CC BY
7
УДК 677.027.254
М.Л. Кул1гш, Г.А. Чумаков
ВИКОРИСТАННЯ УЛЬТРАЗВУКУ ДЛЯ ШТЕНСИФ1КАЦП ПРОЦЕС1В ПОДГОТОВКИ БАВОВНЯНИХ ТКАНИН
Частина 2
У po6omi до^джено вплив ультразвукового випромiнювання на процеси просочення та
промивки при пiдготовцi бавовняних тканин. До^джено вплив ультразвуковое обробки на
основт показники якостi пiдготовленоi тканини - капшярнкть та бшизну.
Вступ. Одним з перспективних напрямшв розвитку текстильно! промисловоста пов'язано з використанням фiзичних методiв впливу на матерiали, що обробляються в рщкому середовищ^ з метою штенсифшаци та сумщення технологiчних процесiв, пiдвищення продуктивноста працi та якостi виробiв, покращення використання сировини, створення замкнутих технолопчних циклiв та безвiдходних технологiй [1].
Досить ефективним, еколопчно безпечним е використання ультразвукових коливань частотою ввд 20 кГц. Перевагою впливу за допомогою ультразвукового випромiнювання е те, що, у порiвняннi з шшими фiзичними способами штенсифжацп, обробка здшснюеться на вже iснуючому устаткуваннi при прискоренш процесу в 1,5-2 рази.
При розповсюдженш в газах, рвдиш та твердих тiлах ультразвук породжуе ряд явищ: кавiтацiю, звуковий тиск та ш.
Кавiтацiя -це складний комплекс явищ, пов'язаних з виникненням, розвитком та схлопуванням в рщкому середовищi найдрiбнiших пухирцiв газу. Ультразвуковi хвилi при розповсюдженнi в рщиш створюють областi високого та низького тиску, що чергуються. В областях, де створюеться розрвдження, гвдростатичний вплив зменшуеться до такого ступеня, що сили, якi впливають на молекули рiдини, стають бiльшими за сили мiжмолекулярного зчеплення. У результатi рвдина розриваеться, утворюеться найдрiбнiший пухирець. У наступний момент високого тиску пухирець захлопуеться, що супроводжуеться утворенням ударних хвиль з дуже великим тиском 5-50-106 Па та високою температурою - до 500 оС, утворенням потужного електричного поля з напруженютю до 1011 В/м. При цьому, кавiтацiя може в значнш мiрi впливати як на швидшсть дифузи, так i на дифузшний шар, зокрема на в'язкий шар та власне дифузшний шар, що вщграе значну роль в гетерогенних процесах.
Ультразвукова iнтенсифiкацiя процесiв, пов'язаних з дифузшним проникненням розчинiв в набрякт нерозчиннi матерiали, вiдбуваеться в результата створення значних турбулентних течш, звукового тиску, наслвдком чого е порушення дифузiйних межових шарiв, 1х руйнування. Крiм того, в результата передвiчного руйнування та тиску рвдини у напрямку волокна виникае ефект губки - розчини по катлярам швидше протiкають всередину матерiалу, що обробляеться [2, 3].
Постановка задачь Метою дшсно! роботи було дослвдження ультразвукового впливу на процеси подготовки бавовняних тканин перед кольоруванням.
Основна частина. Як вiдомо з лггературних джерел, УЗВ активно впливае на характер проходження хiмiчних реакцiй [4]. Тому наступним етапом дано! роботи було дослвдження впливу УЗВ на характеристики таких водних розчишв, як pH та Redox (ОВП) потенщал.
Данi дослвдження наведено в табл. 1.
Таблиця 1
Залежнкть pH та Redox (ОВП) потенщалу в1д часу обробки в УЗВ _(досл1джувалась техмчна вода)__
№ варiанту обробки Термш обробки, хв pH Температура розчину, оС Redox (ОВП) потенщал, мВ
1 1 7,45 15,3 40
2 5 7,53 15,5 39
3 15 7,56 15,7 43
4 20 7,57 16,4 44
5 30 7,59 16,5 41
6 40 7,63 17,1 41
7 50 7,78 17,7 40
8 60 7,97 18,3 39
Як видно i3 табл. 1, УЗВ змшюе значения pH техшчно! води з доданням ПАР в лужну сторону та зб№шуе Redox потенщал.
Таблиця 2
Залежшсть pH та Redox (ОВП) потенцiалу вщ часу обробки в УЗВ
№ варiанту обробки Термш обробки, хв pH Температура розчину, оС Redox (ОВП) потенциал, мВ
1 0,5 6,65 15,4 108
2 1 6,56 15,5 108
3 5 6,18 16,4 101
4 15 6,05 19,2 88
5 20 6,33 19,6 80
6 30 6,52 19,8 75
7 40 6,69 20 71
8 50 6,81 20,6 66
9 60 7,04 21,5 63
Як видно i3 табл. 2, УЗВ практично не змшюе значення pH та Redox потенцiалу дистильовано! води, оскшьки в нiй практично ввдсутт домiшки, що можуть пiд впливом ультразвуку розкладатись на компоненти та вступати у хiмiчнi реакцп.
