織物染整工程上高頻加熱的應用 @ fongyo

織物染整工程上高頻加熱的應用

本文主要是以高頻加熱（Radio Frenquency）與微波加熱（Microwave Heating）之原理，用其於織物乾燥、染色與整理工程的應用加以敘述。

前言

傳統式的織物乾燥加熱法，為利用對流、傳導、輻射作用，將外源的熱量轉換至物質上。諸如此類的加熱法之代表有：熱風烘箱、接觸式乾燥機、及紅外線加熱器，其大都是使被加熱物質表面較內部熱，而形成高溫焙烘，及造成染色物質上的染料移行。此外，織物纖維中若含有大量熱傳導性較差之異成份時，極易造成加熱緩慢及加熱不均。

由於介電加熱（Dielectric Heating）具有使織物由內至外均勻產生熱量的能力，故可解決許多有關傳統式熱轉換方面的問題。重要的是，介電能量的加熱效應為利用高壓交流電，使絕緣（介電）物質的分子雙極子（Molecular Dipole）發生迅速的振盪(圖1)。這些雙極分子隨著交流電正負交互不斷重新排列，使介電物質之間因快速摩擦生成熱量。

介電加熱原理

介電加熱原理在其它的文獻中亦會討論過，此處僅作簡略的介紹。

介電加熱所生成的能量，可以下式表示：

P=2πfE²ε₀ε_γtanδ

式中：P=功率密度（Watts m^-3）

f=外加頻率（Hertz）

E=穿過物質的電壓梯度

（Voltage Gradient）

(Volts m^-1)

ε₀=自由空間的介電係數（為常數）

ε_γ=物質之介電常數

tanδ=物質的耗散因數（Dissipation）或損失正切角

因此所產生的熱量、與外加能量的大小、及物質的電子性質“損失因數”、ε_γ、有關，此ε_γ為損失正切角與介電常數之積（即ε_γtanδ）。由此特性反應出：以介電能量加熱特殊物質是相當地容易。損失因數（Loss Factor）隨物質之不同而不同，將其列示於下。

物質 損失因數

棉210kg m^-3,7%恢復率 0.03⁺

羊毛6.8kg m^-3,20%恢復率 0.01⁺

純水25°C 0.36^*

0.1M NaCl溶液 100^*

+ at 10 MHz

* at 27MHz

各種紡織纖維的介電性質可於文獻中獲得。一般而言，水的損失因數相當高，而紡織纖維則為低損失因數，故會隨著水份含量而增加。因此，當潤濕的原料暴露於介電能量中，水分子首先吸收射頻能量，使得水溫升高至其沸點，於是水分蒸發。而紡織原料的介電常數較低，吸收了非常少的介電能量，但仍是藉水份熱量轉移，也會使紡織原料逐漸變熱。功率吸收速度及加熱速率在乾燥期間會隨著紡織原料的水份含量降低而減少，因此物質本身各處的水含量一致，不會發生過度乾燥的現象。

介電加熱亦包含了高頻加熱（RF）與微波加熱的技術。這兩種加熱技術雖然相同，其最大的區別為所使用的頻率不同（低於100MHz為RF，高於100MHz則為微波技術），一般RF為13.56及27.12MHz，896及2450MHz為微波加熱，同時在轉換商用電源至所須操作頻率的發生器（Generator）,與傳送能量至使用點的Applicator(執行器)之設計上，亦有所不同。

使用所有的微波與高頻加熱設備，必須遵守國家及國際的安全標準。

以下敘述應用於紡織工業的介電加熱技術，較傳統式加熱方法所具備的優點：

（1） 均勻加熱

（2） 正確地且可重複的溫度控制

（3） 確實不會發生過度加熱現象。

（4） 高品質產品的再現。

（5） 非常快速的加熱及乾燥速率。

（6） 較大的處理速率。

（7） 較短的處理時間。

（8） 可節省成本。

（9） 可瞬間啟動。

（10） 操作容易。

（11） 能源浪費少。

（12） 能改善空間的利用。

微波加熱

通常是利用磁控管（Magnetron）來產生微波功率，其轉換的效率約為70~80%。869MHz之磁控管，一般輸出的最大功率約為25kw，而2450MHz的發生器則僅有5kw之功率輸出。微波Applicator最基本的型式有兩種，其中圖2為多模式烘箱（Multimode Oven）(就如同廚房中微波爐一樣)，可適於加熱大量的物體。烘箱外側產生的微波直接進入至烘箱槽內，再以轉動式的偏轉器（Deflector）分散，遇金屬壁時僅覆跳回穿透至物體內。Applicator的第二種型式為蛇管（Perpentine）或彎管（Meander）單元（圖3）。可應用於工程中的薄板原料方面。產生器產生的微波沿著增長的波導（Waveguide）彎管，物質由波導的縫隙（Slot）缺口通過使之加熱。

