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活性染料泡沫染色液的起泡性及稳定性

发布日期:2015-05-17 14:28:45
发泡剂
印染行业需要耗费大量能源,据统计纺织发泡剂工业排放的废水中大部分是来自印染行业[1],因此众多 研究者都将目光集中在能真正降低成本、绿色生产 的技术上,而泡沫染整正是这样一种低给液、高节能 的工艺。泡沫整理是泡沫染整加工中首先得以发展 应用的技术,而泡沫染色技术也早在二十世纪七八 十年代时就兴起。李大伟等[2]开展泡沫染色研究, 在发泡剂与染料的配伍和选择、泡沫在绒类织物上 的多彩染色工艺上取得一定成果。文献[3]介绍了 还原染料的悬浮体泡沫染色工艺,系统分析了最佳 染色条件以及色织物牢度等的影响因素。李连举 等[4]分析非织造布染色性能,探讨了水刺非织造布 的泡沫染色工艺,对水刺法非织布泡沫染色的影响 因素研究获得满意的结果。李永庚[5]对泡沫整理 发泡原液以及泡沫性能进行了研究,并取得与常规 整理加工产品相同的质量指标,体现了泡沫整理的 优越性。李柯等[6]对活性染料对棉织物的泡沫染 色过程进行了工艺优化,获得较好的工艺重现性,但由于当时染色装备发展还未匹配,导致染色不匀等, 因而未被广泛应用于生产。
 
如今,泡沫染色设备已有较大发展。本文研究 活性染料泡沫染色技术中泡沫染色液的起泡性及稳 定性,将纯化后的活性染料染色液发泡,通过研究起 泡性和泡沫稳定性系统地选择性能良好的发泡剂和 稳定剂组合;并模拟车间环境温度条件,在40 ^下 研究染料活性艳红KE -3B和几种重要助剂的浓度 对有色泡沫稳定性的影响。
 
1实验部分1.1仪器与试剂仪器:高脚量杯(上海宝山启航玻璃仪器厂)、 D2025W型电动搅拌器(上海司乐仪器有限公 司)、7 6 -1A型数显恒温玻璃水浴槽(江苏省金坛 市荣华仪器制造上海快3开奖结果)、布氏漏斗、抽滤瓶、电 子天平。
 
试剂:十二烷基硫酸钠(SDS)(上海精细化工材 料研究所,化学纯),十二烷基苯磺酸钠、十六烷基 三甲基溴化铵、尿素(国药集团化学试剂上海快3开奖结果, 分析纯),十二烷基磺酸钠、吐温80、甜菜碱BS-12、 十二醇、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇 1750 ±50(国药集团化学试剂上海快3开奖结果,化学纯), 聚丙烯酰胺3 000 000(国药集团化学试剂有限公 司,工业级),平平加〇(浙江科峰化工上海快3开奖结果,工 业级),瓜尔胶(郑州市中原区丰和化工商行,工业 级),氯化钠(上海凌峰化学试剂上海快3开奖结果,分析 纯),活性艳红 KE -3B(C. I. Reactive Red 120,江苏 宜兴振扬染料上海快3开奖结果)。
 
1.2 实验方法 1.2.1发泡方法研究发泡体系的泡沫性质时采用机械搅拌法进 行发泡,具体发泡方法:在800 mL烧杯中配制 100 mL的发泡溶液后,置于带有双层螺旋桨叶的电 动搅拌器下搅拌,控制转速1 〇〇〇 r/min的条件下搅 拌3 min01.2.2发泡液发泡比的测定搅拌结束后,将泡沫迅速倒人事先准备好且已 知量程的高脚量杯中,直至装满;同时立即按下秒表 开始计时,并且对倒入泡沫进行称量。根据下式计 算发泡比:发泡比=发泡前一定体积发泡液质量/发泡后 等体积泡沫质量M.-/Vd{.1VrffoamM[o>m/F Mhim式中:B/?为发泡比;Mliq为量杯容量的发泡液质量; Mf_为量杯容量的泡沫质量;F为量杯容积,本文的 发泡原液密度可近似为1 g/mL。
 
