泡沫染整研究进展yd14822
贺志鹏 吴赞敏 天津工业大学纺织学院 天津300387
收稿日期:⒛1⒈11ll9
作者简介:贺志鹏(1987-),男,山西太谷人,硕士在读主要从事清洁生产、功能纺织品的研究
原载:染整技术2012/5;16-19
【摘要】本文介绍了泡沫染整当前的发展现状,综述了起泡剂种类及泡沫性能的评价方法,并对影响泡沫性能的因素做了简要的概述。
【关键词】泡沫染整;起泡剂;泡沫性能
【中图分类号】TS190 文献标识码:A 文章编号:1005-9350(2012)O5-0016-04
1 泡沫染整发展现状
泡沫染整是20世纪70年代末受能源危机的影响,在国外迅速发展起来的一种低给液、高节能的染整加工技术[1]。泡沫染整技术的应用不仅能节约能耗,而且可以极大地提高生产效率[2]。我国曾在上世纪80年代掀起了一波研究开发的高潮,其相关技术成果先后被国内许多印染企业应用。生产加工了各种织物近亿米。产品经质量检验合格后被投放到国内外市场但限于当时的生产设备自动化程度不高、操作繁琐和人们环保意识薄弱,此项节能技术没有得到应有的发展[3-4]。但随着人类环保意识的增强,能源的过渡消耗,人们越来越意识到开发新型、节能、环保工艺的必要性与迫切性。染整研究人员又将目光投向泡沫染整工艺。
泡沫染整虽已取得良好的效果,广泛应用于染整的各个环节,但大规模的应用于生产实践在国内还很少见,尚存在很多需要解决的问题:
(1)泡沫发生器的限制。常见的泡沫发生装置为静态发泡器和动态发泡器两种。对静态发泡器而言不管吹入多少空气产生的泡沫总是相同的,不能根据需要变化,动态发泡器较复杂,生产成本较高[2]。即使结构等类似的泡沫发生器也可能产生不同性能的泡沫[5]。
(2)匀染性问题。Frank Clifford [6]采用示踪染料研究了泡沫染色的匀染性问题,获得较好的匀染性,但需要有适合的染料。泡沫产生的速度及施加装置,泡沫破裂速度等都会引起染色或整理不均匀的问题。
(3)染料或助剂渗透问题。在加工厚重织物时,泡沫往往不能渗入到织物内部,造成织物截面上、及正反两面的染色或整理不均。
以上这些都是泡沫染整中需要注意的问题。
2 发泡剂的种类
常用发泡剂为表面活性剂,包括离子型,非离子型,两性型表面活性剂。
(1)离子型发泡剂又分为阴离子型和阳离子型。
阴离子型发泡剂主要有羧酸盐型、磺酸盐型、硫酸盐型、磷酸盐型,这类表面活性剂因其价格适中而被广泛应用[7]。该类发泡剂起泡性和稳定性较好。
阳离子型发泡剂主要为胺盐类,我们经实验发现该类表面活性剂产生的泡沫稳定性很差,坍塌较快,不适合染整应用。
(2)非离子型发泡剂有OP型,Span型,Tween型等,这类发泡剂泡沫稳定性较好,但起泡能力低,使用范围受Craff点的影响[7],可用作稳泡剂。
(3)两性型发泡剂有氨基酸型,甜菜碱型,咪唑啉型,卵磷脂型等。该类泡沫剂毒性低、生物降解性好,但成本高,因而也很少使用[7]。
其它类型发泡剂包括表面活性剂复配型及蛋白质类发泡剂等。王翠花等[8]对蛋白质类发泡剂做了相关研究,张翼伸[9]认为搅打起泡现象与蛋白质含氮物,包括各部分蛋白质与非蛋白质含氮物都有关系。但表面活性剂类发泡剂具有一定的毒性。发泡剂的毒性与表面活性剂的分子结构、浓度有关,以阳离子型最大,阴离子型次之,非离子型最小[10]。而蛋白质类发泡剂则无毒,对人体皮肤具有较好的适应性。
3 泡沫性能评价方法
泡沫的性能,主要取决于发泡剂的发泡能力和泡沫的稳定性[10]。
3.1 发泡能力
发泡能力是指加入发泡剂后说明泡沫生成的难易程度和生成泡沫量的多少。常用泡沫的高度或泡沫体积膨胀倍数来表示其起泡能力大小。也可用发泡比来表征。泡沫高度或泡沫体积指一定体积的液体,在恒温恒压搅动条件下,形成的泡沫高度或气泡体积。泡沫膨胀倍数是指泡沫体积与产生泡沫的液体体积之比。泡沫膨胀系数越大,表明泡沫质量越高,起泡剂的起泡能力越强[11]。
发泡比是指发泡前一定体积的液体质量对发泡后同样体积的泡沫质量之比,即发泡原液密度与泡沫密度之比。发泡比的测定方法,一般有直接称重法,即将泡沫直接倒入已知容积的塑料杯中用天平称重算出, 也可用电导率仪连续测定法求得。用电导率仪对各种整理液在不同温度、不同发泡比下的发泡比和电导率的关系曲线, 然后再通过测得的电导率求得发泡比。故在实际使用中要制备不同工作液发泡比及不同温度下的标准曲线, 然后再根据测得的电导率查出对应的发泡比[12]。
发泡比可按下式计算:
|
BR= |
W原液/V |
= |
D原液 |
,其中W原液为原液(g) |
|
W泡沫/V |
D泡沫 |
W泡沫为泡沫质量(g),d原液为原液密度(g/mL),d泡沫为泡沫密度(g/mL),V为原液体积(mL)。
3.2 泡沫稳定性
