反应物为连续相合成了二氧化锆、硫酸钡、碳酸钙等纳米颗粒;李敏等[13]采用套管式微反应器制备碳酸钙颗粒。虽然以上膜分散法在制备纳米材料方面取得了一定进展, 但管壳式中空纤维膜组件内流体分布呈现严重不均匀现象, 会使透过膜孔的众多微滴又被不均匀地分配到另一相中, 且易发生膜丝堵塞, 膜组件清洗困难, 影响使用寿命;在相同反应器体积下, 平板膜的膜面积小于中空纤维膜, 处理能力有限;而单浸没式膜反应器是将一相分散到反应器中的连续相中, 不同时间产生的颗粒共存于母液环境, 导致粒径分布较宽。为此, 笔者提出基于膜分散技术[14]和化学共沉淀法相结合的思想, 合理设计微反应装置, 利用双膜分散法将两种反应物溶液分别通过膜组件同时分散到反应器的溶剂中, 并发生微混合反应连续制备纳米Fe3O4, 以克服现有制备方法粒径分布不均、成本高且不能连续制备等缺点, 为批量生产纳米Fe3O4奠定基础。
1 实验
1.1 试剂及仪器
氯化铁, 硫酸亚铁, 氢氧化钠, 油酸钠, 十二烷基硫酸钠, 均为分析纯;聚偏氟乙烯 (PVDF) 中空纤维膜, 招远市海威斯特膜材料有限责任公司生产。
BT-1002J型蠕动泵, 保定兰格恒流泵有限公司;PHS-2S型精密酸度计, 上海大普仪器有限公司;6511型电动搅拌器, 上海标本模型厂;KQ3200B型超声波清洗器, 昆山市超声仪器有限公司;D/MAX2200PC型X射线衍射仪, 日本理学;XL30型扫描电子显微镜, 飞利浦公司;7600傅里叶红外光谱仪, 日本理学。
1.2 实验装置
图1为浸没式中空纤维膜组件制备纳米Fe3O4的实验装置图。制备纳米Fe3O4过程中, pH值应控制在碱性范围内, 故选择化学稳定性好的耐酸碱、抗紫外线以及耐气候老化特性的PVDF中空纤维膜, 其技术参数如表1所示。图2为中空纤维膜组件图, 中空纤维膜丝以S形缠绕在不锈钢支架上, 有利于膜内溶液的渗出;膜与膜之间保持着一定间距, 以减缓膜的污堵, 延长膜组件运行时间。
1.3 纳米Fe3O4的制备
在已确定的Fe2+和Fe3+混合溶液浓度0.4mol/L、Fe2+和Fe3+的物质的量比2∶3、NaOH浓度0.5mol/L条件下, 进行纳米Fe3O4的连续制备研究, 分别通过蠕动泵将铁混合溶液和NaOH溶液输送到浸没式PVDF中空纤维膜组件中, 在膜两侧压力差作用下, 两种溶液分别透过中空纤维膜分散到反应器中, 控制pH值在10.40~11.00[15,16]之间并发生如下反应:
对产物进行分离, 去离子水洗涤3次, 无水乙醇洗涤1次, 再磁力分离得到黑色沉淀, 60℃真空干燥8h, 得到纳米Fe3O4产品。
1.4 纳米Fe3O4粒子的表面修饰
实验过程中以油酸钠和十二烷基硫酸钠为分散剂, 采用一步法和二步法对纳米Fe3O4进行表面修饰。一步法是将表面活性剂溶解在沉淀剂NaOH溶液中 (按0.002mol/L配制) , 在制备Fe3O4的同时表面活性剂直接包覆在Fe3O4粒子表面;二步法是将一定浓度为0.002mol/L的表面活性剂溶液加入到一定量未烘干的纳米Fe3O4中, 机械搅拌30min, 经磁分离、洗涤、超声、烘干等步骤, 制得表面修饰的纳米Fe3O4。
2 结果与讨论
2.1 纳米Fe3O4的连续制备条件
表2为经大量实验确定的最优反应条件, 其中铁混合溶液的平均流量和NaOH溶液的平均流量对控制反应体系pH值至关重要, 按表2的相应流量可稳定控制反应体系pH值在10.40~11.00范围内。
2.2 纳米Fe3O4的连续制备量
表3为纳米Fe3O4连续制备结果。根据反应时间 (Δt) 、Fe3O4生成量 (m) 和膜组件的膜面积 (A) , 可计算出纳米Fe3O4的平均产量为420g/ (m2·h) 。另外, 由表3中的数据可知, 随着膜反应器使用时间的延长, 反应同体积铁混合溶液的时间也延长, 说明膜组件的膜孔有部分堵塞, 应及时清洗。
2.3 纳米Fe3O4的表征
2.3.1 纳米Fe3O4的XRD分析
