第三节 气液染色及设备结构特征
气液染色技术是笔者经过多年研发，并已成功应用于生产实践的一项科研成果。该技术综合了气流染色和溢喷染色两者各自的优点，不仅染色工艺操作简单，而且具有显著的节水节汽和节电效果。它充分发挥气流和染液各自对染色过程的作用，提高气流的有效利用率，使循环风机的额定功率降低到原来的50%以下。解决了目前气流染色机的功率消耗大的问题，进一步提高了小浴比染色机的综合性能。
一、气液染色的工作原理
气液染色是以循环气流牵引织物循环，组合式染液喷嘴进行染液与被染织物交换，完成染料对织物上染过程的一种新型染色方法。在织物单次循环过程中，织物首先与喷嘴染液进行交换，向织物纤维提供单次循环所需的染料上染量。染液喷嘴采用间断式环形喷射和喷雾式相结合，可对织物产生剧烈的交换。但作用力分散，对织物不产生损伤。织物与染液交换后再经提布辊进入气流喷嘴，受到气流的渗透压作用，进一步提高织物上染液分布的均匀性。织物离开导布管时，在气流自由射流的扩展作用下，消除织物的绳状折痕。在织物单次循环中，染液对织物具有较高的匀染程度，因而完成匀染过程的时间也相应缩短。与目前气流染色机相比，该机气流对染液不产生能量消耗，所以风机功率下降了50%以上，具有显著的节电效果。
二、气液染色的组合形式
气液染色可采用染液雾化染色、染液喷射染色、雾化和喷射组合染色三种形式。
1.染液雾化染色 染色过程中，染液通过雾化喷嘴雾化后与被染织物进行充分和均匀地接触，完成染料对织物纤维的上染过程。从喷雾喷嘴喷出雾化状染液，不受任何干扰直接与织物进行交换。不仅染液颗粒细小，与织物的接触面积大，而且均匀。对比表面积较大的超细纤维，因上染速率较快，为了保证均匀上染，可采用染液雾化染色。
2.染液喷射染色 采用与普通喷射染色相似的喷嘴，可形成一种软喷射的交换形式。其给液量比雾化染液量大，可适于一些吸水性较强、克重相对较大的纤维素纤维的染色。与普通喷射染色所不同的是，被染织物与部分交换后的染液可形成逆流，使得织物在进入喷嘴之前有一个预交换过程，增加了被染织物单次循环与染液交换的概率，进一步提高了织物单次循环的匀染度。对于一般棉针织物可采用染液喷射染色，织物纤维既可获得一定的染液交换量，又可减少过多染液对匀染性的影响。
3.雾化和喷射组合染色 将染液雾化喷嘴与染液喷嘴同时开启，加大染液喷射量。由于染液喷嘴的染液喷射量相对较大且柔和，可对织物形成一个包覆水环，减缓了染液雾化喷射对织物的作用。这种组合对织物纤维表面染液边界层产生一定作用，加快了染料向纤维表面的扩散，提高了匀染程度。由于该种组合染色也存在部分染液的逆流，因而也提高了被染织物单次循环的匀染度。对毛巾类吸水量较大的织物，可采用雾化和喷射组合形式染色，以满足较大的染液交换量。
4.染液喷嘴强力喷射水洗 水洗时，染液雾化喷嘴与染液喷嘴同时开启，可产生较大的喷水量。不仅新鲜水与织物上的废液的浓度梯度大，而且与织物交换后的水有一部分逆流向下，与织物形成逆流之势。这种效果类似于连续式水洗中的逐格逆流洗涤状况，新鲜水与织物交换后，自然流入后面污物较多的织物，进行重复利用。织物所带的水洗液经过提布辊挤压，可分离出污水，并直接排放。
三、气液染色的工艺条件
