CC BY
6
УДК 678.029.82:677.844.1
Л.В. САЛСБА, Д.Г. САРШеКОВА
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
ДОСЛ1ДЖЕННЯ Ф1ЗИКО-Х1М1ЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕР1ОДИЧНОГО
ПРОЦЕСУ ФАРБУВАННЯ ЛАВСАНУ
У po6omi дослiджеоi mepModunaMinni i ктетичт параметри системи волокно - барвник. Вивчено вплив температурного фактору, дт салщилово'1 кислоти i електророзрядно'1 нелтйноИ об 'емног Kaeima^i на коефщент дифузП i спopiднeнiсmь дисперсного барвника до пoлieфipнoгo волокна.
Ключoвi слова: фарбування, лавсан, ктетика, дuфузiя, кaвimaцiя.
L.V. SALEBA, D.G. SARIBEKOVA
Kherson National Technical University
RESEARCH OF PHYSICAL AND CHEMICAL CHARACTERISTICS OF PERIODIC PROCESS OF DYEING OF LAVSAN
Abstract
Dyeing is a difficult heterogeneous process that includes for itself as the basic stages diffusion and persorption. Diffusion is the limiting stage that determines speed of process of dyeing, and persorption, it thermodynamics properties (affinity, warmth, entropy) that influence on quality of colourings.
In work thermodynamic and kinetic parameters of system fiber - dye are investigated. Studied the effect of the temperature factor, the effect of salicylic acid and electrobit nonlinear volume cavitation on the diffusion coefficient and the affinity of disperse dye to the polyester fiber.
At comparison of action of chemical intensifier and physical method it should be noted positive influence on kinetics of process of dyeing last. The use of electrobit nonlinear volume cavitation allows to increase the coefficient of diffusion of dye in a polyester fiber, to attain the choice of dye for less time at identical affinity and to exclude a harmful organic substance from a dyebath.
Keywords: dyeing, cavitation, lavsan, kinetics, diffusion, cavitation.
Вступ
Для устшного розвитку текстильно! i легко! промисловосп необхвдне розширене i яшсне вдосконалення сировинно! бази за рахунок широкого використання хiмiчних волокон. Останшм часом наштилась тенденщя збшьшення виробництва полiефiрних волокон i зростання !х ролi в сировинному баланс бавовняно!, шовково!, трикотажно! промисловостей. Однак, при колоруванш сумшних тканин виникають значш труднощ^ пов'язаш саме з особливостями структури лавсану: високою впорядковашстю полiетилентерефталатних волокон, щшьтстю упаковки !х макромолекул, гвдрофобним характером, вщсутшстю груп, здатних взаeмодiяти з барвниками юнного типу, неоднорщшстю властивостей текстильно! нитки. До тепершнього часу проводяться роботи з пошуку оптимально! технологи колорування полiефiрних волокон.
Анaлiз останшх дослiджень i публшацш
Колорування - складний м1жфазний, гетерогенний процес, що включае в себе як основш стадi!' дифузiю i сорбцш. Дифузiя е лiмiтуючою стадiею, яка визначае швидк1сть процесу фарбування, а сорбщя, !! термодинамiчнi властивосп (спорiдненiсть, теплоту, ентропiю) впливають на стшшсть забарвлення.
Дифузiя у синтетичш волокна, що iснують при шмнатнш температурi у засклованому станi, неможлива, оск1льки !х структура „монолiтна", не мютить пор, що порiвнянi з розмiрами молекул барвник1в, i тому недоступна для дифузи. При шдвищенш температури до температури склування волокна, воно переходить у високоеластичний стан, з достатшм вiльним об'емом динамчних пор, як1 виникають за рахунок сегментарно! рухливостi макромолекул в аморфнш областi волокна. Така дифузiя протшае за механiзмом дифузi! через „вшьний об'ем" i п1дпорядковуеться рiвнянню Вшьямса, Лендла, Феррi.