图3为纳米Fe3O4的XRD分析结果, 其中 (a) 、 (b) 、 (c) 分别为未经修饰的纳米Fe3O4、油酸钠一步法修饰的纳米Fe3O4、十二烷基硫酸钠一步法修饰的纳米Fe3O4的X射线衍射图。由图3可以看出, 主要衍射峰均在2θ=30.29°、35.57°、43.32°、53.78°、57.10°、62.79°处, 分别对应反尖晶石型面心立方Fe3O4的 (200) 、 (311) 、 (400) 、 (422) 、 (511) 和 (440) 晶面, 与标准Fe3O4的特征吸收峰相吻合, 表明所表征粒子为Fe3O4。
通过Debye-Scherrer方程D (hkl) =kλ/ (βcosθ (hkl) ) [17], 结合图3数据可以计算出未修饰的纳米Fe3O4粒子的晶粒尺寸为15.48nm, 油酸钠修饰纳米Fe3O4粒子的晶粒尺寸为13.97nm, 十二烷基硫酸钠修饰纳米Fe3O4粒子的晶粒尺寸为14.86nm, 这也说明油酸钠修饰效果优于十二烷基硫酸钠修饰效果。
2.3.2 纳米Fe3O4的SEM分析
图4为未经修饰的纳米Fe3O4的SEM图。由图4可以看出, 纳米Fe3O4颗粒大小均匀, 呈球形, 但团聚明显, 粒径在15~20nm之间。由于SEM制样可导致Fe3O4粒子的软团聚, 因此所得粒径比XRD计算结果略大。
图5为经表面修饰的纳米Fe3O4粒子的SEM图, 可以看出经修饰的纳米Fe3O4成球性较好, 团聚现象减少, 粒径大都在15~20nm之间。对比图5 (a) 与 (b) 、 (c) 与 (d) 可以看出, 经油酸钠修饰的纳米Fe3O4比十二烷基硫酸钠修饰的颗粒分散更好;对比图5 (a) 与 (c) 、 (b) 与 (d) 可以看出, 一步法分散性的效果优于二步法。其原因是一步法在Fe3O4晶粒形成前加入表面活性剂, 使Fe3O4晶粒在生成初期即得到有效修饰, 降低了颗粒的表面能, 抑制了颗粒生长, 有效控制了粒子的团聚;而二步法是在Fe3O4形成后加入表面活性剂, 表面活性剂只对颗粒有一定的分散作用, 对颗粒尺寸影响较小。
2.3.3 纳米Fe3O4的IR分析
图6 (a) 为未经修饰的纳米Fe3O4粒子的红外光谱图, 在582cm-1处是Fe3O4中Fe-O键的伸缩振动吸收峰, 3420cm-1及1630cm-1处的2个峰是由-OH基团的伸缩和弯曲振动引起的, 主要是因为Fe3O4表面存在水分子。
图6 (b) 为油酸钠一步法修饰纳米Fe3O4粒子的红外光谱图, 571cm-1处为Fe3O4中Fe-O键的吸收峰, 2920cm-1处是油酸钠中-CH3的振动吸收峰, 1520cm-1和1430cm-1两处吸收峰是羧酸根的峰, 说明油酸钠与Fe3O4属于化学吸附。图6 (c) 为十二烷基硫酸钠一步法修饰纳米Fe3O4粒子的红外光谱图, 579cm-1处为Fe3O4中Fe-O键的吸收峰, 2890cm-1处是-CH3的吸收峰, 1520cm-1处是-OH的伸缩振动峰, 3460cm-1处是-OH基团的伸缩振动吸收峰, 由于十二烷基硫酸钠中硫酸根的存在, 十二烷基硫酸钠的空间位阻大于油酸钠对纳米Fe3O4的影响, 使得吸收峰发生偏移, 1070cm-1和1220cm-1处是十二烷基硫酸钠的特征吸收峰, 说明Fe3O4表面修饰了十二烷基硫酸钠。
3 结论
基于膜分散技术和化学共沉淀法相结合的思想, 利用双膜分散法将两种反应物溶液分别通过膜组件同时分散到反应器的溶剂中并发生微混合反应, 可连续制备出球形度好、粒径分布均匀、平均粒径在10~20nm之间的纳米Fe3O4。连续制备纳米Fe3O4的条件为:铁混合溶液的平均流量为68mL/h, NaOH溶液的平均流量为132 mL/h, 此时Fe3O4平均产量可达到420g/ (m2·h) 。以油酸钠和十二烷基硫酸钠为分散剂, 可有效减轻Fe3O4团聚现象, 其中油酸钠的修饰效果优于十二烷基硫酸钠的修饰效果。
膜分散技术 篇2
纳米材料具有很多的独特性能,如较高的硬度、耐磨性、减摩性等,因而在表面技术中获得了越来越广泛的应用。为了增加运动承载件的耐磨性能,在磷化液中加入纳米Al2O3粉末,通过金属共沉积得到了纳米磷酸盐复合涂层,使膜的硬度显著提高,耐磨性能有所增强,摩擦系数相应也减小[1]。
