印染行業(yè)需要耗費(fèi)大量能源，據(jù)統(tǒng)計(jì)紡織發(fā)泡劑工業(yè)排放的廢水中大部分是來自印染行業(yè)[1]，因此眾多 研究者都將目光集中在能真正降低成本、綠色生產(chǎn) 的技術(shù)上，而泡沫染整正是這樣一種低給液、高節(jié)能 的工藝。泡沫整理是泡沫染整加工中首先得以發(fā)展 應(yīng)用的技術(shù)，而泡沫染色技術(shù)也早在二十世紀(jì)七八 十年代時就興起。李大偉等[2]開展泡沫染色研究， 在發(fā)泡劑與染料的配伍和選擇、泡沫在絨類織物上 的多彩染色工藝上取得一定成果。文獻(xiàn)[3]介紹了 還原染料的懸浮體泡沫染色工藝，系統(tǒng)分析了最佳 染色條件以及色織物牢度等的影響因素。李連舉 等[4]分析非織造布染色性能，探討了水刺非織造布 的泡沫染色工藝，對水刺法非織布泡沫染色的影響 因素研究獲得滿意的結(jié)果。李永庚[5]對泡沫整理 發(fā)泡原液以及泡沫性能進(jìn)行了研究，并取得與常規(guī) 整理加工產(chǎn)品相同的質(zhì)量指標(biāo)，體現(xiàn)了泡沫整理的 優(yōu)越性。李柯等[6]對活性染料對棉織物的泡沫染 色過程進(jìn)行了工藝優(yōu)化，獲得較好的工藝重現(xiàn)性，但由于當(dāng)時染色裝備發(fā)展還未匹配，導(dǎo)致染色不勻等， 因而未被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)。

 

如今，泡沫染色設(shè)備已有較大發(fā)展。本文研究 活性染料泡沫染色技術(shù)中泡沫染色液的起泡性及穩(wěn) 定性，將純化后的活性染料染色液發(fā)泡，通過研究起 泡性和泡沫穩(wěn)定性系統(tǒng)地選擇性能良好的發(fā)泡劑和 穩(wěn)定劑組合;并模擬車間環(huán)境溫度條件，在40 ^下 研究染料活性艷紅KE -3B和幾種重要助劑的濃度 對有色泡沫穩(wěn)定性的影響。

 

1實(shí)驗(yàn)部分1.1儀器與試劑儀器：高腳量杯（上海寶山啟航玻璃儀器廠）、 D2025W型電動攪拌器（上海司樂儀器有限公 司）、7 6 -1A型數(shù)顯恒溫玻璃水浴槽（江蘇省金壇 市榮華儀器制造有限公司）、布氏漏斗、抽濾瓶、電 子天平。

 

試劑：十二烷基硫酸鈉（SDS)(上海精細(xì)化工材 料研究所，化學(xué)純），十二烷基苯磺酸鈉、十六烷基 三甲基溴化銨、尿素（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司， 分析純），十二烷基磺酸鈉、吐溫80、甜菜堿BS-12、 十二醇、海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉、聚乙烯醇 1750 ±50(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，化學(xué)純）， 聚丙烯酰胺3 000 000(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公 司，工業(yè)級），平平加〇(浙江科峰化工有限公司，工 業(yè)級），瓜爾膠（鄭州市中原區(qū)豐和化工商行，工業(yè) 級），氯化鈉（上海凌峰化學(xué)試劑有限公司，分析 純），活性艷紅 KE -3B(C. I. Reactive Red 120,江蘇 宜興振揚(yáng)染料有限公司）。

 

