CC BY
23
УДК 667.862.088.8
Розглянуто eMacmueocmi шлiхту-вальних композицгй для бавовняних основ, у яких допомiжними речови-нами-закрiплювачами плiвки е спо-луки Алюмтю. При застосуванш цих речовин покращуеться адгезiя шлiхти до волокна та технологiчнi показники процесу ткацтва завдяки гiгроскопiчностi i пластичностi nMi-вок шлiхти
ПОВЕРХНЕВ1 ЯВИЩА ТА ПГРОСКОП1ЧШ ВЛАСТИВОСТ1 НОВИХ ШЛ1ХТУВАЛЬНИХ КОМПОЗИЦ1Й
Г.С. Ткачу к
Старший викладач Кафедра xiMii Хмельницький нацюнальний унiверситет вул. 1нститутська, 11, Хмельницький, УкраТна, 29016 Контактний тел.: 068-207-67-68 E-mail: anna_tc@mail.ru
В. Ю. Ще рбан ь
Доктор техычних наук, професор, завiдувач кафедри Кафедра шформацшних технологiй проектування КиТвський нацiональний унiверситет технологiй та дизайну вул. Немировича-Данченка, 2, КиТв, УкраТна, 01011 Контактний тел.: 044-280-53-42 E-mail: kipt@i.com.ua
1. Вступ
При виробництвi тканин тдготовка основ до ткацт-ва е найбiльш енергоемною та матерiалоeмною стадieю, що проводиться винятково для зниження обривност прядива у ткацтв^ й прямо пов'язана з ефектившстю ткацького виробництва. Незважаючи на велику юль-кiсть шлiхтувальних препарапв, що вiдомi сьогоднi, жоден iз них не задовольняе складному комплексу ви-мог з економiчноi, технолопчноТ чи екологiчноi точки зору. Тому розроблення шлiхтувальних композицiй, якi дозволять зменшити витрати харчових продуктiв, хiмiч-них реактивiв, енергетичних ресурсiв, е актуальними.
Нами запропоновано до складу крохмальноi шлiх-ти для бавовняних основ вводити додатки каолшу або алюмокалiевих квасцiв, застосування яких дозволить покращити технологiчнi показники шлiхти, ошлiхто-ваного прядива та процесу ткацтва [1].
2. Гщрофшьш сполуки Алюмшто
Каолiн е нерозчинною у водi речовиною, яка утво-рюе у водi дрiбнi дисперсп, мае шарувату будову i розвинену поверхню. Завдяки амфотерним властиво-
стям Алюмiнiю, який входить до складу мшералу, вщ-буваються наступнi процеси. У кислому середовишд частинки поводяться, як слабю основи й утворюють на сколах позитивний потенщалутворювальний шар йонiв. У середовищах iз бiльш високим значенням рН виявляються кислотнi властивостi сполук Алюмшж з утворенням негативного потенщал-утворювального шару йонiв вiдповiдно [2]:
ОН
/
— А1 А13+ +2ОН-\
ОН
он
/
— А1 он-
\
он
/
* —Al + 2H+
\
На вщмшу вщ каолiну, що утворюе колоiднi роз-чини, квасцi е добре розчинними у водi речовинами. При розчиненш квасцiв проходить iхня дисоцiацiя на складовi частини:
КА1^04)2 42Н20 ^ К+ + А13+ + SO4+ 12Н20.
Далi проходить повний гiдролiз цiеi солi за катю-ном А13+:
А13+ + ЗОН- ^ А1(ОН)3-к
з утворенням дрiбнодисперсного золю алюмшш гь дроксиду А1(ОН)3. Осад алюмшш гвдроксиду поверх-нево активний i пронизаний численними дрiбними порами, в яких вода утримуеться за допомогою кат-лярних сил. Речовина А1(ОН)3, як i каолiн, позитивно заряджена у нейтральному середовищь Перезаряд-ження золю алюмiнiй гiдроксиду можна розглядати за схемами (1).
