第三節 氣流染色的理論依據
氣流染色仍屬于織物的浸染過程，即染料對纖維的染色經歷吸附、擴散和固著三個基本過程。所以適于浸染的一些基礎理論也適于氣流染色。與傳統溢噴染色相比，氣流染色的工藝條件發生了變化，如浴比、織物與染液的交換狀態以及溫度和濃度分布等，使氣流染色與溢噴染色具有不同的上染狀態，其中影響最大的是染液的循環狀態和交換狀態。為此，本節根據染液循環論和領域交換率對氣流染色進行分析和討論，旨在為氣流染色工藝設計和參數控制提供幫助。
一、氣流染色的染液循環——循環論
與傳統溢噴染色所不同的是，在氣流染色過程中，染液循環僅僅是提供染料對織物纖維的上染條件，在噴嘴中完成與織物的接觸交換，而不牽引織物循環。根據J.卡本奈爾（J.Carbonell.Ect）循環論，可通過染液平均每個循環周期中，染料對織物的上染量(經驗值)來分析氣流染色的勻染能力，并由此來合理地確定勻染的工藝條件。達到勻染的最短時間可用以下表達式：
式中：F——最短染色時間，min；
E——完成上染過程所需的循環次數，次；
A——流量，L／min；
B——浴比，L/kg（可視為循環一次的全部染液量，即L/次）；
C——染浴及織物每分鐘平均循環次數，次數/min；
D——平均每次循環的上染率，%/次。
A、B可根據染色機具體情況自由設定，D表示染色機的勻染能力，為經驗值，可取5%～10%/次。在實際應用中，將式2-1、式2-2中的流量和浴比進行調整（即提高流量或降低浴比）也可達到勻染效果。
對于分散染料染滌綸，采用控制升溫方式來進行上染速度控制時，假設染料在1℃／min升溫時的上染速率為V（%/min），則用升溫速率T進行染色時的平均每分鐘的上染量為V×T，而平均每次循環的上染量為
，也就是平均每次循環的上染率，即：
利用式2-4調整C，使氣流染色機的D值控制在5%～10%/次，即可獲得良好的勻染效果。由式2-4得知，對于氣流染色的織物循環，可通過織物布環長度和織物線速度求出每分鐘循環次數，即：
于是，勻染的升溫速度、上染速率及織物循環之間的關系可用下式表示：
式中：N——平均每管織物布環長度,m（可視為織物循環一次的長度，即m/次）；
M——織物線速度,m/min。
通常，染色速率V都視為固定值，而實際中上染速率曲線的速度卻隨著時間而變化。因此，V并非一個固定值，應該對上染速率進行數值化。最簡單的數值化方法就是測定上染速率曲線的最大傾斜度，作為最大上染速度(Vmax)使用。由于實際的上染速率小于用此方法測定的最大上染速率，所以存在由合理染色條件分離的問題，不能采用。作為上染速率曲線指數的實際表示方法，一般使用上染速率指數(Vsig)和平均上染速率(Vs)。
1．上染速率指數(Vsig) 它表示纖維上染料濃度的微量變化，單位為%/min，可用以下公式計算：
式中：C——纖維上的染料濃度,
dC——纖維上的染料濃度的微分變化；
Vt——t時的瞬間上染速度，Vt＝dC/dt。
在實際應用中，可按圖2-4采用下面公式計算上染速率指數：
式中：CR——纖維上的染料濃度百分率，上染結束時纖維上的染料濃度CR=100%；
ΔCR——吸收曲線上一部分直線部分的纖維上的染料濃度百分率。
圖2-4 上染速率指數(Vsig)的計算方法
2．平均上染速率(Vs) 分散染料的升溫型上染速率曲線的微積分曲線(上染速率的變化曲線)是利用圖2-5所示的次數分布曲線，采用方差分析法算出平均值m和標準偏差s。微分曲線大體呈正態分布，在m±s范圍，染料的上染率可達到68.3%。因而，平均上染速率可取Vs＝68.3/2s(%/min)。
圖2-5 平均上染速率(Vs)
對于分散染料染滌綸，若以1℃/min的升溫條件下測定的平均上染速率為基礎，通過下面算式可算出對應升溫條件下的上染速率，即：
式中：T——升溫速率，℃／min；
Vs(1)——1℃/min升溫條件下的平均上染速率。
3．平均上染速率與升溫條件 實際染色過程中，在固定的升溫條件下，并不存在直線型上染的理想狀態。不過，即使上染速率曲線不同，只要標準偏差相同，即可獲得相同的平均上染速率(Vs)，可用標準偏差的直線來替代上染速率曲線。
因此，式2-6中的V可用Vs(平均上染速率)或Vsig(上染速率指數)替代，即：
上式將平均上染速率與升溫條件聯系起來，為升溫控制的設置提供了方便。