由于纳米材料具有较大的比表面积和表面能,粉体颗粒具有互相团聚降低表面能的趋势,粉体颗粒实际是以团聚体的形式存在的[2]。在液相介质中由于范德华力的作用极易形成团聚,使得纳米材料的优异性能得不到发挥。得到纳米微粒均匀分布的纳米复合磷化膜,关键是要解决纳米微粒在磷化液中的团聚问题。此外,在磷化液中电解质的浓度和在电镀液中一样高,要使纳米颗粒分散也是比较困难的[3,4]。目前,分散纳米颗粒、解决团聚的技术主要有物理搅拌、超声波振荡和化学分散等。其中,向溶液中添加分散剂是一种常用的方法。目前,磷化正朝着低成本、低能耗的方向发展,对其配方中的促进剂及磷化工艺条件研究较多[5,6,7],但是关于纳米Al2O3应用到磷化中的技术几乎没有涉及,至于磷化液中分散剂的选择,也未见文献报道。本工作在已有结果的基础上[8,9,10,11,12]进行了研究,初选了9种常用的分散剂,重点讨论分散剂的加入对磷化膜宏观和微观形貌、磷化液的分散性能及膜中铝沉积量等的影响,以期优选出更加合适的分散剂,从而获得纳米Al2O3分散均匀、铝元素含量较高的复合磷化膜。
1试 验
1.1 试验材料
基材选用A4钢,规格为2 cm×4 cm。
α - Al2O3粉末购于路明公司,粒径为100 nm。
分散剂由十二烷基苯磺酸钠,聚乙二醇20000,聚乙二醇6000,三乙醇胺,十二烷基硫酸钠,AOS(α - 烯基碳酸盐),六偏磷酸钠,酒石酸钠,柠檬酸三铵等构成。
1.2磷化膜检测
试样磷化膜外观按GB 6807-2001进行检测;厚度用TT260覆层测厚仪检测,每个试样选取15个点,取平均值。
1.3分散方式
选用磁力加热搅拌器进行磁力搅拌,nmax=1 370 r/min;采用数控超声波清洗器进行超声波振荡,功率400 W,频率25 kHz。
首先将分散剂加入到磷化液中,然后在磁力搅拌下加入纳米Al2O3颗粒,搅拌20 min;用超声波常温振荡30 min。磁力搅拌熟化稳定溶液4 h后即可进行磷化[13]。磁力搅拌熟化稳定时应保证纳米粒子全部悬浮。磷化过程中采用间歇手动搅拌,即搅拌3 min,间歇3 min。
1.4纳米氧化铝分散体系沉降
将一定量的磷化液放入250 mL烧杯中,加入适量的表面活性剂,再将一定量的纳米Al2O3粉体放入溶液中,对配制好的不同分散体系下的纳米Al2O3磷化液以磁力搅拌30 min后用超声波常温振荡30 min,再将一定量的超声分散好的溶液置于试管中,摇匀,编号。分散静置1 h后,混合液因颗粒沉淀而产生分层,测量清液层高度h液与溶液总高度h总液(见图1),以计算比值k(h液/h总液)来表征溶液的沉降情况。比值k越小,说明分散剂的分散性能越好。
1.5复合磷化膜的制备及工艺流程
将一定量的纳米Al2O3及分散剂加入到磷化液中,机械搅拌30 min,超声波振荡20 min,在手动搅拌间歇下进行磷化,保持磷化液的悬浮状态。
磷化工艺流程:脱脂→热水洗→冷水洗→酸洗→热水洗→冷水洗→表调→磷化→热水洗→热风吹干。
磷化液组成及工艺条件见表1。
1.6磷化膜微观形貌及Al含量测定
通过JSM - 5600LV型扫描电镜(SEM)观察不同分散剂对磷化膜微观形貌的影响,用附带的电子能谱仪(EDS)分析测定磷化液中同量纳米Al2O3不同分散剂分散时,磷化膜中铝的沉积量。
2结果与讨论
2.1磷化膜表观及溶液沉降
通过对磷化膜表观及溶液的沉降对分散剂进行初选,不同分散剂所形成的磷化膜的表观及溶液沉降结果见表2。
