CC BY
62
УДК 677.047.2
О.Я. СЕМЕШКО, НС. СКАЛОЗУБОВА, ЮГ. САР1БСКОВА
Херсонський нацiональний технiчний унiверситет
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РОЗЧИН1В ПОВЕРХНЕВО-АКТИВНИХ РЕЧОВИН ПРИ СТВОРЕНН1 КОМПОЗИЦ1Й ДЛЯ ПРОМИВАННЯ
БАВОВНЯНОГО ТРИКОТАЖУ
Основною метою даного до^дження е вивчення змти поверхневого натягу та критична концентра^я мщелоутворення розчинiв поверхнево-активних речовин ргзних кла^в, що застосовуються в композицшних складах для промивання бавовняного трикотажного полотна. Поверхневий натяг розчинiв поверхнево-активних речовин визначався методом вiдриву кшьця (метод Дю-Ну'0, а критична концентра^я мщелоутворення - графiчним методом шляхом побудови залежностей поверхневого натягу вiд концентрацИ' поверхнево-активних речовин у напiвлогарифмiчних координатах. Встановлено, що найбшьше зменшують поверхневий натяг неiоногеннi та деяк анiонактивнi поверхнево -активш речовини, а 1'х критична концентрацiя мщелоутворення складае близько 1-2 г/л.
Ключовi слова: поверхнево-активнi речовини, поверхневий натяг, критична концентрацiя мщелоутворення, промивання трикотажного полотна.
О.Я. СЕМЕШКО, Н.С. СКАЛОЗУБОВА, Ю.Г. САРИБЕКОВА
Херсонский национальный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ РАСТВОРОВ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ СОЗДАНИИ КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ ПРОМЫВКИ ХЛОПЧАТОБУМАЖНОГО ТРИКОТАЖА
Основной целью данного исследования является изучение изменения поверхностного натяжения и критической концентрации мицеллообразования растворов поверхностно-активных веществ различных классов, применяемые в композиционных составах для промывки хлопчатобумажного трикотажного полотна. Поверхностное натяжение растворов поверхностно-активных веществ определялся методом отрыва кольца (метод Дю-Нуи), а критическая концентрация мицеллообразования - графическим методом путем построения зависимостей поверхностного натяжения от концентрации поверхностно-активных веществ в полулогарифмических координатах. Установлено, что наиболее уменьшают поверхностное натяжение неионогенные и некоторые анионактивные поверхностно-активные вещества, а их критическая концентрация мицеллообразования составляет около 1 -2 г/л.
Ключевые слова: поверхностно-активные вещества, поверхностное натяжение, критическая концентрация мицеллообразования, промывание трикотажного полотна.
О^. SEMESHKO, N.S. SKALOZUBOVA, YU.G. SARIBYEKOVA
Kherson National Technical University
INVESTIGATION OF SURFACE TENSION OF SURFACE-ACTIVE SUBSTANCES SOLUTIONS IN CREATION OF COMPOSITIONS FOR SCOURING COTTON KNITTED FABRIC
The main purpose of this research is to study the change in surface tension and the critical concentration of micelle formation of solutions of surfactants of various classes used in compositions for scouring cotton knitted fabric. The surface tension of surfactant solutions was determined by the ring-detachment method (Du-Nui method), and the critical concentration of micelle formation - by the graphical method by plotting the surface tension dependences on the concentration of surfactants in semi-logarithmic coordinates. It was established that the non-ionic and some anionic surfactants most reduce the surface tension, and their critical micelle concentration is about 1-2 g/l.
Keywords: surface-active substances, surface tension, critical concentration of micelle formation, scouring of knitted fabric.
Постановка проблеми
Сувор1 бавовняш трикотажш полотна погано змочуються у водних розчинах внаслщок присутносп в волокнах пдрофобних природних домшок целюлози i замаслюючих речовин. Знижена кашляршсть волокнистих матерiалiв ускладнюе бшння, фарбування, друкування i заключну обробку
цих матерiалiв, а також викликае дефекти при проведенш цих процеав (плями, нерiвномiрнiсть забарвлення та ш.). Крiм того, деяк1 замаслюючi речовини надають волокнистим матерiалам неприемного запаху i погiршують гриф [1].