最后根据实验结果和上述公式计算得发泡比, 这可作为发泡液的发泡性能指标之一。
 
1.2.3泡沫稳定性的测定泡沫稳定性通常用半衰期来衡量。当泡沫析出 总含液量质量一半的液体(通过量杯上刻度读出) 时,读出秒表时间作为半衰期。
 
实验考虑到染整工厂里车间温度较高,特别夏 天车间温度高于40为使实验条件接近实际情况,本文模拟工厂条件,在设定温度为40 ^的恒温 水浴槽中配备发泡液、并且高脚量杯实验测定实验 结果。
 
2结果与讨论2.1不同类型发泡剂的泡沬性能比较发泡剂为表面活性剂,具有高表面活性、有效降 低溶液的表面张力等特点,并且在机械作用下能促 进泡沫的形成[7]。本文根据发泡剂在水溶液中所 呈现的电性分类,分别选择了阳离子型、阴离子型、 非离子型和两性型发泡剂进行研究,各种发泡剂的 泡沫性能研究结果见表1。
 
表1不同类型发泡剂的泡沫性能Tab. 1 Foam properties of different types of frothers类别名称发泡比半衰期/S十二烷基硫酸钠6. 266190.92阴离子型十二烷基苯磺酸钠6.501143. 07十二烷基磺酸钠//阳离子型十六烷基三甲基溴化铵6.207104.80非离子型吐温80//平平加0//两性型甜菜碱5.638153.98注:所有发泡剂质量浓度均为5 g/L。
 
由表i数据可知:所选择的发泡剂中阴离子型 的十二烷基硫酸钠(以下简称SDS)稳定性最高(半 衰期最长),同时其起泡性(发泡比)也较高;十二烷 基苯磺酸钠虽然发泡比高,但其半衰期偏短;阳离子 型十六烷基三甲基溴化铵的发泡比中等,但半衰期 很短;两性型甜菜碱半衰期中等,但发泡比很低;而 阴离子型的十二烷基磺酸钠和非离子型的吐温80、 平平加〇起泡性都较差。另外,SDS成本低,毒性 低,生物降解度高达90%以上[8],因此本文选择 SDS作为实验的发泡剂。
 
2.2发泡剂质量浓度对泡沫性能的影响 发泡剂是发泡体系的主要成分,发泡剂分子在 溶液表面形成双电层,使体系趋向于较低表面能的 状态,通过Marangoni效应即表面张力驱动对流来 促进泡沫稳定。而根据代静等W的研究,Marangoni 对流对传质的影响力不是无限的,只能在一定范围 内促进传质过程的进行。因此研究SDS浓度对发 泡性能的影响,结果见图1。
 
由图1可知,随着SDS质量浓度的增加,发泡 比和半衰期均明显上升,这是因为发泡剂在溶液界 面上的吸附量增加,表面张力降低,发泡比和半衰期 均增加;然而,当达到临界胶束浓度时,发泡剂在溶 液表面的吸附量达到最大值,根据Marangoni对流 对传质的特点,继续增加浓度并不会促进Marangoni 效应,因此图中泡沫的发泡比和半衰期开始趋向一 个平衡值,本文综合泡沫性能和经济成本将SDS质 量浓度定在2 g/L。
 
2.3稳定剂复配组合及其浓度的确定泡沫稳定剂是发泡体系中重要的辅助组分,泡 沫稳定剂根据作用机制可分为增强型和增黏型2大 类。增强型稳定剂有十二醇,十二烷基硫酸钠为发 泡剂的发泡液中加人十二醇后,十二烷基硫酸钠的 活性基团硫酸根与十二醇的羟基形成氢键,降低双 电层液膜表面SDS亲水基间的静电斥力,增加界面 上SDS分子的密度,提高液膜强度,增强泡沫稳定 性[1°];增黏型稳定剂则通过提高溶液粘度来减缓泡 沫排液速率,延长半衰期,从而提高泡沫的稳定 性["_13],如CMC、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、瓜尔胶和海藻酸钠等均属于增黏型稳定剂。
 
表2示出2 g/L SDS中加人2. 5 g/L各种稳定 剂后发泡液的泡沫性质。
 
表2加入不同稳定剂下的泡沫液性质比较 Tab. 2 Compare of foam properties of adding different stabilizers稳定剂类型稳定剂名称发泡比半衰期/S增强型十二醇5.418561.07瓜尔胶3.9923 744.88增黏型海藻酸钠5. 174842. 08羧甲基纤维素钠5.089829. 04聚乙烯醇6. 151180. 38注:表中为2g/LSDS+2. 5g/L各种稳定剂下的泡沫性质。
 
