新型泡沫印花技术

刘雯雯，殷允杰，王潮霞

（生态纺织教育部重点实验室，江南大学纺织科学与工程学院，江苏无锡 214122）

1 泡沫印花技术

早在70年代就初步尝试了使用泡沫代替水作为印染加工介质的技术。1980年前后，印度孟买的一家纺织公司尝试泡沫印花批量生产，是纺织生产中最早成功应用的实例［1］。1983年在国际纺织机械展览会上展出的圆网泡沫印花机，主要应用于地毯泡沫印花［2-3］，后来逐渐推广到一般纺织品印花。荷兰Stork公司通过研究连续发泡工艺改造圆网印花机，附加电脑控制发泡装置和专用刮刀，印制的花型面积占织物面积的80%，成功实现工业化生产［4-5］。因此，泡沫技术从早期耐久压烫、防水、柔软等后整理工艺逐渐被应用到染色、印花工艺中［6］。

相比普通印花工艺，泡沫印花技术最大的特点是将空气引入印花浆中，泡沫的膨胀增大了单位质量色浆的覆盖面积，在节约色浆、降低能耗的同时能达到较好的均匀性和轮廓清晰度［7］。黏度适宜的泡沫印花浆不易堵网，可大幅度减少水和增稠剂的用量，印制出来的纺织品手感柔软，渗透性低，泡沫印花作为一种环境友好型的纺织品加工新技术逐渐受到人们的重视。从工艺角度来看，泡沫印花可用于涂料印花，也可用于染料印花。酸性染料、分散染料、活性染料等通过泡沫印花技术可成功印制到各种平纹织物和绒毛织物上［5］。泡沫涂料印花技术工艺简单，操作方便，适用于多种纤维的印制，避免了传统涂料印花手感差和增稠剂中汽油含量高的难题［2］，在纺织企业生产中得到迅速发展［5］。

泡沫印花浆由涂料或染料及固色剂、发泡剂、稳泡剂等组成，泡沫色浆通常借助空气进行发泡。目前，印花浆发泡的方法有空气注入法、机械搅拌法和注入搅拌联合法［8］。空气注入法是将空气压缩至含有发泡剂和其他助剂的印花浆中从而产生泡沫，使用较为广泛。机械搅拌法操作简单，通过机械搅拌使液相移动，增加气-液界面的摩擦产生气泡，随后气泡膨胀形成泡沫。注入搅拌联合法是将两者结合迅速发泡，完成泡沫印花浆的制备。泡沫涂料印花浆借助机械外力把空气引入涂料印花浆内，通过少量表面活性剂形成以空气为分散相、水为连续相的气体乳液，增加涂料印花浆的体积以提高印花均匀性。由于乳化体系不稳定，涂料印花浆的稳定性至关重要，尤其在放置或传输过程中，需要调节泡沫的排液速率，以满足实际应用需求。泡沫印花技术在降低能耗、提高纺织品印花质量上有较好的效果，但仍存在一定的应用和技术局限。泡沫印花浆中的不溶性染料、化学品会增加色浆的发泡难度；泡沫印花浆在圆网印花机印制过程中易受到刮刀的剪切力作用增大泡沫体积，对印制出来的花型色泽产生不利影响［9-11］。

2 泡沫印花机理

泡沫印花技术是借助空气的作用，对含有染料或涂料的浓溶液进行发泡，以泡沫形式降低带液率，制备成具有一定黏度、稳定的泡沫印花浆，再通过印花机印制到织物表面，以此获得均匀的印花效果。泡沫印花浆在接触到织物后，由于毛细管效应，气泡薄膜层中的液体很快被纤维吸收，同时泡沫在刮刀或轧辊的挤压下快速破裂，将染料或涂料均匀地涂覆在织物表面。在这个过程中，印花浆的给浆量随着泡沫体积的增加而减少，在不影响得色量的同时避免阴色、串色，保持印花轮廓清晰［8，12］。国外多采用泡沫发生器制备泡沫印花浆，在一定容量的密闭系统中可持续地将泡沫施加到织物上；而国内多采用间歇性的施加方式，对泡沫存放、刮印的性能提出了更高的要求［13］。衡量泡沫印花浆性能的重要指标有泡沫流变性、稳定性、发泡比等。