Пiсля введення в систему текстильного матерiалу, якщо температура вище температури склування волокна, барвник у мономолекулярнш формi, що мае спорвднетсть до волокна, починае сорбуватися на зовшшнш поверхнi волокна i далi дифундувати у доступну структуру по мехашзму дифузi! у вшьному об'емi. У результатi витягу волокном ильки мономолекулярно! фракцi! барвника рiвновага пол1дисперсно! системи порушуеться, i для Г! ввдновлення в1дбуваеться диспергування агрегапв i бiльш великих часток до бшьш дрiбних, аж до окремих молекул. Цей процес послвдовного порушення i
ввдновлення р!вноваги в полщисперснш зовтшнш фаз! е загальним 1 для юногенних (водорозчинних), 1 дисперсних барвнишв, 1 продовжуеться доти, поки в систем! не установиться нова р!вновага, що ввдповвдае спорвдненосп барвника до волокна. Особливютю водних дисперсш барвнишв е б1льш складний вмют полвдисперсно! зовшшньо! фази, яка включае у себе, кр1м мономолекулярно! розчинено! 1 солюбшзовано! фракцш, ще 1 пол!молекулярш фракци р1зного ступеня дисперсносп, аж до наявносп твердих нерозчинних часток (придонна фаза). Придонна фаза характерна не для уах випадк1в фарбування, а тшькн для високих концентрацш барвника у вант, необхвдних для одержання штенсивних забарвлень. У цьому випадку у ход! фарбування в м1ру виснаження фарбувально! ванни придонна фаза може зовам зникнути, 1 система в новш р1вноваз1 буде мютити тшьки мономолекулярну 1 солюбшзовану фракци. Таким чином, волокно стосовно водних дисперсш барвник1в виступае у рол своервдного молекулярного фшьтра й активного диспергатору, а в систем! ввдбуваеться автодиспергащя барвника.
По зашнченш фарбування температуру знижують, 1 коли вона стае нижче температури склування волокна, його структура повертаеться до вихщно!. Вшьний об'ем р1зко знижуеться, 1 барвник виявляеться !ммобшзованим, капсульованим у структур! волокна. Оск1льки дисперсний барвник мало розчинний у вод! 1 мае спорщнешсть до волокна (зв'язуеться з ним м1жмолекулярними зв'язками), то в умовах експлуатаци волокон при температурах нижче температури склування забарвлення дисперсними барвниками характеризуються достатньою стшшстю [1, 2].
Пол1еф1рн1 волокна, що мають бшьш щ1льну структуру 1 б1льш високу температуру склування, фарбують або при температурах вище 100°С (120-130°С) в апаратах автоклавного (тд тиском) типу, або у присутносп штенсиф!катор!в (р1зноман1тн1 полярн1 оргашчш речовини: о- 1 п- феншфеноли, дифен1л, хлортолуол, трихлорбензол, метил- 1 бутилсалщилати, бензойна 1 сал1цилова кислоти), що грають роль пластиф1катор1в волокна (знижують температуру склування) або тдвищують розчиншсть дисперсного барвника. У цьому випадку фарбування можна проводити при температур! китння; фарбувальна ванна, кр1м барвника, м1стить: поверхнево-активну речовину (ПАР) (1-2 г/л), штенсифжатор (3-5 г/л) 1 оцтову кислоту (до рН=5,5-6). Цей споаб забезпечуе отримання забарвлень середшх та темних тон1в. Найбшьш часто його використовують для фарбування тканин, рвдше - волокна. Для фарбування використовують звичайш фарбувальн1 апарати, барки 1 фарбувально-роликов1 машини, що дозволяють проводити процес при температур! нижче 100 оС.
Постановка завдання
Останшм часом широко використовують ф1зичш методи 1нтенсиф1кац1! процесу фарбування, а саме електричний 1мпульсний розряд у рвдиш. Досл1дженнями [4] було встановлено позитивний вплив до електророзрядно! нел1н1йно! об'емно! кав1тацИ' (ЕРНОК), що виникае завдяки потужному електричному розряду, на стан дисперсних барвнишв, 1 тому становить штерес дослвдити термодинам1чн1 1 шнетичш параметри системи волокно - барвник. Знання термодинам1ки фарбувально! системи дае можлив1сть оц1нити механ1зм взаемоди барвника з волокном. Знання ж шнетики дае змогу визначити швидшсть процесу, 1 на основ1 цих даних знайти оптимальш схеми пропкання процес1в фарбування, максимально ефективно використовувати реактиви, енергоноси та час.
Викладення основного матерiалу досл1дження
1нтенсиф1катори фарбування мають два дуже 1стотнпх недолши: неприемний запах 1 зниження свгглостшкосп забарвлення. Тому робота з ними повинна вестися при дотриманш спещальних правил техн1ки безпеки (устаткування 1 робоча зона обладнаш ефективною витяжною вентиляц1йною системою). 1нтенсиф1катори доц1льно використовувати тшьки для барвник1в, що мають високу свплостшшсть.
