泡沫染色的研究进展

赵亚楠，徐凤华，朱元昭

(1.河南省纺织服装协同创新中心,河南郑州 450007；2.中原工学院纺织学院，河南郑州 450007)



泡沫染色的研究进展

赵亚楠1，2，徐凤华1,2，朱元昭1,2

(1.河南省纺织服装协同创新中心,河南郑州 450007；2.中原工学院纺织学院，河南郑州 450007)

泡沫染色是一种节水节能效果显著的环保染色技术。从研究现状、泡沫体系、发泡剂种类、泡沫性能、泡沫染色设备、泡沫染色工艺六方面进行综述，并展望了泡沫染色的发展趋势。

泡沫染色 发泡方法 发泡剂 泡沫染色设备

0 前言

进入21世纪以来，石油、水等能源日益缺乏，使得人们的节能环保意识大幅提升。在这种背景下，针对印染行业耗水耗能的现状，国家提出了节能减排、生态环保的发展目标，而泡沫染色技术是以空气部分代替水，使染液以泡沫的形式上染织物的一种节能节水的环保染色过程[1]，符合了时代发展需求。

泡沫染色以泡沫为传递介质，浴比小，可减少染料、助剂用量和用水量。以棉织物染色加工为例，相比传统浸轧方式[2]，棉织物带液率下降40%以上，可降低能耗50%，节水40%，节约化学品20%，提高生产效率50%，还能避免泳移、染色不匀。此外，泡沫染色技术可以实现单面染色和双面差异型染色，可应用于纺织品的多个加工环节，还可以用于无纺布、地毯等的加工[3]。总之，泡沫染色技术具有显著的生态环保优势，是实践环保政策的一大关键技术，必将具有十分广阔的应用前景。

1 研究现状

1.1 国外泡沫染色的研究现状

泡沫染色技术起源于二十世纪七八十年代，由于当时能源危机爆发，使其得到迅速发展。美国UM&M公司主张，将原有设备(除了发泡设备外)加以改造，使之适合于泡沫加工的需要，所介绍的辊筒上加刮刀、浮动刮刀等，构造较简单，成本较低。目前，在欧美不少国家能生产和提供泡沫染整设备。近几十年，国外研究人员主要研究泡沫的微观机理和宏观性能及添加剂对泡沫的影响。

2005年，Cecile Dame等[4]研究了十二烷基硫酸钠和生物降解性优异的烷基糖苷的物理化学性能与净化用泡沫的稳定性的关系。2012年，Lin Zhao等[5]研究了发泡剂耐温、耐盐性能的进展和评估。此研究表明季铵盐类表面活性剂、十二醇、甜菜碱的复配发泡剂的发泡体积和半衰期比甜菜碱单一发泡剂要好，并研究复配发泡剂的耐温、耐盐性能。2014年，M.Siva等[6]研究了添加剂氢氧化钠、氯化钠和碳酸钠的用量对十二烷基硫酸钠发泡液的粘度和泡沫尺寸、泡沫密度的影响。实验表明，添加剂的加入都会提高反应液的粘度，其中氢氧化钠用量较少。2015年，Drenckhan Wiebke[7]等研究了干气泡和湿气泡的表面活性、不同密度的形态、空间结构和质量等性能。这为后期泡沫稳定性的控制提供了可靠方法和理论依据。

1.2 国内泡沫染色的研究现状

国内有关泡沫染色技术的研究始于1980年，上海市第一纺织印染工业公司技研室、上海纺织科学研究院和上海第五印染厂在温州助剂厂和上海鼎新印染厂的协作下，设计了YJ—D200-800型和SP型辊筒式泡沫施加器。上海印染机械厂和华东纺织学院设计制造了PZ一160型生产大样机(包括静态发泡器和狭缝式单面涂敷器)，与热拉机组成泡沫整理生产线，投入生产。1983年4月，纺织工业部科技司于上海召开“泡沫整理新技术”鉴定会，对上述两组设备及整理工艺进行了技术、经济指标鉴定，天津工业大学曾经引进了一套泡沫染整小样机，相关的研究也曾取得过一定的成效。

