新型泡沫染整概述

費(fèi) 良，殷允杰，王潮霞

（江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫 214122）

1 泡沫染整發(fā)展

泡沫染整是一種低給液加工技術(shù)，以空氣部分代替水作為載體，將染化料的濃溶液（懸濁液）與空氣混合形成泡沫，再通過(guò)管道均勻同步地運(yùn)輸?shù)绞┘悠?，最后施加到織物上，從而完成前處理、染色、印花、后整理等加工工序。而在傳統(tǒng)染整工序中，一般以水作為染料和各種助劑的傳遞介質(zhì)，加上后續(xù)水洗等工序，整個(gè)紡織品的加工過(guò)程耗水量巨大。而且所用到的水需要從紡織品上去除，不僅需要消耗大量的能源，還浪費(fèi)水資源［1］。泡沫染整作為一種新型染整技術(shù)，在節(jié)能環(huán)保的同時(shí)，還能賦予織物特殊的風(fēng)格［2］，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

泡沫染整的演變主要分為3 個(gè)階段。第一階段起源于20 世紀(jì)初，泡沫技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用到紡織品工業(yè)領(lǐng)域，人們開(kāi)始有意識(shí)地將泡沫技術(shù)與紡織技術(shù)相結(jié)合。直到20 世紀(jì)中期，世界范圍內(nèi)發(fā)生能源危機(jī)，更多的人開(kāi)始關(guān)注新型染整技術(shù)，而泡沫染整作為一種新型的節(jié)能技術(shù)首先在歐美國(guó)家發(fā)展起來(lái)。

第二階段為泡沫染整技術(shù)的快速發(fā)展階段，最早開(kāi)始實(shí)際應(yīng)用是在1970 年以后，首先在美國(guó)、日本等國(guó)開(kāi)始興起。1980 年前后，我國(guó)對(duì)泡沫染整技術(shù)進(jìn)行研究與應(yīng)用，開(kāi)發(fā)了新型的泡沫施加設(shè)備（SP 輥筒式）和發(fā)泡機(jī)（YJ-D200-800 型），但當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平、設(shè)備落后，人們的環(huán)保意識(shí)也不高，在應(yīng)用過(guò)程中工藝難控制，產(chǎn)品質(zhì)量差，生產(chǎn)成本高，這種新型染整技術(shù)未得到科研人員以及企業(yè)的推廣［3］。至1986年，采用泡沫染整工藝的公司已達(dá)54 家，生產(chǎn)加工織物12 億m 以上［4］。但此時(shí)大多數(shù)織物屬于泡沫整理織物，而泡沫染色對(duì)染化料在織物上的均勻性要求更高，絲毫差異就可能導(dǎo)致產(chǎn)品瑕疵，尤其是在單色染色過(guò)程中，任何步驟產(chǎn)生不均勻現(xiàn)象，都會(huì)造成面料明顯的染色不勻，所以當(dāng)時(shí)泡沫染色技術(shù)的發(fā)展落后于泡沫整理。隨著泡沫染色勻染性問(wèn)題的日益突出，人們都在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中想辦法來(lái)避開(kāi)或者解決這個(gè)問(wèn)題。美國(guó)專利4388740 中報(bào)道了一種泡沫無(wú)規(guī)則的染色方式，結(jié)合新型設(shè)備，通過(guò)無(wú)規(guī)則、無(wú)重復(fù)的方式對(duì)織物施加泡沫，最終產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到要求，適用于無(wú)紡織物、起絨織物、機(jī)織物、地毯等。

隨著泡沫技術(shù)的發(fā)展，目前泡沫染整的研究、開(kāi)發(fā)以及后續(xù)應(yīng)用推廣逐步減慢，這是由于現(xiàn)在的設(shè)備以及技術(shù)產(chǎn)生了瓶頸，包括機(jī)械的自動(dòng)化、染料助劑的開(kāi)發(fā)、設(shè)備的精細(xì)化控制、軟件系統(tǒng)等，另一個(gè)原因是生產(chǎn)成本高于常規(guī)染整加工［5］。目前，因?yàn)樗Y源短缺和能源危機(jī)，泡沫染整研究又開(kāi)始興起，許多企業(yè)都生產(chǎn)了適用于工業(yè)化生產(chǎn)的泡沫染整機(jī)械，如Neovi-foam 發(fā)泡染整設(shè)備、Autofoam 泡沫染色系統(tǒng)（Datacolor）等［6］。近年來(lái)，泡沫染整不斷發(fā)展，專利數(shù)量不斷上升（如圖1 所示），泡沫技術(shù)用于染整方面具有巨大的研究與潛在應(yīng)用價(jià)值［7］。