Отже, частинки каолшу i квасцiв можуть добре адсорбуватись у структурi крохмальних гелiв, як ма-ють надлишок вiд'емного заряду. Застосування крохмальних клейстерiв, яю мiстять каолiн або квасцi, призводить до зниження електровщ'емноси системи «бавовняна нитка - плiвка шлiхти». Завдяки цьому розпод^ шлiхти на нитщ основи повинен бути бiльш однорщним [3].
Наявнiсть у каолiнi та квасцях хiмiчно зв'язаноi води дозволяе забезпечити стшю гiгроскопiчнi вла-стивост плiвок шлiхти на волокнах. Каолш втрачае воду лише при температурах вище 400 °С, а квасщ втрачають лише частину кристалiзацiйноi води при 65 °С. Основа, оброблена шлiхтою з додатками каолiну або квасщв, стае менш чутливою до змши волого-температурних характеристик середовища Це е дуже важливим у ткацтв^ осюльки на системи зволоження ткацьких цехiв витрачають значнi кошти.
Крохмальна шлiхта в процесi термомехашчного способу приготування спiнюеться, що негативно впли-вае на технологiчний процес шлiхтування [4]. Для руйнування пши використовують багатокомпонентнi пiногасники, якi не позбавлеш ряду недолiкiв: нестш-кост до високих температур i турбулентности, агре-гатноi нестабiльностi. Механiзмiв руйнування пши е юлька: введення тенсидiв, що мало пiняться, жирiв, накопичення твердих тш на пiнному сегменть У на-шому випадку такими твердими тшами е колоiдна дисперая каолiну або золь алюмiнiй пдроксиду, якi в процесi пiноутворення накопичуються на бульбашках пiни. Далi частинки проникають всередину пiнного сегмента, дтть там, як чужорiднi тiла, сприяючи його руйнування.
Таким чином, шлiхта, виготовлена з додаванням каолшу або квасщв, не пшиться, отже, не потрiбно ви-користовувати пiногасники; е антистатичною, що ви-ключае необхiднiсть використання антистатиюв; мае кращу адгезiю до волокон - зшмаеться необхiднiсть використання тенсидiв.
Плiвка шлiхти стае менш чутливою до багатоци-клових мехашчних навантажень завдяки збiльшенню ii адгезп до волокна i високим еластичним показни-кам. Це дозволить зменшити обсипання шлiхти при переробцi основ, тдвищити продуктивнiсть ткацтва i
покращити умови у ткацьких цехах завдяки зменшен-ню рiвня пиловидiлення.
3. Сили поверхневого натягу шихтувальних композицiй
Нами було дослвджено ряд показникiв крохмальних гелiв без додавання гiдрофiльних додатюв та з iхнiм додаванням. Визначення сили поверхневого натягу проводили за методом вщриву юльця [5].
Для зменшення поверхневого натягу i збiльшення змочувальноi здатностi шлiхти, до и складу додають поверхнево-активнi речовини (ПАР). Нами був ви-браний нейоногенний препарат синтанол ДС-10 для порiвняння поверхневих властивостей дослiджуваних крохмальних гелiв.
Було приготовлено чотири рецепти крохмальних гелiв зi вмiстом крохмалю 45 г/л: перший рецепт -лише крохмаль, другий - крохмаль + квасщ, третш - крохмаль + каолш, четвертий - крохмаль + ПАР. Квасщ та каолш взято у юлькосп 0,5 % вщ маси крохмалю. ПАР взято у юлькоси 0,25 г/л (табл. 1).
Нами також було проведене дослщження сили поверхневого натягу крохмальних гелiв при змж кон-центрацп адгезиву. Поверхневий натяг у«х чотирьох зразюв зб^ьшуеться зi зб^ьшенням концентрацii клейового компоненту [6].
Додавання до шлiхти ПАР значно понижуе И поверхневий натяг. Гелi з додаванням каолiну та квасщв мають набагато б^ьший поверхневий натяг, шж iз ПАР, але значно менший, шж чистi крохмаль-ш гелi. Це можна пояснити адсорбщею дрiбноди-сперсних частинок каолiну чи алюмшш гщроксиду у об'емi та на поверхш макромолекул крохмалю i зниженням структуро-утворення. Завдяки цьому знiмаються надлишковi напруження, пов'язанi з по-верхневим натягом.