李大伟等人[8]对泡沫染色进行了研究，开发绒类织物的泡沫多色染色工艺及产品，并获得了一定的泡沫多色染色的工艺参数，同时试制了一套适用于泡沫多色染色工艺用的发泡和施加联合装置，装置简化，工艺简单，花型新颖，为我国泡沫低给液技术开创了一条新的途径。李珂等[9]研究了棉机织物活性染料的泡沫染色工艺。盛杰侦[10]通过对非织造布泡沫染色产品研发，给出了水刺非织造布的泡沫染色工艺，为水刺非织造布的在线染色效果获得满意的结果提供了参考价值。王惠中[10]给出了聚酰胺织物的泡沫染色工艺和相关工艺参数。

2 泡沫体系

泡沫的形成与泡沫液和发泡设备均有关系，其中能否发泡主要取决于泡沫液的组成，而发泡质量则不仅与泡沫液的组成有关，还与发泡设备有关。

泡沫是由大量气体分散在少量液体中形成的微泡聚集体，其界面上的表面活性剂亲水部分朝向液相，疏水部分朝向气体内部，这些微泡聚集体以液体薄膜相互隔离，且具有一定的集合形状，是一种微小多相、粘状而且不稳定的体系。泡沫的形成示意图如图1所示。

图1 泡沫形成示意图

刚形成的泡沫，气泡被较厚的液膜隔开，所以是球状的。但是当泡沫充分排液后，液膜变薄，被薄液膜包围的各个气泡为保持压力的平衡而变形成为多面体。通常，泡沫群里的气泡是呈多面体结构的。

纯水溶剂形成的泡沫，其寿命仅在0.5s以内，只存在片刻。体系中只有加入表面活性剂或是高分子化合物，才能形成较为稳定的泡沫。因为表面活性剂的存在不仅使起泡变得容易，且起泡速度超过破泡速度，从而得到稳定的泡沫。此外，为了使泡沫具有一定的持久性，溶剂里往往又需要加入稳泡剂，以保持泡沫流体的稳定性和持久性，从而达到使用的目的。

3 发泡剂

目前，泡沫染色中常用的发泡剂有三种类型：离子型表面活性剂、非离子型表面活性剂、两性型表面活性剂，或单独使用，或复配后使用。近年来，又开发了无毒、降解彻底的表面活性剂，如烷基糖苷、蛋白质类发泡剂，但其泡沫性能、成本高等问题有待研究。

离子型表面活性剂包括阳离子型和阴离子型。阳离子型多为铵盐类，其泡沫性能较差、成本高，应用较少。应用较多的为阴离子型表面活性剂，主要有十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚氧乙烯醚硫酸盐等，这类表面活性剂发泡性、稳定性、毒性、生物降解性较好，且成本适中，故得到广泛使用。非离子型表面活性剂包括OP型、Tween型、Span型等，其泡沫稳定性良好，但发泡比小，在一定条件下可作稳定剂。两性型表面活性剂有氨基酸型，咪哇琳型，甜菜碱型，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 发泡方法

传统的发泡方法有气流法、搅拌法、倾斜法等，常用的是搅拌法、Ross-Miles法。

(1)气流法

这种方法又称改进Bikerman 法，根据美国API的标准，模拟油气井结构设计的。测量时以一定流速的气体通过玻璃砂滤板，滤板上面盛有一定量的溶液，气体通过滤板后在容器(刻度量筒)中形成泡沫。当气体流速保持恒定并使用同一仪器时，流动平衡时的泡沫高度h可作为起泡性的量度。因为h是在一定气流下泡沫生成与破坏处于动态平衡时的泡沫高度，所以此量可以评价泡沫起泡性及稳定性两种性能。

图2 气流法测泡沫性能

(2)搅拌法

这种方法是用Waring Blender高速搅拌器测定泡沫性能的一种方法。测定时将起泡剂溶液倒入带有刻度的透明量杯中，然后给溶液高速搅拌产生泡沫，通过测量泡沫体积来评价泡沫性能。实验中，叶片转速必须大于1000r/min，因为转速太低对泡沫剂性能的评价会有很大影响。此种发泡法重复性好，操作简单，应用较多。