Процес промивання призначений для видалення з трикотажу природних домiшок i замаслюючiв i мае, як правило, на меп пiдвищення його кашлярносп. Промивання для бавовняних текстильних матерiалiв проводить зазвичай при висок1й температурi, тому часто називають вiдварюванням. Цей процес вщбуваеться в апаратах перюдично! дп, як1 служать для подальшого вщб!лювання i фарбування [2]. Вiдварювання бавовняних трикотажних полотен може проходити в лужному або в нейтральному середовищг
Режим вiдварювання бавовняних трикотажних матерiалiв в нейтральному середовищi вiдбуваеться в присутносп поверхово-активних речовин (ПАР) i складаеться з наступних операцiй:
1) наповнення апарату теплою (40°С) або холодною водою з нагр!ванням до ще! температури, введення розчину ПАР i завантаження волокнистого матерiалу;
2) нагр!вання розчину до кипiння;
3) вщварювання в киплячому розчинi протягом 30-60 хв.;
4) спуск розчину для вщварювання i промивання текстильного матерiалу теплою водою [1, 3, 4].
Теплий промивний розчин забезпечуе швидке змочування волокнистого матерiалу тд час
завантаження його в апарат. Злив розчину через верхш переливш пристро! при промиваннi дозволяе попередити оадання на матерiалi гiдрофобних складових замаслювач!в, воскоподiбних речовин i забруднень, що спливли на поверхню розчину.
Таким чином, для ефективного проведення процесу промивання бавовняного трикотажного полотна необхщно, щоб промивний розчин мав високу змочувальну та мийну здатшсть.
Аналiз останнiх дослiджень i публжацш
ПАР, що використовуються у процеа пiдготовки, повиннi володiти не тшьки властивостями змочувача, а й емульгатора i мийного агента.
В обробщ трикотажу найчастiше застосовуються анiоннi ПАР i неiногеннi ПАР. Слiд мати на уваз^ що при обробщ волокон катюнними ПАР на поверхш волокна або в розчинi не повинно мютитися анiонних ПАР. В шшому випадку катiоннi i анюнш ПАР будуть взаемодiяти один з одним, ПАР перестануть грати роль поверхнево-активних активаторiв, що може привести до виробничого браку [5-7].
У порiвняннi з анiонними неiоногеннi ПАР мають багато особливостей. Наприклад, у них порiвняно невисока пiноутворююча здатшсть, висока поверхнева активнiсть при низькш температурi. За змочувальною, емульгуючою, диспергуючою здатностями до виведення плям вони щлком порiвнянi з АПАР, але при цьому мають певну спорщнешсть до багатьох барвник1в i можуть перешкоджати отриманню як1сного забарвлення при подальшому фарбуваннi [8].
Основною шльшсною характеристикою ПАР е поверхнева актившсть, яка визначае !х здатнiсть знижувати поверхневий натяг, викликати емульгування, тноутворення, диспергування i стабiлiзацiю, змочування та iншi явища i процеси [9, 10].
ПАР, маючи полярнi групи, добре розчиняються в полярних рщинах i, вiдповiдно, у водi. При !х розчиненнi, в силу !х специф!чно! несиметрично! будови, ПАР при певнш концентрацп в розчинi починають концентруватися на зовнiшнiй поверхнi розд!лу рiдина-газ, орiентуючись полярною частиною до полярно! рщини i пдрофобною - до повiтря, що призводить до зниження поверхневого натягу на цш меж! [5-7].
При повному заповненш поверхнi рщини молекулами ПАР утворюеться 1х орiентований моношар. Стутнь заповнення поверхнi рвдини орiентованими молекулами ПАР, а отже i ефектившсть зниження поверхневого натягу залежать в!д наступних умов: х!м!чно! будови ПАР (довжини пдрофобно! частини, природи пдрофшьно! частини), температури, концентрацп, величини поверхш розд!лу [5-7].