Дослщження поверхневого натягу та шших поверхневих явищ крохмальних гелiв проводили при 20 ° С. Але вщомо, що пiдвишення температури значно посилюе тепловий рух у систем^ понижуе И структурованiсть, отже i поверхневий натяг. У ви-робничих умовах шлiхтування бавовняних основ проводять звичайно при температурах 70-95°С. Тому процес шлiхтування основ запропонованими композищями можна проводити без додавання ПАР, осюльки наявнiсть у крохмальному клейсте-рi каолiну або квасщв сприяе не лише пониженню поверхневого натягу, але й зменшенню пшоутво-рення, яке призводить до неповного проклеювання основ.
4. Крайовий кут змочування текстильних матерiалiв
Крайовий кут змочування крохмальних гелiв визначали за допомогою методу Ребшдера [5]. Чим меншим е структуроутворення в системах, тим кра-ще крапля розпкаеться по поверхш текстильного матерiалу, змочуючи його. Чим б^ьшою е мiжмоле-кулярна взаемодiя, тим меншим буде змочування. Низький поверхневий натяг та добра змочувальна здатшсть повиннi бути притаманш шлiхтувальним
препаратам для забезпечення добрих технолопчних показниюв ткацтва. Для тдвищення змочувально'! здатноси i пониження поверхневого натягу шлiхти до 11 складу вводять ПАР i (або) пiдвищують температуру.
Нами було приготовлено чотири зразки крохмаль-но1 шлiхти, (див. пункт 3). При вивченш крайового кута змочування бавовняного волокна було встанов-лено, що змочування шлiхтою вiдбуваeться найкраще при зменшенш концентрацii клейово'! речовини. Але при низьких концентращях крохмалю шлiхта проникав вглиб нитки мiж волокна i не утворюв мщно'1 зовнiшньоi плiвки з одного боку, погано вимивавться при розшлiхтуваннi - з шшого боку.
Шлiхта iз додаванням ПАР найкраще змочув поверхню волокна. При наявностi у клейстерi као-лiну або квасцiв, не зважаючи на змiцнення струк-тури, вщбувавться кращий ефект змочування, шж у чистiй крохмальнiй шлiхтi. Це пояснювться ад-сорбцiвю дрiбнодисперсних частинок на поверхш макромолекул крохмалю. При цьому значно збшьшу-вться адгезiя шлiхти до волокна. Введення текстиль-но-допомiжних речовин (ТДР) каолiну або квасщв сприяв певному зниженню величини поверхневого натягу навiть без наявноси ПАР. Отже, поверхневi капiлярнi сили переважають над мiцнiстю структури при певних концентращях. Осюльки технологiчний процес шлiхтування основ проходить при високих температурах, яю спричиняють зменшення вели-чини крайового кута змочування, це в сприятливим для устшного застосування запропонованих нами композицш.
негативно вплинути на показники утворено'1 полiмер-но1 плiвки.
Осюльки дослiджувалися не iндивiдуальнi речовини, а композицп, величини, що одержали в результат дослiджень потрiбно вважати за набли-женi. Це пояснювться тим, що чим б^ьшою в мiж-молекулярна взавмодiя всерединi одiвi фази, тим меншим буде мiжмолекулярна взавмодiя на межi подiлу фаз [6].
У табл. 1. показано визначеш поверхневий натяг, крайовий кут змочування та роботу адгезп чотирьох шлiхтувальних композицш (див. пункт 3.). Як видно, величина адгезп плiвки шлiхти, що мктить додатки каолшу та квасцiв на 10-15 % б^ьша, нiж шлiхти як без додавання ПАР, так i з додаванням.
