泡沫染色的研究進(jìn)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(xué)院紡織學(xué)院，河南鄭州 450007)

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泡沫染色的研究進(jìn)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(xué)院紡織學(xué)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(shù)。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(shè)備、泡沫染色工藝六方面進(jìn)行綜述，并展望了泡沫染色的發(fā)展趨勢(shì)。

泡沫染色 發(fā)泡方法 發(fā)泡劑 泡沫染色設(shè)備

0 前言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，石油、水等能源日益缺乏，使得人們的節(jié)能環(huán)保意識(shí)大幅提升。在這種背景下，針對(duì)印染行業(yè)耗水耗能的現(xiàn)狀，國(guó)家提出了節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)保的發(fā)展目標(biāo)，而泡沫染色技術(shù)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(guò)程[1]，符合了時(shí)代發(fā)展需求。

泡沫染色以泡沫為傳遞介質(zhì)，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(xué)品20%，提高生產(chǎn)效率50%，還能避免泳移、染色不勻。此外，泡沫染色技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)單面染色和雙面差異型染色，可應(yīng)用于紡織品的多個(gè)加工環(huán)節(jié)，還可以用于無(wú)紡布、地毯等的加工[3]。總之，泡沫染色技術(shù)具有顯著的生態(tài)環(huán)保優(yōu)勢(shì)，是實(shí)踐環(huán)保政策的一大關(guān)鍵技術(shù)，必將具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外泡沫染色的研究現(xiàn)狀

泡沫染色技術(shù)起源于二十世紀(jì)七八十年代，由于當(dāng)時(shí)能源危機(jī)爆發(fā)，使其得到迅速發(fā)展。美國(guó)UM&M公司主張，將原有設(shè)備(除了發(fā)泡設(shè)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(dòng)刮刀等，構(gòu)造較簡(jiǎn)單，成本較低。目前，在歐美不少國(guó)家能生產(chǎn)和提供泡沫染整設(shè)備。近幾十年，國(guó)外研究人員主要研究泡沫的微觀機(jī)理和宏觀性能及添加劑對(duì)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(xué)性能與凈化用泡沫的穩(wěn)定性的關(guān)系。2012年，Lin Zhao等[5]研究了發(fā)泡劑耐溫、耐鹽性能的進(jìn)展和評(píng)估。此研究表明季銨鹽類表面活性劑、十二醇、甜菜堿的復(fù)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(fù)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(duì)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(shí)驗(yàn)表明，添加劑的加入都會(huì)提高反應(yīng)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(jié)構(gòu)和質(zhì)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(jù)。

1.2 國(guó)內(nèi)泡沫染色的研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)有關(guān)泡沫染色技術(shù)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(xué)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(shè)計(jì)了YJ—D200-800型和SP型輥筒式泡沫施加器。上海印染機(jī)械廠和華東紡織學(xué)院設(shè)計(jì)制造了PZ一160型生產(chǎn)大樣機(jī)(包括靜態(tài)發(fā)泡器和狹縫式單面涂敷器)，與熱拉機(jī)組成泡沫整理生產(chǎn)線，投入生產(chǎn)。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(shù)”鑒定會(huì)，對(duì)上述兩組設(shè)備及整理工藝進(jìn)行了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)鑒定，天津工業(yè)大學(xué)曾經(jīng)引進(jìn)了一套泡沫染整小樣機(jī)，相關(guān)的研究也曾取得過(guò)一定的成效。

李大偉等人[8]對(duì)泡沫染色進(jìn)行了研究，開發(fā)絨類織物的泡沫多色染色工藝及產(chǎn)品，并獲得了一定的泡沫多色染色的工藝參數(shù)，同時(shí)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(jiǎn)化，工藝簡(jiǎn)單，花型新穎，為我國(guó)泡沫低給液技術(shù)開創(chuàng)了一條新的途徑。李珂等[9]研究了棉機(jī)織物活性染料的泡沫染色工藝。盛杰偵[10]通過(guò)對(duì)非織造布泡沫染色產(chǎn)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(jié)果提供了參考價(jià)值。王惠中[10]給出了聚酰胺織物的泡沫染色工藝和相關(guān)工藝參數(shù)。

2 泡沫體系

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

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(nèi)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(dāng)泡沫充分排液后，液膜變薄，被薄液膜包圍的各個(gè)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(jié)構(gòu)的。

純水溶劑形成的泡沫，其壽命僅在0.5s以內(nèi)，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?yàn)楸砻婊钚詣┑拇嬖诓粌H使起泡變得容易，且起泡速度超過(guò)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(dá)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(dú)使用，或復(fù)配后使用。近年來(lái)，又開發(fā)了無(wú)毒、降解徹底的表面活性劑，如烷基糖苷、蛋白質(zhì)類發(fā)泡劑，但其泡沫性能、成本高等問(wèn)題有待研究。

離子型表面活性劑包括陽(yáng)離子型和陰離子型。陽(yáng)離子型多為銨鹽類，其泡沫性能較差、成本高，應(yīng)用較少。應(yīng)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(jìn)Bikerman 法，根據(jù)美國(guó)API的標(biāo)準(zhǔn)，模擬油氣井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。測(cè)量時(shí)以一定流速的氣體通過(guò)玻璃砂濾板，濾板上面盛有一定量的溶液，氣體通過(guò)濾板后在容器(刻度量筒)中形成泡沫。當(dāng)氣體流速保持恒定并使用同一儀器時(shí)，流動(dòng)平衡時(shí)的泡沫高度h可作為起泡性的量度。因?yàn)閔是在一定氣流下泡沫生成與破壞處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的泡沫高度，所以此量可以評(píng)價(jià)泡沫起泡性及穩(wěn)定性兩種性能。