泡沫印花浆的流变特性对其印制效果起着重要作用，主要以对织物的渗透性和渗化度来衡量。泡沫印花浆的黏度来源于液层的内摩擦和气泡间的碰撞挤压［10］，取决于泡沫印花浆的固含量以及发泡倍率两个因素。发泡倍率是泡沫体积与质量之比。增加泡沫印花浆固含量便增大了泡沫体系中的内摩擦，黏度也随之增大。在一定范围内，发泡倍率增加，气液间的摩擦会随着气泡的增多而增大，泡沫印花浆的黏度增大，对织物的渗化度减小，可有效提高印制花纹的清晰度。发泡倍率还可以调节泡沫印花浆的结构黏度，从而控制织物印制的渗透性，结构黏度越大，刮印时泡沫印花浆的渗透性越好，花纹的均匀性越高，正反两面印制的织物色差就越小［14］。泡沫印花浆属于非牛顿流体，应变速率是影响泡沫流变性的主要因素。随着泡沫流动，排列有序性增加，气泡间的碰撞减少，表观黏度随着剪切速率的增加而减小［10］；当剪切力消失时，泡沫印花浆又恢复到原来的黏度，在没有外力作用下也不会自动透网，避免意外停车造成印制残疵［15］。空气体积分数是影响泡沫流变性的另一个重要因素。空气体积分数对泡沫印花浆表观黏度的影响呈正相关，增加的程度与切边速率有关。空气体积分数增大，低切边速率下的表观黏度增加，增加程度大于高切边速率［16］。

在泡沫印花系统中，泡沫在向刮刀输送的过程中经受一定的系统压力［17］，此时要求泡沫印花浆的黏度稳定；而在接触织物后泡沫要迅速破裂，对泡沫印花浆的稳定性要求较高。如果泡沫在接触织物前就发生破裂，会导致印花颜色深浅不一致，甚至无法完成印花。因此，需要解决印制过程中的泡沫稳定性难题。表面膜强度大小是影响泡沫稳定性的因素之一。表面吸附分子排列越紧密，气体透过性越低，稳定性越高［13，18］。为提高印花效果，泡沫印花工艺中对泡沫尺寸也有一定要求，泡沫大小影响泡沫的稳定性，尺寸较小的泡沫稳定性较好。在泡沫印花工艺中，泡沫直径通常在10～100 μm［19］，气泡在50～100 μm或更小时有较好的机械稳定性和贮藏稳定性［6］。

发泡比对泡沫印花浆的黏度以及在织物上的吸液率有较大影响，其稳定性与泡沫的形态结构有关，多面体泡沫比球形泡沫排液率低，稳定性好［5，10］。调节刮刀压力、控制发泡剂用量、使用泡沫抑制剂均可以调节发泡比以满足印花生产需求［15］。测试泡沫黏度、泡沫均匀性、泡沫半衰期和润湿性等，对比不同发泡比下泡沫的稳定性可以看出，发泡比较低时，气体占气液总体积的比值达不到最致密球形分布（74%），属于球形泡沫，泡沫大小不均匀，润湿性高；当发泡比提高到4时，形成多面体泡沫，黏度增大，印制的图案清晰，印花效果较好［5］。不同的印花方式（如平网印花、辊筒印花）所需的发泡比也不相同［8］。发泡比过高时，在平网和辊筒上的印制效果差；随着发泡比逐渐降低，泡沫稳定性提高，可以取得较好的印制效果。发泡比还受到发泡液蒸发、温度、压力等外界因素的影响［5］，温度升高加快了泡沫的排液速度，但是稳定性降低。因此，在泡沫印花浆制备过程中要注意外界环境以及各种助剂对泡沫稳定性的影响。

3 涂料泡沫印花

涂料泡沫印花技术是一种将空气作为增稠剂，以较低的给湿量完成印制的泡沫印花方式［5］，具有成本低、生产设备简单、产品质量高、工艺流程短等特点，近年来得到大力发展。用机械方式将空气注入涂料色浆，在表面活性剂的作用下产生泡沫，泡沫体积扩大为原溶液体积的1.5～3.0倍［8］，形成相对稳定的涂料泡沫印花浆，再经过平网、圆网或辊筒印花均匀地覆盖在织物上，得到精细的印花织物。涂料泡沫印花的低带液率提高了烘燥速率，胶类、糊料的低用量减轻了蒸化后的水洗压力，各项色牢度均得到提高［20］。