Таблиця 1
Поверхневi показники ш^хтувальних композицiй
Показник Склад^ч гелю ^ч Поверхневий натяг стр, мН/м Крайовий кут 0,град cosG Робота адгезй Wa, мДж/м2
Крохмальний традицшний 90,01 81 0,156 104,05
Крохмальний з ПАР 62,67 42 0,743 109,24
Крохмальний ¡з квасцями 70,87 52 0,616 114,50
Крохмальний з каолшом 71,14 51 0,629 115,91
5. Визначення величини адгезп полiмерних плiвок до волокна
Мiж молекулами адгезиву i субстрату (за молеку-лярною теорiвю адгезп) можуть виникати найрiзно-манiтнiшi сили, починаючи зi слабких дисперсiйних i закiнчуючи силами хiмiчноi природи. Величина сил адгезп залежить вiд природи адгезиву та субстрату, 1х-ньо1 хiмiчноi спорiдненостi, в'язкостi адгезиву, тиску, температури, ввд характеру поверхнi субстрату [6].
В основi всiх полiмерних покриттiв лежить фiзико-хiмiчний процес змочування поверхш. Дощльним в використання лише тих клейових композицш, яю не лише здатш змочувати поверхню субстрату, проника-ти в пори, але й при висушуванш можуть утворювати плiвку, що мiцно з'вднана з поверхнею.
При наявностi добрих адгезшних властивостей шлiхти можна регулювати И склад, в'язюсть, температуру, параметри швидкосп шлiхтування, тиску вщжимних валiв, натягу ниток основи, вологосп по-вiтря [4]. Як правило, адгезiя i змочування в взавмно пов'язаними факторами. Чим б^ьшими в сили адгезп шлiхти до прядива, тим кращою в змочувальна здат-нiсть шлiхти.
Роботу адгезп розраховували за рiвнянням Дюпре - Юнга [7], з якого випливав, що рщина розтiкавться по поверхнi, коли сили адгезп в б^ьшими вщ сил ко-гезii. Такого ефекту можна досягнути при зменшенш сил поверхневого натягу та зб^ьшенш температури. Але занадто високий вплив названих факторiв може
Дрiбнодисперснi частинки каолшу або алюмшш пдроксиду вiдiграють роль наповнювачiв полiмерних композицiй, якi позитивно впливають як на адгезш-ш, так i на когезiйнi властивосп плiвок шлiхти. Не остання роль у мщносп полiмерного покриття нале-жить залишковим деформацiям плiвок, на величину яких можна впливати, змшюючи температуру, во-логiсть середовища, склад композицш. Пластифжа-тором крохмальних плiвок в вода, яка випаровувться в процес сушiння основ. Це негативно впливав на технологiчний процес переробки основ. Для зняття залишкових напружень при змж вологотемператур-них режимiв до складу шлiхти вводять каолши або квасцi, якi здатнi утримувати за рiзних умов криста-лiзацiйну воду.
За iншою теорiвю адгезп (електричною) вщбува-вться орiвнтацiя нейтральних молекул, що мктять по-лярш групи; тобто на межi адгезив - субстрат утворю-вться подвшний електричний шар, який в результатом 1хньо1 взавмодii (утворення водневих зв'язюв за до-норно-акцепторним механiзмом та з допомогою куло-нiвських сил) [7]. Дрiбнодисперснi амфотернi сполуки Алюмшж прекрасно взавмодiють з гiдроксогрупами молекул як крохмалю, так i целюлози завдяки свовму потенцiалутворювальному шаровi йошв, що веде до пiдвищення мщносп шлiхтувальних плiвок та величини 1х хiмiчноi адгезii.
Можна припустити, що наявшсть каолiну або квасщв впливав на формування тонко! структури полiмеру при висушуванш з розташуванням мiж елементами
иого надмолекулярно1 структури з утворенням мщних пл1вок та змшою 1хтх антифрикцшних властивостеИ.