Важливою характеристикою е концентращя ПАР, яка пов'язана з поверхневим натягом р!внянням Гiббса:
с = (1)
п ят ас'
де Сп - концентращя ПАР на поверхш; С - концентращя ПАР в розчин!; у - поверхневий натяг розчину.
У м!ру накопичення ПАР на поверхш, межа роздшу вода-повггря зашнюеться межею розд!лу вуглеводень-повиря ! поверхневий натяг рщини знижуеться.
ПАР в розчинах схильш до мщелоутворення. Будова мщел, що мають сферичну, кристал!чну, пластинчасту та шш1 форми залежить в!д х1м!чно! природи ПАР ! складу розчину. Мщелоутворення настае при певнш концентрацп ПАР, яке називаеться критичною концентращею мщелоутворення
(ККМ). Для бшьшосп ПАР ККМ лежить в iнтервалi 0,05-1,5 г/л, тому концентрацп робочих розчинiв, використовуваних для шдготовки текстильних матерiалiв, не повинна перевищувати ККМ [ 9, 10].
Видалення гiдрофобних, нерозчинних у водi забруднень, що мiстяться в бавовняному волокнi, неможливе без учасп ПАР, що володiють комплексом змочуючих, емульгуючих, диспергуючих i мийних властивостей [2, 11-13]. В одному препарат ПАР перераховаш властивостi поеднати досить складно, осшльки молекули ПАР для прояву кожно! з них повинш мати специфiчну хiмiчну будову. Тому в сучасних умовах для промивання трикотажу використовують композицiйнi склади ПАР. Створення високоефективних композицш ПАР для шдготовки бавовняного трикотажу е складним завданням, рiшення якого вимагае системного шдходу, який полягае в методичному дослщженш властивостей iндивiдуальних ПАР.
Змочування суворого текстильного матерiалу технологiчними розчинами е важливим етапом пiдготовки, що визначае швидшсть та повноту проникнення промивного розчину всередину волокна та ускладнюеться присутнiстю на ньому забруднень рiзноl природи i походження. Тому в процеа промивання суворого трикотажного полотна важливою характеристикою як iндивiдуальних ПАР, так i !х композицш е !х властивiсть знижати поверхневий натяг водних розчишв.
Формулювання мети дослвдження
Метою дослiдження е визначення поверхневого натягу та ККМ розчишв поверхнево-активних речовин рiзних класiв для застосування в композицiйних складах для промивання бавовняного трикотажного полотна.
Викладення основного матерiалу дослiдження
З метою створення ефективно! композицiй для промивання трикотажного полотна були обраш ПАР рiзних клаав: анiонактивнi, неiоногеннi, амфотернi та криптоанюнний. 1х характеристика наведена в табл. 1.
Таблиця 1
Характеристика ПАР_
Назва ПАВ Виробник Зовшшнш вигляд Хiмiчний склад
1 2 3 4
Анюнактивш
Albaflow FFC-01 «Huntsman NMG» Рiдина бшого кольору середнього ступеня в'язкостi Склад з похшних жирних спиртiв з алканолом та модифiкованих метилполiсiлоксанiв
Eriopon R Прозора, жовтувата, рщина середньо! в'язкостi Натрieва сшь модифжовано! полiакриловоl кислоти
Albatex Прозора рщина Водний розчин полiакрилатiв та комплексоутворювачiв
Invatex Прозора рiдина Препарат на основi органiчних кислот
Albafluid CD Прозора в'язка емульая Рiдкий препарат на основi спiвполiмеру полiефiру
Неюногенш
Ultravon TC «Huntsman NMG» Прозора рiдина Сумш неiоногенних ПАР
Lutensol «BASF» Прозора рщина Алкоксилати на основi розгалуженого спирту
Оксипав А1214С.50 ТОВ НВО «НИИ ПАВ» Прозора свiтло-жовта рiдина Алкiлдиметиламiноксид
Оксипав А1214.30 Прозора або свило-жовта рiдина Алкiлдиметиламiноксид
Синтанол АЛМ-10 ВАТ ВО «ТОС» Однорiдна паста бшого кольору Сумш полiоксиетиленглiколевих ефiрiв синтетичних первинних вищих жирних спиртiв фракцп С12-С14
Стеарокс-6 В'язка маса свило -коричневого кольору Полiоксиетиленглiколевi ефiри стеариново! кислоти
ОС-20 Б Прозора свiтло-жовта ршина Сумiш полюксиетиленглжолевих ефiрiв вищих жирних спиртiв
Продовження табл. 1.