由表2可以看出:未加分散剂的磷化膜有挂灰,容易沉降,说明纳米颗粒团聚比较严重,成膜不很均匀;加入阴离子型表面活性剂十二烷基苯磺酸钠﹑十二烷基硫酸钠,成膜比较均匀,但膜色发黄,说明膜较薄,且k值偏大,纳米Al2O3的分散效果不太好,这是因为纳米Al2O3在酸性溶液中带正电[9],由于静电引力的作用,与阴离子表面活性剂相吸而发生了团聚;加入非离子型高分子聚合物聚乙二醇20000,聚乙二醇6000,磷化成膜较均匀,膜呈浅灰色,溶液分散较好,这是因为当纳米微粒表面吸附足够的高溶剂化的聚合物分子层时,相邻的微粒由于位阻效应而保持在范德华力不起作用的距离[7],产生了较好的作用,但聚乙二醇20000的分散效果较聚乙二醇6000的好一些,这是由于更大分子的分散剂对粒径100 nm的Al2O3有更好的分散效果[14];对于小分子无机电解质和无机聚合物六偏磷酸钠和酒石酸钠,成膜较薄,且k值较大,说明它们对磷化液的分散效果很不好,主要原因是这些小分子离解形成的吸附层比较薄[15],虽然能起到一定的空间位阻作用,但还是不能够对100 nm的颗粒进行很好的分散;阴离子型表面活性剂AOS和两性型分散剂柠檬酸三铵,成膜效果后者优于前者,对磷化液分散效果亦然,主要原因是AOS为一种阴离子型分散剂,两性的柠檬酸三铵对磷化液的分散效果好一些;对于阳离子型表面活性剂三乙醇胺、柠檬酸三铵和三乙醇胺的复合分散剂的磷化,成膜致密均匀连续,且颜色呈偏灰黑色和浅灰色,溶液分散效果也很好,主要原因是阳离子型分散剂与磷化液中带正电的纳米Al2O3粒子起排斥作用,从而起到了较好的分散作用。
对以上4种分散剂比较后得出:聚乙二醇20000,柠檬酸三铵,三乙醇胺,柠檬酸三铵和三乙醇胺复合分散剂是磷化液中纳米Al2O3较为理想的分散剂。
2.2不同分散剂对膜厚的影响
分散剂对磷化膜厚度的影响见图2。
由图2a可看出,聚乙二醇20000含量增加,膜厚先轻微减小,随后急剧增加,当其含量在0.3 g/L时膜厚达到最大值27.8 μm,这是因为它对100 nm纳米颗粒具有较好的分散作用。由图2b可以看出,随着阳离子型活性剂三乙醇胺含量的增加,磷化膜厚度也逐渐增加,当其含量在0.175 g/L时膜厚达到最大值18.1 μm,含量继续增加,膜厚又呈下降趋势;对于两性分散剂柠檬酸三铵,在低含量0.135 g/L时膜厚即达到18.4 μm,此后随着含量的增加磷化膜的厚度开始减小,当含量为0.4 g/L时膜厚达到最小,之后随含量的增加膜厚又有增加。总体比较3种分散剂对膜厚的影响,柠檬三铵和三乙醇胺在低含量区即有很好的膜厚,所以选择其混合物作为分散剂再次试验,其含量与膜厚的关系见图2d。可见,复合分散剂呈现了复合作用,即膜在低含量区呈现了较大的厚度,在0.09 g/L即有18.2 μm,然后随着含量的增加膜厚又减小,当含量在0.25 g/L时膜厚最小,之后随含量的增加膜厚又开始增厚,直到浓度为0.575 g/L时达到一个峰值接着又开始减小。
对于图2a和图2b,分散剂含量较低时,不足以完全包覆所加入的纳米颗粒,致使团聚的颗粒在手动搅拌时阻碍了碳钢表面的反应,成膜较薄,当分散剂增加、且能够完全包覆纳米颗粒时,碳钢表面不再受纳米颗粒团聚的影响,膜厚达到最大,分散剂含量继续增加,一定程度上影响了膜表面的活性状态,因为磷化前处理时已作了表调,使碳钢表面晶核增多[16],过剩的分散剂使碳钢表面晶核减少,从而使成膜受到了影响,膜厚减小。对于图2c,图2d,分散剂含量很小时,即能完全包覆纳米颗粒,使膜厚达到较大值;随着分散剂含量的增加,呈现了和前面相同的原因使膜厚减小,即不能够完全包覆;低谷之后膜厚又增加的原因主要是两性分散剂对碳钢表面晶核起增加的作用,使成膜增厚。
从分散剂用量上看,三乙醇胺和柠檬酸三铵组成的复合分散剂在低含量区具有最好的分散作用,其次是柠檬酸三铵、三乙醇胺、聚乙二醇20000。从所形成的最大膜厚来看,聚乙二醇20000的作用最大,其次分别为柠檬酸三铵、复合分散剂、三乙醇胺。综合以上情况考虑,复合分散剂和柠檬酸三铵是2种比较好的分散剂。
2.3 分散剂对磷化膜微观形貌的影响
对选出的聚乙二醇20000,柠檬酸三铵,三乙醇胺及复合分散剂进行了磷化试验,其磷化膜微观形貌见图3。
由图3可看出:三乙醇胺和复合分散剂所形成的磷化膜结晶较聚乙二醇20000,柠檬酸三铵分散剂形成的膜细密均匀;复合分散剂形成的磷化膜微观形貌较三乙醇胺的微观形貌细密。因此,复合分散剂对膜表面起到了细化作用,同时也说明阳离子型分散剂三乙醇胺对纳米复合磷化膜有细密化的作用。