以上是制定氣流染色工藝中，升溫速率、織物循環速度的理論依據。在具體應用中，再結合織物品種、染料性能以及設備功能進行酌情調整，就可獲得織物氣流染色的最佳勻染效果。
二、氣流染色的染液交換——領域交換論
應用領域交換論可以分析氣流染色過程中的染液交換情況，尋找控制勻染的規律和方法。領域交換論中提出了有效領域比（R）和領域交換率（K）兩個概念，其表達式如下：
式中：P——有效領域，L（即被染物所占據的染液區域）；
Q——總液量，L；
A——流量，L/min；
B——浴比，L/kg（可視為染液循環一次的全部染液量，即L/次）；
C——平均每分鐘的循環次數，次/min。
根據領域交換論，染色裝置的勻染能力與染色裝置的有效領域比率有關。勻染D值的極限值(Dcrit)可用以下算式計算：
式中：Dcrit——平均每一循環的臨界上染量(勻染D值的最大值，D小于Dcrit時可獲得勻染）%/次；
k——染色機的勻染能力系數，主要隨染色機內的勻染度(如溫度分布、流量分布和織物的循環狀態等)而變化。
對于氣流染色，可用織物循環次數來代替染液循環次數，即：
式中：C′——布的循環次數，次/min；
M——布速，m／min；
N——布環長度，m。
因此，式2-10可變換成：
因式中的k值受染色機種類的制約，可取k=0.143，故式2-15可表示為：
根據領域交換論控制勻染的相關參數和相互之間的關系，對氣流染色過程中的勻染條件進行分析，可為確定或設計合理的勻染工藝條件提供依據。下面從領域交換論的觀點，對氣流染色的領域交換情況作一簡單介紹。
1．浸染的勻染性 氣流染色仍屬于浸染的范疇。要獲得良好的勻染效果，必須控制好兩個過程：首先，在吸盡階段應使纖維表面的染料呈階段性增加，并保持均等分配；其次，使吸附的染料均勻地向纖維內部擴散。要想在短時間內獲得勻染效果，就必須通過有效控制這兩個過程來實現短時間內染料在纖維內部的均等分配。其中吸盡階段保證染料在纖維表面得到均等分配，對有效勻染控制起著重要的作用。因此，在染色過程中，必須采用與纖維對染料吸附速度相對應的速度(上染速度)，向纖維各部分均勻地提供染料。染色速度快時，最終吸盡也快，則染色時間縮短。不過，染色速度超過染料供給速度時，就會造成分配不均，產生上染不均勻現象。假如可快速提供染料，則可加快染色速度。染料供給是指，染浴中與被染物接觸的染液中的染料。它隨著染料向纖維內部的轉移而不斷減少，需通過總體染液中的染料及時補充。由于染色速度取決于染浴的工藝條件(如溫度、pH值、電解質及助劑等)，所以可通過調整工藝條件來控制。此外，染料供給可通過染浴的循環狀態、流量大小以及織物的循環速度等進行有效控制。因此，通過控制染色速度和染料供給，可保持一個最佳平衡來達到良好的勻染效果。
2．被染物所占的染浴領域 為了說明染浴領域的概念，這里對兩種情況進行分析：
首先，假設染色用的染浴處于靜止狀態，被染物均勻分布于染浴中，染浴中的染料呈均等分配狀態，并且染浴中的染料擴散不受任何阻礙，可自由進行。那么，即使被染物和染料同時處于靜止狀態，被染物對染料吸附速度(上染速度)也與受染料熱擴散左右染浴的染料濃度保持均一平衡。由于染料在染浴中分配均勻，所以被染物可達到均勻的染色效果。對于這種情況，染浴在靜止狀態時存在單一纖維集合體均勻染色的密度，稱為臨界密度；而將此時與臨界密度相對應的染浴容積稱之為染浴的絕對領域。
其次，假如被染物在染浴中的分布狀態有變化，并視為有密度的被染物的集合體，在染浴中呈不均勻分布狀態(假設此時的染浴條件及染料的熱擴散速度與被染物在染浴中完全均勻分布時相同)。當被染物集合體的密度超過規定值時，那么與被染物結合體不同部分所接觸到的染浴中的染料就會產生濃度差異，而且染料吸附量也不等。簡而言之，將被染物所占染浴的范圍稱作被染物的所占領域，將被染物所占的染浴領域的最小值稱作被染物的最小領域。以靜態為基礎的考慮方法認為，在采用使染浴循環或使被染物移動的染色方法染色時，有利于勻染的絕對領域是隨著被染物中的染液流動的增大而減小。