1мов1рно, що при б1льшш величин адгезп до волокна, шж у традицшних шл1хт, запропонована ком-позищя буде при певнш к1лькост1 адгезиву фор-мувати на нитщ б1льш високиИ приклеИ, що може бути передумовою економп клеИових речовин. Тому нами було дослщжено залежшсть величини приклею вщ концентрацп клеИово1 речовини у чистш крохмальнш шл1хт1, крохмальнш шл1хт1 з каолшом та крохмальнш шл1хт1 1з квасцями (табл. 2). 1з даних ще'1 таблиц видно, що приклеИ шл1хтувальних ком-позицш 1з пгроскошчними додатками при однаковш концентрацп крохмалю е приблизно на 10 % б1льшим, шж у шл1хт1 без додатюв. ЦеИ факт прекрасно тд-тверджуеться, як молекулярною, так 1 електричною теор1ею адгезШ. Потр1бниИ приклеИ формуеться на пл1вщ при б1льш низьких концентращях крохмалю. Отже, е шдстави для розроблення запропонованих композицш.
Таблиця 2
Залежнiсть приклею крохмальних гелiв вiд концентрацп клейовоТ речовини
Шл1хта Значения приклею, % при р1зних концентращях крохмалю, г/л
20 25 30 35 40 45 50 55 60
Крохмаль 2,4 2,7 3,1 3,3 3,9 4,3 4,8 5,3 5,9
Крохмаль + квасщ 2,4 2,7 3,4 4,0 4,8 5,5 5,9 6,7 7,2
Крохмаль + каолш 2,5 2,9 3,3 4,1 4,7 5,5 6,0 6,6 7,3
Таблиця 3
Пгроскотчж властивостi плiвок шлiхти
Тип пл1вки Вщносна волопсть W, %
57,58 71,83 90,00 98,00
ПВС 15,14 22,52 37,12 64,25
Крохмаль 13,41 20,04 32,01 60,22
Крохмаль+каолш 10,50 13,69 20,46 24,04
Крохмаль+квасщ 11,65 12,17 22,50 27,53
Змши вологопоглинання, як1 нами спостер1га-лися, е позитивними з точки зору застосування каолшу та квасщв як компонент1в шл1хти. Осно-ви, ошл1хтоваш за запропонованою технолопею, у меншш м1р1 бщуть змшювати технолопчш 1 як1сш показники при коливаннях вологост1 на ткацькому виробництвь
Щ % и
60"
40'
20' ■
50
60
70
80
90
100
ф, %
6. Пгроскотчш властивостi пивок шлiхти
Вщомо, що еластичшсть 1 витривалкть пл1вки знач-ною м1рою залежить в1д 11 пгроскотчность Осюльки метою дано1 роботи е запровадження технологи шл1х-тування з використанням пгроскотчних додатюв, нами було вивчено пгроскотчшсть або вологопоглинання пл1вок шл1хти шляхом, витримування 1х над насиченими розчинами р1зних солеИ [1].
Експериментальш дослщження проводили згщно з ГОСТ 6611.4-73.
Нами були взят1 для дослщження пл1вки синтетичного пол1меру ПВС, а також крохмальш пл1вки: чистиИ крохмаль, крохмаль + квасщ, крохмаль + каолш (див. пункт 3). Як видно з 1зотерми сорбцп водяних пар1в (рис. 1.б, табл. 3), залежшсть вологопоглинання в1д змши вологост1 оточуючого середовища мае складниИ характер. При зм1ш в1д-носно1 вологост1 в1д 57,58 до 98,00 % волоНсть ус1х зразюв зб1льшуеться, але не однаково. НаИб1льше змшюеться волоНсть крохмально'1 пл1вки, трохи менше - волопсть пл1вки ПВС. Поглинання вологи пл1вками з додатками каолшу 1 квасщв змшюеться б1льш плавно 1 не в такш м1р1. Причому в штерва-л1 в1дносно'1 вологост1 70-80 % вологопоглинання пл1вки з квасцями починае випереджати, пл1вку з каолшом.
(а)
(б)
Рисунок 1. Залежшсть пгроскотчносп плiвок шлiхти вiд величини вщносноТ вологостi (а), кiнетика поглинання парiв води плiвками шлiхти (б): 1 — ПВС, 2 — крохмаль, 3 — крохмаль + каолш, 4 — крохмаль + квасЩ.
