扩散边界层中的扩散过程控制方法

以水为介质的染色过程，染料通过染液转移到纤维界面要经历染料在染液本体中的转移和染料在扩散边界层中的转移两个阶段，由于染液本体与纤维界面间的染料浓度差导致染料向纤维界面的转移很快，在扩散边界层中的转移相对慢些，动力学原理认为决定速率的是整个过程中最慢的环节，因此本节探讨扩散边界层中扩散过程的控制。

染色时，纤维界面的边界层有动力边界层和扩散边界层，动力边界层是染液流动速度降低层，扩散边界层是染料分子靠自身扩散转移到纤维界面。一般将流速为本体溶液流速99%处至纤维界面（液固界面）液层称为动力边界层，显然它是以流速变化为界线的，动力边界层厚度计算式如下：

式中：δh为动力边界层厚度；ν为流体动力黏度，ν=η/ρ，其中η为流体牛顿黏度，ρ为流体密度；V0为流体流速；L为流体在固体（纤维）界面流经的距离。

这仅是近似关系式，可以看出：动力边界层厚度与流体流速成反比，流速越快，厚度越薄；与流体动力黏度及流经距离成正比，黏度越大，边界层越厚，动力边界层越厚，流经距离就越长。

扩散边界层的厚度定义为，染料浓度为本体溶液的99%处至纤维界面的厚度。可以认为，从浓度为本体溶液的99%处起，染料浓度不断降低，直至纤维界面为零，浓度梯度使染料分子保持一定的扩散速率。扩散边界层厚度有以下近似关系：

式中：δd为扩散边界层厚度；Ds为染料在染液中的扩散系数。(www.xing528.com)

可见扩散边界层厚度与动力边界层厚度一样，与染液的流速成反比，与流体动力黏度和流经距离成正比，还与染料在染液中扩散系数成正比。染料的扩散与染料分子结构有直接关系，一般染料分子结构小，扩散系数大，但染料对纤维的亲和力低，导致扩散边界层相对较大；反之，染料分子结构较大，对纤维亲和力高，扩散边界层相对较小。扩散边界层厚度远小于动力边界层，两者厚度之比为1:10。

染色过程中，染液和被染物之间必须有相对运动，可以是染液动，被染物不动，或者染液不动，被染物动，或是染液和被染物同时运动。以染液动，被染物不动为例（如纱线染色），当染液流速提高，动力边界层变薄，扩散边界层也变薄，染料靠自身扩散到达纤维界面的距离缩短，上染速率加快。染料在染液中的扩散系数变化不大，所以决定上染速率的主要因素是染液的流动速率。染液和被染物同时运动的加工方式（如溢流染色），目的是提高两者的相对运动，从而提高染液对被染物的相对流动速率，最终达到提高上染速率的目的。

染料的分子结构和染液浓度会影响染液的黏度。分子结构越大，扩散系数越小，扩散边界层就越薄；染液浓度越高，黏度越大，扩散边界层就越厚。在实际应用中，对于某种颜色，可选的染料结构大小基本确定，但染色深度不同，染液浓度有所不同，染浅色所需时间短些，这与纤维界面的扩散边界层有一定关系。

染料浓度高，浓度差大，扩散加快，染料用量确定时，浴比越大，染料浓度越小，浓度差小，扩散慢。