2.4 分散剂对Al2O3沉积量的影响
加入不同分散剂后磷化膜中Al含量的能谱测试结果见图4。
由图4可看出:柠檬酸三铵的加入使磷化膜中Al的含量远高于聚乙二醇20000;分散剂浓度低于0.75 g/L时,磷化膜中Al含量的大小顺序为:柠檬酸三铵、三乙醇胺、聚乙二醇20000;三乙醇胺和聚乙二醇20000都呈现出先增大后减小的趋势,柠檬酸三铵沉积量的变化趋势呈现了与膜厚相同的趋势,即先轻微的增大后急剧减小,之后又有轻微的增大。因为分散剂的分散性愈好,形成的磷化膜中Al的含量愈高,其变化呈正相关关系。由此可以推断,柠檬酸三铵的分散性优于三乙醇胺和聚乙二醇20000,至于复合分散剂的作用效果则将有待于进一步研究。
3结 论
从磷化膜表观及溶液沉降来看,聚乙二醇20000,柠檬酸三铵,三乙醇胺及柠檬酸三铵和三乙醇胺的复合分散剂对纳米Al2O3分散后形成的磷化膜,表观较均匀,且连续致密,其沉降值k也偏小,说明溶液的分散性比较好。它们是磷化液中比较理想的纳米Al2O3的分散剂;在分散剂用量方面及形成的膜厚方面,复合分散剂和柠檬酸三铵因低含量即有较厚的膜,可见,是比较好的分散剂。
分散染料微胶囊染色技术 篇3
分散染料是一种疏水性强、水溶性小的非离子型染料, 主要用于涤纶和涤棉织物的印染加工。为使分散染料均匀地分散于染色介质中, 其在制备和使用过程中常需借助多种助剂。表面活性剂的存在使大量染料滞留在染色设备内壁、纤维表面和染色废水中, 导致染色废水的色度、COD、BOD和碱度偏高, 增加了染色废水的处理难度[1,2,3]。
20世纪50年代, 微胶囊技术迅速兴起和发展, 并在许多技术领域得到广泛的应用, 也为纺织品的染色、印花、化学后整理开拓了广阔的发展前景。尤其是微胶囊化染料, 不仅可以制造出色彩斑斓的纺织品, 解决染色上令人头痛的泳移现象;更为重要的是, 利用分散染料微胶囊缓释性能, 无需添加助剂, 利用常规染色工艺, 即可以实现无污染染色[4]。
分散染料微胶囊因具有独特的性能, 对合成纤维染色优点主要为[5]:使用常规染色设备即可进行染色;染色时无需添加助剂;洗涤、染色产生的废水简单处理后可回用, 实现了水的的循环使用, 减少了水资源的浪费;从源头控制污染的产生, 大大降低治污的难度和成本。分散染料微胶囊无助剂免水洗染色技术的应用, 可大大减少染料使用量和用水量, 彻底解决困扰印染行业的污水治理问题, 为实现染整行业清洁生产开辟了一条新途径。
1 分散染料微胶囊制备
分散染料微胶囊染色的核心技术是染料微胶囊的制备工艺[6], 其制备工艺如图1所示。
分散染料微胶囊的制备是在染料颗粒外, 包裹一层高分子材料外壳, 形成微米级的球形或不规则的染料微胶囊。采用原位聚合法, 以醚化蜜胺树脂预聚体作为壁材原料, 用特制的功能性高分子分散剂将分散染料分散于水相, 在外力作用下使之形成小粒子, 在适当p H值条件下, 逐步滴加醚化蜜胺预聚物, 预聚物分子向染料粒子表面富集、活化并以较快的速度缩合聚合, 形成壳层。由醚化蜜胺树脂胶囊壁形成网状结构的大分子是热固性高分子材料, 从而使得囊壁具有不溶和不熔的特性, 成为芯材与水溶液之间的缓释半透膜。分散染料微胶囊有一定的耐高温特性和机械强度, 并具隔离和缓释性能。
2 分散染料微胶囊染色原理
分散染料微胶囊染色过程中, 由于微胶囊囊壁的存在, 其染料溶解过程为:水分子进入微胶囊内, 溶解部分染料形成饱和溶液, 由于胶囊壁材对染料亲和性很弱, 具有半透膜特性, 微胶囊内外染料浓度梯度的存在, 促使水分子带着部分已溶解的染料分子透过囊壁向外释放, 同时水进一步渗透进胶囊, 直至平衡;释放出来的染料迅速向染浴中的纤维表面吸附, 并向纤维内部扩散完成染色;染浴中的染料溶解平衡被打破, 所以溶解、上染不断进行。“溶解→扩散→吸附→上染”这一过程连续进行直至获得所需的色深。由于分散染料的溶解度很小, 染浴中染料浓度极低, 从而保证了良好的匀染性。同时微胶囊化使分散染料被囊壁严密包裹, 在染色介质水中孤立存在, 当与织物接触时由于微胶囊的隔离作用而不会污染织物或形成斑点[7,8,9,10]。
