泡沫整理技术的应用进展

泡沫整理技术的应用进展 泡沫整理工艺是受20世纪70年代能源危机的影响，在国外迅速发展起来的一种低给液、高节能的染整加工技术。它是将气体通入含有 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面活性剂的工作液中，通过混合剪切后生成众多微小气泡组成的体积庞大的泡沫，替代染整浴中的水，然后被施加到织物上，使织物的带液率由传统的60%～80%下降到15%～30%，从而可节约烘燥能耗50%以上。此外，它还具有降低蒸发过程中染化料泳移、提高生产车速、节约染化料和减少废水排放等诸多优点，因此引起了人们的普遍关注。我国曾在上世纪80年代掀起了一波研究开发的高潮，其相关技术成果先后被国内许多印染企业应用，生产加工了各种织物近亿米，产品经质量检验合格后被投放到国内外市场。但限于当时的生产设备自动化程度不高、操作繁琐和人们环保意识薄弱，此项节能技术没有得到应有的发展[4]。近年来，随着能源紧张和水资源缺乏，人们的环保意识大大增强；国家加大了对自然环境的保护力度，严格实行节能、降耗、减排的政策；各印染企业在降低生产成本、减少能源消耗和废水排放方面的压力倍增，这些因素使得泡沫整理这项节能效果非常显著的染整加工技术重新受到人们的重视和青睐。据悉，国内外一些科研单位和企业正在积极研发新的泡沫整理设备和相关工艺，采用先进的计算机控制技术，大大提高了机器的自动化程度，降低了操作难度，提高了生产效率。 1、泡沫整理的新进展 新一代泡沫整理技术发展，人们将更为关注和挖掘泡沫整理技术的节能减排性能，泡沫整理设备的清洁生产的性能，以及所生产出来的产品是否适应社会的特需要。国家“十一五”规划提出要以生态观念和符合绿色环保的要求开发新技术和新设备。近年来我国印染设备正朝着生态环保、节能降耗、省时高效等方面发展。要实现生态染整，首先要从能耗大、环境污染严重的传统印染机械和工艺入手。于是，国内外许多科研单位和印染企业开始研发新的泡沫整理设备和工艺，并已取得了一定的进展和突破。 上海太平洋机电集团印染机械分公司与东华大学合作研制了新型动态圆筒狭缝式泡沫整理设备，该项目在浙江绍兴某印染厂进行了生产应用试验，并取得了成功。该泡沫整理机是典型的低给液、高节能型设备，主要用于纯棉、化纤及其混纺织物的柔软、树脂、防水、上浆、增白等各类泡沫整理。该机型节能降耗显著，能使配液耗水量下降50%～70%，化学药剂耗量降低5%~10%，节省烘燥热能55%以上。经树脂整理后织物含湿量低，可避免织物在烘干时产生“泳移”，减少了表面树脂，弹性指标高于常规浸轧整理。而且，该设备可与热定形机、松式烘干机、预缩机配合使用。 香港DTC（Datacolor）科技有限公司生产的Autofoam泡沫整理系统目前在欧洲表现出色。该系统采用独特的双转盘动态式发泡器和全自动的控制器，并开发了四种不同的施泡机，分别适用于一般布料的化学品整理；地毯的背胶、PU或聚丙烯酸酯涂层、装饰布的阻燃整理；长毛地毯的防污、防水、防虫和抗菌整理和无纺布的纤维粘结加工等。用户可根据自身的实际情况，对加工织物的品种、加工要求和质量、经济性能等因素合理选择所需施泡机类型。我国江苏、广东等地有些印染企业也购置和使用了该泡沫整理系统，主要用来进行各种织物的给湿拉幅和某些织物的后整理加工。 