一般而言，由於設計及成本等因素，使得散波加熱在紡織工業上的用途較RF為少。然而，應用微波能量於織物及地毯乾燥，已漸受重視。同時，該技術亦可運用在織物漂白、清洗、及殺菌工程。目前，微波加熱在織物整理加工方面，已有數篇專利發表，且正在研究中。

若有關染色方面，可利用微波能量，使各種型式的染料在各織物上快速地固著，批式及連續式染色已有數篇專利發表，同時也發現微波加熱可應用于織物印花上。

高頻加熱

利用高功率的三極真空管（Triode），使電路振盪而生成RF功能（圖4）。然後將生成的能量輸入至系統的精髓——Applicator，由電子零件組成的電極加熱系統並加上介電物質，調整接合在發生器上的偶合電路。因此，被加熱的物質也是構成電路的一個成份，如此方可使物質在Applicator內時功率由發生器順利輸出加熱。

一般電極的結構有三種型式。其中最簡單的型式為Through加熱系統（圖5），由兩片金屬平板組成，中間放入加熱的物質（通常很厚）。而Stray Field電極系統中的電極，則為條狀或棒狀，置於相同物質所構成的平面上，也因此水準式RF埸的產生，使其廣泛應用于薄物質的工程（圖6）。在Staggered Throughfield電極系統中，條狀或棒狀的電極則位於加熱物質的上方或下方，可應用於較厚物質的工程（圖7）。

一般而言，RF使用的能量，27.12MHz較13.56MHz為佳。由式1可明顯得知在物質內為產生已知量的熱量，若利用13.56MHz時須相當高的電壓梯度方可達成。如此高的電壓將會增加電壓崩潰（Electrical Breakdown）的危險性，甚至損害加熱物質。

約在40年以前，就認為RF加熱在紡織工業上，具有相當的價值。由於交流電阻式加熱的成本大大提高，使得該技術在近來的經濟地位才得以提升。除了電力的成本較高，及轉換成有效加熱的功率較低（50%）外，RF加熱仍具有相當多的優點，增加了在紡織工業上的應用，尤其是在英國UK方面。

目前已知至少有8家歐洲公司生產製造紡織業的RF設備；RF單元可利用的輸出功率為25~150kw之間。

RF加熱技術已應用在筒紗、絞紗、散織、毛條及袖籠紗（Muffs）的批式乾燥工程。典型的乾燥系統為利用輸送帶運送物質，使經過RF加熱區。早期的脫水工程大都為離心或真空乾燥法，且已全盤瞭解該乾燥法的技術與經濟效力，即使是不太需要脫水工程的筒紗乾燥，也已開發了該項技術。RF加熱亦可應用於成衣或圓筒狀織物的乾燥工程。最近研究出空氣漂浮（Air-float, ARFA）乾燥機採用高頻加熱，應用在地毯絞紗工程，RF加熱亦可使用於漂白及整理加工工程。

至於染色固著工程RF加熱的利用性較少。其中包含了常壓及高壓條件下，批式與連續式轉移印花的染料移轉與固著，羊毛的半連續式染色系統及散織原料（有天然及合成織維）之各種染料的連續式固著等方面。

RF加熱應用在平幅織物方面較少，問題主要出在織物導布所須使用的傳統式金屬拉幅器（Stenter）上。無論如何，染料的固著在平幅棉布及聚酯/棉混紡布上已成功地達成。

結論

微波及高頻加熱，在紡織工業上的優點甚多，有降低操作成本、高生產率、及高品質產品等優點。

參考資料

ARFA加熱系統是目前為止公認最佳的乾燥技術工藝，全名譯為射頻輔助熱風加熱系統，其工作原理如下：

我們知道在乾燥工程上去除1kg水份所需要之能量為：（1）顯熱部分由20°C升溫至100°C約需80Kcal熱量。（2）潛熱部份為每蒸發1kg水份需要540Kcal熱量，由以上概算每蒸發1kg水份總需熱量為80Kcal+540Kcal=640Kcal，然後我們再將能源重新分配由RF射頻來擔任溫升所需的顯熱部份，而不負擔蒸發所需的熱量，當被加熱物品溫升達至100°C時，則利用便宜的大量熱風來迅速表面蒸發水份擔任蒸發所需潛熱部份。如此射頻RF不斷供給能量，不斷的將水份移出，讓熱風在外部不斷的蒸發……