新型泡沫印花技術

劉雯雯，殷允杰，王潮霞

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

1 泡沫印花技術

早在70年代就初步嘗試了使用泡沫代替水作為印染加工介質的技術。1980年前后，印度孟買的一家紡織公司嘗試泡沫印花批量生產，是紡織生產中最早成功應用的實例［1］。1983年在國際紡織機械展覽會上展出的圓網泡沫印花機，主要應用于地毯泡沫印花［2-3］，后來逐漸推廣到一般紡織品印花。荷蘭Stork公司通過研究連續發泡工藝改造圓網印花機，附加電腦控制發泡裝置和專用刮刀，印制的花型面積占織物面積的80%，成功實現工業化生產［4-5］。因此，泡沫技術從早期耐久壓燙、防水、柔軟等后整理工藝逐漸被應用到染色、印花工藝中［6］。

相比普通印花工藝，泡沫印花技術最大的特點是將空氣引入印花漿中，泡沫的膨脹增大了單位質量色漿的覆蓋面積，在節約色漿、降低能耗的同時能達到較好的均勻性和輪廓清晰度［7］。黏度適宜的泡沫印花漿不易堵網，可大幅度減少水和增稠劑的用量，印制出來的紡織品手感柔軟，滲透性低，泡沫印花作為一種環境友好型的紡織品加工新技術逐漸受到人們的重視。從工藝角度來看，泡沫印花可用于涂料印花，也可用于染料印花。酸性染料、分散染料、活性染料等通過泡沫印花技術可成功印制到各種平紋織物和絨毛織物上［5］。泡沫涂料印花技術工藝簡單，操作方便，適用于多種纖維的印制，避免了傳統涂料印花手感差和增稠劑中汽油含量高的難題［2］，在紡織企業生產中得到迅速發展［5］。

泡沫印花漿由涂料或染料及固色劑、發泡劑、穩泡劑等組成，泡沫色漿通常借助空氣進行發泡。目前，印花漿發泡的方法有空氣注入法、機械攪拌法和注入攪拌聯合法［8］。空氣注入法是將空氣壓縮至含有發泡劑和其他助劑的印花漿中從而產生泡沫，使用較為廣泛。機械攪拌法操作簡單，通過機械攪拌使液相移動，增加氣-液界面的摩擦產生氣泡，隨后氣泡膨脹形成泡沫。注入攪拌聯合法是將兩者結合迅速發泡，完成泡沫印花漿的制備。泡沫涂料印花漿借助機械外力把空氣引入涂料印花漿內，通過少量表面活性劑形成以空氣為分散相、水為連續相的氣體乳液，增加涂料印花漿的體積以提高印花均勻性。由于乳化體系不穩定，涂料印花漿的穩定性至關重要，尤其在放置或傳輸過程中，需要調節泡沫的排液速率，以滿足實際應用需求。泡沫印花技術在降低能耗、提高紡織品印花質量上有較好的效果，但仍存在一定的應用和技術局限。泡沫印花漿中的不溶性染料、化學品會增加色漿的發泡難度；泡沫印花漿在圓網印花機印制過程中易受到刮刀的剪切力作用增大泡沫體積，對印制出來的花型色澤產生不利影響［9-11］。

2 泡沫印花機理

泡沫印花技術是借助空氣的作用，對含有染料或涂料的濃溶液進行發泡，以泡沫形式降低帶液率，制備成具有一定黏度、穩定的泡沫印花漿，再通過印花機印制到織物表面，以此獲得均勻的印花效果。泡沫印花漿在接觸到織物后，由于毛細管效應，氣泡薄膜層中的液體很快被纖維吸收，同時泡沫在刮刀或軋輥的擠壓下快速破裂，將染料或涂料均勻地涂覆在織物表面。在這個過程中，印花漿的給漿量隨著泡沫體積的增加而減少，在不影響得色量的同時避免陰色、串色，保持印花輪廓清晰［8，12］。國外多采用泡沫發生器制備泡沫印花漿，在一定容量的密閉系統中可持續地將泡沫施加到織物上；而國內多采用間歇性的施加方式，對泡沫存放、刮印的性能提出了更高的要求［13］。衡量泡沫印花漿性能的重要指標有泡沫流變性、穩定性、發泡比等。