表2结果说明,在本文研究的所有稳定剂中增 强型稳定剂十二醇发泡性较好,具有一定稳定性;增 黏型稳定剂瓜尔胶发泡比较低,但半衰期长,具有最 好的稳定性,海藻酸钠、羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇 的发泡比也均较好,但半衰期略短,而聚丙烯酰胺作 为稳定剂的重现性很差,其发泡液起泡困难,不适合 作为本文实验的稳定剂。泡沫稳定性在泡沫染色中 是较重要的因素,稳定性较高的稳定剂可以较低浓 度就获得较高稳定性,利于减少染色成本,瓜尔胶虽 然发泡比较低,但在所选稳定剂中它具有最高稳定 性。综上,选择十二醇和瓜尔胶作为发泡体系的复 配稳定剂。图2、3示出稳定剂十二醇和瓜尔胶的浓 度分别对泡沫性能的影响。
 
从图2可看出,随十二醇浓度增加,发泡液的发 泡比变化较小,而半衰期随浓度增大而增加,当质量 浓度达到1.5 g/L后半衰期趋于稳定;从图3可看 出,随瓜尔胶浓度的增加,发泡液的半衰期持续增加,而发泡比一直降低,当瓜尔胶质量浓度为2 g/L 时,半衰期较高而且瓜尔胶浓度也适宜。因此,综合 考虑选择1. 5 g/L的十二醇和2 g/L的瓜尔胶分别 和复配后加人SDS发泡体系,结果如图4所示。
 
SDS、十二醇、瓜尔胶质量浓度分别为2、1.5、 2 g/L。从图4可知,2种稳定剂复配效果远比任何 单一稳定剂的稳定性好,原因如下:一方面,2种稳 定剂分子在界面膜上形成复合膜,协同作用增加泡 沫液膜的黏弹性[6];另一方面,瓜尔胶主要成分为 半乳甘露聚糖,其分子上的羟基能与十二醇的醇轻 基间形成氢键,促进液膜界面上形成大分子间的交 联,增强泡沫薄膜的空间结构,提高液膜强度,使液 膜排液破裂更加困难[13]。
 
2.4染料、NaCl等对发泡性能的影响泡沫染色染液中染料是主要组分之一,无机盐、 碱剂和尿素是活性染料染色中必须的添加剂,而且 实验发现这些因素对泡沫性能有重要影响。因此, 本文分别设计染料、无机盐、纯碱和尿素等对泡沫性 质影响的头验〇
 
2.4.1活性染料质霣浓度对泡沫性能的影响本文中用的活性染料带有磺酸基,在碱性条件 下呈阴离子型,其电性会影响泡沫性质,因此研究活 性染料浓度对泡沫性能的影响。在2 g/LSDS、1.2g/L十二醇、1.6 g/L瓜尔胶的发泡液中加人不 同浓度纯化的商品活性艳红KE-3B,研究其浓度对 泡沫性能的影响,结果见图5。
 
染料浓度较低时,泡沫稳定性大体上有略微提 高的趋势;随着染料浓度继续上升,泡沫液发泡性随 染料浓度变化不大;而泡沫半衰期由2 000 s降至1000 s,并趋于稳定。
 
实验用染料虽经过提纯,但仍含少量(约3%) 的无机盐NaCl。染料浓度较低时,所含少量盐中的 Na+可使吸附的阴离子型发泡剂分子头间静电斥力 降低,压缩界面双电层,因而有增强泡膜稳定的作 用[14],泡沫液半衰期增至2 〇〇〇s。当染料浓度继续 上升时,染料成为影响泡沫性能的主要因素,本文实 验用活性艳红KE-3B是阴离子性的染料,溶液中染 料阴离子电荷与SDS发生静电斥力作用,使界面上 排列的SDS分子变得稀松,一定程度破坏双电层结 构,使液膜强度降低,稳定性下降。
 