杭州永和纺织品涂层有限公司生产的智能发泡机RH-FD系列用于遮光窗帘、遮光卷帘、沙发布、植绒装饰布和服装面料的防水、阻燃等泡沫涂层整理，产品质量指标达到英国BS5852标准[5]。 美国Gaston Systems&Unichem公司推出的CFS泡沫整理系统是一种高效、节能、环保型设备体系，用于在低湿度环境下将泡沫化的化合物准确地施加于基布上（或基布中），如纺织品、地毯、无纺布等。该系统适合于不同品种织物的加工，不受织物组织结构及其组成的影响，可对织物进行单面或双面加工。由于该系统能使染化药剂在织物上正确定位，以致染化药剂用量减少、生产成本下降、产品质量提高、织物风格改善，而且节能环保。同时，该技术将不会仅限于对织物的整理与涂层，其应用将会拓展到对织物的染色加工[3]。 荷兰斯托克（STORK）公司CFT涂层和整理系统利用泡沫发生器把后整理剂做成泡沫状，施加于织物上，使织物的带水率由传统的65%降低到30%，减少了烘干机的负担，节省能源50%以上。 2、泡沫整理的机理 2.1泡沫的稳定机理 泡沫是热力学不稳定体系，根据Gibbs原理，体系总是趋向于表面能较低的状态，因此泡沫有自发破裂的倾向。整个状态如图2-1所示。泡沫的稳定性及流动性是决定其在实际生产中可行性的两个重要因素。泡沫稳定性是指泡沫保持其所含液体及维持自身存在的能力，主要取决于排液的快慢和液膜的强度。气泡间的液体在压力和重力的作用下总在不断地被排出，液膜逐渐变薄，这是由于气、液相对密度和界面两侧之间的压差引起的。体相粘度大的液体，排液速度慢，因而泡沫较稳定[9]。当排液至一定程度，即气泡液膜薄至一定程度时，气泡是否还稳定，主要取决于界面保护膜的粘度、膜强度、气体透过能力、界面上的分子密度及电荷密度等因素。泡沫的稳定性用泡沫半衰期表示，半衰期越长，泡沫越稳定。另外，相同条件下的发泡原液其发泡倍率越大，泡沫越均匀，也就越稳定，这是因为产生的泡沫中含空气量越多，液膜含液量少，排液较慢，半衰期较长。 图2-1  泡沫状态演变图 2.2发泡剂和稳定剂的选择 常用发泡剂有阴离子型的十六烷基磺酸钠（AS），十二烷基硫酸钠（SDS），十二烷基苯磺酸钠（ABS）等；非离子型的有烷基醇聚氧乙烯醚，烷基酚聚氧乙烯醚，椰油酰二乙醇胺（洗涤剂6501）等。近年来，为了满足生态环保需要，开发出一些新型绿色表面活性剂，如烷基糖苷（APG）、烷基葡萄糖酰胺（APA）、天然茶皂素、松香聚氧乙烯酯（RPGC）和某些Gemini型表面活性剂均具有良好的发泡性能，是比较理想的环保型发泡剂[6]。一般阳离子型表面活性剂发泡能力差且价格较贵，故很少使用；阴离子型发泡剂起泡速度快，但形成泡沫的稳定性较差；而非离子型发泡剂起泡性能稍差，但泡沫稳定性较好，且相容性好，能与各种离子型表面活性剂复配，不受树脂整理液中金属盐的影响。对于不同泡沫整理工艺，应采用相应类型的发泡剂，需防止发泡剂与整理剂不相容，影响整理效果。 泡沫稳定剂主要有两类。第一类是增粘型稳定剂，主要是通过提高发泡液的粘度来减缓泡沫的排液速率，延长泡沫半衰期，从而提高泡沫的稳定性，属于此类物质的有聚乙烯醇（PVA）、羧甲基纤维素（CMC）、羟乙基纤维素（HEC）等[7]；第二类稳定剂其主要作用是提高泡沫薄膜的质量，增加薄膜的粘弹性，减少泡沫的透气性，从而提高泡沫的稳定性，如在SDS中加入正十二醇就是属于这种情况。在实际使用过程中，将羟乙基纤维素和十二醇混合使用，既提高了发泡液的本体粘度，又提高了泡沫液膜的表面粘度，大大增加了泡沫的稳定性。 