泡沫染色的研究進展

趙亞楠，徐鳳華，朱元昭

(1.河南省紡織服裝協(xié)同創(chuàng)新中心,河南鄭州 450007；2.中原工學院紡織學院，河南鄭州 450007)

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泡沫染色的研究進展

趙亞楠1，2，徐鳳華1,2，朱元昭1,2

(1.河南省紡織服裝協(xié)同創(chuàng)新中心,河南鄭州 450007；2.中原工學院紡織學院，河南鄭州 450007)

泡沫染色是一種節(jié)水節(jié)能效果顯著的環(huán)保染色技術。從研究現(xiàn)狀、泡沫體系、發(fā)泡劑種類、泡沫性能、泡沫染色設備、泡沫染色工藝六方面進行綜述，并展望了泡沫染色的發(fā)展趨勢。

泡沫染色 發(fā)泡方法 發(fā)泡劑 泡沫染色設備

0 前言

進入21世紀以來，石油、水等能源日益缺乏，使得人們的節(jié)能環(huán)保意識大幅提升。在這種背景下，針對印染行業(yè)耗水耗能的現(xiàn)狀，國家提出了節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)保的發(fā)展目標，而泡沫染色技術是以空氣部分代替水，使染液以泡沫的形式上染織物的一種節(jié)能節(jié)水的環(huán)保染色過程[1]，符合了時代發(fā)展需求。

泡沫染色以泡沫為傳遞介質，浴比小，可減少染料、助劑用量和用水量。以棉織物染色加工為例，相比傳統(tǒng)浸軋方式[2]，棉織物帶液率下降40%以上，可降低能耗50%，節(jié)水40%，節(jié)約化學品20%，提高生產效率50%，還能避免泳移、染色不勻。此外，泡沫染色技術可以實現(xiàn)單面染色和雙面差異型染色，可應用于紡織品的多個加工環(huán)節(jié)，還可以用于無紡布、地毯等的加工[3]?？傊?，泡沫染色技術具有顯著的生態(tài)環(huán)保優(yōu)勢，是實踐環(huán)保政策的一大關鍵技術，必將具有十分廣闊的應用前景。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國外泡沫染色的研究現(xiàn)狀

泡沫染色技術起源于二十世紀七八十年代，由于當時能源危機爆發(fā)，使其得到迅速發(fā)展。美國UM&M公司主張，將原有設備(除了發(fā)泡設備外)加以改造，使之適合于泡沫加工的需要，所介紹的輥筒上加刮刀、浮動刮刀等，構造較簡單，成本較低。目前，在歐美不少國家能生產和提供泡沫染整設備。近幾十年，國外研究人員主要研究泡沫的微觀機理和宏觀性能及添加劑對泡沫的影響。

2005年，Cecile Dame等[4]研究了十二烷基硫酸鈉和生物降解性優(yōu)異的烷基糖苷的物理化學性能與凈化用泡沫的穩(wěn)定性的關系。2012年，Lin Zhao等[5]研究了發(fā)泡劑耐溫、耐鹽性能的進展和評估。此研究表明季銨鹽類表面活性劑、十二醇、甜菜堿的復配發(fā)泡劑的發(fā)泡體積和半衰期比甜菜堿單一發(fā)泡劑要好，并研究復配發(fā)泡劑的耐溫、耐鹽性能。2014年，M.Siva等[6]研究了添加劑氫氧化鈉、氯化鈉和碳酸鈉的用量對十二烷基硫酸鈉發(fā)泡液的粘度和泡沫尺寸、泡沫密度的影響。實驗表明，添加劑的加入都會提高反應液的粘度，其中氫氧化鈉用量較少。2015年，Drenckhan Wiebke[7]等研究了干氣泡和濕氣泡的表面活性、不同密度的形態(tài)、空間結構和質量等性能。這為后期泡沫穩(wěn)定性的控制提供了可靠方法和理論依據。