气液染色机的气、液分离及组合式喷嘴的交换形式，使染色工艺条件发生了相应的变化，对染色过程起到了一些有利作用。在继承气流雾化染色机和普通溢喷染色机部分优点的同时，气液染色的工艺条件还体现出自身的一些新特点，如织物单次循环的匀染度、上染速率、对织物作用力的分解以及小浴比染液循环的稳定性等。具体表现在以下几个方面。
1.染液与织物的交换程度 织物在浸染过程中，染液与织物在喷嘴中的单次交换状态，对染料完成均匀上染所需的交换次数具有很大影响。显然，两者交换的程度越剧烈，越有利于缩短染液与织物的交换次数，即缩短染色过程的时间。气液染色机染液喷嘴的三种组合形式，无论哪种形式，织物与染液在一个交换周期中，都要经历提布辊接触挤压和气流的渗透压作用。这对交换后织物吸附染液的均匀分布，以及减薄织物纤维表面染液边界层（动力边界层和扩散边界层）厚度，加快染料向纤维表面扩散起到了积极作用。
除此之外，一般染料在浸染过程中，界面移染和全过程移染是获得织物均匀上染的主要手段。但对一些色牢度较高的染料来说，往往移染性相对较差，完全依靠界面移染和全过程移染有一定困难。只有通过染液与织物的强烈交换，缩短界面移染和全过程移染时间，才可达到缩短染色过程时间的目的。气液染色具有较强的染液与织物交换能力，在短时间内可获得均匀的染液分布，相对降低了对界面移染和全过程移染的依存性。
2.织物单次循环染料上染量控制 对相同染色深度（或染料浓度）来说，小浴比的染液浓度相对较高，染料对被染织物纤维的上染速率较快。要保证染料的均匀上染，必须控制织物每次循环的染料上染量。与普通溢流或溢喷染色机相比，气液染色机没有牵引织物循环的那一部分染液，喷嘴处的供液量完全可以根据工艺要求进行调节，容易保证浅色织物的均匀上染。
3.对织物循环动程作用力的分解 织物在气液染色的循环过程中，牵引织物循环的作用力实际上由三部分形成，即气流主牵引力、提布辊牵引力以及喷嘴染液喷射的轻微牵引力。对于织物同一循环速度，分段作用力有利于减缓由于针织物的局部张力过大对幅宽的影响。
4.染色工艺时间 由于被染织物与染液的交换程度比较剧烈，织物循环一周的上染率和匀染程度得到提高，所以获得织物整体匀染和染色深度所需的循环次数相对减少，即可缩短染色工艺时间。这样不仅可以提高生产效率，减少能耗，同时还可以减轻因织物运行时间过长而引发的织物表面损伤。对含有弹力纤维（如氨纶）的针织物，可减少对弹力纤维的损伤程度。
5.染液循环泵的抗汽蚀性 气流雾化染色机为了保证染液雾化喷嘴的染液雾化效果，必须采用扬程较高的离心泵。而小浴比的低液位无法满足泵抗汽蚀所需的染液倒灌高度，容易使主循环泵产生汽蚀，造成染液循环不稳定。相比之下，气液染色机的染液喷嘴对循环泵的扬程要求较低，可选用比转数较高的离心泵，因而具有较好的抗汽蚀性，提高了染液循环的稳定性。
四、气液染色机的结构特征
采用气流雾化原理设计的染色机，染液首先是在夹套中经过染液雾化喷嘴进行雾化，然后在气流的作用下，从气流喷嘴环缝隙喷出，与织物进行交换。在这个过程中，无论是气流还是雾化染液，其状态都发生了很大变化。原来经喷嘴雾化的染液与气流相遇，形成气液两相体，需消耗很大的气流能量（为了保证牵引织物循环所需的风量，就需要增大风机功率）。这是气流染色机采用大功率风机的主要原因。除此之外，在高温（98℃）条件下，空气的黏性系数以及水蒸气的影响，也会增加气流的能量消耗，但这种影响相对较小。