经微胶囊化分散染料染色的涤纶织物具有良好的水洗性能, 究其原因主要是采用该技术染色涤纶纤维表面沾色很少, 使后续的水洗过程变得不重要。染色后, 在染色条件下用水处理, 还可以促使涤纶纤维表面的吸附染料完全进入纤维, 同样可以达到提高色牢度的目的。这主要是因为分散染料在水中的标准化学位远高于其在纤维中的标准化学位。
常规染料染色的织物, 由于助剂的存在, 使得染料增溶, 造成纤维表面浮色现象严重, 严重降低产品质量, 因此染色后必须经过彻底水洗和还原清洗才能洗去织物上的浮色, 造成资源浪费, 同时增加了生产成本。利用分散染料微胶囊/活性染料一浴法对涤棉混纺进行染色, 无需使用分散剂和匀染剂等助剂, 就可以达到匀染的目的, 且可以获得较高的色牢度。同时, 由于染色过程中没有使用助剂, 消除了对染料的增溶作用, 染色后纤维表面的浮色大幅度减少, 可省去涤纶织物的烧碱/保险粉还原清洗工序, 避免了还原清洗对活性染料的破坏, 并且降低了耗能、节省了水资源、缩短染色周期、提高了设备利用率及生产效率。
3 分散染料微胶囊染色的影响因素
3.1 微胶囊大小的影响
分散染料微胶囊的大小直接影响到胶囊内染料的缓释速率。在颗粒大小适度的情况下, 分散染料微胶囊的释放速度与常规染料添加扩散剂时的释放速率相似, 但颗粒较粗的分散染料微胶囊的缓释速率比颗粒较细的微胶囊分散染料慢。因此要保证在染色过程中有较好的缓释速率, 要选用颗粒大小适度的微胶囊分散染料。
3.2 温度和时间的影响
分散染料微胶囊染色过程中, 改变染浴温度, 染色后织物的染色深度, 即K/S值会发生变化。随着温度的提高, 分散染料微胶囊对染料的释放速率增加, 温度越高, 释放速率越大, 到达染色平衡所需的时间越短, 可以大大降低染色所需时间。此外染色时间越长, 微胶囊内的分散染料可以充分地释放到染浴中, 有助于织物获得较深的色泽。
4 分散染料微胶囊化对分散染料染色动力学和热力学性能的影响
4.1 对动力学性能的影响
染色动力学性能主要包括扩散系数、半染时间等。
染料在纤维内部的扩散, 与染料分子本身的化学性质、染料与纤维间的作用力等因素有关, 分散染料的微胶囊化只是在染料分子外面包覆一层高分子聚合物的外壳, 并未改变染料的分子结构, 故而对染料的化学性能及其与纤维之间的作用没有影响。在微胶囊染色过程中, 分散染料从胶囊中释放出来之后, 完全自由, 胶囊并不会影响染料从染浴向纤维的扩散, 且对染料在纤维内部的扩散亦没有影响, 故分散染料的微胶囊化对染料的扩散系数没有影响。
由于微胶囊化, 在染色过程中, 染料分子需要先从胶囊内缓释出来, 与传统分散染料染色相比, 其染色的半染时间增加, 而且, 囊壁的厚度也直接影响到半染时间。囊壁越厚, 染料分子从微胶囊中扩散出来越困难, 使得半染时间变长。同时由于微胶囊的存在, 使得染料不能完全释放出来上染到织物上, 从而降低了平衡上染量。
4.2 对染色热力学的影响
染色热力学的研究内容主要为吸附等温线、染色亲和力、染色热和染色熵。
微胶囊化的分散染料并未改变分散染料在染液中及在纤维上的分散机理, 故分散染料微胶囊染色过程中其吸附等温线仍与常规分散染料相同, 符合能斯特型吸附等温线。
常规的分散染料, 由于在染色过程中加入大量的各种助剂, 大量的染料在胶束中以浮色的形式沉积到织物表面, 并未进入纤维内部, 而没有真正上染, 使得染料与纤维的亲和力在表现上较小。微胶囊化的分散染料在染色过程中, 由于不存在助剂, 消除了其对染料的增溶作用, 使得残留在染液中的染料量以及沉积在纤维表面的染料量大大减少, 分散染料更多以单分子状态的染料进入纤维内部, 因此, 与常规分散染料相比表现出对纤维较大的亲和力。
常规的分散染料染色, 由于助剂存在, 染料与助剂之间的相互作用放出的热量较微胶囊化的分散染料在水中溶解并穿过囊壁放出的热量要大, 故染色时染色热的绝对值变大。同时, 分散染料微胶囊染色时, 微胶囊中为释放出的染料本身具有一定的有序度, 上染纤维后, 有序度增加相对较小, 故染色熵减小较少, 表现出较常规分散染料染色更小的染色熵绝对值。