圖1 近20 年泡沫染整專利公開(kāi)數(shù)量（數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)知網(wǎng)）

2 泡沫染整加工過(guò)程及設(shè)備

泡沫染整加工過(guò)程包括泡沫發(fā)生、施加、輸送（泡沫加工器）、調(diào)控施加量等，主要涉及泡沫發(fā)生和泡沫施加兩個(gè)過(guò)程。兩者都需要泡沫控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，在泡沫染整中影響織物的最終效果。根據(jù)泡沫發(fā)生器中工作液以及空氣流量能精確控制發(fā)泡比；通過(guò)協(xié)調(diào)車速、泡沫施加量以及發(fā)泡比，可調(diào)控織物上染料或整理液的施加量以及均勻性。根據(jù)不同參數(shù)系統(tǒng)可以計(jì)算出染化料的消耗量以及加工效率。

2.1 泡沫發(fā)生過(guò)程及設(shè)備

泡沫是體積密度接近氣體的氣液分散體系［4］，以一種亞穩(wěn)態(tài)形式存在，因此泡沫破裂是一種自發(fā)過(guò)程，而在泡沫產(chǎn)生的過(guò)程中需要外加能量［8］。含有染化料的泡沫工作液能夠在外力作用下形成均勻的泡沫，工作液存在于液膜中，因此在泡沫產(chǎn)生時(shí)需要泡沫發(fā)生裝置為整個(gè)泡沫體系提供能量。泡沫發(fā)生器是將工作液與空氣充分混合，通過(guò)多層金屬網(wǎng)或者轉(zhuǎn)子與定子間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)形成泡沫［9］，泡沫發(fā)生器可分為靜態(tài)發(fā)泡器和動(dòng)態(tài)發(fā)泡器兩種。

靜態(tài)發(fā)泡器通過(guò)工作液加壓對(duì)空氣和工作液體積進(jìn)行計(jì)量，并通入空氣使之產(chǎn)生大量泡沫，或者將工作液與空氣混合通入特定容器（含排列緊密的塑料、鋼屑以及玻璃球等），然后在壓力作用下將泡沫推出（如圖2 所示）。靜態(tài)發(fā)泡器種類可以分為填料式和網(wǎng)式兩種。填料式靜態(tài)發(fā)泡器是混合有空氣的工作液通過(guò)填料之間的間隙從而產(chǎn)生氣泡，過(guò)程中無(wú)需外力，但一般發(fā)泡數(shù)量不多，發(fā)泡比的控制范圍較窄，不適用于大規(guī)模生產(chǎn)加工［10］；而網(wǎng)式靜態(tài)發(fā)泡器類似于填料式靜態(tài)發(fā)泡器，填料部分替換成網(wǎng)狀材料，當(dāng)混合有空氣的工作液通過(guò)這些多孔間隙時(shí)可形成致密的泡沫，加工過(guò)程也無(wú)需外力，其中發(fā)泡比、泡沫直徑等可通過(guò)網(wǎng)狀材料的空隙大小、數(shù)量來(lái)控制，可針對(duì)各個(gè)工藝進(jìn)行調(diào)節(jié)［3］。

圖2 靜態(tài)發(fā)泡器結(jié)構(gòu)示意圖［9］

動(dòng)態(tài)發(fā)泡器通過(guò)交流電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生剪切力形成泡沫，主要由混合頭、液壓泵、泡沫輸送裝置以及計(jì)量裝置組成?；旌项^是提供壓力和剪切力的容器，含有定子和轉(zhuǎn)子［11］。動(dòng)態(tài)泡沫發(fā)生器可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)速度從而控制發(fā)泡量以及泡沫穩(wěn)定性，適合多種生產(chǎn)工藝，但設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，初期投入較多。目前，動(dòng)態(tài)泡沫發(fā)生器主要有軸心式和輻射式兩種（如圖3 所示）。軸心式動(dòng)態(tài)泡沫發(fā)生器的工作原理是通過(guò)轉(zhuǎn)子和定子之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剪切力使空氣和工作液混合產(chǎn)生泡沫，在交流電機(jī)的作用下，通過(guò)變頻調(diào)速調(diào)控發(fā)泡比，也可以調(diào)節(jié)定子和轉(zhuǎn)子之間的空隙進(jìn)行控制，適用于多種工藝。同時(shí)，這種發(fā)泡器的泡沫比較穩(wěn)定、可控性強(qiáng)，但加工難度大，成本較高。輻射式動(dòng)態(tài)泡沫發(fā)生器含有雙轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，在電機(jī)作用下，雙轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，工作液通過(guò)轉(zhuǎn)盤之間的空隙，在離心力作用下，質(zhì)量不同的泡沫運(yùn)動(dòng)距離不同，泡沫被均勻分散。但這種發(fā)泡器的工作距離是轉(zhuǎn)盤直徑的兩倍左右，比前者的路徑長(zhǎng)得多。