圖2 氣流法測(cè)泡沫性能

(2)攪拌法

這種方法是用Waring Blender高速攪拌器測(cè)定泡沫性能的一種方法。測(cè)定時(shí)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(chǎn)生泡沫，通過(guò)測(cè)量泡沫體積來(lái)評(píng)價(jià)泡沫性能。實(shí)驗(yàn)中，葉片轉(zhuǎn)速必須大于1000r/min，因?yàn)檗D(zhuǎn)速太低對(duì)泡沫劑性能的評(píng)價(jià)會(huì)有很大影響。此種發(fā)泡法重復(fù)性好，操作簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多。

1.1000ml透明量杯 2.攪拌葉片 3.連接座 4.電動(dòng)機(jī)外殼 5.開關(guān)

圖3 攪拌法測(cè)泡沫起泡性

(3)Ross-Miles法

Ross-Miles法又叫羅氏發(fā)泡法，其測(cè)試原理是在刻度量筒中事先放置一定量的待測(cè)溶液，然后將待測(cè)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(chǎn)生泡沫，測(cè)量得到泡沫體積，以該體積作為發(fā)泡力的量度，以一段時(shí)間后的泡沫體積來(lái)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(biāo)準(zhǔn)Ross-Miles法結(jié)構(gòu)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(lái)表示其起泡能力大小。穩(wěn)定性是指泡沫存在時(shí)間的長(zhǎng)短，以半衰期來(lái)表征，半衰期指一定量的泡沫衰減至質(zhì)量或體積的一半所用的時(shí)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(zhǎng)、均勻性越好，則其泡沫性能越好，上染織物時(shí)，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(guān)，還與發(fā)泡方法、發(fā)泡設(shè)備有關(guān)。泡沫染色機(jī)中多是用轉(zhuǎn)子的剪切攪拌作用進(jìn)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(xué)者們正在研究并亟待解決的問(wèn)題。

5 泡沫染色設(shè)備

泡沫染色設(shè)備主要包括泡沫發(fā)生器設(shè)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(duì)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(jìn)行攪拌，同時(shí)導(dǎo)入空氣，以產(chǎn)生泡沫。

1-壓縮空氣發(fā)生器 2-壓力表 3-玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì) 4-單向閥 5-預(yù)混合器 6-計(jì)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(jiǎn)圖

空氣供給裝置一般具有氣壓調(diào)節(jié)器、氣流控制閥、空氣過(guò)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(dòng)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(qū)動(dòng)裝置，拖動(dòng)正壓排液?jiǎn)卧挂后w在適當(dāng)?shù)膲毫ο拢韵喈?dāng)精確的數(shù)量輸入到混合頭。

圖6 動(dòng)態(tài)泡沫發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖

圖7 填料式靜態(tài)發(fā)泡器結(jié)構(gòu)

動(dòng)態(tài)泡沫發(fā)生器是依靠發(fā)生器中器件的機(jī)械作用攪拌、混合、剪切而產(chǎn)生泡沫的。它工藝適應(yīng)性強(qiáng)，泡沫質(zhì)量重演性好，發(fā)泡倍率范圍廣，可控性強(qiáng)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)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(dòng)的剪切件篩網(wǎng)組成，靠壓入發(fā)生器中的氣體和液體遇阻而自動(dòng)混合成泡沫的。它又分為填料式靜態(tài)發(fā)泡器、多級(jí)網(wǎng)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(nèi)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(lái)的泡沫，在通過(guò)較短的小直徑輸入管時(shí)，由于突然降到大氣壓，泡沫結(jié)構(gòu)會(huì)遭到嚴(yán)重破壞。而且，當(dāng)輸送最大或接近最大發(fā)泡比的泡沫時(shí)，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(jīng)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(gè)布面上。直接法中，織物與泡沫接觸會(huì)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(dòng)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(jù)織物的品種及加工要求來(lái)決定。對(duì)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(zhuǎn)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(gè)對(duì)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(zhuǎn)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(duì)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(wǎng)帶上，織物伴隨著橡膠帶或是網(wǎng)帶的運(yùn)動(dòng)，在到真空輥筒前很短距離同泡沫相接觸，同時(shí)泡沫在真空的作用下膨脹并破裂。圖9是網(wǎng)帶式施加裝置結(jié)構(gòu)圖。

(a)真空抽吸泡沫網(wǎng)帶式施加裝置

(b)泡沫擠壓破裂網(wǎng)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(guò)泡沫染色機(jī)進(jìn)行發(fā)泡，然后經(jīng)施加裝置涂覆在織物上，經(jīng)汽蒸上染織物，再經(jīng)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(shí)代背景下，研究者們必將致力于重點(diǎn)研發(fā)短流程、少水及無(wú)水印染加工新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，提高國(guó)家可持續(xù)發(fā)展水平。而泡沫染色技術(shù)節(jié)水節(jié)能效果顯著，順應(yīng)時(shí)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(shù)仍存在較多問(wèn)題，如勻染性、染深性、泡沫穩(wěn)定性、泡沫染色設(shè)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(wèn)題具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，必將成為研究熱點(diǎn)。

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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