1.1000ml透明量杯 2.搅拌叶片 3.连接座 4.电动机外壳 5.开关

图3 搅拌法测泡沫起泡性

(3)Ross-Miles法

Ross-Miles法又叫罗氏发泡法，其测试原理是在刻度量筒中事先放置一定量的待测溶液，然后将待测溶液从一定高度以一定的流速流到量筒中，溶液与液面碰撞，混入空气，产生泡沫，测量得到泡沫体积，以该体积作为发泡力的量度，以一段时间后的泡沫体积来表示该体系的泡沫稳定性。目前这种方法被广泛采用。

图4 标准Ross-Miles法结构示意图

4.2 泡沫性能

泡沫性能包括起泡性、稳定性、均匀性。起泡性是指在引入量相等的情况下，泡沫形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即发泡比来表示其起泡能力大小。稳定性是指泡沫存在时间的长短，以半衰期来表征，半衰期指一定量的泡沫衰减至质量或体积的一半所用的时间。均匀性指泡沫大小或泡沫膜的均匀程度。若发泡比越大、半衰期越长、均匀性越好，则其泡沫性能越好，上染织物时，染色越均匀。

泡沫性能的好坏不仅与发泡剂的种类及浓度、添加剂、染料有关，还与发泡方法、发泡设备有关。泡沫染色机中多是用转子的剪切搅拌作用进行发泡，其泡沫均匀性好。目前，如何提高泡沫稳定性，是学者们正在研究并亟待解决的问题。

5 泡沫染色设备

泡沫染色设备主要包括泡沫发生器设备、泡沫传输系统、施加装置三部分[12]。

(1)泡沫发生器

泡沫发生器对制备均匀的泡沫，起着极其重要的作用。它的形式多样，但工作原理大致是相同的(如图5)：将置于加料器中的含有染整助剂和发泡剂的溶液进行搅拌，同时导入空气，以产生泡沫。

1-压缩空气发生器 2-压力表 3-玻璃转子流量计 4-单向阀 5-预混合器 6-计量泵 7-贮液槽 8-发泡器 9-冷却水入口 10-冷却水出口 11-出泡器

图5 泡沫发生器系统简图

空气供给装置一般具有气压调节器、气流控制阀、空气过滤器和空气反压仪器。液体供给装置和盛放工作液的液槽盒由不锈钢泵组成。

泡沫发生器大概分为动态泡沫发生器(如图6)和静态发生器(如图7)。泡沫发生器一般采用输液泵变速驱动装置，拖动正压排液单元使液体在适当的压力下，以相当精确的数量输入到混合头。

图6 动态泡沫发生器结构图

图7 填料式静态发泡器结构

动态泡沫发生器是依靠发生器中器件的机械作用搅拌、混合、剪切而产生泡沫的。它工艺适应性强，泡沫质量重演性好，发泡倍率范围广，可控性强，但是结构复杂，加工难度高，成本高。

静态泡沫发生器的混合头由固定不动的剪切件筛网组成，靠压入发生器中的气体和液体遇阻而自动混合成泡沫的。它又分为填料式静态发泡器、多级网式静态发泡器两种。

(2)泡沫传输系统

泡沫输送系统是指混合头引出的所有管道。管道要求内层光滑，任何弯曲处曲率要大，管道不宜太短。否则，如果从较高压力下出来的泡沫，在通过较短的小直径输入管时，由于突然降到大气压，泡沫结构会遭到严重破坏。而且，当输送最大或接近最大发泡比的泡沫时，输送管道必须小心地使其降到常压。

(3)泡沫施加装置

泡沫的施加方式基本上可以分为直接法和间接法两种。

直接法是经合适的装置(刮刀、压辊、压缩空气、压辊等)将泡沫直接铺展在整个布面上。直接法中，织物与泡沫接触会加速泡沫排液。直接法大致有下列几种装置：滚筒上刮刀涂层器、浮动式刮刀涂层器、卧式压辊涂层器、挤压涂层器。至于采用哪一种方法，须根据织物的品种及加工要求来决定。对于毛类织物，可采用辊筒上刮刀涂层器(如图8)。

