新型泡沫染整概述

费 良，殷允杰，王潮霞

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

1 泡沫染整发展

泡沫染整是一种低给液加工技术，以空气部分代替水作为载体，将染化料的浓溶液（悬浊液）与空气混合形成泡沫，再通过管道均匀同步地运输到施加器，最后施加到织物上，从而完成前处理、染色、印花、后整理等加工工序。而在传统染整工序中，一般以水作为染料和各种助剂的传递介质，加上后续水洗等工序，整个纺织品的加工过程耗水量巨大。而且所用到的水需要从纺织品上去除，不仅需要消耗大量的能源，还浪费水资源［1］。泡沫染整作为一种新型染整技术，在节能环保的同时，还能赋予织物特殊的风格［2］，越来越受到人们的关注。

泡沫染整的演变主要分为3 个阶段。第一阶段起源于20 世纪初，泡沫技术开始应用到纺织品工业领域，人们开始有意识地将泡沫技术与纺织技术相结合。直到20 世纪中期，世界范围内发生能源危机，更多的人开始关注新型染整技术，而泡沫染整作为一种新型的节能技术首先在欧美国家发展起来。

第二阶段为泡沫染整技术的快速发展阶段，最早开始实际应用是在1970 年以后，首先在美国、日本等国开始兴起。1980 年前后，我国对泡沫染整技术进行研究与应用，开发了新型的泡沫施加设备（SP 辊筒式）和发泡机（YJ-D200-800 型），但当时的技术水平、设备落后，人们的环保意识也不高，在应用过程中工艺难控制，产品质量差，生产成本高，这种新型染整技术未得到科研人员以及企业的推广［3］。至1986年，采用泡沫染整工艺的公司已达54 家，生产加工织物12 亿m 以上［4］。但此时大多数织物属于泡沫整理织物，而泡沫染色对染化料在织物上的均匀性要求更高，丝毫差异就可能导致产品瑕疵，尤其是在单色染色过程中，任何步骤产生不均匀现象，都会造成面料明显的染色不匀，所以当时泡沫染色技术的发展落后于泡沫整理。随着泡沫染色匀染性问题的日益突出，人们都在实际生产过程中想办法来避开或者解决这个问题。美国专利4388740 中报道了一种泡沫无规则的染色方式，结合新型设备，通过无规则、无重复的方式对织物施加泡沫，最终产品质量达到要求，适用于无纺织物、起绒织物、机织物、地毯等。

随着泡沫技术的发展，目前泡沫染整的研究、开发以及后续应用推广逐步减慢，这是由于现在的设备以及技术产生了瓶颈，包括机械的自动化、染料助剂的开发、设备的精细化控制、软件系统等，另一个原因是生产成本高于常规染整加工［5］。目前，因为水资源短缺和能源危机，泡沫染整研究又开始兴起，许多企业都生产了适用于工业化生产的泡沫染整机械，如Neovi-foam 发泡染整设备、Autofoam 泡沫染色系统（Datacolor）等［6］。近年来，泡沫染整不断发展，专利数量不断上升（如图1 所示），泡沫技术用于染整方面具有巨大的研究与潜在应用价值［7］。

图1 近20 年泡沫染整专利公开数量（数据来自中国知网）

2 泡沫染整加工过程及设备

泡沫染整加工过程包括泡沫发生、施加、输送（泡沫加工器）、调控施加量等，主要涉及泡沫发生和泡沫施加两个过程。两者都需要泡沫控制系统进行调控，在泡沫染整中影响织物的最终效果。根据泡沫发生器中工作液以及空气流量能精确控制发泡比；通过协调车速、泡沫施加量以及发泡比，可调控织物上染料或整理液的施加量以及均匀性。根据不同参数系统可以计算出染化料的消耗量以及加工效率。

2.1 泡沫发生过程及设备

泡沫是体积密度接近气体的气液分散体系［4］，以一种亚稳态形式存在，因此泡沫破裂是一种自发过程，而在泡沫产生的过程中需要外加能量［8］。含有染化料的泡沫工作液能够在外力作用下形成均匀的泡沫，工作液存在于液膜中，因此在泡沫产生时需要泡沫发生装置为整个泡沫体系提供能量。泡沫发生器是将工作液与空气充分混合，通过多层金属网或者转子与定子间的相对转动形成泡沫［9］，泡沫发生器可分为静态发泡器和动态发泡器两种。

