費 良，殷允杰，王潮霞

（江南大學紡織科學與工程學院生態(tài)紡織教育部重點實驗室，江蘇無錫 214122）

1 泡沫染整發(fā)展

泡沫染整是一種低給液加工技術，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，再通過管道均勻同步地運輸?shù)绞┘悠鳎詈笫┘拥娇椢锷?，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，加上后續(xù)水洗等工序，整個紡織品的加工過程耗水量巨大。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，還浪費水資源［1］。泡沫染整作為一種新型染整技術，在節(jié)能環(huán)保的同時，還能賦予織物特殊的風格［2］，越來越受到人們的關注。

泡沫染整的演變主要分為3 個階段。第一階段起源于20 世紀初，泡沫技術開始應用到紡織品工業(yè)領域，人們開始有意識地將泡沫技術與紡織技術相結合。直到20 世紀中期，世界范圍內(nèi)發(fā)生能源危機，更多的人開始關注新型染整技術，而泡沫染整作為一種新型的節(jié)能技術首先在歐美國家發(fā)展起來。

第二階段為泡沫染整技術的快速發(fā)展階段，最早開始實際應用是在1970 年以后，首先在美國、日本等國開始興起。1980 年前后，我國對泡沫染整技術進行研究與應用，開發(fā)了新型的泡沫施加設備（SP 輥筒式）和發(fā)泡機（YJ-D200-800 型），但當時的技術水平、設備落后，人們的環(huán)保意識也不高，在應用過程中工藝難控制，產(chǎn)品質量差，生產(chǎn)成本高，這種新型染整技術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54 家，生產(chǎn)加工織物12 億m 以上［4］。但此時大多數(shù)織物屬于泡沫整理織物，而泡沫染色對染化料在織物上的均勻性要求更高，絲毫差異就可能導致產(chǎn)品瑕疵，尤其是在單色染色過程中，任何步驟產(chǎn)生不均勻現(xiàn)象，都會造成面料明顯的染色不勻，所以當時泡沫染色技術的發(fā)展落后于泡沫整理。隨著泡沫染色勻染性問題的日益突出，人們都在實際生產(chǎn)過程中想辦法來避開或者解決這個問題。美國專利4388740 中報道了一種泡沫無規(guī)則的染色方式，結合新型設備，通過無規(guī)則、無重復的方式對織物施加泡沫，最終產(chǎn)品質量達到要求，適用于無紡織物、起絨織物、機織物、地毯等。

隨著泡沫技術的發(fā)展，目前泡沫染整的研究、開發(fā)以及后續(xù)應用推廣逐步減慢，這是由于現(xiàn)在的設備以及技術產(chǎn)生了瓶頸，包括機械的自動化、染料助劑的開發(fā)、設備的精細化控制、軟件系統(tǒng)等，另一個原因是生產(chǎn)成本高于常規(guī)染整加工［5］。目前，因為水資源短缺和能源危機，泡沫染整研究又開始興起，許多企業(yè)都生產(chǎn)了適用于工業(yè)化生產(chǎn)的泡沫染整機械，如Neovi-foam 發(fā)泡染整設備、Autofoam 泡沫染色系統(tǒng)（Datacolor）等［6］。近年來，泡沫染整不斷發(fā)展，專利數(shù)量不斷上升（如圖1 所示），泡沫技術用于染整方面具有巨大的研究與潛在應用價值［7］。

圖1 近20 年泡沫染整專利公開數(shù)量（數(shù)據(jù)來自中國知網(wǎng)）

2 泡沫染整加工過程及設備

泡沫染整加工過程包括泡沫發(fā)生、施加、輸送（泡沫加工器）、調控施加量等，主要涉及泡沫發(fā)生和泡沫施加兩個過程。兩者都需要泡沫控制系統(tǒng)進行調控，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；通過協(xié)調車速、泡沫施加量以及發(fā)泡比，可調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)可以計算出染化料的消耗量以及加工效率。

2.1 泡沫發(fā)生過程及設備

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)過程，而在泡沫產(chǎn)生的過程中需要外加能量［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)生時需要泡沫發(fā)生裝置為整個泡沫體系提供能量。泡沫發(fā)生器是將工作液與空氣充分混合，通過多層金屬網(wǎng)或者轉子與定子間的相對轉動形成泡沫［9］，泡沫發(fā)生器可分為靜態(tài)發(fā)泡器和動態(tài)發(fā)泡器兩種。

靜態(tài)發(fā)泡器通過工作液加壓對空氣和工作液體積進行計量，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填料之間的間隙從而產(chǎn)生氣泡，過程中無需外力，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，當混合有空氣的工作液通過這些多孔間隙時可形成致密的泡沫，加工過程也無需外力，其中發(fā)泡比、泡沫直徑等可通過網(wǎng)狀材料的空隙大小、數(shù)量來控制，可針對各個工藝進行調節(jié)［3］。