1.2 實(shí)驗(yàn)方法 1.2.1發(fā)泡方法研究發(fā)泡體系的泡沫性質(zhì)時采用機(jī)械攪拌法進(jìn) 行發(fā)泡，具體發(fā)泡方法：在800 mL燒杯中配制 100 mL的發(fā)泡溶液后，置于帶有雙層螺旋槳葉的電 動攪拌器下攪拌，控制轉(zhuǎn)速1 〇〇〇 r/min的條件下攪 拌3 min01.2.2發(fā)泡液發(fā)泡比的測定攪拌結(jié)束后，將泡沫迅速倒人事先準(zhǔn)備好且已 知量程的高腳量杯中，直至裝滿；同時立即按下秒表 開始計(jì)時，并且對倒入泡沫進(jìn)行稱量。根據(jù)下式計(jì) 算發(fā)泡比：發(fā)泡比=發(fā)泡前一定體積發(fā)泡液質(zhì)量/發(fā)泡后 等體積泡沫質(zhì)量M.-/Vd{.1VrffoamM[o>m/F Mhim式中：B/?為發(fā)泡比;Mliq為量杯容量的發(fā)泡液質(zhì)量； Mf_為量杯容量的泡沫質(zhì)量；F為量杯容積，本文的 發(fā)泡原液密度可近似為1 g/mL。

 

最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和上述公式計(jì)算得發(fā)泡比， 這可作為發(fā)泡液的發(fā)泡性能指標(biāo)之一。

 

1.2.3泡沫穩(wěn)定性的測定泡沫穩(wěn)定性通常用半衰期來衡量。當(dāng)泡沫析出 總含液量質(zhì)量一半的液體（通過量杯上刻度讀出） 時，讀出秒表時間作為半衰期。

 

實(shí)驗(yàn)考慮到染整工廠里車間溫度較高，特別夏 天車間溫度高于40為使實(shí)驗(yàn)條件接近實(shí)際情況，本文模擬工廠條件，在設(shè)定溫度為40 ^的恒溫 水浴槽中配備發(fā)泡液、并且高腳量杯實(shí)驗(yàn)測定實(shí)驗(yàn) 結(jié)果。

 

2結(jié)果與討論2.1不同類型發(fā)泡劑的泡沬性能比較發(fā)泡劑為表面活性劑，具有高表面活性、有效降 低溶液的表面張力等特點(diǎn)，并且在機(jī)械作用下能促 進(jìn)泡沫的形成[7]。本文根據(jù)發(fā)泡劑在水溶液中所 呈現(xiàn)的電性分類，分別選擇了陽離子型、陰離子型、 非離子型和兩性型發(fā)泡劑進(jìn)行研究，各種發(fā)泡劑的 泡沫性能研究結(jié)果見表1。

 

表1不同類型發(fā)泡劑的泡沫性能Tab. 1 Foam properties of different types of frothers類別名稱發(fā)泡比半衰期/S十二烷基硫酸鈉6. 266190.92陰離子型十二烷基苯磺酸鈉6.501143. 07十二烷基磺酸鈉//陽離子型十六烷基三甲基溴化銨6.207104.80非離子型吐溫80//平平加0//兩性型甜菜堿5.638153.98注：所有發(fā)泡劑質(zhì)量濃度均為5 g/L。

 

由表i數(shù)據(jù)可知：所選擇的發(fā)泡劑中陰離子型 的十二烷基硫酸鈉（以下簡稱SDS)穩(wěn)定性最高（半 衰期最長），同時其起泡性（發(fā)泡比）也較高；十二烷 基苯磺酸鈉雖然發(fā)泡比高，但其半衰期偏短；陽離子 型十六烷基三甲基溴化銨的發(fā)泡比中等，但半衰期 很短；兩性型甜菜堿半衰期中等，但發(fā)泡比很低；而 陰離子型的十二烷基磺酸鈉和非離子型的吐溫80、 平平加〇起泡性都較差。另外，SDS成本低，毒性 低，生物降解度高達(dá)90%以上[8],因此本文選擇 SDS作為實(shí)驗(yàn)的發(fā)泡劑。

 

2.2發(fā)泡劑質(zhì)量濃度對泡沫性能的影響 發(fā)泡劑是發(fā)泡體系的主要成分，發(fā)泡劑分子在 溶液表面形成雙電層，使體系趨向于較低表面能的 狀態(tài)，通過Marangoni效應(yīng)即表面張力驅(qū)動對流來 促進(jìn)泡沫穩(wěn)定。而根據(jù)代靜等W的研究，Marangoni 對流對傳質(zhì)的影響力不是無限的，只能在一定范圍 內(nèi)促進(jìn)傳質(zhì)過程的進(jìn)行。因此研究SDS濃度對發(fā) 泡性能的影響，結(jié)果見圖1。

 