(a)牵引辊式

(b)真空抽吸式

间接法是指将泡沫刮到辊筒上，并从辊筒转移到织物上，可做单面或双面的泡沫施加。这种泡沫施加装置，能够一次性在织物的正面和反面分别施加相同或不同颜色的泡沫。它利用两个对称的单元装置，在施加辊上分别将均匀的泡沫膜，由施加辊转移至织物的单面。利用这一装置可使织物正面、反面施加不同的染液泡沫，而且可对织物的正反面分别赋予不同的助剂。还有另外一种泡沫的间接施加方式，即把泡沫刮到一根橡胶或涂到网带上，织物伴随着橡胶带或是网带的运动，在到真空辊筒前很短距离同泡沫相接触，同时泡沫在真空的作用下膨胀并破裂。图9是网带式施加装置结构图。

(a)真空抽吸泡沫网带式施加装置

(b)泡沫挤压破裂网带式施加装置

6 泡沫染色工艺流程

泡沫染色工艺流程如图10，先将发泡剂、稳泡剂、染料及助剂制成染液，通过泡沫染色机进行发泡，然后经施加装置涂覆在织物上，经汽蒸上染织物，再经皂洗、水洗、烘干。

图10 泡沫染色工艺流程

7 展望

在节能环保的时代背景下，研究者们必将致力于重点研发短流程、少水及无水印染加工新技术，实现清洁生产，提高国家可持续发展水平。而泡沫染色技术节水节能效果显著，顺应时代发展潮流，必将成为印染行业的一大发展方向。但是，泡沫染色技术仍存在较多问题，如匀染性、染深性、泡沫稳定性、泡沫染色设备昂贵等，阻碍了其工业化发展。因此研究并解决这些问题具有很大的现实意义，必将成为研究热点。

[1] 陈英，车迪，张倩洁.纺织品泡沫染整的发展与应用现状[J].纺织导报，2013(10)：34-38.

[2] 李珂，张健飞，巩继贤.棉织物泡沫染色与常规染色加工成本分析[J].针织工业，2014(8)：51-54.

[3] 王元丰，余弘，谭思思,等.棉织物泡沫染色工艺的筛选和优化[J].纺织导报，2014，35(3)：68-74.

[4] Cecile Dame, Christelle Fritz, Olivier Pitois,etal.Relations between physicochemical properties and instability of decontamination foams[J]. Colloids and Surfaces A: Physicochem, 2005(263):210-218.

[5] Lin Zhao, Aifen Li, Kai Chen,etal. Development and evaluation of foaming agents for high salinity tolerance[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2012(81):18-23.

[6] M. Siva , K. Ramamurthy, R. Dhamodharan. Sodium salt admixtures for enhancing the foaming characteristics of sodium lauryl sulphate[J].Cement & Concrete Composites,2015(57):133-141.

[7] Drenckhan Wiebke, Hutzler Stefan. Structure and energy of liquid foams[J]. Advances in Colloid and Interface Science ,2015,5(4):1-44.

[8] 李大伟.绒类织物泡沫多色染色工艺与设备的研究[J].印染，1987(4)：200-203.

[9] 李珂.活性染料棉织物的泡沫染色工艺优化研究[D].天津：天津工业大学，2010.

[10]盛杰侦.水刺法非织造布泡沫染色系列产品的开发[D].天津：天津工业大学，2008.

[11]王慧中.聚酰胺织物的泡沫染色[J].苏联纺织工业，1980，55-56.

[12]李珂.染整用泡沫体系及其在纺织品加工过程中的渗透行为研究[D].天津：天津工业大学，2013.

2016-01-11

赵亚楠(1992-)，女，硕士研究生，研究方向：纺织印染功能整理与染色。

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1008-5580(2016)04-0189-05