圖2 靜態(tài)發(fā)泡器結構示意圖［9］

動態(tài)發(fā)泡器通過交流電機帶動轉子產(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，含有定子和轉子［11］。動態(tài)泡沫發(fā)生器可調節(jié)轉動速度從而控制發(fā)泡量以及泡沫穩(wěn)定性，適合多種生產(chǎn)工藝，但設備內(nèi)部結構比較復雜，初期投入較多。目前，動態(tài)泡沫發(fā)生器主要有軸心式和輻射式兩種（如圖3 所示）。軸心式動態(tài)泡沫發(fā)生器的工作原理是通過轉子和定子之間相對運動產(chǎn)生的剪切力使空氣和工作液混合產(chǎn)生泡沫，在交流電機的作用下，通過變頻調速調控發(fā)泡比，也可以調節(jié)定子和轉子之間的空隙進行控制，適用于多種工藝。同時，這種發(fā)泡器的泡沫比較穩(wěn)定、可控性強，但加工難度大，成本較高。輻射式動態(tài)泡沫發(fā)生器含有雙轉盤結構，在電機作用下，雙轉盤轉動，工作液通過轉盤之間的空隙，在離心力作用下，質量不同的泡沫運動距離不同，泡沫被均勻分散。但這種發(fā)泡器的工作距離是轉盤直徑的兩倍左右，比前者的路徑長得多。

圖3 動態(tài)發(fā)泡器結構示意圖［9］

2.2 泡沫施加過程及消泡

泡沫施加器根據(jù)織物的種類選用相應的施加或涂覆裝置，然后將泡沫施加到織物上，在液體向織物內(nèi)部擴散之前需要進行消泡處理。在泡沫到達織物表面的過程中，要確保泡沫走過的路徑相同，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］

對織物上的泡沫進行消泡的方法有很多，最簡單的方法是通過毛細管作用抽吸織物表面泡沫中的液體，泡沫還可以通過擠壓輥、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、導輥式以及抽真空式等［13］（如圖5 所示）。在泡沫技術發(fā)展之初，最早的泡沫施加設備是臥式軋車，這種施加裝置主要用于機織物的泡沫處理。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，會在軋輥縫隙處產(chǎn)生積液，從而影響均勻性；而泡沫過于穩(wěn)定，當織物通過軋輥時泡沫不破裂，同樣也會影響均勻性以及處理效果。對于泡沫較穩(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織物速度、工作液流速、發(fā)泡比等參數(shù)來調節(jié)。

圖5 泡沫施加裝置

泡沫施加器需根據(jù)織物類型進行選擇。對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，能夠在無壓力條件下進行泡沫施加；對于厚重織物或者潤濕性差的織物，可選用噴射式施加裝置施加泡沫，泡沫通過一定的壓力施加到織物上，有利于泡沫向織物內(nèi)部滲透，實現(xiàn)均勻涂覆；對于絨類織物，可選用刮刀加真空抽吸式裝置進行施加，有利于染料的滲透，同時避免絨毛根部與肩部不勻的問題。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

3.1 節(jié)能減排

在泡沫染整過程中，將空氣作為載體代替水起傳輸介質的作用，空氣在整個工作液體系中的比例越大，對水的消耗就越少。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，泡沫染色技術耗水耗能更少，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)整理能耗對比［16］

3.2 雙面織物風格

泡沫控制系統(tǒng)能夠調控泡沫施加器中工作液與空氣的百分比，精確調節(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，因此能夠達到常規(guī)軋染沒有的織物風格。在應用過程中，一些厚重織物可以實現(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，從而達到防水透濕的效果，兩種功能有多樣化的選擇；通過控制作用深度可達到雙面都防水，而中間層親水（雙撥單吸）的特殊效果；也可以對織物進行雙面異色處理，即兩面具有不同的顏色，這是浸軋法無法實現(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，與涂層技術相比，加工織物具有手感好、柔軟度高的特點。涂層時，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)部或者組織結構之間很少存在，因此相較染色織物，這種膜結構的存在會影響織物的手感、耐洗性能等。泡沫染整加工技術本質上與浸軋加工沒有太大區(qū)別，只是在工作液的形態(tài)以及施加方式上作出改進，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)展過程中主要有3 方面的挑戰(zhàn)：（1）泡沫染整設備的制約，對單面處理、雙面異色或雙面雙功能等產(chǎn)品進行泡沫染整加工的設備精度還不夠，尤其是染色對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，相對來說，泡沫染整染化料和助劑濃度都較高，pH 和離子環(huán)境復雜，許多助劑以及染化料不能適應這種工作液體系；（3）泡沫處理問題，為達到泡沫染整加工效果，會加入一定量的助劑來維持泡沫的穩(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，如果直接排放則會造成嚴重的環(huán)境污染。

泡沫染整可作為一種清潔生產(chǎn)方式應用于染整行業(yè)，技術理論和設備的更迭推動著泡沫染整技術的發(fā)展。其獨特的帶液方式可以達到節(jié)能節(jié)水的效果，同時這種加工方法可使織物具有不一樣的風格，如雙面雙功能、雙面異色等。泡沫染整在發(fā)展過程中也存在諸多不足，如染色的均勻性、設備的精度以及相關助劑等問題還有待解決，但這種技術符合當代綠色生產(chǎn)的方向，仍具有較大的應用前景，并且隨著泡沫技術的不斷進步會表現(xiàn)出獨有的價值。