1.2 國內泡沫染色的研究現(xiàn)狀

國內有關泡沫染色技術的研究始于1980年，上海市第一紡織印染工業(yè)公司技研室、上海紡織科學研究院和上海第五印染廠在溫州助劑廠和上海鼎新印染廠的協(xié)作下，設計了YJ—D200-800型和SP型輥筒式泡沫施加器。上海印染機械廠和華東紡織學院設計制造了PZ一160型生產大樣機(包括靜態(tài)發(fā)泡器和狹縫式單面涂敷器)，與熱拉機組成泡沫整理生產線，投入生產。1983年4月，紡織工業(yè)部科技司于上海召開“泡沫整理新技術”鑒定會，對上述兩組設備及整理工藝進行了技術、經濟指標鑒定，天津工業(yè)大學曾經引進了一套泡沫染整小樣機，相關的研究也曾取得過一定的成效。

李大偉等人[8]對泡沫染色進行了研究，開發(fā)絨類織物的泡沫多色染色工藝及產品，并獲得了一定的泡沫多色染色的工藝參數(shù)，同時試制了一套適用于泡沫多色染色工藝用的發(fā)泡和施加聯(lián)合裝置，裝置簡化，工藝簡單，花型新穎，為我國泡沫低給液技術開創(chuàng)了一條新的途徑。李珂等[9]研究了棉機織物活性染料的泡沫染色工藝。盛杰偵[10]通過對非織造布泡沫染色產品研發(fā)，給出了水刺非織造布的泡沫染色工藝，為水刺非織造布的在線染色效果獲得滿意的結果提供了參考價值。王惠中[10]給出了聚酰胺織物的泡沫染色工藝和相關工藝參數(shù)。

2 泡沫體系

泡沫的形成與泡沫液和發(fā)泡設備均有關系，其中能否發(fā)泡主要取決于泡沫液的組成，而發(fā)泡質量則不僅與泡沫液的組成有關，還與發(fā)泡設備有關。

泡沫是由大量氣體分散在少量液體中形成的微泡聚集體，其界面上的表面活性劑親水部分朝向液相，疏水部分朝向氣體內部，這些微泡聚集體以液體薄膜相互隔離，且具有一定的集合形狀，是一種微小多相、粘狀而且不穩(wěn)定的體系。泡沫的形成示意圖如圖1所示。

圖1 泡沫形成示意圖

剛形成的泡沫，氣泡被較厚的液膜隔開，所以是球狀的。但是當泡沫充分排液后，液膜變薄，被薄液膜包圍的各個氣泡為保持壓力的平衡而變形成為多面體。通常，泡沫群里的氣泡是呈多面體結構的。

純水溶劑形成的泡沫，其壽命僅在0.5s以內，只存在片刻。體系中只有加入表面活性劑或是高分子化合物，才能形成較為穩(wěn)定的泡沫。因為表面活性劑的存在不僅使起泡變得容易，且起泡速度超過破泡速度，從而得到穩(wěn)定的泡沫。此外，為了使泡沫具有一定的持久性，溶劑里往往又需要加入穩(wěn)泡劑，以保持泡沫流體的穩(wěn)定性和持久性，從而達到使用的目的。

3 發(fā)泡劑

目前，泡沫染色中常用的發(fā)泡劑有三種類型：離子型表面活性劑、非離子型表面活性劑、兩性型表面活性劑，或單獨使用，或復配后使用。近年來，又開發(fā)了無毒、降解徹底的表面活性劑，如烷基糖苷、蛋白質類發(fā)泡劑，但其泡沫性能、成本高等問題有待研究。

離子型表面活性劑包括陽離子型和陰離子型。陽離子型多為銨鹽類，其泡沫性能較差、成本高，應用較少。應用較多的為陰離子型表面活性劑，主要有十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、聚氧乙烯醚硫酸鹽等，這類表面活性劑發(fā)泡性、穩(wěn)定性、毒性、生物降解性較好，且成本適中，故得到廣泛使用。非離子型表面活性劑包括OP型、Tween型、Span型等，其泡沫穩(wěn)定性良好，但發(fā)泡比小，在一定條件下可作穩(wěn)定劑。兩性型表面活性劑有氨基酸型，咪哇琳型，甜菜堿型，卵磷脂型等，毒性低、生物降解性好，但成本高，因而也很少使用。