由圖1可知，隨著SDS質(zhì)量濃度的增加，發(fā)泡 比和半衰期均明顯上升，這是因?yàn)榘l(fā)泡劑在溶液界 面上的吸附量增加，表面張力降低，發(fā)泡比和半衰期 均增加;然而，當(dāng)達(dá)到臨界膠束濃度時，發(fā)泡劑在溶 液表面的吸附量達(dá)到最大值，根據(jù)Marangoni對流 對傳質(zhì)的特點(diǎn)，繼續(xù)增加濃度并不會促進(jìn)Marangoni 效應(yīng)，因此圖中泡沫的發(fā)泡比和半衰期開始趨向一 個平衡值，本文綜合泡沫性能和經(jīng)濟(jì)成本將SDS質(zhì) 量濃度定在2 g/L。

 

2.3穩(wěn)定劑復(fù)配組合及其濃度的確定泡沫穩(wěn)定劑是發(fā)泡體系中重要的輔助組分，泡 沫穩(wěn)定劑根據(jù)作用機(jī)制可分為增強(qiáng)型和增黏型2大 類。增強(qiáng)型穩(wěn)定劑有十二醇，十二烷基硫酸鈉為發(fā) 泡劑的發(fā)泡液中加人十二醇后，十二烷基硫酸鈉的 活性基團(tuán)硫酸根與十二醇的羥基形成氫鍵，降低雙 電層液膜表面SDS親水基間的靜電斥力，增加界面 上SDS分子的密度，提高液膜強(qiáng)度，增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定 性[1°];增黏型穩(wěn)定劑則通過提高溶液粘度來減緩泡 沫排液速率，延長半衰期，從而提高泡沫的穩(wěn)定 性["_13],如CMC、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、瓜爾膠和海藻酸鈉等均屬于增黏型穩(wěn)定劑。

 

表2示出2 g/L SDS中加人2. 5 g/L各種穩(wěn)定 劑后發(fā)泡液的泡沫性質(zhì)。

 

表2加入不同穩(wěn)定劑下的泡沫液性質(zhì)比較 Tab. 2 Compare of foam properties of adding different stabilizers穩(wěn)定劑類型穩(wěn)定劑名稱發(fā)泡比半衰期/S增強(qiáng)型十二醇5.418561.07瓜爾膠3.9923 744.88增黏型海藻酸鈉5. 174842. 08羧甲基纖維素鈉5.089829. 04聚乙烯醇6. 151180. 38注：表中為2g/LSDS+2. 5g/L各種穩(wěn)定劑下的泡沫性質(zhì)。

 

表2結(jié)果說明，在本文研究的所有穩(wěn)定劑中增 強(qiáng)型穩(wěn)定劑十二醇發(fā)泡性較好，具有一定穩(wěn)定性;增 黏型穩(wěn)定劑瓜爾膠發(fā)泡比較低，但半衰期長，具有最 好的穩(wěn)定性，海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉、聚乙烯醇 的發(fā)泡比也均較好，但半衰期略短，而聚丙烯酰胺作 為穩(wěn)定劑的重現(xiàn)性很差，其發(fā)泡液起泡困難，不適合 作為本文實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定劑。泡沫穩(wěn)定性在泡沫染色中 是較重要的因素，穩(wěn)定性較高的穩(wěn)定劑可以較低濃 度就獲得較高穩(wěn)定性，利于減少染色成本，瓜爾膠雖 然發(fā)泡比較低，但在所選穩(wěn)定劑中它具有最高穩(wěn)定 性。綜上，選擇十二醇和瓜爾膠作為發(fā)泡體系的復(fù) 配穩(wěn)定劑。圖2、3示出穩(wěn)定劑十二醇和瓜爾膠的濃 度分別對泡沫性能的影響。

 

從圖2可看出，隨十二醇濃度增加，發(fā)泡液的發(fā) 泡比變化較小，而半衰期隨濃度增大而增加，當(dāng)質(zhì)量 濃度達(dá)到1.5 g/L后半衰期趨于穩(wěn)定；從圖3可看 出，隨瓜爾膠濃度的增加，發(fā)泡液的半衰期持續(xù)增加，而發(fā)泡比一直降低，當(dāng)瓜爾膠質(zhì)量濃度為2 g/L 時，半衰期較高而且瓜爾膠濃度也適宜。因此，綜合 考慮選擇1. 5 g/L的十二醇和2 g/L的瓜爾膠分別 和復(fù)配后加人SDS發(fā)泡體系，結(jié)果如圖4所示。

