泡沫技术在纺织品染整中的研究进展yd19116
曹敏，牛家嵘 天津工业大学纺织学院， 天津300387
投稿日期：2015-06-08
基金项目：国家科技支撑计划项目(2014BAE01B00)
作者简介：曹敏(i993-)，女，本科，课题方向：纺织品清洁染整技术的研究。
通讯作者：牛家嵘(1974-)，男，副教授，主要从事纺织品清洁染整技术及纺织品功能整理研究。
染整技术2015/12；4-8
【摘要】泡沫染整是一种低给液的染整加工技术，可显著降低带液率，具有高节能、低排废等优势，是生态环保型染整技术之一。概述了泡沫染整加工工艺，介绍了泡沫的形成和衰变机理、泡沫的性能和评价指标、泡沫染整的加工工艺及应用前景。
【关键词】泡沫染整；加工工艺；泡沫性能；发展前景
【中图分类号】TS 190.8 文献标识码：A 文章编号：1005-9350(2015)12-0004-05
20世纪70年代末受能源危机的影响，人们考虑降低纺织品各个加工环节的能耗，泡沫染整因此受到世界各国重视。20世纪80年代，我国出现过研究应用泡沫染整加工技术的高潮，由于当时技术水平限制、环保意识淡薄、工艺过程难于控制，该节能技术没有在国内得到较好的推广。进入21世纪，在全球环境问题日益加剧的大背景下，人们的环保意识大幅
度提升，针对印染行业耗能耗水的现状，国家提出了节能减排的发展计划，泡沫染整这一环保节能技术重新受到行业的重视。
泡沫染整技术是采用空气取代配制整理液和染液时所需的水，通过空气将浓的整理液或染液膨胀转化为泡沫，然后强制泡沫扩散到被加工织物的表面并渗透进织物内部[1]，工作液中水被空气取代的程度越多，水的消耗越少，越节能。泡沫加工可以提高生产效率，降低染料和化学品的泳移，控制染料和化学品向纤维内部的渗透程度[2]。与传统浸轧方式相比，泡沫染整技术可使带液率下降40％以上，降低能耗50％，节水40％，节约化学品20％，提高生产效率50％。目前，在印染行业中，比较成熟的工艺有泡沫整理、泡沫印花、泡沫染色等[3-6]。
1 泡沫概述
1.1 泡沫的定义
中国表面物理化学家赵国玺教授认为泡沫是气体分散于液体中的分散体系，气体是分散相，液体是分散介质连续相[7]。“泡”是由液膜包围的气体所形成的整体，泡沫是大量气体分散在少量液体之中形成的聚集体，并以液体薄膜相互隔离，且具有一定的形状，形成原理及过程如图1。在含有表面活性剂的液体中搅人空气，进入的空气被周围的液体包围形成气泡，由于气液两相密度差较大，液体中的气泡通常很快就上升到液面，当气泡冲破了表面活性溶液和空气的界面时，第二层表面活性剂包围着第一层表面活性剂形成一层含有中间液层的气泡薄膜层。在这种气泡薄膜层中，含有染整加工的必须化学品一液体。当各个相邻的气泡聚集在一起时，就形成泡沫。
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图1 泡沫的形成过程 |
1.2 泡沫的形态
泡沫存在2种形态，如图2所示，一种称为球形泡沫，泡沫体系中气体的含量少于74％ 时，气泡相互之间被液体隔开较远，气泡在液体中一个接一个地分布，形成球状泡沫；另一种是多面体泡沫，当气体含量高于74％ 时，体系中的气泡以多面体的形式存在，此时的泡沫称为多面体泡沫。球形泡沫 多面体泡沫
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图2 泡沫的形态 |
1.3 泡沫衰变机理
泡沫的衰变主要通过泡沫中液体的排出 [10]和气体透过液膜扩散[11]。