静态发泡器通过工作液加压对空气和工作液体积进行计量，并通入空气使之产生大量泡沫，或者将工作液与空气混合通入特定容器（含排列紧密的塑料、钢屑以及玻璃球等），然后在压力作用下将泡沫推出（如图2 所示）。静态发泡器种类可以分为填料式和网式两种。填料式静态发泡器是混合有空气的工作液通过填料之间的间隙从而产生气泡，过程中无需外力，但一般发泡数量不多，发泡比的控制范围较窄，不适用于大规模生产加工［10］；而网式静态发泡器类似于填料式静态发泡器，填料部分替换成网状材料，当混合有空气的工作液通过这些多孔间隙时可形成致密的泡沫，加工过程也无需外力，其中发泡比、泡沫直径等可通过网状材料的空隙大小、数量来控制，可针对各个工艺进行调节［3］。

图2 静态发泡器结构示意图［9］

动态发泡器通过交流电机带动转子产生剪切力形成泡沫，主要由混合头、液压泵、泡沫输送装置以及计量装置组成。混合头是提供压力和剪切力的容器，含有定子和转子［11］。动态泡沫发生器可调节转动速度从而控制发泡量以及泡沫稳定性，适合多种生产工艺，但设备内部结构比较复杂，初期投入较多。目前，动态泡沫发生器主要有轴心式和辐射式两种（如图3 所示）。轴心式动态泡沫发生器的工作原理是通过转子和定子之间相对运动产生的剪切力使空气和工作液混合产生泡沫，在交流电机的作用下，通过变频调速调控发泡比，也可以调节定子和转子之间的空隙进行控制，适用于多种工艺。同时，这种发泡器的泡沫比较稳定、可控性强，但加工难度大，成本较高。辐射式动态泡沫发生器含有双转盘结构，在电机作用下，双转盘转动，工作液通过转盘之间的空隙，在离心力作用下，质量不同的泡沫运动距离不同，泡沫被均匀分散。但这种发泡器的工作距离是转盘直径的两倍左右，比前者的路径长得多。

图3 动态发泡器结构示意图［9］

2.2 泡沫施加过程及消泡

泡沫施加器根据织物的种类选用相应的施加或涂覆装置，然后将泡沫施加到织物上，在液体向织物内部扩散之前需要进行消泡处理。在泡沫到达织物表面的过程中，要确保泡沫走过的路径相同，在幅宽方向泡沫稳定性一致（如图4所示）。

图4 泡沫施加器示意图［12］

对织物上的泡沫进行消泡的方法有很多，最简单的方法是通过毛细管作用抽吸织物表面泡沫中的液体，泡沫还可以通过挤压辊、压力器或抽真空等方式破灭。

根据泡沫施加方式，泡沫施加装置可以分为刮刀式、挤压式、导辊式以及抽真空式等［13］（如图5 所示）。在泡沫技术发展之初，最早的泡沫施加设备是卧式轧车，这种施加装置主要用于机织物的泡沫处理。泡沫稳定性是影响泡沫加工最终效果的重要因素，泡沫稳定性不足，泡沫提前破裂，会在轧辊缝隙处产生积液，从而影响均匀性；而泡沫过于稳定，当织物通过轧辊时泡沫不破裂，同样也会影响均匀性以及处理效果。对于泡沫较稳定的系统，可以选用刮刀式泡沫施加装置，通过刮刀的剪切力使泡沫破裂。狭缝式泡沫施加器具有光电传感器，能够确保泡沫在织物幅宽方向上均匀分布，织物本身的带液率可以通过织物速度、工作液流速、发泡比等参数来调节。

图5 泡沫施加装置

泡沫施加器需根据织物类型进行选择。对于渗透性好的薄型织物，可选用刮刀式、辊筒式、网带式、狭缝式等施加装置，能够在无压力条件下进行泡沫施加；对于厚重织物或者润湿性差的织物，可选用喷射式施加装置施加泡沫，泡沫通过一定的压力施加到织物上，有利于泡沫向织物内部渗透，实现均匀涂覆；对于绒类织物，可选用刮刀加真空抽吸式装置进行施加，有利于染料的渗透，同时避免绒毛根部与肩部不匀的问题。还可根据所需要的加工效果选用不同的施加装置，如单面染色、整理和双面染色、整理。

