微纳米气泡在棉织物碱退浆工艺中的适用性

王开苗，梁颜玲，张旭芳，杨秀稳，李育博

（1.山东轻工职业学院，山东淄博 255300；2.天泓环境科技有限责任公司，山东淄博 255300）

微纳米气泡是指气泡直径介于纳米气泡和微米气泡之间的气泡混合体，直径一般在数百纳米到几十微米［1］。采用微纳米气泡发生装置对进水进行加压溶气（空气），出水高频振动粉碎，获取微纳米气泡水。分散在水中的微气泡为微米和纳米气泡的混合，其中，粒径为20～40 μm 的气泡占70%左右，粒径为100～500 nm 的气泡占30%左右。微纳米气泡自发现起就以其不同于普通气泡的优异特性受到人们的关注。2002 年，《Science》刊登了4 篇关于微纳米气泡技术的相关研究成果；2006 年，微纳米气泡技术被评为10 大科技之一［2］。多项研究表明，微纳米气泡具有水中停留时间长、呈负电性、氧传质效率高、自身吸附性强等特性，会产生自由基，具有自我增压性和溶解性，破裂时产生局部高能量［3-4］。由于这些特性，近年来微纳米气泡技术发展迅速，被应用到各个领域中［5-6］，大多用于深度水处理、水产养殖、地下水修复、河道修复、废气治理等相关环境领域［7-8］。

在纺织品印染加工中，棉退浆主要采用碱、酶、热水以及混合方式等。传统的退浆工艺为了保证退浆效果，需要消耗大量的蒸汽、水以及烧碱等。本研究将微纳米气泡技术应用到棉织物碱退浆中，探讨微纳米气泡在不同碱退浆工艺中对退浆效果的影响，分析了微纳米气泡在棉织物退浆工艺中的适用性，并优化了碱退浆工艺。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料：40×40 全棉平纹坯布（毛效1.20 cm，白度57.37，断裂强力647.47 N。浆料成分为变性淀粉+PVA，鲁丰织染有限公司）；液碱（28%），螯合分散剂SD-45，净洗剂630（淄博大染坊丝绸集团有限公司），软化水，微纳米气泡软化水。

仪器：微纳米气泡发生装置（产量1 m3/h，天泓环境科技有限责任公司），WSB-Ⅳ智能白度测试仪，YGB71 毛细管效应测定仪，YG026M 电子织物强力机，JY2004 电子分析天平，GHG-9053A 型电热恒温鼓风干燥箱，40 L多用控温热水桶。

1.2 实验工艺

取质量约为30 g 的棉坯布多块，去除毛边纱线后，对边线进行缝合，防止纱线在处理过程中脱落影响实验结果。

退浆水洗工艺配方：NaOH 用量x，螯合分散剂2 g/L，净洗剂2 g/L，浴比1∶50。退浆水洗液的配制：在多用控温热水桶中加入水→开启微纳米气泡发生器（接入空气压缩机）→以自循环方式生成微纳米气泡水（调节流量转子，压力表读数0.4 MPa，观察水质为乳白色）→按配方配制退浆水洗液。

工艺流程：配制退浆水洗液→升温至规定温度→投入棉坯布5 块→微纳米气泡水洗退浆至规定时间（或普通水洗退浆至规定时间）→脱水→烘干。

1.3 测试

退浆率用失重率表征，计算式如下：

拉伸断裂强力：参照GB/T 411—2008，将退浆处理后的棉织物样品剪成5 cm×20 cm 大小，在恒温恒湿实验室（温度25 ℃，相对湿度60%）内平衡24 h，在电子织物强力机上测试。

白度：参照GB/T 29490—2013，将退浆处理后的棉织物样品折叠4 层，在智能式数字白度仪上测量，每个样品测试3次，取平均值。

毛效：参照FZ/T 01071—2008《纺织品毛细效应试验方法》，将退浆处理后的棉织物样品剪成3 cm×20 cm 大小，在恒温恒湿实验室（温度为25 ℃，相对湿度为60%）内平衡24 h，用毛细管效应测试仪测试，每个样品测试3 次，取平均值。所用重铬酸钾溶液温度为25 ℃，测试时间为5 min。