Для того, щоб мати уявлення про швидк1сть фарбування розчинами барвника з 1нтенсиф1катором та визначити оптимальш параметри процесу, була дослщжена шнетика сорбцИ' дисперсного барвника пол1еф1рним волокном у присутност1 штенсифжатору 1 без нього. К1нетичн1 крив1 сорбцИ можна охарактеризувати двома факторами: р1вноважним показником сорбцЦ та швидшстю, з якою ця р1вновага досягаеться. Швидшсть фарбування визначали з часу половинного фарбування.
Для пор1вняння впливу температурного фактору на дифузшш 1 сорбцшш властивосл системи волокно-барвник фарбування лавсану проводилось за перюдичним способом при температурах 95 оС 1 100 оС. Для оц1нки ваги впливу х1м1чного чи ф1зичного чинника штенсифжацп процесу фарбування лавсану вивчали дп сал1цилово! кислоти 1 ЕРНОК на коефщент дифузИ' 1 спорвднешсть дисперсного барвника до пол1еф1рного волокна.
До складу фарбувально! ванни вводили барвник дисперсний синш пол1еф1рний у шлькосп 0,5 % в1д маси волокна, штенсифжатор сал1цилову кислоту 2 г/л, ПАР Барватекс-5 1 г/л 1 оцтову кислоту (до рН=5,5-6). Кшетику фарбування оц1нювали за визначенням сорбованого барвника у зразках (в г/кг волокна) шляхом колориметрирування залишкових фарбувальних ванн на спектрофотометр! Спекол-11 при довжин! хвил! 590 нм. Данш оптично! густини ! шлькосп барвника дисперсного синього пе наведен! в табл. 1 ! 2.
На основi отриманих даних тсля ввдповщних розрахуншв побудованi кiнетичнi кривi залежностi сорбцп барвника вiд часу фарбування при температурах 95 i 100 оС (рис. 1, 2).
Результати розрахуншв коефщента дифузп, спорщненосл дисперсного барвника до полiефiрного волокна, штенсивносп одержаних забарвлень i ввдсоток вибирання барвника волокном за рiзних умов перiодичного способу фарбування наведеш в табл. 3.
Таблиця 1
Залежмсть кшькосп фжсованого барвника на волокм вщ часу фарбування_
Час фарбування, хв Перюдичний споаб фарбування при 95 оС
з салщиловою кислотою без штенсифжатору
Б Ср, г/л Св, г/кг Б Ср, г/л Св, г/кг
0 0,450 0,50 0 0,351 0,50 0
5 0,437 0,49 0,43 0,338 0,46 1,23
15 0,410 0,46 1,33 0,313 0,44 1,83
30 0,390 0,43 2,00 0,303 0,43 2,00
60 0,362 0,40 2,93 0,295 0,42 2,39
90 0,349 0,39 3,36 0,285 0,41 2,82
120 0,333 0,37 3,89 0,284 0,40 2,85
180 0,318 0,35 4,39 0,269 0,38 3,50
240 0,311 0,34 4,63 0,269 0,38 3,50
270 0,299 0,33 5,02 0,261 0,37 3,83
5,5
4,5
§ 3,5
^ 2,5
8
1,5
0,5
__
15 30 45 60 120 Час фарбування, хв.
180
240
270
- салщилова кислота.
- без штенсифжатору.