Вивчення кшетики вологопоглинання дало змогу встановити, що швидюсть цього процесу, а також до-сягнення р1вноваги залежить вщ природи адгезиву
i складу шлiхти. Крохмальнi плiвки мають високу швидкiсть поглинання вологи (протягом першо1 го-дини). Далi швидюсть поглинання сповiльнюeться i через 4-5 год настае стан рiвноваги. Плiвки з ПВС поглинають вологу ще швидше, нiж крохмальнi Плiв-ки з додаванням пгроскотчних додаткiв воду поглинають б^ьш повiльно, шсля 6-10 год швидкiсть ще б^ьш сповiльнюеться, i рiвновага настае шсля 20 год (рис. 1.б.).
Волого-температурш характеристики середови-ща у ткацькому та приготувальному вщд^еннях мають велике значення для виробництва яюсно1 тканини [3]. Стаб^ьш гiгроскопiчнi властивостi плiвок шлiхти з цiльовими додатками можуть дати можлившть зниження вiдносноi вологоси повiтря ткацьких цехiв, отже, i застосування запропонова-них композицiй.
Галузь можливого впровадження одержаних результат
Крохмальнi композицii з додатками каолшу або квасцiв для шлiхтування бавовняних основ можуть бути застосоваш у тдготовчих вiддiленнях ткацько-го виробництва. Це дасть змогу: скоротити витрати крохмалю i ТДР при готуваннi шлiхти; забезпечити регулювання рiвня приклею; досягти зниження об-ривностi за рахунок тдвищення технологiчних по-казниюв шлiхти; знизити вологiсть повiтря та рiвень пиловидiлення у ткацьких цехах; покращити еколо-гiчний баланс за рахунок використання еколопчно чистих речовин.
Висновки
Шлiхтувальнi склади з доданням каолiну або квас-цiв мають:
1) на 20-30 % нижчу силу поверхневого натягу в порiвняннi 3i складом на основi чистого крохмалю, але вищу, нiж у складах i3 доданням ПАР;
2) значно нижчу величину крайового кута змочу-вання, яка наближуеться до значень кута змочуван-ня шлiхтувальних складiв i3 додаванням тенсидiв, що полiпшуе проникшсть крохмальних гелiв у пря-диво;
3) величину адгезп на 10-15 % б1льшу, нiж чисто крохмально! шлiхти, що зумовлюе збiльшення ве-личини приклею при однаковш концентрацii крох-малю
4) у 3-4 рази довший час поглинання води при зб1льшенш вологост середовища, що може покращити стаб1льшсть пружноеластичних властивостей плiвок шлiхти та зменшення склеювання в основi на ткацькому верстай при коливаннях вологотемпературних режимiв.
Лиература
1. Деклар. пат. 10218 Украша, C09J4/06. Шлiхтувальна ком-
позицiя для целюлозних основ / Г. Ткачук, Л. Ганзюк,
В. Щербань, В. Гнщець. - патенто-власник Хмельниць-
кий нац. ун-т; заявл. 14.03.2005; опубл. 15.11.2005, Бюл.
№ 11 (I ч.).
2. Бехетин А.Г. Курс минералогии / А.Г. Бехетин. М.: Гос.
изд-во геологической литературы. - 1951. - 542 с.
3. Ганзюк Л.1. Застосування пгроскошчних речовин в тех-
нологи шлiхтування целюлозно! пряжi / Л.1. Ганзюк,
I.B. Дехтярук, Г.С. Костогриз // Вiсник технол. ун-ту
Подiлля. - 1998. - т. 1. - № 4. - С. 114-116.
4. Справочник по хлопкоткачеству / под ред. Э.А. Оникова.
- М.: Легкая индустрия. - 1979. - 487 с.
5. Методические разработки к практикуму по коллоидной
химии / под общ. ред. А.В. Перцова. М.: изд-во МГУ.
- 1999. - 90 с.
6. Тагер А.А. Физикохимия полимеров /А.А. Тагер. - М.:
Химия. - 1978. -544 с.
7. Берлин А.А. Основы адгезии полимеров / А.А. Берлин,
В.Е. Басин. - М.: Химия. - 1969. - 320 с.