2 结果与讨论

2.1 微纳米气泡对棉织物碱退浆效果的影响

由表1 可知，在同等条件下，微纳米气泡辅助碱退浆效果好于常规碱退浆。

表1 微纳米气泡辅助碱退浆、常规碱退浆效果

续表1

比较表1、表2的数据可以得出，微纳米气泡可以有效提高棉织物的退浆效果；在无碱条件下仍可以达到一定的退浆率，同时织物的毛效、白度也有一定提高。因为在水中的微纳米气泡近距离接触退浆织物表面时，部分微气泡在织物界面发生破裂产生局部高能，提高了浆料分子脱离纤维表面的动能；另一方面，稳定性好的小粒径纳米气泡因具有极大的比表面积，对浆料分子产生高吸附力。这些作用均能提高浆料分子脱离纤维表面的速度，改善退浆水洗效能。因微纳米气泡的氧传质效率高，会产生自由基，分析认为微纳米气泡可能对浆料分子有一定的氧化降解作用，可以提高浆料的易洗涤性。

表2 微纳米气泡无碱水洗退浆效果

2.2 微纳米气泡辅助棉织物碱退浆的影响因素

2.2.1 碱用量

由图1 可以看出，在80 ℃条件下，随着碱用量的增加，退浆速率快速提高，而后退浆速率变化缓慢，到一定值后，提高碱用量退浆率反而下降；处理40 min时退浆效果最好，且织物退浆率在碱用量2 g/L 时达到最大值。故碱用量可以选择2 g/L。

图1 碱用量对微纳米气泡辅助碱退浆效果的影响

碱用量变化对微纳米气泡辅助碱退浆的效果表明，低碱用量（不高于3 g/L）更能发挥微纳米气泡的助洗效能。因为水中微纳米气泡表面因吸附OH-而带负电荷，类似于胶体微粒，在低质量浓度碱溶液体系中，微纳米气泡周围可以吸附更多的OH-，增大气泡间的静电斥力，使其在水中的稳定性提高，加大微气泡进入膨化浆料分子间隙、浆料与纤维分子间隙的概率，从而加快浆料脱离纤维表面的速度，提高退浆率。但当碱用量超过限值时，盐效应成为影响微纳米气泡作用的主要因素，导致部分微纳米气泡稳定性下降而破裂，大量已经脱除、被微纳米气泡表面吸附的浆料被重新释放，增加了退浆液的黏度；溶液黏度的增大不但会减少微纳米气泡装置产生气泡的数量，也会使水中的浆料分子重新粘附于纤维上，最终表现为碱用量增加，退浆率不升反而下降。

2.2.2 温度

由图2 可知，随着温度的升高，织物的退浆速率增加，在80 ℃时出现拐点（50 min 的曲线除外），退浆率达到最大，继续升温，退浆率变化不大，因此，微纳米气泡碱退浆工艺温度选择80 ℃。在相同温度条件下，40 min 的退浆效果最好；短时间（低于30 min）的退浆率较低；长时间（50 min）的退浆率变化主要受温度影响，基本等同于传统碱退浆工艺。

图2 温度对微纳米气泡辅助碱退浆效果的影响

2.2.3 时间

由图3 可知，随着时间的延长，织物退浆率提高，当退浆时间少于30 min 时，退浆率较低，达不到工艺要求；40 min 后失重率反而有所下降（90 ℃除外），因此，微纳米气泡碱退浆工艺时间选择40 min。微纳米气泡辅助碱退浆效能显著发生在温度70～80 ℃，时间30～40 min。

图3 时间对微纳米气泡辅助碱退浆效果的影响

综合温度及时间对微纳米气泡辅助碱退浆效果的影响，从退浆机理上分析，纤维表面浆膜的膨化或浆料分子的降解是易退浆洗涤的关键，与温度和时间呈正向关系。在温度低、时间短的条件下，纤维表面的浆膜还未能很好地膨化，浆料分子与纤维分子之间、浆料分子相互之间的作用点多，拆开的力量不够，不易洗涤脱除，故退浆率低。当退浆时间达30 min后，浆膜的膨化度提高，且随温度的升高膨化加快；当温度到达80 ℃时，浆膜已经充分膨化，比较图2 和图3 可见，40 min 时退浆率最高。此后温度再升高，时间再延长，退浆率反而有所下降。这是因为微纳米气泡在退浆液黏度升高、温度过高时数量会减少，影响粒径大小及其分布，助洗效能降低，导致部分已经脱除的浆料分子又重新粘附于纤维表面。

3 结论

（1）微纳米气泡作用于棉织物的退浆效果突出，在无碱条件下仍可以达到较高的退浆率，同时织物毛效、白度也有一定提高。

（2）在同等条件下，微纳米气泡碱退浆效果优于常规碱退浆。在达到同一退浆要求的前提下，微纳米气泡碱退浆工艺可以有效缩短时间，降低温度，减少碱用量。

（3）微纳米气泡棉布退浆水洗的优化工艺为：碱用量2 g/L，时间40 min，温度80 ℃。