Рис. 1. Кiнетичнi крив! сорбци дисперсного синього пе при температурi фарбування 95 оС
Таблиця 2
Час фарбування, хв Перюдичний споаб фарбування при 100 оС
без штенсифжатора з ЕРНОК з салщиловою кислотою
Бк Ср, г/л Св, г/кг Бк Ср, г/л Св, г/кг Бк Ср, г/л Св, г/кг
5 0,615 0,084 0,738 0,670 0,081 0,857 0,667 0,091 0,404
15 0,498 0,068 1,489 0,541 0,065 1,594 0,538 0,073 1,232
30 0,427 0,058 1,945 0,432 0,052 2,217 0,459 0,062 1,740
45 0,379 0,051 2,253 0,334 0,040 2,778 0,389 0,053 2,189
60 0,315 0,043 2,664 0,221 0,026 3,424 0,305 0,041 2,729
120 0,232 0,031 3,197 0,147 0,179 3,847 0,250 0,034 3,089
180 0,173 0,023 3,576 0,105 0,012 4,087 0,211 0,028 3,332
240 0,147 0,020 3,743 0,099 0,012 4,121 0,179 0,012 4,121
5
4
3
2
1
0
0
5
Час фарбування, хв. без штенсифжатора —1з ЕРНОК —■з салщиловою кислотою
Рис. 2. Кшетичш крив1 процесу фарбування дисперсним сишм пе при TeMnepaTypi 100 оС
Таблиця 3
Фiзико-хiмiчнi показники процесу фарбування_
Показники Перюдичний споСб фарбування
при 95 оС п ри 100 оС
без штенсифжатора з салщиловою кислотою без штенсифжатора з ЕРНОК з салщиловою кислотою
Час половинного фарбування, т1/2, с 1500 2280 1560 1440 1620
Коефщент дифузп, D109, м2/с 107,8 70,9 103,6 112,2 99,8
Спорщнешсть до волокна, -Ад°, ккал/моль 1938,7 2317,1 2181,3 2398,1 2398,1
Кшьшсть барвника на волокш, Св, г/кг 3,83 5,02 3,74 4,12 3,54
K/S 3,90 6,00 6,34 6,95 7,30
Вибирання, % 26 34 80 88 88
Аналiзуючи даннi табл. 3, можна зробити висновок, що при перюдичному способi фарбування при температурi 95 оС одразу пiсля введення штенсифшатору коефiцieнт дифузп дисперсного барвника до полiефiрного волокна зменшуеться, i лише тсля 30 хвилин фарбування помггао зростае. Спорiдненiсть барвника дисперсного синього пе до волокна у присутносп салщилово! кислоти збiльшуеться на 19,5 %, а вибирання дисперсного барвника лавсаном збшьшуеться на 8 %.
Осшльки температура фарбування мае бшьш значний вплив у процесах дифузп i сорбци для термопластичних волокон, у подальшому дослiдженнi вивчався перюдичний процес фарбування лавсану при температурi 100 оС з хiмiчним i фiзичним iнтенсифiкаторами i без них. Встановлено, що коефщент дифузп значно вищий (на 12 %) при фарбуванш лавсану розчином дисперсного барвника, обробленим ЕРНОК, процент вибирання дисперсного барвника однаковий зi зразком, що фарбувався з салщиловою кислотою, i досягаеться за 180 хвилин, що дозволяе скоротити час фарбування.
Висновки
Перюдичш методи фарбування дисперсними барвниками з водних дисперсш займають найб№ш важливе мiсце у практицi фарбування текстильних матерiалiв з полiефiрних волокон.
У традицшних процесах колорирування полiефiрних волокон i матерiалiв на !х основi використовують висок1 температури або штенсифжатори - речовини, як1 дають можливiсть фарбувати полiефiрнi волокна при температурах не вище 100 оС.
Для прискорення процесу дифузп використовують середовище органiчних розчинник1в, хiмiчнi речовини - штенсифжатори, що знижують температуру склування волокна, високотемпературнi способи та iншi фiзичнi методи.
У науково-дослвднш роботi дослвджено вплив iнтенсифiкатора салщилово! кислоти на спорiдненiсть дисперсного барвника до волокна при перюдичному способi фарбування при зниженнi температури фарбування до 95 оС.
При порiвняннi дп хiмiчного iнтенсифiкатору та фiзичного способу - ЕРНОК слiд вщмтити позитивний плив на кiнетику процесу фарбування останнього. Використання електророзрядно! нелшшно! об'емно! каштаци дозволяе збiльшити коефщент дифузи барвника у полiефiрне волокно, досягти вибирання за менший пром1жок часу при однаковiй спорiдненостi i виключити з фарбувально! ванни шквдливу органiчну речовину.
Список використаноТ л^ератури
1. Кричевский Г.Е. Диффузия и сорбция в процесах крашения и печатания. - М.: Легкая индустрия, 1981. - 208 с.
2. Кричевский Г.Е. Роль химии в производстве текстиля. Эволюция и революция в текстильной химии. - 2002. - т. ХЬУ1. - № 1.
3. Беленький Л.И. Технологические расчеты в химической технологии волокнистых материалов. -М.: Высшая школа, 1985. - 240 с.
4. Салеба Л.В. Вплив електророзрядно! обробки на розчини дисперсних барвнишв при фарбуванш лавсану // Проблемы легкой и текстильной промышленности. - 2012. - № 1(19). - С. 45-50.