2.3泡沫整理设备 泡沫整理设备主要由控制系统、发泡装置和泡沫施加装置三大部份组成。发泡装置主要分为三大类:填料式静态发泡器、多级网式静态发泡器和动态泡沫发生器（如图2、图4、图5所示）[1]。泡沫施加装置大致可以归纳为六种：刮刀式，辊筒式，橡毯真空抽吸式，网带式，圆网式和狭缝式。以上海太平洋机电集团印染机械分公司生产的动态狭缝式泡沫整理系统为例，它主要包括控制系统、泡沫发生器和泡沫施加器三部分，其构成和加工流程（如图1）所示。该系统最大的特点是采用智能微机控制系统，可根据加工织物的品种和规格，通过触摸式操作界面设定和正确控制生产工艺参数，如发泡量、发泡比等。发泡器采用目前流行的动态式泡沫发生器（见图2），通过转子与定子的相对转动将液体和气体剪切混合后形成泡沫，具有重演性好、可控性强和发泡倍率范围广等优点。泡沫施加器采用圆筒狭缝式泡沫施加装置（见图3），其特点是泡沫依次通过狭缝涂敷到织物上，并在压力状态下迅速渗透到织物内部，不易产生空壳泡，而且泡沫在织物上的施加均匀性好[2]。 图4  填料式静态发泡器结构示意图 图5 动态泡沫发生器结构示意图 3、功能整理的评价方法 3.1泡沫质量 其中一个限制因素是泡沫形成中的化学和物理性能及泡沫质量。必须考虑所有涉及的因素，包括织物的结构和重量、吸水性和泡沫蜂窝状结构，以及最佳的输送和更新条件。 泡沫由大量分布于液体中的气泡组成，其内主要是气相。气泡的尺寸、形状以及分布取决于液体的性质和组分，还有气体(空气)以及泡沫的制备方法和温度[10]。 这些因素必须可控，以确保获得均匀连续的泡沫结构。 在泡沫生成后不久，气泡内的气体有从小泡向较大泡扩散的趋势，因而发生泡簇重排。较大的气泡将升至泡沫的上层，从而产生织物污渍。 该工艺必须是稳定的和可控的，以获得均匀的施加。形成泡壁表面的液体必须具有一定的粘度和透气性，它将决定气泡的稳定性和扩散进入较大气泡的能力。不透气的高粘度薄膜将产生稳固的泡沫，透气的低粘度薄膜产生的泡沫不稳定，且由于气泡薄膜的破裂而造成高排液[12]。 稳固的低排液泡沫表现为球状气泡，而不稳固泡沫表现为多面体气泡。 3.2　起泡要求 （1）配方中所有组分必须很容易起泡。所选的每一组分在进入工厂应用前必须先在实验室进行试验。一些单独起泡的成分在组合使用时也许不能发挥很好的作用。目前用于整理的大部分化学试剂都是适用的，但也有例外，如有机硅柔软剂和含消泡剂的产品。 （2）采用泡沫加工的织物应均匀地进行前处理，具有均匀的吸水性，特别是在没有压力的工作场合，如卧式轧车、刮刀和圆网施加装置。 （3）选择合适的发泡剂非常关键，因为它决定了泡沫的结构以及输送至织物的分散均匀性。其离子活性应能与混合物中所有的其它化学组分相容。同时它对色牢度和整理质量影响非常小。 （4）泡沫的稳定性也非常重要。输送至织物的泡沫必须具有最低的稳定性，以便在送至织物的过程中保持其特性，但在接触后快速破裂。 4、展望 泡沫技术是一项新型的、方兴未艾的节能技术。它具有设备投资少，操作方便，工艺简单易行，控制灵活等特点。除此之外，还能减轻污水处理负担，每一万米布可节水35吨以上[11]。目前，泡沫技术正朝着泡沫印花、泡沫染色的方向发展，达到印染不用水或少用水的目标已为期不远。我们相信，随着广大印染企业逐步采用泡沫整理等新技术，不仅能够节约大量宝贵的能源，同时将彻底根治印染工业废水污染这一环境问题。