为了改变这种工作状况，降低气流的能量消耗，将气流喷嘴与染液喷嘴分别独立设置，以减少雾化染液对气流能量消耗的影响。气流在承担牵引织物循环的同时，对与染液交换后的织物纤维表面边界层产生渗透压作用，可加快染液的扩散速度。染液可根据不同工艺要求，采用不同喷嘴形式，完成染料对织物的上染过程。这种气液染色形式集中体现了气流染色和溢喷染色的优点，同时还拓展出了一些新的染色功能。从设备的结构特征上，主要反映在以下几方面。
1.织物与染液的交换过程 染液喷嘴和气流喷嘴各自承担相应的功能，染液喷嘴在提布辊之前，气流喷嘴在提布辊之后。织物在染液喷嘴中与染液进行交换，然后经提布辊进入气流喷嘴。织物在进入气流喷嘴之前，与多余的染液分离，分离后的染液直接回到主回液管。染液与织物交换后有部分沿织物逆向下流，可对即将进入喷嘴的织物段进行预浸染。当进入喷嘴后再被重新分配。实际上织物经历了四次染液的分配过程，即预浸染、交换、提布辊挤压和气压渗透，进一步提高了匀染性。
2.气流对织物的作用 目前气流染色机的循环染液在气流喷嘴和导布管中与织物进行交换，在一定程度上会削弱气流对织物的扩展作用。而气液染色机的气流对织物是单独作用，减少了自由染液对气流的干扰，使织物离开导布管后，在气流的自由射流作用下向四周扩散的角度更大，可尽快展开绳状织物产生的折痕。此外，气流对交换后的织物还会产生两个作用：一是减薄染液边界层厚度，加快染料向纤维表面的扩散速度；二是对吸附不均匀的织物纤维，通过气流的吹散作用，进行染液重新分配。这为进一步提高织物单次循环的匀染度提供了更加有利的条件。
3.染液喷嘴组合功能 气液染色机采用了一套组合式喷嘴，具有雾化和喷射组合功能，可提高被染织物单次循环的匀染度。该部分由雾化喷嘴和间断式环缝隙喷嘴组成，设置在提布辊前部垂直段。染液与织物交换后直接回到主回液管，织物经提布辊进入气流喷嘴。根据不同的织物品种及染色要求，可选用相应的织物与染液交换形式。织物在染液喷嘴中与染液进行充分交换后的大部分多余染液（即自由染液）直接回到主回液管，有利于染液的快速循环。与普通溢喷染色机所不同的是，气液染色机喷嘴中与织物交换后的染液，总有一部分会沿着织物呈逆向流动。正是这部分逆流染液会在织物进入喷嘴之前，有一个预交换过程，增加了一次织物与染液的交换机会，从而提高了织物单次循环的匀染度。
4.风机功率下降 气液染色机无论采用哪种染液与织物的交换形式，气流都不对染液产生能量消耗，因而只需要消耗原气流染色机风机功率的一半，即可完成织物染色过程所需的风量和风压。在发挥气流染色对匀染的优势同时，解决了目前气流染色机风机耗电量大的问题。
气液染色机染液与被染织物构成了充分的交换条件，并通过喷嘴的不同组合形式，充分发挥出各种染色交换效果，进一步扩大了织物品种适应范围，并且具有较好的工艺重现性。该机型集中体现了气流雾化染色和溢喷染色各自的优势，增加了气流对纤维表面染液分布均匀性，以及对绳状织物的纬向扩展作用，解决了目前罐式溢喷染色机加工紧密度较高的针织物，容易产生折痕的弊病。其液流喷嘴的水流喷射作用，加大了水洗喷射力和水量，并与织物形成逆流水洗、清浊分流，大大提高了水洗浓度梯度和扩散能力。图4-3是笔者为佛山三技精密机械有限公司研发的ASH-plus型高温气液染色机。
图4-3 ASH-plus型高温气液染色机