1.3.1 液体的排出
3个泡沫膜的交界叫Plateau交界，如图3所示，根据Laplace公式[12]，
Pia、Pib分别为气泡A，B的内部压强；Poa、Pob分别为气泡A，B之间液膜的外压强；Ra、Rb分别为气泡A，B的曲率半径； γ为表面张力。
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图3 泡沫边界示意图 |
由于气泡A的半径 大于气泡B的半径Rb，
使得小气泡液膜Pob处的压力大于大气泡液膜 Poa的压力，在重力和压差的作用下，泡沫液膜排液，最终破裂。
1.3.2 气体扩散
如图4所示，由Laplace方程[12]，
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△P=4y×( |
1 |
- |
1 |
) |
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r1 |
r2 |
式中，r1、r2为气泡半径；y为表面张力。
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图4 2个相邻气泡示意图 |
因为半径， r1大于r2，所以△P<0，小气泡内的气体压强大于大气泡内气体压强，导致小气泡内气体不断向大气泡渗透，小气泡内气体被大气泡兼并消失，大气泡半径不断增大，最终破裂。
在实际生产中，发泡原液要加人低表面张力的物质，制得泡沫的尺寸要均一稳定。在一定条件下，表面张力越低，泡沫半径越均一，泡沫稳定性越好。
2 泡沫的性能和评价
2.1 发泡比
发泡比又称发泡度或吹泡率，是一定体积发泡液体的重量与同体积泡沫重量的比值。发泡比直接影响泡沫破灭半衰期、润湿性、粘度以及泡沫施加到织物上的吸液率等，是泡沫重要的性能之一。
通常采用直接称重法和电导率仪法测定发泡比。直接称重法是将泡沫直接倒入已知容积的塑料杯中用天平称重，操作简单，其准确性已能满足生产需要，实际应用较多[13]。电导率仪法是利用泡沫液相导电、气相不导电的特点将泡沫电导率的大小作为气泡密度的度量，并由电导率的变化规律获得溶液气泡能力和泡沫稳定性的信息[14]。根据测量所用电极多少的不同，分为单点电导率法和多点电导率法[15-16]。与直接称重法相比，电导率灵敏度高，但有其局限性，装置复杂，设备和维修维护费用高，只能表征产生泡沫30 min内的情况，30 min后泡沫电导率会变成常数，不能正确表征泡沫发泡比和稳定性的变化[13]。目前，电导率法的应用还受限制。
2.2 泡沫破裂半衰期
泡沫破裂半衰期是指一定体积的泡沫中流出一半重量液体所需要的时间。它是表征泡沫稳定性的重要参数，时间越长，泡沫稳定性越好。常见测定方法有量筒法和分液漏斗法[13]。
2.2.1 量筒法
公式如下：
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Vl= |
V1×Sf |
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2×Sl |
式中，Vl为一半液体质量的体积；Vf为泡沫体积；Sf为泡沫密度；Sl 为液体密度。通过该公式确定泡沫析出一半液体质量的体积，再根据体积确定泡沫破裂半衰期。
2.2.2 分液漏斗法
在一只500 mL的分液漏斗中装满泡沫，每隔1min称重一次泡沫排出的液体，直至泡沫消失。作出质量随时间变化的关系图，从中找出一半质量的时间。此方法比较精确。