5 结语
分散染料微胶囊染色作为新兴的染色技术, 正逐渐向人们展现出其优势所在。其染色过程无需助剂, 染色完成后不需要水洗工序, 且可以实现水的循环利用, 在节水、节能方面具有巨大优势, 同时由于未添加助剂, 染色后残液的色度以及COD和BOD值都低于常规的分散染料, 达到了GB 4287-1992《纺织染整工业水污染物排放标准》的一级标准, 可直接排放, 减少了废水处理环节, 降低了生产成本, 创造了很大的经济效益和社会效益, 是未来染整行业清洁生产的发展方向。
摘要：分散染料微胶囊以高分子树脂为壁材, 分散染料为芯材, 颗粒均匀、结构坚固, 具有一定机械强度与耐热稳定性, 并具隔离和缓释性能。分散染料微胶囊染色技术采用常规染色设备, 不需要染色助剂, 染色后不需要水洗, 节水、节能和节约助剂, 实现无污染染色, 是一种节能环保清洁生产新技术, 适用于合成纤维的机织、针织物和纱线的染色。
关键词：分散染料,微胶囊,染色
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公跨铁桥梁分散防护施工技术 篇4
一、工程简介
大庆至广州高速公路 (黄石至通山段) 跨武九铁路高架桥位于湖北省黄石市, 在武九线铁路下行线K105+263里程处上跨铁路。该处铁路为电气化线路区间双线, 直线地段, 路堑高9.0米。跨铁路桥梁施工墩号范围为0#-、3#, 该段梁型采用30m+50m+30m后张法预应力先简支转连续T型混凝土梁, 第2孔中跨50m部分跨越武九铁路。混凝土T梁设计单幅单孔6片梁, 公路中心线与武九线斜交52度角, T梁底至轨顶距离为17.2m, 距接触网距离为10.75m, 距回流线距离8.8m。T梁混凝土标号C50, 梁高2.58m, 腹板厚22cm, 腹板间距2.2m, 预制长度49m, 连续墩合拢段现浇长度1m。梁顶板宽中梁1.6m内、边梁1.9m, 中梁间留60cm湿接头, T梁设9道横隔板。桥面两侧设置1.8m高防护网。
二、整体式棚架防护方案
本工程设计单位方案是整体式棚架防护, 设计原则是对既有铁路采用全封闭式包裹, 可达到对公路桥梁下方营业线铁路防护的目的, 棚架采用钢桁架拼装, 单孔跨越铁路两股道, 跨度为18.5m, 棚架长度40m:整体式棚架的优点是能一次性解决施工过程中的所有防护问题, 架梁之前搭设, 桥梁完工后拆除, 缺点是棚架安装、拆除过程周期长、安全风险高、造价较高。
三、分散防护施工方案
前述《铁路营业线施工安全管理补充办法》文件要求, 架梁施工应设置防护设施并经铁路局业务主管部门审批。考虑到整体式棚架造价高、工期长、施工安全风险高, 施工时依据现场情况, 提出了一套全新的分散防护方案, 经过评审后实施, 同样达到防护的效果, 且造价低、工期短、施工安全风险低。
分散防护设施方案的设计原则不同于整体式棚架的对铁路营业线的包裹式防护, 而是对具体的施工部位进行防护, 即对具体的施工工序、部位进行专项的防护设计, 每个专项设计仅满足工序、部位施工防护要求即可。按照铁路部门相关要求, 对桥梁湿接缝施工、横隔板施工、防撞墙施工等可能产生坠物、掉渣、滴水等影响既有营业线铁路通行及铁路设备、设施正常运行的施工过程, 必须采取防护措施。下面就这三个部位施工具体叙述分散式防护方案的具体做法。
(一) 施工前的防护措施
施工前, 对既有供电设备回流线、承力索做绝缘处理, 将已经架设好的梁体周围设置施工围栏, 梁头两侧设加锁铁门, 设专人看守防止非施工人员进入, 将施工范围内桥面的杂物清理干净, 防止非施工过程中产生的杂物掉落;施工期间, 桥面的一切机具和施工人员做好防落措施。
(二) 横隔板施工