泡沫印花漿的流變特性對其印制效果起著重要作用，主要以對織物的滲透性和滲化度來衡量。泡沫印花漿的黏度來源于液層的內摩擦和氣泡間的碰撞擠壓［10］，取決于泡沫印花漿的固含量以及發泡倍率兩個因素。發泡倍率是泡沫體積與質量之比。增加泡沫印花漿固含量便增大了泡沫體系中的內摩擦，黏度也隨之增大。在一定范圍內，發泡倍率增加，氣液間的摩擦會隨著氣泡的增多而增大，泡沫印花漿的黏度增大，對織物的滲化度減小，可有效提高印制花紋的清晰度。發泡倍率還可以調節泡沫印花漿的結構黏度，從而控制織物印制的滲透性，結構黏度越大，刮印時泡沫印花漿的滲透性越好，花紋的均勻性越高，正反兩面印制的織物色差就越小［14］。泡沫印花漿屬于非牛頓流體，應變速率是影響泡沫流變性的主要因素。隨著泡沫流動，排列有序性增加，氣泡間的碰撞減少，表觀黏度隨著剪切速率的增加而減小［10］；當剪切力消失時，泡沫印花漿又恢復到原來的黏度，在沒有外力作用下也不會自動透網，避免意外停車造成印制殘疵［15］。空氣體積分數是影響泡沫流變性的另一個重要因素。空氣體積分數對泡沫印花漿表觀黏度的影響呈正相關，增加的程度與切邊速率有關。空氣體積分數增大，低切邊速率下的表觀黏度增加，增加程度大于高切邊速率［16］。

在泡沫印花系統中，泡沫在向刮刀輸送的過程中經受一定的系統壓力［17］，此時要求泡沫印花漿的黏度穩定；而在接觸織物后泡沫要迅速破裂，對泡沫印花漿的穩定性要求較高。如果泡沫在接觸織物前就發生破裂，會導致印花顏色深淺不一致，甚至無法完成印花。因此，需要解決印制過程中的泡沫穩定性難題。表面膜強度大小是影響泡沫穩定性的因素之一。表面吸附分子排列越緊密，氣體透過性越低，穩定性越高［13，18］。為提高印花效果，泡沫印花工藝中對泡沫尺寸也有一定要求，泡沫大小影響泡沫的穩定性，尺寸較小的泡沫穩定性較好。在泡沫印花工藝中，泡沫直徑通常在10～100 μm［19］，氣泡在50～100 μm或更小時有較好的機械穩定性和貯藏穩定性［6］。

發泡比對泡沫印花漿的黏度以及在織物上的吸液率有較大影響，其穩定性與泡沫的形態結構有關，多面體泡沫比球形泡沫排液率低，穩定性好［5，10］。調節刮刀壓力、控制發泡劑用量、使用泡沫抑制劑均可以調節發泡比以滿足印花生產需求［15］。測試泡沫黏度、泡沫均勻性、泡沫半衰期和潤濕性等，對比不同發泡比下泡沫的穩定性可以看出，發泡比較低時，氣體占氣液總體積的比值達不到最致密球形分布（74%），屬于球形泡沫，泡沫大小不均勻，潤濕性高；當發泡比提高到4時，形成多面體泡沫，黏度增大，印制的圖案清晰，印花效果較好［5］。不同的印花方式（如平網印花、輥筒印花）所需的發泡比也不相同［8］。發泡比過高時，在平網和輥筒上的印制效果差；隨著發泡比逐漸降低，泡沫穩定性提高，可以取得較好的印制效果。發泡比還受到發泡液蒸發、溫度、壓力等外界因素的影響［5］，溫度升高加快了泡沫的排液速度，但是穩定性降低。因此，在泡沫印花漿制備過程中要注意外界環境以及各種助劑對泡沫穩定性的影響。

3 涂料泡沫印花

涂料泡沫印花技術是一種將空氣作為增稠劑，以較低的給濕量完成印制的泡沫印花方式［5］，具有成本低、生產設備簡單、產品質量高、工藝流程短等特點，近年來得到大力發展。用機械方式將空氣注入涂料色漿，在表面活性劑的作用下產生泡沫，泡沫體積擴大為原溶液體積的1.5～3.0倍［8］，形成相對穩定的涂料泡沫印花漿，再經過平網、圓網或輥筒印花均勻地覆蓋在織物上，得到精細的印花織物。涂料泡沫印花的低帶液率提高了烘燥速率，膠類、糊料的低用量減輕了蒸化后的水洗壓力，各項色牢度均得到提高［20］。