1 2 3 4
Амфотерш
Бетапав АП.30 ТОВ НВО Прозора рщина Кокамiдопропiлбетаïн
Бетапав А.30 «НИИ ПАВ» Прозора свггло-жовта рщина Алкшбеташ
Криптоанюнш
Карбоксипав АФ6.35 ТОВ НВО «НИИ ПАВ» Прозора свггло-жовта рщина Карбоксилати оксиетильованих алкiлфенолiв
Визначення поверхневого натягу розчишв проводилось методом вщриву шльця (метод Дю -Hyï) шляхом встановлення сили, яка необхiдна для вщриву к1льця радiyсy R вщ поверхнi рiдини за допомогою вапв Дю-Hyï та розраховувалась за формулою:
аи2о -фх
-, (2)
Фи 2о
де фН2О i фх - сила вщриву к1льця вiд дистильовано! води i вiд досл1джуваного розчину; сН2О - поверхневий натяг дистильовано! води [6, 14, 15].
1зотерми поверхневого натягу розчишв ПАР дозволяють ощнити поверхневу активнiсть окремих ПАР i прогнозувати 1х шльшсть в композицп шляхом визначення критично! концентрацiï мщелоутворення (ККМ). На рис. 1-4 представлен iзотерми змiни поверхневого натягу розчишв ПАР рiзних класiв при температyрi 20оС.
g
к «
s m <u К X ft ÏT m о С
90 85 80 75 70 65 60 55 50 45
--Е
У ^
-Albaflow FF-01 Invatex
2 3
Концентращя, г/л - Eriopon R -<
Albafluid CD
■ Albatex
Рис. 1. 1зотерми поверхневого натягу розчишв амюиактивмих ПАР
Отриманi данi (рис. 1) свщчать про те, що серед анюнактивних ПАР найбiльше зниження поверхневого натягу викликають Invatex та Albaflow FF-01. При чому у розчиш Albaflow FF-01 зi зростанням концентрацп ПАР поверхневий натяг пропорцшно зменшуеться до максимального значення 44,5 мН/м при концентрацп 2 г/л, тсля чого показник не змiнюеться. Для Invatex спостертаеться максимальне зниження поверхневого натягу при 0,4 г/л, а подальше збшьшення концентрацп ПАР у розчиш приводить до шдвищення поверхневого натягу. Для Eriopon R, Albafluid CD та Albatex при низькому вмгсп у розчиш спостертаеться зростання поверхневого натягу, а збшьшення концентрацп призводить до зниження його значень, але отримаш показники е близькими до значень поверхневого натягу води.
0
4
5
га В К X Л 5Т и о
с
75
70
65
60
55
50
45
- иИтауоп ТС -Оксипав А1214.30
- ОС-20 Б
2
3
Концентрацш, г/л
- Ьи1ешо1
- Синтанол АЛМ-10 -
-Оксипав А1214С.50 - Стеарокс-6
Рис. 2. 1зотерми поверхневого натягу розчишв нешногенних ПАР
Результати дослщження впливу неiоногенних ПАР (рис. 2) показують, що всi дослiджуванi речовини знижують поверхневий натяг з тдвищенням !х концентрацп у розчинi до певного значения, тсля якого дослщжуваний показник бiльше не змiнюеться i залишаеться на досягнутому рiвнi. Найкраще знижуе поверхневий натяг до значень 48 мН/м при 1,6-2 г/л, а отже е найефектившшим змочувачем, Ultravon ТС. Також значнi результати щодо зниження поверхневого натягу досягаються при застосуваинi Оксипав А1214С.50, Lutensol та Стеарокс-6.