 

SDS、十二醇、瓜爾膠質(zhì)量濃度分別為2、1.5、 2 g/L。從圖4可知，2種穩(wěn)定劑復(fù)配效果遠(yuǎn)比任何 單一穩(wěn)定劑的穩(wěn)定性好，原因如下：一方面，2種穩(wěn) 定劑分子在界面膜上形成復(fù)合膜，協(xié)同作用增加泡 沫液膜的黏彈性[6];另一方面，瓜爾膠主要成分為 半乳甘露聚糖，其分子上的羥基能與十二醇的醇輕 基間形成氫鍵，促進(jìn)液膜界面上形成大分子間的交 聯(lián)，增強(qiáng)泡沫薄膜的空間結(jié)構(gòu)，提高液膜強(qiáng)度，使液 膜排液破裂更加困難[13]。

 

2.4染料、NaCl等對發(fā)泡性能的影響泡沫染色染液中染料是主要組分之一，無機(jī)鹽、 堿劑和尿素是活性染料染色中必須的添加劑，而且 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這些因素對泡沫性能有重要影響。因此， 本文分別設(shè)計(jì)染料、無機(jī)鹽、純堿和尿素等對泡沫性 質(zhì)影響的頭驗(yàn)〇

 

2.4.1活性染料質(zhì)霣濃度對泡沫性能的影響本文中用的活性染料帶有磺酸基，在堿性條件 下呈陰離子型，其電性會影響泡沫性質(zhì)，因此研究活 性染料濃度對泡沫性能的影響。在2 g/LSDS、1.2g/L十二醇、1.6 g/L瓜爾膠的發(fā)泡液中加人不 同濃度純化的商品活性艷紅KE-3B,研究其濃度對 泡沫性能的影響，結(jié)果見圖5。

 

染料濃度較低時，泡沫穩(wěn)定性大體上有略微提 高的趨勢；隨著染料濃度繼續(xù)上升，泡沫液發(fā)泡性隨 染料濃度變化不大；而泡沫半衰期由2 000 s降至1000 s，并趨于穩(wěn)定。

 

實(shí)驗(yàn)用染料雖經(jīng)過提純，但仍含少量（約3%) 的無機(jī)鹽NaCl。染料濃度較低時，所含少量鹽中的 Na+可使吸附的陰離子型發(fā)泡劑分子頭間靜電斥力 降低，壓縮界面雙電層，因而有增強(qiáng)泡膜穩(wěn)定的作 用[14]，泡沫液半衰期增至2 〇〇〇s。當(dāng)染料濃度繼續(xù) 上升時，染料成為影響泡沫性能的主要因素，本文實(shí) 驗(yàn)用活性艷紅KE-3B是陰離子性的染料，溶液中染 料陰離子電荷與SDS發(fā)生靜電斥力作用，使界面上 排列的SDS分子變得稀松，一定程度破壞雙電層結(jié) 構(gòu)，使液膜強(qiáng)度降低，穩(wěn)定性下降。

 

2.4.2NaCl、尿素、純堿對有色泡沫性能的影響 活性染料常規(guī)染色中使用到的助劑如NaCl、尿 素和純堿均可能會影響到有色泡沫性能，分別向2g/L SDS、1. 2 g/L 十二醇、1.6 g/L 瓜爾膠、5 g/L 純活性艷紅KE-3B的有色發(fā)泡液中加人不同濃度 的NaCl、尿素和純堿，其濃度對有色泡沫體系性能 的影響如圖6 ~8所示。

 

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泡沫半衰期隨NaCl質(zhì)量濃度的增加 急速下降，直至NaCl質(zhì)量濃度升到1 g/L(此時Na +V?稱升 o o o o o 6 200 118400.'■kV路牌并o o o006020002 4002 0000.0 ■圖6氯化鈉質(zhì)量濃度對有色泡沫的性能影響 Fig. 6 Effects of concentration of NaCl on foam properties-發(fā)泡比~128^ .?半雜24〇〇