圖3 動(dòng)態(tài)發(fā)泡器結(jié)構(gòu)示意圖［9］

2.2 泡沫施加過(guò)程及消泡

泡沫施加器根據(jù)織物的種類選用相應(yīng)的施加或涂覆裝置，然后將泡沫施加到織物上，在液體向織物內(nèi)部擴(kuò)散之前需要進(jìn)行消泡處理。在泡沫到達(dá)織物表面的過(guò)程中，要確保泡沫走過(guò)的路徑相同，在幅寬方向泡沫穩(wěn)定性一致（如圖4所示）。

圖4 泡沫施加器示意圖［12］

對(duì)織物上的泡沫進(jìn)行消泡的方法有很多，最簡(jiǎn)單的方法是通過(guò)毛細(xì)管作用抽吸織物表面泡沫中的液體，泡沫還可以通過(guò)擠壓輥、壓力器或抽真空等方式破滅。

根據(jù)泡沫施加方式，泡沫施加裝置可以分為刮刀式、擠壓式、導(dǎo)輥式以及抽真空式等［13］（如圖5 所示）。在泡沫技術(shù)發(fā)展之初，最早的泡沫施加設(shè)備是臥式軋車，這種施加裝置主要用于機(jī)織物的泡沫處理。泡沫穩(wěn)定性是影響泡沫加工最終效果的重要因素，泡沫穩(wěn)定性不足，泡沫提前破裂，會(huì)在軋輥縫隙處產(chǎn)生積液，從而影響均勻性；而泡沫過(guò)于穩(wěn)定，當(dāng)織物通過(guò)軋輥時(shí)泡沫不破裂，同樣也會(huì)影響均勻性以及處理效果。對(duì)于泡沫較穩(wěn)定的系統(tǒng)，可以選用刮刀式泡沫施加裝置，通過(guò)刮刀的剪切力使泡沫破裂。狹縫式泡沫施加器具有光電傳感器，能夠確保泡沫在織物幅寬方向上均勻分布，織物本身的帶液率可以通過(guò)織物速度、工作液流速、發(fā)泡比等參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)。

圖5 泡沫施加裝置

泡沫施加器需根據(jù)織物類型進(jìn)行選擇。對(duì)于滲透性好的薄型織物，可選用刮刀式、輥筒式、網(wǎng)帶式、狹縫式等施加裝置，能夠在無(wú)壓力條件下進(jìn)行泡沫施加；對(duì)于厚重織物或者潤(rùn)濕性差的織物，可選用噴射式施加裝置施加泡沫，泡沫通過(guò)一定的壓力施加到織物上，有利于泡沫向織物內(nèi)部滲透，實(shí)現(xiàn)均勻涂覆；對(duì)于絨類織物，可選用刮刀加真空抽吸式裝置進(jìn)行施加，有利于染料的滲透，同時(shí)避免絨毛根部與肩部不勻的問(wèn)題。還可根據(jù)所需要的加工效果選用不同的施加裝置，如單面染色、整理和雙面染色、整理。

3 泡沫染整的優(yōu)勢(shì)

3.1 節(jié)能減排

在泡沫染整過(guò)程中，將空氣作為載體代替水起傳輸介質(zhì)的作用，空氣在整個(gè)工作液體系中的比例越大，對(duì)水的消耗就越少。由于織物的帶液率低，雖然所需的染化料濃度高，但染化料的利用率比軋染高，可減少染料以及其他染整助劑的使用，例如節(jié)省活性染料約15%、涂料約40%，在節(jié)約成本的同時(shí)也減少了染化料的排放與污染［14］。如表1 所示，相比傳統(tǒng)染色技術(shù)，泡沫染色技術(shù)耗水耗能更少，常規(guī)軋染工藝織物的帶液率為70%～90%［15-16］，而泡沫染色中紡織品的帶液率通常在30%～50%，含水量下降40%以上，節(jié)水40%，可提高生產(chǎn)效率［17-18］，而且污水排放量也有所下降，減少了污水治理成本。如表2 所示，織物帶液量少，減輕了后續(xù)烘燥工段的壓力，可降低烘燥溫度，縮短烘燥時(shí)間，降低能耗60%［16-19］。