75
гй
32
к х л и И
о
из
73 71 69 67 65 63 61 59 57 55
2 3
Концентрация, г/л
Бетапав АП.30
- Бетапав А.30
Рис. 3. 1зотерми поверхневого натягу розчишв амфотерних ПАР
Отримаш iзотерми поверхневого натягу дослщжуваних ПАР (рис. 3) показують, що додавання мало! концентрацп 0,2 г/л амфотерних ПАР стршко знижуе поверхневий натяг. Подальше збшьшення концентрацп ПАР сприяе незначному пiдвищенню даного показника. Дослщжуваш амфотернi ПАР Бетапав АП.30 та Бетапав А.30 майже однаково знижують поверхневий натяг у нейтральному середовищг
0
1
4
5
0
1
4
5
75
^ 73
® 71
§
^ 69 й
§ 67 65
и о Я
& 61
<и
w 59
о 59
С
63
57 55
0
1
4
5
2 3
Концентрацш, г/л
Рис. 4. 1зотерми поверхневого натягу розчишв криптоанiонного ПАР Карбоксипав АФ6.35
Криптоанюнш ПАР одночасно володшть властивостями анюнних та неюногенних ПАР. Дослщження впливу концентрацп Карбоксипав АФ6.35 на поверхневий натяг сввдчить про те, що значения дослщжуваного показника пропорцшно зменшуеться 3i збшьшенням його концентрацп у розчиш.
Таким чином, можна зробити висновок, що найбшьше зменшують поверхневий натяг неiоногеннi ПАР, ^м ОС-20. Серед анiонактивних ПАР слад видiлити Albaflow FFC-01, застосування якого сприяе значному зниженню поверхневого натягу.
Слiд вiдмiтити, що Albafluid CD, Albatex та Eriopon R сприяють пiдвищенню поверхневого натягу, що пояснюеться 1х хiмiчною будовою та призначенням. Так, данi ПАР виробляються «Huntsman NMG» i мають наступне призначення: Albaflow FFC-01 е прискорювачем проникнення iнших речовин (гiдротропом), Albatex слугуе захисним коло1дом, а Eriopon R - тсляочисним агентом.
Iншi дослщжуваш анiонактивнi, амфотернi ПАР та криптоанюнний Карбоксипав АФ6.35 сприяють незначному збшьшенню поверхневого натягу.
ККМ визначаеться здатшстю до мiцелоутворения, при як1й вщбуваеться змiна фiзико-хiмiчних, коло1дних та технолопчних властивостей розчину ПАР, а отже е важливою характеристикою. З метою оцшки ККМ ПАР залежиiсть поверхневого натягу вщ концентрацп речовини у розчиш o=f(C) представляють у напiвлогарифмiчних координатах, тобто c=f(lnC) [16, 17].
На рис. 5. представлен iзотерми поверхневого натягу розчинiв ПАР, обраних для розроблення композицш у напiвлогарифмiчних координатах.
65
60
S 55
ев
Я «
S И <и я
X а
8 45 о
С
50
-2
-1
0
1
■ Ultravon TC ■Оксипав А1214С.50
■ Синтанол АЛМ-10 ■Albaflow FF-01
ln C
Lutensol •-Оксипав А1214.30 Э— Стеарокс-6
Рис. 5. 1зотерми поверхневого натягу розчинiв ПАР
2
На i30TepMax поверхневого натягу у напiвлогарифмiчних координатах можна вщмггати двi характерш точки. Перша - точка переходу вщ криволiнiйноï до прямолшшно1' дiлянки iзотерми, що характеризуеться максимальним зниженням поверхневого натягу см та досягненням граничноï адсорбцiï Ст. Друга точка - при переходi вщ похилоï дiлянки iзотерми до горизонтально].', яка вказуе на ККМ. Точка граничноï адсорбцп Ст являе собою концентрацшну межу стабшзуючо1' дп ПАР, вище якоï ПАР проявляють сво1' емульгуючi, мийнi та пiноутворюючi властивосп [9, 10, 16, 17].
Отримаш результати (рис. 5) показують, що ККМ ПАР, що найкраще знижують поверхневий натяг водних розчишв знаходяться у межах концентрацш 1 -2 г/л.