 

00020406080100120尿素質(zhì)置濃度/(g*L，濃度大概〇。 017 mol/L)時半衰期下降至800 S附近 出現(xiàn)平緩，而發(fā)泡比變化不大。原因是直接加人的 NaCl濃度較高，根據(jù)李柯等[14]的分析，過高濃度的 Na +增加SDS膠束的聚集數(shù)和分散度，減弱層理化 作用，液膜間膠束也從SDS雙電層逐漸變?yōu)閱螌优?列，有些SDS分子甚至從液膜邊緣滑脫出去，導(dǎo)致 液膜上靜電斥力減弱，液膜排液加速，泡沫穩(wěn)定性大 大下降[15_16]。因此，考慮到NaCl對泡沫性能影響 較大，在活性染料泡沫染色中盡量避免加人NaCl等鹽類。

 

尿素在活性染料染色中，能使活性染料在溶液 中的溶解度增加，在染色配液中起助溶的作用。實(shí) 驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，剛加人尿素時泡沫半衰期明顯下降至 1 200 S左右，而隨著加入尿素濃度繼續(xù)增加，發(fā)泡 液的半衰期變化不大。可以推測，因?yàn)槟蛩?H2 N—CO—NH2是小分子，在溶液中不易電離出電 荷離子，從電荷角度不會影響SDS雙電層結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn) 結(jié)果說明尿素使泡沫體系的穩(wěn)定性略微下降，后期繼 續(xù)增加尿素濃度時對泡沫體系的性能影響較小。

 

純堿的加入也使泡沫半衰期降低，但沒有NaCl 的影響大。在Na2C03為4 g/L，發(fā)泡液半衰期降至 800 s,之后趨于平衡。這是因?yàn)镹a2C03在水溶液 中分步且部分電離出Na+,電離過程如下。因此需 要更高Na2C03濃度才得到相同濃度的Na+。

 

Na2C03 +H20^==iNa+ +0H' + NaHC03 NaHC03 +H20^=^Na+ +0H- +H2C03電離出的Na+也因電荷原因過度增加SDS聚 集數(shù)，過度壓縮雙電層厚度，使液膜上靜電斥力減 弱，加速液膜排液，大大減弱泡沫穩(wěn)定性。但在常規(guī) 泡沫染色液中，為使活性染料在堿性條件下與纖維 素纖維發(fā)生親核反應(yīng)上染，需加人1〇 ~ 20 g/L的 Na2C03,實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，純堿的加人使發(fā)泡液半衰 期最終維持在800 s左右。

 

3結(jié)論1)通過發(fā)泡比和半衰期的比較，在所選擇的各 種離子類型發(fā)泡劑中陰離子型發(fā)泡劑SDS從起泡 性、穩(wěn)定性、來源和經(jīng)濟(jì)成本上均是一種性能優(yōu)異的 發(fā)泡劑，要獲得較為穩(wěn)定的泡沫染色液，SDS的質(zhì)量 濃度為2 g/L為宜。

 

2)穩(wěn)定劑的選擇很重要，增黏型穩(wěn)定劑瓜爾膠 和增質(zhì)型穩(wěn)定劑十二醇復(fù)配后穩(wěn)定效果得到相當(dāng)顯 著的提高，十二醇和瓜爾膠的復(fù)配比例為3:4。

 

3)在40丈下，加人不同濃度活性染料泡沫染 色液的穩(wěn)定性略有不同，無機(jī)鹽和純堿對泡沫穩(wěn)定 性影響較大。為維持較高的泡沫穩(wěn)定性，在活性染 料泡沫染色實(shí)驗(yàn)中盡可能不加入NaCl等鹽類；尿素 作為一種助溶助劑的加人使泡沫穩(wěn)定性略微下降， 但當(dāng)尿素濃度較大之后時影響甚小。

 

經(jīng)上述研究，獲得了最佳泡沫染色液配方，針對 不同類型棉織物的泡沫染色起泡、泡沫氣液比、泡沫 大小及均勻性、泡沫的衰竭變化、泡沫施加量、固色堿劑及用量、固色條件（汽蒸溫度、時間、蒸汽相對 含濕量等）與染色性能的關(guān)系，將在今后的研究繼 續(xù)探討。

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