2.4.2NaCl、尿素、纯碱对有色泡沫性能的影响 活性染料常规染色中使用到的助剂如NaCl、尿 素和纯碱均可能会影响到有色泡沫性能,分别向2g/L SDS、1. 2 g/L 十二醇、1.6 g/L 瓜尔胶、5 g/L 纯活性艳红KE-3B的有色发泡液中加人不同浓度 的NaCl、尿素和纯碱,其浓度对有色泡沫体系性能 的影响如图6 ~8所示。
 
实验发现,泡沫半衰期随NaCl质量浓度的增加 急速下降,直至NaCl质量浓度升到1 g/L(此时Na +V?称升 o o o o o 6 200 118400.'■kV路牌并o o o006020002 4002 0000.0 ■图6氯化钠质量浓度对有色泡沫的性能影响 Fig. 6 Effects of concentration of NaCl on foam properties-发泡比~128^ .?半杂24〇〇
 
00020406080100120尿素质置浓度/(g*L,浓度大概〇。 017 mol/L)时半衰期下降至800 S附近 出现平缓,而发泡比变化不大。原因是直接加人的 NaCl浓度较高,根据李柯等[14]的分析,过高浓度的 Na +增加SDS胶束的聚集数和分散度,减弱层理化 作用,液膜间胶束也从SDS双电层逐渐变为单层排 列,有些SDS分子甚至从液膜边缘滑脱出去,导致 液膜上静电斥力减弱,液膜排液加速,泡沫稳定性大 大下降[15_16]。因此,考虑到NaCl对泡沫性能影响 较大,在活性染料泡沫染色中尽量避免加人NaCl等盐类。
 
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。实 验发现,刚加人尿素时泡沫半衰期明显下降至 1 200 S左右,而随着加入尿素浓度继续增加,发泡 液的半衰期变化不大。可以推测,因为尿素 H2 N—CO—NH2是小分子,在溶液中不易电离出电 荷离子,从电荷角度不会影响SDS双电层结构。实验 结果说明尿素使泡沫体系的稳定性略微下降,后期继 续增加尿素浓度时对泡沫体系的性能影响较小。
 
纯碱的加入也使泡沫半衰期降低,但没有NaCl 的影响大。在Na2C03为4 g/L,发泡液半衰期降至 800 s,之后趋于平衡。这是因为Na2C03在水溶液 中分步且部分电离出Na+,电离过程如下。因此需 要更高Na2C03浓度才得到相同浓度的Na+。
 
Na2C03 +H20^==iNa+ +0H' + NaHC03 NaHC03 +H20^=^Na+ +0H- +H2C03电离出的Na+也因电荷原因过度增加SDS聚 集数,过度压缩双电层厚度,使液膜上静电斥力减 弱,加速液膜排液,大大减弱泡沫稳定性。但在常规 泡沫染色液中,为使活性染料在碱性条件下与纤维 素纤维发生亲核反应上染,需加人1〇 ~ 20 g/L的 Na2C03,实验结果说明,纯碱的加人使发泡液半衰 期最终维持在800 s左右。
 
3结论1)通过发泡比和半衰期的比较,在所选择的各 种离子类型发泡剂中阴离子型发泡剂SDS从起泡 性、稳定性、来源和经济成本上均是一种性能优异的 发泡剂,要获得较为稳定的泡沫染色液,SDS的质量 浓度为2 g/L为宜。
 
2)稳定剂的选择很重要,增黏型稳定剂瓜尔胶 和增质型稳定剂十二醇复配后稳定效果得到相当显 着的提高,十二醇和瓜尔胶的复配比例为3:4。
 
3)在40丈下,加人不同浓度活性染料泡沫染 色液的稳定性略有不同,无机盐和纯碱对泡沫稳定 性影响较大。为维持较高的泡沫稳定性,在活性染 料泡沫染色实验中尽可能不加入NaCl等盐类;尿素 作为一种助溶助剂的加人使泡沫稳定性略微下降, 但当尿素浓度较大之后时影响甚小。
 
经上述研究,获得了最佳泡沫染色液配方,针对 不同类型棉织物的泡沫染色起泡、泡沫气液比、泡沫 大小及均匀性、泡沫的衰竭变化、泡沫施加量、固色碱剂及用量、固色条件(汽蒸温度、时间、蒸汽相对 含湿量等)与染色性能的关系,将在今后的研究继 续探讨。
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