2.3 泡沫的润湿性
泡沫润湿性是指泡沫施加到织物前需要很好的稳定性，之后则希望泡沫能够迅速破裂，并能够快速润湿渗透织物。泡沫层中的染整用剂，在渗透到织物内部时，必须马上释放出来，转移到纤维上，让纤维充分吸收[9]。常用润湿性来评价泡沫的这一特性。泡沫的润湿性受很多因素的影响，如发泡比、泡沫半衰期、发泡剂类型、渗透剂、织物组织规格、织物前处理效果等[13]。
2.4 泡沫粘度
分析认为，泡沫粘度来源于相对移动的分散介质液层的内摩擦和分散相气泡间的碰撞和挤压，且后者占主导地位。泡沫粘度受多种因素的影响，比如搅拌速度、发泡剂浓度、稳定剂浓度、电解质用量和染料性质等。曹毅[17]等通过试验得出泡沫粘度随着剪切速率的增加呈现“剪切变稀”的现象，原因是剪切搅拌速度越大，泡沫排列得更加规则有序，导致气泡间的相互碰撞减少，粘度下降。常用旋转粘度计测定。
2.5 泡沫大小和泡沫尺寸稳定性
通常用于染印加工的泡沫直径在10-100 µm[9]，泡沫越小，泡沫的稳定性越好，即使有大小泡沫兼并情况的存在，在一定时间下，泡沫仍有可使用的价值。
3 泡沫染整工艺
3.1 泡沫染色
泡沫染色与传统染色方式相比，带液率降低至15％～30％，不仅节约用水和节约化学品，而且大大降低了烘燥过程的能量消耗 ，减轻了由于高带液率导致的“泳移”问题[18-19]；传统染色存在染槽中染液浓度不断变化带来的匹头匹尾的色差问题，但在泡沫染色施加过程中，染化料均匀分布在泡沫液相中，能够显著降低染色不匀的问题；在泡沫染色后处理
过程中，由于化学品残留少，污水排放也大大降低；泡沫染色还能实现单面染色和双面差异型染色。该技术作为一项新型环保染色技术，发展迅速。
该技术影响因素众多，比如泡沫染色体系的发泡性和稳定性、发泡剂和染色助剂与溶液的相互作用、泡沫发生器、泡沫施加装置等，尤其是泡沫染色过程中泡沫的流变性、染色均匀性和泡沫染色残液泡沫的回收再利用问题一直未能得到很好地解决，所以，该技术的研究集中于对确定因素下泡沫染色技术的工艺探讨和工艺优化。2015年，陈少瑜[20]合成并表征了开关表面活性剂十二烷基四甲基胍（DTMG)。在CO2的作用下，DTMG离子化后形成十二烷基四甲基胍碳酸氢盐(DTMG-CO2)，DTMG·CO2泡沫性能良好，可作为发泡剂应用于涂料泡沫染色体系中。经过涂料泡沫染色，残余泡沫中DTMG·CO2在80℃加热作用下释放出CO2重新回复到泡沫性差的DTMG结构，实现了残余泡沫的快速破灭和回收。该技术符合节能环保的要求，有很好的发展前景。2014年，王元丰等[21]在棉织物泡沫染色工艺中，通过Plackett-Burman试验、Central Composite Design(CCD)试验，以K／S值和皂洗色牢度作为染色效果的评价指标，将汽蒸温度、汽蒸时间、稳定剂浓度、碱剂浓度、发泡比、带液率确定为影响泡沫染色的6项因素。结果表明，汽蒸温度、泡沫稳定剂浓度、汽蒸时间为显著影响因素，当汽蒸温度为147℃、泡沫稳定剂质量浓度为0.92g／L、汽蒸时间为3.97 min时，K／S值达到最大，皂洗色牢度达到4级。蔡再生[9]等将三原色发泡原液分别通过泡沫发生器混合剪切作用生成均匀而细腻的泡沫，施加到同一织物上，形成具有多彩、无规则、不重复的图案式样，将泡沫不匀性的弊端转变为一大亮点。
3.2 泡沫整理