3 泡沫染整的优势

3.1 节能减排

在泡沫染整过程中，将空气作为载体代替水起传输介质的作用，空气在整个工作液体系中的比例越大，对水的消耗就越少。由于织物的带液率低，虽然所需的染化料浓度高，但染化料的利用率比轧染高，可减少染料以及其他染整助剂的使用，例如节省活性染料约15%、涂料约40%，在节约成本的同时也减少了染化料的排放与污染［14］。如表1 所示，相比传统染色技术，泡沫染色技术耗水耗能更少，常规轧染工艺织物的带液率为70%～90%［15-16］，而泡沫染色中纺织品的带液率通常在30%～50%，含水量下降40%以上，节水40%，可提高生产效率［17-18］，而且污水排放量也有所下降，减少了污水治理成本。如表2 所示，织物带液量少，减轻了后续烘燥工段的压力，可降低烘燥温度，缩短烘燥时间，降低能耗60%［16-19］。

表1 泡沫染色和轧染的比较

表2 泡沫整理和常规整理能耗对比［16］

3.2 双面织物风格

泡沫控制系统能够调控泡沫施加器中工作液与空气的百分比，精确调节带液量和施加到织物内部的深度［22］。根据施加泡沫的方式以及泡沫的带液率，泡沫控制系统可以调控织物携带染液渗透的深度，即可只作用于纺织品表面，也可以浸透纺织品，因此能够达到常规轧染没有的织物风格。在应用过程中，一些厚重织物可以实现双面双功能，如在正面施加防水整理，在反面施加亲水整理，从而达到防水透湿的效果，两种功能有多样化的选择；通过控制作用深度可达到双面都防水，而中间层亲水（双拨单吸）的特殊效果；也可以对织物进行双面异色处理，即两面具有不同的颜色，这是浸轧法无法实现的［22-23］。

3.3 织物性能改善

泡沫染整将工作液以泡沫的形式作用于织物表面，随后向内部传递，与涂层技术相比，加工织物具有手感好、柔软度高的特点。涂层时，染化料助剂一般只覆盖在织物表面，形成一层具有一定厚度的膜，而在织物内部或者组织结构之间很少存在，因此相较染色织物，这种膜结构的存在会影响织物的手感、耐洗性能等。泡沫染整加工技术本质上与浸轧加工没有太大区别，只是在工作液的形态以及施加方式上作出改进，以泡沫的形式施加到织物上，泡沫破裂后能够快速渗透到织物内部，因此对加工织物的手感、柔软度以及色牢度影响较小。

4 泡沫染整的挑战及展望

目前泡沫染整在发展过程中主要有3 方面的挑战：（1）泡沫染整设备的制约，对单面处理、双面异色或双面双功能等产品进行泡沫染整加工的设备精度还不够，尤其是染色对均匀性以及泡沫的渗透程度要求较高；（2）助剂以及染化料的制约，相对来说，泡沫染整染化料和助剂浓度都较高，pH 和离子环境复杂，许多助剂以及染化料不能适应这种工作液体系；（3）泡沫处理问题，为达到泡沫染整加工效果，会加入一定量的助剂来维持泡沫的稳定，但废液中残留的发泡剂容易在处理过程中产生新的泡沫，给泡沫处理造成困难，如果直接排放则会造成严重的环境污染。

泡沫染整可作为一种清洁生产方式应用于染整行业，技术理论和设备的更迭推动着泡沫染整技术的发展。其独特的带液方式可以达到节能节水的效果，同时这种加工方法可使织物具有不一样的风格，如双面双功能、双面异色等。泡沫染整在发展过程中也存在诸多不足，如染色的均匀性、设备的精度以及相关助剂等问题还有待解决，但这种技术符合当代绿色生产的方向，仍具有较大的应用前景，并且随着泡沫技术的不断进步会表现出独有的价值。