4 泡沫性能

4.1 發(fā)泡方法

傳統(tǒng)的發(fā)泡方法有氣流法、攪拌法、傾斜法等，常用的是攪拌法、Ross-Miles法。

(1)氣流法

這種方法又稱改進Bikerman 法，根據美國API的標準，模擬油氣井結構設計的。測量時以一定流速的氣體通過玻璃砂濾板，濾板上面盛有一定量的溶液，氣體通過濾板后在容器(刻度量筒)中形成泡沫。當氣體流速保持恒定并使用同一儀器時，流動平衡時的泡沫高度h可作為起泡性的量度。因為h是在一定氣流下泡沫生成與破壞處于動態(tài)平衡時的泡沫高度，所以此量可以評價泡沫起泡性及穩(wěn)定性兩種性能。

圖2 氣流法測泡沫性能

(2)攪拌法

這種方法是用Waring Blender高速攪拌器測定泡沫性能的一種方法。測定時將起泡劑溶液倒入帶有刻度的透明量杯中，然后給溶液高速攪拌產生泡沫，通過測量泡沫體積來評價泡沫性能。實驗中，葉片轉速必須大于1000r/min，因為轉速太低對泡沫劑性能的評價會有很大影響。此種發(fā)泡法重復性好，操作簡單，應用較多。

1.1000ml透明量杯 2.攪拌葉片 3.連接座 4.電動機外殼 5.開關

圖3 攪拌法測泡沫起泡性

(3)Ross-Miles法

Ross-Miles法又叫羅氏發(fā)泡法，其測試原理是在刻度量筒中事先放置一定量的待測溶液，然后將待測溶液從一定高度以一定的流速流到量筒中，溶液與液面碰撞，混入空氣，產生泡沫，測量得到泡沫體積，以該體積作為發(fā)泡力的量度，以一段時間后的泡沫體積來表示該體系的泡沫穩(wěn)定性。目前這種方法被廣泛采用。

圖4 標準Ross-Miles法結構示意圖

4.2 泡沫性能

泡沫性能包括起泡性、穩(wěn)定性、均勻性。起泡性是指在引入量相等的情況下，泡沫形成的難易程度和生成泡沫量的多少，常用泡沫的高度或泡沫體積膨脹倍數(shù)即發(fā)泡比來表示其起泡能力大小。穩(wěn)定性是指泡沫存在時間的長短，以半衰期來表征，半衰期指一定量的泡沫衰減至質量或體積的一半所用的時間。均勻性指泡沫大小或泡沫膜的均勻程度。若發(fā)泡比越大、半衰期越長、均勻性越好，則其泡沫性能越好，上染織物時，染色越均勻。

泡沫性能的好壞不僅與發(fā)泡劑的種類及濃度、添加劑、染料有關，還與發(fā)泡方法、發(fā)泡設備有關。泡沫染色機中多是用轉子的剪切攪拌作用進行發(fā)泡，其泡沫均勻性好。目前，如何提高泡沫穩(wěn)定性，是學者們正在研究并亟待解決的問題。

5 泡沫染色設備

泡沫染色設備主要包括泡沫發(fā)生器設備、泡沫傳輸系統(tǒng)、施加裝置三部分[12]。

(1)泡沫發(fā)生器

泡沫發(fā)生器對制備均勻的泡沫，起著極其重要的作用。它的形式多樣，但工作原理大致是相同的(如圖5)：將置于加料器中的含有染整助劑和發(fā)泡劑的溶液進行攪拌，同時導入空氣，以產生泡沫。

1-壓縮空氣發(fā)生器 2-壓力表 3-玻璃轉子流量計 4-單向閥 5-預混合器 6-計量泵 7-貯液槽 8-發(fā)泡器 9-冷卻水入口 10-冷卻水出口 11-出泡器

圖5 泡沫發(fā)生器系統(tǒng)簡圖

空氣供給裝置一般具有氣壓調節(jié)器、氣流控制閥、空氣過濾器和空氣反壓儀器。液體供給裝置和盛放工作液的液槽盒由不銹鋼泵組成。

泡沫發(fā)生器大概分為動態(tài)泡沫發(fā)生器(如圖6)和靜態(tài)發(fā)生器(如圖7)。泡沫發(fā)生器一般采用輸液泵變速驅動裝置，拖動正壓排液單元使液體在適當?shù)膲毫ο?，以相當精確的數(shù)量輸入到混合頭。