泡沫整理就是将含有发泡剂的整理剂或涂层剂发泡后施加到织物上的一种染整加工技术。泡沫整理是泡沫染整加工工艺发展最快、应用范围最广的工艺。泡沫整理可以应用到拒水、拒油、柔软、泡沫阻燃涂层、泡沫上浆增白、防皱、抗紫外线等多种整理。泡沫整理有诸多优点，可单面也可双面处理，与常规轧烘焙整理相比，低带液率减少泳移，节省了烘干的能耗和整理剂用量，织物手感也有提高[2]。
2013年，沈乾坤[22]等自主合成开关表面活性剂十二烷基四甲基胍，研究了其泡沫性能和开关性能，该表面活性剂可以人为地控制表面活性，避免了原料浪费。采用泡沫法对喷墨印花前真丝织物进行单面阳离子改性，节水节能，织物手感提高，通过泡沫法阳离子改性的真丝织物，亲水性提高，喷墨打印颜色深度增加，清晰度提高。
3.3 泡沫前处理
20世纪80年代中期，美国已将泡沫丝光、泡沫煮练、泡沫上浆、泡沫漂白的专利公开[23]。泡沫上浆由于低带液率，拥有节能环保的优点，更重要的是可以提高浆纱机的车速，减轻轧浆辊的压力，经纱粘着现象和被压扁的程度显著降低，在退浆时也很方便，提高了生产效率。然而，实现泡沫上浆的关键是发泡设备的研究和配方的开发。2014年，陈维波等[24]成功研制出自动发泡机和兼喷淋与刀口为一体的施泡器，并在优选单一发泡浆料的基础上开发出了优质的发泡浆料t昆合配方，实现了泡沫上浆的连续化生产，达到了经济效益、社会效益和服装舒适度的同步增长。
泡沫丝光与传统丝光相比，浓碱用量仅为常规丝光的30％[21]，克服了常规丝光易卷边拉破的疵病。在工业生产中，泡沫丝光设备仅在传统丝光设备上增加一台发泡机即可，但是发泡剂的耐碱稳定性和渗透性的问题是该技术的瓶颈。文水平等[21]在牛仔布泡沫丝光工艺中，筛选出高耐碱性和高稳定性起泡剂：PT808(异辛醇硫酸钠)和TO-9磷酸酯(异构十三碳醇聚氧乙烯醚磷酸单酯、双酯的混合物)，使得泡沫丝光工艺大为改善。
3.4 泡沫印花
泡沫印花是用空气代替增稠剂，使少量液体形成泡沫携载染料或涂料及各种助剂局部、均匀地施加到织物表面，在较低给湿的情况下完成印花的过程[1]。继泡沫整理后，泡沫印花迅速发展，它起初主要应用在地毯印花，后来逐渐推广到绒类织物和一般纺织品的印花。它以空气代替增稠色浆，节省糊料等化学品的消耗，节约能耗，印浆容易洗干净，可改善印花后织物的手感。但仍然有应用的局限，印花色浆中通常含有不溶性的染料或其他化学品，给色浆的发泡带来困难；纺织品大多采用圆网印花机印花，印花色浆受到刮刀的剪切作用，使泡沫的容积增加，致使印出的花型色泽发生变化[22]。
4 展望
随着环保意识的加强和全球能源危机的加剧，“绿色生产” 已成为纺织印染企业关注的重点，各类节能减排型技术得到重视并得以发展。泡沫染整作为一种环境友好型技术可以应用到纺织品染整加工的诸多环节，在降低能耗、提高企业生产效率及产品质量方面具有很好的效果。然而，在实际生产中，我们需要根据不同的加工工艺和所用化学品正确选择发泡剂、发泡方式和施加方式，泡沫的均匀性和稳定性、化学品的润湿性和渗透性还有待进一步提高，泡沫设备的加工精确性也有待提高。由于泡沫染整工艺中低带液率的特点和各种工艺条件之间错综复杂的影响，传统染整加工中使用的助剂不足以满足要求，因此，开发绿色环保且适应泡沫染整加工的各种助剂迫在
眉睫。近年来，有关开关表面活性剂(如烷基胍)的研究逐渐发展，为今后的研究工作带来契机；有关染整工作者将泡沫染色不均匀的弊端转为一大亮点，给我们带来启发和新颖的发展思路；染整泡沫的流变性能、触变性等理论研究还不太成熟，给工业化生产的技术指导带来困难，今后，我们可以对染整泡沫的相关理论进行深入研究。
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