3.1 涂料泡沫印花发泡剂、黏合剂的选择

在涂料泡沫印花浆的制备过程中，发泡剂的添加需要综合考虑与印花浆的相容性和经济方面的因素，通常选用阴离子或非离子型发泡剂，如十二烷基苯磺酸钠、聚氧乙烯等［8］。发泡剂用量对印制效果也有较大的影响，用量较低时，花纹出现渗化现象，图案印制模糊；用量过高会造成涂料印花浆的润湿性差。加入发泡剂后还需要控制搅拌时间，避免大量空气进入影响发泡比，降低印花质量。通过调节发泡比，涂料泡沫印花浆可以应用于不同厚度织物的印制［15］。在传统涂料印花中，黏合剂种类及用量是影响印花织物手感以及色牢度的主要因素。对于涂料泡沫印花浆，涂料与黏合剂、发泡剂、稳泡剂等助剂的相容性对泡沫性能以及印制效果有很大的影响。使用不同的黏合剂，体系的发泡能力不尽相同，可通过调整发泡剂、稳泡剂等其他助剂的用量来灵活调节泡沫性能。低温型或高温型黏合剂应根据实际生产需要来选择。对于设备齐全的印染厂，涤棉织物的印制要经过190～200 ℃拉幅定形，低温黏合剂会使印花部位手感发硬。而没有印花后处理设备的企业则可以选用低温黏合剂［5］。黏合剂用量对织物的耐皂洗、耐摩擦、耐刷洗色牢度的影响如表1所示［5］，黏合剂用量与色牢度之间不成正比关系，在印花过程中必须掌握好用量。

3.2 涂料泡沫印花特点

涂料泡沫印花的工艺特点决定了泡沫印花浆的渗透性比常规印花浆低，在印制前需要对坯布进行前处理，使坯布有较好的毛效，避免出现印制白点，一般毛效在10 cm/30 min以上可以达到泡沫印花要求［7，13］。涂料印花利用增稠剂将涂料机械地覆盖在织物表面，易造成织物手感粗硬、印制时堵塞网孔等问题，尤其在大面积印花时更明显。而泡沫涂料印花借助泡沫的膨胀性降低涂料密度，在刮刀的带动下涂料透过筛网渗透到纤维表面，减少纱线粘结，提升手感，提高轮廓清晰度。同时在印制过程中不堵网，减少平网印花过程中的溅色现象和辊筒印花时的拖刀、阴色串色现象，保持衬布清洁，减少清洗［15］。

增稠剂用量的降低有效地解决了印花及烘干过程中煤油挥发带来的环境污染和生产安全问题，极大地改善了劳动生产条件。经某毛巾印花厂生产实验鉴定，使用泡沫印花技术的被单质量比涂料印花提高约10%，面巾、枕巾成本比涂料印花降低54%以上［21］。在泡沫印花加工过程中通常不使用胶类和糊料，可以减轻后处理的洗涤负担。在此基础上，涂料泡沫印花的工艺流程较短，大大减轻了劳动强度。

4 结语

泡沫印花技术在不断开发实践中逐步发展出一条新的道路，人们将更关注和挖掘泡沫印花技术在绿色生产方面带来的经济效益，提高纺织企业生产效率和产品质量以适应社会需要。泡沫印花技术低带液率的特点和工艺条件的限制，要求纺织印染企业选择合适的助剂和泡沫施加方式，提高泡沫印花浆的均匀性和稳定性，对印花纺织品的润湿性和渗透性提出了更高的要求，注重印花产品质量的提升，泡沫印花设备的加工精确性也有待提高。开发绿色环保且适应泡沫印花加工要求的助剂、提高泡沫印花设备的清洁生产性能迫在眉睫。近年来，有关开关表面活性剂的研究正逐步发展，为今后的研究工作带来契机和思路。印花加工过程中泡沫的流变性、触变性等理论研究还不太成熟，给工业化生产带来困难，泡沫印花的生产研究还需不断探索和改进。