圖6 動態(tài)泡沫發(fā)生器結構圖

圖7 填料式靜態(tài)發(fā)泡器結構

動態(tài)泡沫發(fā)生器是依靠發(fā)生器中器件的機械作用攪拌、混合、剪切而產生泡沫的。它工藝適應性強，泡沫質量重演性好，發(fā)泡倍率范圍廣，可控性強，但是結構復雜，加工難度高，成本高。

靜態(tài)泡沫發(fā)生器的混合頭由固定不動的剪切件篩網組成，靠壓入發(fā)生器中的氣體和液體遇阻而自動混合成泡沫的。它又分為填料式靜態(tài)發(fā)泡器、多級網式靜態(tài)發(fā)泡器兩種。

(2)泡沫傳輸系統(tǒng)

泡沫輸送系統(tǒng)是指混合頭引出的所有管道。管道要求內層光滑，任何彎曲處曲率要大，管道不宜太短。否則，如果從較高壓力下出來的泡沫，在通過較短的小直徑輸入管時，由于突然降到大氣壓，泡沫結構會遭到嚴重破壞。而且，當輸送最大或接近最大發(fā)泡比的泡沫時，輸送管道必須小心地使其降到常壓。

(3)泡沫施加裝置

泡沫的施加方式基本上可以分為直接法和間接法兩種。

直接法是經合適的裝置(刮刀、壓輥、壓縮空氣、壓輥等)將泡沫直接鋪展在整個布面上。直接法中，織物與泡沫接觸會加速泡沫排液。直接法大致有下列幾種裝置：滾筒上刮刀涂層器、浮動式刮刀涂層器、臥式壓輥涂層器、擠壓涂層器。至于采用哪一種方法，須根據織物的品種及加工要求來決定。對于毛類織物，可采用輥筒上刮刀涂層器(如圖8)。

(a)牽引輥式

(b)真空抽吸式

間接法是指將泡沫刮到輥筒上，并從輥筒轉移到織物上，可做單面或雙面的泡沫施加。這種泡沫施加裝置，能夠一次性在織物的正面和反面分別施加相同或不同顏色的泡沫。它利用兩個對稱的單元裝置，在施加輥上分別將均勻的泡沫膜，由施加輥轉移至織物的單面。利用這一裝置可使織物正面、反面施加不同的染液泡沫，而且可對織物的正反面分別賦予不同的助劑。還有另外一種泡沫的間接施加方式，即把泡沫刮到一根橡膠或涂到網帶上，織物伴隨著橡膠帶或是網帶的運動，在到真空輥筒前很短距離同泡沫相接觸，同時泡沫在真空的作用下膨脹并破裂。圖9是網帶式施加裝置結構圖。

(a)真空抽吸泡沫網帶式施加裝置

(b)泡沫擠壓破裂網帶式施加裝置

6 泡沫染色工藝流程

泡沫染色工藝流程如圖10，先將發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、染料及助劑制成染液，通過泡沫染色機進行發(fā)泡，然后經施加裝置涂覆在織物上，經汽蒸上染織物，再經皂洗、水洗、烘干。

圖10 泡沫染色工藝流程

7 展望

在節(jié)能環(huán)保的時代背景下，研究者們必將致力于重點研發(fā)短流程、少水及無水印染加工新技術，實現(xiàn)清潔生產，提高國家可持續(xù)發(fā)展水平。而泡沫染色技術節(jié)水節(jié)能效果顯著，順應時代發(fā)展潮流，必將成為印染行業(yè)的一大發(fā)展方向。但是，泡沫染色技術仍存在較多問題，如勻染性、染深性、泡沫穩(wěn)定性、泡沫染色設備昂貴等，阻礙了其工業(yè)化發(fā)展。因此研究并解決這些問題具有很大的現(xiàn)實意義，必將成為研究熱點。

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2016-01-11

趙亞楠(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：紡織印染功能整理與染色。

TS190

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1008-5580(2016)04-0189-05