Висновки
Таким чином, можна зробити висновок, що найбшьше зменшують поверхневий натяг неiоногеннi ПАР, ^м ОС-20. Найкраще знижуе поверхневий натяг до значень 48 мН/м при 1,6-2 г/л, Ultravon TC. Також значш результати щодо зниження поверхневого натягу досягаються при застосуваннi Оксипав А1214С.50, Lutensol та Стеарокс-6. Серед анюнактивних ПАР слiд видiлити Albaflow FFC-01, застосування якого сприяе максимальному зниженню поверхневого натягу до значення 44,5 мН/м при концентрацп 2 г/л. Таким чином, анюнактивний ПАР Albaflow FF^01 е найефективнiшим змотувачем.
Шляхом побудови iзотерм поверхневого натягу ПАР напiвлогарифмiчних координатах встановлено, що ККМ речовин, вибраних для створення композицш ПАР у якосп змотувачiв, знаходяться у межах концентрацш 1-2 г/л.
Список використано!' л^ератури
1. Абрамов С.А. Технология отделки трикотажных изделий / С.А. Абрамов, В.П. Гусев. - М.: Легкая индустрия, 1973. - 472 с.
2. Кричевский Г.Е. Химическая технология текстильных материалов: учеб. для вузов в 3-х т. Т. 1. Теоретические основы технологии. Волокна. Загрязнения. Подготовка текстильных материалов / Г.Е. Кричевский. - М.: Росс. заоч. ин-т. текстильной и легкой промышленности, 2000. - 436 с.
3. Ковтун Л.Г. Технология отделки трикотажа / Л.Г. Ковтун. - М.: Легпромбытиздат, 1990. - 400 с.
4. Ковтун Л.Г. Химическая технология отделки трикотажных изделий / Л.Г. Ковтун. - М.: Легпромбытиздат, 1989. - 232 с.
5. Плетнев М.Ю. Косметико-гигиенические моющие средства / М.Ю. Плетнев. - М. : Химия, 1990.
- 272 с.
6. Поверхностно-активные вещества: [под ред. Абрамзона А.А., Гаевого Г.М.]. - Л.: Химия, 1979. -379 с.
7. Ланге К.Р. Поверхностно-активные вещества: синтез, свойства, анализ, применение: [под ред. Зайченко Л.П.]. - СПб.: Профессия, 2004. - 240 с.
8. Одинцова О.И. Снижение миграции красящих веществ в крашении хлопколавсановых тканей / О.И. Одинцова, О.В. Козлова, Б.Н. Мельников // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - 1995. - №2. - С. 48-51.
9. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы / Ю.Г. Фролов. - М.: Химия, 1988. - 464 с.
10. Красовский И.В. Физическая и коллоидная химия / И.В. Красовский, Е.И. Вайль, В.Д. Безуглый.
- К.: Вища школа, 1983. - 352 с.
11. Отделка хлопчатобумажных тканей. В 2-ух частях. Ч. 1. Технология и ассортимент хлопчатобумажных тканей: [под ред. Мельникова Б.Н.]. - М.: Легпромбытиздат, 1991. - 432 с.
12. Садов Ф.И. Химическая технология волокнистых материалов / Ф.И. Садов, М.В. Корчагин, А.И. Матецкий. - М.: Легкая индустрия, 1986. - 784 с.
13. Сафонов В.В. Облагораживание текстильных материалов / В.В. Сафонов. - М.: Легпромбытиздат, 1991. - 288 с.
14. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии / Д.А. Фридрихсберг. - Л.: Химия, 1974. - 352 с.
15. Rakowska J. Surface tension, wettability and absorptivity of basic components of wetting agents / J. Rakowska, B. Porycka, B Twardochleb // Badania i rozwoj. - 2007. - Vol. 3 - P. 34-46.
16. Мищенко А.В. Методическое пособие к выполнению лабораторных работ по курсу «Коллоидная химия» / А.В. Мищенко, Ю.Г. Шипилов - Херсон: ХДТУ. - 2003 г. - 64 с.
17. Баранова В.И., Бибик Е.Е., Кожевникова Н.М. Практикум по коллоидной химии: [под ред. Лаврова И.С]. - М.: Высшая школа. - 1983. - 213 с.