3.1 涂料泡沫印花發泡劑、黏合劑的選擇

在涂料泡沫印花漿的制備過程中，發泡劑的添加需要綜合考慮與印花漿的相容性和經濟方面的因素，通常選用陰離子或非離子型發泡劑，如十二烷基苯磺酸鈉、聚氧乙烯等［8］。發泡劑用量對印制效果也有較大的影響，用量較低時，花紋出現滲化現象，圖案印制模糊；用量過高會造成涂料印花漿的潤濕性差。加入發泡劑后還需要控制攪拌時間，避免大量空氣進入影響發泡比，降低印花質量。通過調節發泡比，涂料泡沫印花漿可以應用于不同厚度織物的印制［15］。在傳統涂料印花中，黏合劑種類及用量是影響印花織物手感以及色牢度的主要因素。對于涂料泡沫印花漿，涂料與黏合劑、發泡劑、穩泡劑等助劑的相容性對泡沫性能以及印制效果有很大的影響。使用不同的黏合劑，體系的發泡能力不盡相同，可通過調整發泡劑、穩泡劑等其他助劑的用量來靈活調節泡沫性能。低溫型或高溫型黏合劑應根據實際生產需要來選擇。對于設備齊全的印染廠，滌棉織物的印制要經過190～200 ℃拉幅定形，低溫黏合劑會使印花部位手感發硬。而沒有印花后處理設備的企業則可以選用低溫黏合劑［5］。黏合劑用量對織物的耐皂洗、耐摩擦、耐刷洗色牢度的影響如表1所示［5］，黏合劑用量與色牢度之間不成正比關系，在印花過程中必須掌握好用量。

3.2 涂料泡沫印花特點

涂料泡沫印花的工藝特點決定了泡沫印花漿的滲透性比常規印花漿低，在印制前需要對坯布進行前處理，使坯布有較好的毛效，避免出現印制白點，一般毛效在10 cm/30 min以上可以達到泡沫印花要求［7，13］。涂料印花利用增稠劑將涂料機械地覆蓋在織物表面，易造成織物手感粗硬、印制時堵塞網孔等問題，尤其在大面積印花時更明顯。而泡沫涂料印花借助泡沫的膨脹性降低涂料密度，在刮刀的帶動下涂料透過篩網滲透到纖維表面，減少紗線粘結，提升手感，提高輪廓清晰度。同時在印制過程中不堵網，減少平網印花過程中的濺色現象和輥筒印花時的拖刀、陰色串色現象，保持襯布清潔，減少清洗［15］。

增稠劑用量的降低有效地解決了印花及烘干過程中煤油揮發帶來的環境污染和生產安全問題，極大地改善了勞動生產條件。經某毛巾印花廠生產實驗鑒定，使用泡沫印花技術的被單質量比涂料印花提高約10%，面巾、枕巾成本比涂料印花降低54%以上［21］。在泡沫印花加工過程中通常不使用膠類和糊料，可以減輕后處理的洗滌負擔。在此基礎上，涂料泡沫印花的工藝流程較短，大大減輕了勞動強度。

4 結語

泡沫印花技術在不斷開發實踐中逐步發展出一條新的道路，人們將更關注和挖掘泡沫印花技術在綠色生產方面帶來的經濟效益，提高紡織企業生產效率和產品質量以適應社會需要。泡沫印花技術低帶液率的特點和工藝條件的限制，要求紡織印染企業選擇合適的助劑和泡沫施加方式，提高泡沫印花漿的均勻性和穩定性，對印花紡織品的潤濕性和滲透性提出了更高的要求，注重印花產品質量的提升，泡沫印花設備的加工精確性也有待提高。開發綠色環保且適應泡沫印花加工要求的助劑、提高泡沫印花設備的清潔生產性能迫在眉睫。近年來，有關開關表面活性劑的研究正逐步發展，為今后的研究工作帶來契機和思路。印花加工過程中泡沫的流變性、觸變性等理論研究還不太成熟，給工業化生產帶來困難，泡沫印花的生產研究還需不斷探索和改進。