泡沫稳定性主要指泡沫的持久性, 常用泡沫寿命和泡沫半衰期衡量其稳定性[ll]。泡沫破灭半衰期简称半衰期, 是指一定体积内泡沫重量通过排液到重量一半所需要的时间, 是掌握泡沫稳定性的重要参数。在染整工艺中控制半衰期就能获得在输运过程中及施加到织物前不产生排液而到了织物后迅速破灭的要求[l3]。
4 影响泡沫性能的因素
泡沫产生的直接原因是表面活性剂的存在使溶液的表面张力降低, 其衰减的机理主要有气体透过液膜的扩散和液膜的排液这两个方面。不同的泡沫体系表现出不同的稳定性[l4]。
4.1 泡沫溶液的表面张力
泡沫的生成伴随着液体表面积的增加,体系的能量也相应增加;泡沫破坏时,体系的能量也相应下降,因此很容易以液体的表面张力来衡量其稳定性。但是,单纯的表面张力还不能充分说明泡沫的稳定性。只有当表面膜具有一定强度,能形成多面体的泡沫时,表面张力越低,泡沫才越稳定。可见,液体的表面张力不能作为泡沫稳定性的唯一指标[lOl。
4.2 泡沫溶液的表面粘度
决定泡沫稳定性的关键因素在于液膜的机械强度,而液膜的机械强度主要取决于表面吸附膜的坚固性,实际上即以泡沫溶液的表面粘度为其量度,因此,也可用表面粘度表示泡沫的稳定性。表面吸附膜的强度越大,则表面粘度越大,泡沫也就越稳定[lO]。
4.3 泡沫溶液的粘度
溶液粘度大,则泡沫溶液的液膜往往不易破坏,这表现为双重作用,一则增加液膜表面强度;二则使液膜二表面膜临近的液体不易排出,液膜厚度变小的速度减慢,因而延缓了泡沫破裂的时间,增加了泡沫的稳定性。但这仅是一个辅助指标,若无表面膜形成,即使内部粘度再高,也不一定能形成稳定的泡沫[IO]。
4.4 泡沫剂结构的影响[7]
表面活性剂分子结构是影响泡沫稳定的内在根本因素。不同的表面活性剂由于分子结构不同,其在液膜中的排列以及与水的相互作用不同,从而影响液膜的厚度、弹性以及溶液的粘度,这导致了泡沫携液、排液过程的不同,使得泡沫表现出不同的稳定性。
表面活性剂的电性因素是影响稳定性的首要因素,在电性因素相同的情况下,分子结构可认为是空间因素、重力等因素才体现出来。非离子表面活性剂的泡沫性及持久性远低于离子表面活性剂,这是由于非表面活性分子的泡沫表面积较大,表面弹性低,而且缺少高电荷液膜所致。
分子体积庞大或疏水链中分支较多的表面活性剂,分子间相互作用较弱,在液膜表面的排列也不够紧密,所形成的泡沫液膜强度较低,容易发生气体扩散,泡沫的稳定性差。
4.5 中性盐的影响
闫戈[l4]的研究表明向阴离子泡沫剂AGES溶液中加入NaCl,随着NaCl的加入,起泡体积很快下降,半衰期则是先下降,一定程度回升后再下降。
4.6 温度的影响[7]
在低温和高温下,泡沫的衰变过程不同。低温时,主要是气体扩散E高温时,泡沫破灭由顶端开始,泡沫体积随时间增长而有规律地减小。
温度的变化对表面膜的性质影响很大,随着温度的升高,吸附量减少,分子独占面积增大,表面粘度降低,Marangoni效应作用减弱,表面弹性降低,导致泡沫稳定性降低。
随着温度升高,泡沫体系的表面张力减小,有利于泡沫的稳定性提高,但此时表面张力不是影响泡沫稳定性的主导因素。另外温度升高,溶液粘度降低,排液速率加快,导致泡沫稳定性下降。
4.7 发泡剂质量浓度的影响
李永庚等[15]研究表明对阴离子型表面活性剂NaLS,其质量浓度小于临界胶束质量浓度(cmc)时(经实验测定NaLS的cmc为2g/L左右),随着质量浓度的增加,溶液表面张力减小,起泡能力增强,泡沫稳定性提高;3g/L时,泡沫高度和半衰期均达到最大值;之后随质量浓度的增加,泡沫高度和半衰期均有所下降。原因是发泡剂质量浓度较低时,它在溶液表面吸附小;提高质量浓度后,表面吸附量随之增大,表面张力进一步降低,起泡能力增强;在表面吸附达到饱和后,质量浓度继续增加,溶液中的表面活性剂分子被吸附到表面的速度较快,没有溶剂在表面的迁移,液膜变薄部分并未恢复到原有厚度,减弱了Marangoni效应f即表面张力修复作用,泡沫稳定性降低。
4.8 稳泡剂的影响[10]
不同类型的发泡剂需要不同种类的稳泡剂。常用的稳泡剂有CMC、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、月桂醇、三乙醇胺、生物聚合物XC、粘土、可溶性淀粉、脂肪醇二乙醇酸胺、月桂酰二乙醇胺、月桂酰异丙醇胺、椰子油烷基二甲胺氧化物、十二烷基二甲胺氧化物等。
4.9 其它影响因素
印染加工中,染液的pH值,其它助剂等的加入,发泡时的搅拌速度、搅拌时间对泡沫性能都会有不同程度的影响。
5 结论
在当前以绿色环保、生态染整为工业生产主题和国家节能、降耗、减排政策的推动下,泡沫整理技术无疑是一颗救命稻草,其对印染行业的节能减排意义重大。本文总结了泡沫染整现状,发泡剂种类和影响泡沫性能的因素,以其对作者及其他染整工作者今后在泡沫整理工艺确定时有所借鉴。
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