表1 泡沫染色和軋染的比較

表2 泡沫整理和常規(guī)整理能耗對(duì)比［16］

3.2 雙面織物風(fēng)格

泡沫控制系統(tǒng)能夠調(diào)控泡沫施加器中工作液與空氣的百分比，精確調(diào)節(jié)帶液量和施加到織物內(nèi)部的深度［22］。根據(jù)施加泡沫的方式以及泡沫的帶液率，泡沫控制系統(tǒng)可以調(diào)控織物攜帶染液滲透的深度，即可只作用于紡織品表面，也可以浸透紡織品，因此能夠達(dá)到常規(guī)軋染沒(méi)有的織物風(fēng)格。在應(yīng)用過(guò)程中，一些厚重織物可以實(shí)現(xiàn)雙面雙功能，如在正面施加防水整理，在反面施加親水整理，從而達(dá)到防水透濕的效果，兩種功能有多樣化的選擇；通過(guò)控制作用深度可達(dá)到雙面都防水，而中間層親水（雙撥單吸）的特殊效果；也可以對(duì)織物進(jìn)行雙面異色處理，即兩面具有不同的顏色，這是浸軋法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的［22-23］。

3.3 織物性能改善

泡沫染整將工作液以泡沫的形式作用于織物表面，隨后向內(nèi)部傳遞，與涂層技術(shù)相比，加工織物具有手感好、柔軟度高的特點(diǎn)。涂層時(shí)，染化料助劑一般只覆蓋在織物表面，形成一層具有一定厚度的膜，而在織物內(nèi)部或者組織結(jié)構(gòu)之間很少存在，因此相較染色織物，這種膜結(jié)構(gòu)的存在會(huì)影響織物的手感、耐洗性能等。泡沫染整加工技術(shù)本質(zhì)上與浸軋加工沒(méi)有太大區(qū)別，只是在工作液的形態(tài)以及施加方式上作出改進(jìn)，以泡沫的形式施加到織物上，泡沫破裂后能夠快速滲透到織物內(nèi)部，因此對(duì)加工織物的手感、柔軟度以及色牢度影響較小。

4 泡沫染整的挑戰(zhàn)及展望

目前泡沫染整在發(fā)展過(guò)程中主要有3 方面的挑戰(zhàn)：（1）泡沫染整設(shè)備的制約，對(duì)單面處理、雙面異色或雙面雙功能等產(chǎn)品進(jìn)行泡沫染整加工的設(shè)備精度還不夠，尤其是染色對(duì)均勻性以及泡沫的滲透程度要求較高；（2）助劑以及染化料的制約，相對(duì)來(lái)說(shuō)，泡沫染整染化料和助劑濃度都較高，pH 和離子環(huán)境復(fù)雜，許多助劑以及染化料不能適應(yīng)這種工作液體系；（3）泡沫處理問(wèn)題，為達(dá)到泡沫染整加工效果，會(huì)加入一定量的助劑來(lái)維持泡沫的穩(wěn)定，但廢液中殘留的發(fā)泡劑容易在處理過(guò)程中產(chǎn)生新的泡沫，給泡沫處理造成困難，如果直接排放則會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

泡沫染整可作為一種清潔生產(chǎn)方式應(yīng)用于染整行業(yè)，技術(shù)理論和設(shè)備的更迭推動(dòng)著泡沫染整技術(shù)的發(fā)展。其獨(dú)特的帶液方式可以達(dá)到節(jié)能節(jié)水的效果，同時(shí)這種加工方法可使織物具有不一樣的風(fēng)格，如雙面雙功能、雙面異色等。泡沫染整在發(fā)展過(guò)程中也存在諸多不足，如染色的均勻性、設(shè)備的精度以及相關(guān)助劑等問(wèn)題還有待解決，但這種技術(shù)符合當(dāng)代綠色生產(chǎn)的方向，仍具有較大的應(yīng)用前景，并且隨著泡沫技術(shù)的不斷進(jìn)步會(huì)表現(xiàn)出獨(dú)有的價(jià)值。