为了保证横隔板施工安全, 横隔板施工在要点和行车间隙时间进行。施工横隔板时在横隔板两侧位置的湿接缝之间设置安装吊篮作为防护平台, 便于焊接施工操作。吊篮两道 (每道双根) Φ25钢筋作为底肋, 采用1.5cm厚的木板和钢筋桁架拼装, 螺栓固定, 采用4根Φ20麻绳作为吊绳。吊篮采用两部分向横隔板中心合拢, 合拢处搭设模板, 下层悬挂防护板时吊篮略低于横隔板, 吊绳悬挂于梁顶面, 由吊篮边缘的防坠物方木与梁底顶紧密贴合, 施工时应保证横隔板施工时作业人员及其携带物件、横隔板焊接连接件、吊篮等的连接可靠, 防止人员坠落和物件坠落。
横隔板吊篮拆除均在要点时间内进行, 利用施工湿接缝的空隙将吊篮偏移至一侧后缓慢提升至梁顶后拆除吊篮。
(三) 湿接缝施工
湿接缝施工分三个步骤完成:一是在湿接缝处安装模板;二是在模板上进行钢筋绑扎和混凝土浇注;三是拆除模板。整个施工过程均需在要点时间内完成。根据湿接缝施工区域特点分为可垂直落模区域和不可垂直落模区域 (包括施工铁路线、接触网线和回流线上3m宽范围内) 两类。施工顺序遵循为不可垂直落模区域先施工的原则。对于可垂直落模区域采用常规吊模施工, 而对于不可垂直落模区, 则需在要点时间内或停车间隙进行, 并做好防坠措施, 具体细化施工步骤如下。
1. 安装模板
由于模板湿接缝全部封闭, 设计的模板确保了足够的安全系数, 且利用泡沫填充剂进行堵塞, 在进行钢筋绑扎和混凝土浇注过程中不可能造成落物, 在此基础上, 在接触网线上方施工湿接缝时, 在梁与梁的空腔之间设置吊挂防护板, 与梁体腹板顶紧, 采用吊杆固定于梁体顶面, 确保了该施工过程中列车的运行和接触网是安全的。湿接缝模板安装时, 先安装铁路上方可能影响列车运行的区域, 利用行车间隙要点施工铁路上方T梁湿接缝模板安装步骤如下:1) 在铁路接触网外不影响接触网位置, 将已安装拉杆的模板从湿接缝缝隙中落下。2) 将湿接缝模板拉杆移动至安装位置。3) 紧固拉杆, 拉杆顶用钢丝绑扎作为吊绳。4) 重复以上步骤。
2. 钢筋绑扎和混凝土浇注
模板每块长1.5m, 湿接缝模板间的缝隙采用专用的堵缝泡沫喷涂堵塞, 在行车间隙内浇筑混凝土, 采用塌落度小的混凝土进行浇注, 混凝土浇注完毕后, 喷涂混凝土养生剂养生。确保施工过程中无养生用水泄流。
3. 拆除模板
待湿接缝到达可以拆模的强度时, 在要点时间内, 将拉杆缓缓放下, 待下落高度到达1m时, 采用2m长的挂钩将模板钩住向空腔一侧移动后, 到达安全位置时将模板从湿接缝位置取出。
(四) 防撞墙施工
采用我单位专利技术 (ZL201220071219.7) “桥梁混凝土防撞护栏多功能作业车”进行施工, 如下图:
图中:1—车架, 2—走行系统, 3—工作平台一, 4—工作平台二, 5—工作平台三, 6—工作平台四, 7—可拆卸的混凝土料斗, 8—导管 (或溜槽) , 9—配重, 10—扶梯, 11—吊钩, 12—爬梯, 13—防护网 (或防护板) , 14—拼装式节点, 15—混凝土防撞护栏, 16—落水管, 17—外挂灯具, 18—桥面 (桥梁内侧) , 19—护栏外饰面 (桥梁外侧) 。
1. 防撞墙钢筋安装
将作业车现场组装, 此时可不组装混凝土料斗7和导管 (或溜槽) 8, 利用工作平台二4和工作平台四6两个在护栏内外两侧的一对平台, 可同时进行内外侧钢筋绑扎、定位、焊接等过程, 预制好的钢筋可放在作业车工作平台四6上, 可连续向前作业, 人员可通过扶梯10、工作平台三5进入工作平台二4, 能确保作业人员安全。
2. 进行内外模板安装、拆除
模板利用吊钩11作吊点, 将模板吊起, 安装在设计位置, 外侧工作平台二4和内侧工作平台四6上可同时上人作业, 进行调整模板、安装对拉螺栓等作业。模板拆除作业可用相同方法完成。
3. 混凝土浇筑
将混凝土料斗7和导管 (或溜槽) 8组装, 利用桥面装载机向料斗7装料, 混凝土通过导管 (或溜槽) 8直接灌注入模板内, 人员通过扶梯10登上作业平台三5, 可在作业平台三5上进行振捣作业, 人员作业时可将安全带扣挂在吊钩11上。
4. 其他零星工作
混凝土防撞护栏外侧表面修补、安装落水管系统, 安装外挂灯饰时, 人员可通过扶梯10、爬梯12进入作业平台一3、作业平台二4, 在外侧防护网 (板) 13保护下, 人员可安全作业。
四、结语