3．有效領域與勻染性 在染浴中，實際對染色有效的部分在被染物移動的場合，由于最小領域的位置發生變動，所以在被染物移動增大的同時，就將全體被染物的平均值視為領域。此時的被染物所占的染浴領域稱為有效領域。筒子紗、經軸染色只有染液移動，不存在被染物的最小領域的移動，故也不存在有效領域的擴大，被染物的有效領域與紗線或織物的最小領域相同或者變小。當紗線或織物被過度壓縮時，紗線或織物的最小領域縮小，染液得不到充分滲透，就會引起染色不勻現象(在實際染色時，為了避免這種現象的產生，可采取提高染色溫度或使用勻染劑提高擴散速度等對策來解決)。對于溢流或溢噴染色機，以及氣流染色機來說，因被染物是處于相對運動的，有效領域是根據機械條件的設定而變動的。在被染物的領域足夠時，就可實現染液的交換。如果在被染物的領域內設定可有效進行機械性染液交換的條件，即可獲得勻染效果。此外，如果隨著被染物的領域的增加，動態染色的絕對領域會趨于靜態，那么，利用被染物的空隙使染液強制性通過的依賴性就會減小，僅依靠平穩的循環或運行染料也能得到均勻分配。
4．保持平均分配的染浴領域交換率 介紹被染物的有效領域、染浴及被染物移動的概念，目的是為了引出保持染料平均分配的領域交換率的觀點。領域交換率指的是，在有效領域內的染液循環或被染物循環時，由新鮮染液交換所產生的染料供給效率。可用下式表示：
領域交換率=有效領域×循環次數(次／min) （2-17）
5．氣流染色機的領域交換率 對于液相系染色(織物完全浸沒在液面下染色)的勻染，根據被染物的種類、狀態、染色機內的機械性填充方法的差異等，染浴中由被染物的展開或懸浮游動引起的平均化或擴大化的程度會產生差異。其有效領域的變動因素，隨著浴比的降低而減小，并且有效領域的絕對值也變小。盡管如此，如果調整被染物的循環次數，控制領域交換率，也可獲得勻染效果。
對于氣相系染色(織物在露出液面的狀態下染色)，必須將氣相部的被染物所浸漬的染液作為有效領域。通常，機織物和針織物的帶液量在常溫下為100%～300%，如果考慮到在高溫染色條件下的染液黏度降低的因素，浸漬量可視為100%～200%，即有效領域視為被染物重量的1～2倍。
氣流染色機染色時被染物與染液接觸主要是在氣流噴嘴中進行，而離開噴嘴和導布管后，只有被染物所浸漬的染液中的染料參與對纖維的上染，并且只有在下一個循環中通過噴嘴時再次交換時，才能夠獲得所需的新鮮染液。這種染液與織物的交換過程，無法擴大有效領域。只有利用循環泵對染液進行強制循環，在噴嘴中產生噴射染液，才能夠使被染物在噴嘴中與染液進行瞬間交換時達到足夠的領域交換率。此時的交換率可表示為：
氣流染色領域交換率=有效領域比×織物的循環次數(次/min)
按照這種方式，現將溢噴染色機和氣流染色機染色的領域交換率計算結果做一對比。見表2-1。
表2-1 氣流染色機和溢噴染色機領域交換率計算對比
續表
由表2-1計算結果得知，織物半處于空氣中的溢噴染色機的領域交換率最高，有利于勻染。而織物全處于空氣中的氣流染色機的領域交換率較低，從領域交換率的角度來考慮，勻染效果較差。然而，事實上氣流染色機卻能夠獲得較好的染色效果，其原因是氣流染色的分析不僅僅只看領域交換率，還應該結合其他觀點來加以分析。其中最重要的是浴比與被染織物所含帶的染液中的染料濃度有關，對勻染產生了較大影響。
三、浴比與氣流染色氣相部的勻染關系
在氣流染色的過程中，織物只有在通過噴嘴時才與染液進行交換，而且一個循環周期完成后再次通過噴嘴之前，只有織物所浸漬染液中的染料參與染色。當織物所含帶染液中的染料量與布環循環一周時上染的染料的量相比較少時，就容易發生上染不勻的現象；當織物所含帶染液中的染料量有充分剩余時，才可獲得勻染效果。因此，相同濃度染色時，浴比越低，染液中的染料濃度就越高，越有利于勻染。滌綸織物用分散染料染色時，織物所帶染液中的染料量與布環每次循環時的上染量可通過與不同浴比的關系來表示，如圖2-6所示。當以1∶15的浴比染色時，因每次循環時的纖維上染量大于織物所含帶染液的染料量，因而容易產生不均勻上染。但是，當采用1∶5的浴比染色時，每次循環時的纖維上染量小于織物所含帶染液的染料量，就容易獲得勻染效果。
圖2-6 浴比與織物所含的染料濃度
工藝條件： karon Blue E—FBL，1.0%（owf）；升溫速率3℃/min；織物循環頻率1次/min；織物帶液量200%。
在氣流染色中，雖然有效領域被限定，但浴比的降低會使有效領域中所含的染料量增加，容易滿足染料供給量大于纖維上染量的條件，所以有助于提高勻染性。