Таблиця 3
Залежшсть pH та Redox (ОВП) потенщалу вiд термшу обробки в УЗВ __(дослщжувалась техшчна вода з доданням ПАР - сульфасм)_
№ варiанту обробки Термш обробки, хв pH Температура розчину, оС Redox (ОВП) потенциал, мВ
1 0,5 7,06 15,2 49
2 1 7,11 15,5 44
3 5 7,34 16,2 46
4 15 7,4 16,2 46
5 20 7,48 17,2 61
6 30 7,55 17,6 70
7 40 7,68 18,3 82
8 50 7,71 17,8 85
9 60 7,75 19,3 85
Як видно iз табл. 3, УЗВ змшюе значення pH техшчно! води з доданням ПАР в лужну сторону та зб№шуе Redox потенщал.
Отримаш результати змши Redox потенцiалу та pH значно в лужну сторону тд впливом УЗВ вiрогiдно можливо пояснити iонiзацiею води:
H2O-e-H2O+, що розкладаеться далi за схемою H2O^H4-HO\
Вiдiрваний електрон проходить вiдстань, що визначаеться енерпею, з якою його було вибито з молекули. На своему шляху електрон може бути приеднано до молекули води чи до юну водню, в результата чого утворюеться атомарний водень [1]:
H2O + e ^ H2O-+H, чи H++e ^ H2O2.
Вiрогiднiсть взаемоди внаслвдок цього достатньо висока, що призводить до створення додаткових перпдрокс iонiв чи пероксиду водню. Також можливi реакци:
HO2- + H+^ H2O2, чи HO^ + HO^ ^ H2O2.
При впливi ультразвуку на воднi розчини юшзацш молекул водню здiйснюеться в газовш фазi, тобто в кавiтацiйних порожнинах [2,3]. Тривалiсть життя кавiтацiйного пухирця складае менше
половини перюду частоти ультразвуку, що використовуеться (при частота 20 кГц - 2,5-10-5с). В свою чергу, час юнування радикалiв, що створюються, - 10-3-10-4с.
Таблиця 4
Залежшсть pH та Redox потенщалу вiд часу обробки в УЗВ на вщбшюючий розчин: пероксид водню - 30 г/л; луг - 7 г/л; силжат натрто - 10 г/л; ПАР сульфасщ - 1 г/л
№ варiанту обробки Час обробки, хв pH Температура розчину, оС Redox (ОВП) потенциал, мВ
1 0,5 12,91 18,4 -116
2 1 12,88 18,6 -110
3 5 12,92 17,9 -97
4 15 12,86 17,9 -95
5 20 12,88 18 -94
6 30 12,9 18 -96
7 40 12,89 17,9 -96
8 50 12,86 18,5 -96
9 60 12,86 18,6 -9
Аналiз даних, що характеризують вплив УЗ на вiдбiлюючий розчин (табл. 4), сввдчать про значнi зрушення pH вiдбiлюючого розчину в лужну область (з 11б5 до 12,9), що сприяе швидшому розкладу пероксиду водню. Крiм того, дозволяе вважати, що з ашплящею пухирця у водне середовище активнi у хiмiчному вщношенш гiдроксильнi радикали та атоми водню. Тому вплив ультразвукових хвиль на систему пероксид водню - вода призводить до утворення пергiдроксил-iонiв за схемою: H2O2 + HO- ^ H2O + HO-2 - основна реакщя HO-2 ^ HO- + 1/2O-2 - побiчна реакцiя H2O - e ^ H2O+ ^ H++HO^ H+ + O2 + 2 e ^ HO-2 H+ + HO-2 ^ H2O2,
що i сприяе пiдвищенню Redox потенщалу пероксидного розчину на 15% та збшьшуе його реакцiйну здатнiсть вщносного полiмеру в процесi вiдбiлювання.
Отримаш данi узгоджуються з результатами дослщження авторiв [4].
Наступний етап роботи помiчав у визначеннi мiсця у технолопчному процесi операци ультразвуково! промивки та ii вплив, у сполученш з двохстадiйним бiлiнням, на показники якостi текстильного матерiалу. Обробку проводили за технолопчною схемою, що наведено в табл. 5.
Таблиця 5
Визначення мкця у технолопчному процеа операцi'l' ультразвуково'1 промивки_
№ Технолопчна операщя Варiант обробки
1 2 3 4 5 6
1. Просочення розчином ПАР неонол - 3 г/л, t=98°C + + - - - -
2. Вилежування 24 години + + - - - -
3. Просочення H2SO4 - 5 г/л вилежування 20 години хв при 20оС - - + + + -
4. Промивка у УЗ ваш t=25-30°C в розчиш ПАВ (неонол) - 3 г/л + + + - - +
5. Просочення вiдбiлюючим розчином: луг - 7 г/л, пероксид водню 100%ий - 30 г/л, силжат натрш - 10 г/л, ПАР (неонол) 2 г/л, персульфат калш 5 г/л. + + + + + +
6. Вилежування 24 години + + + + + +
7. Промивка у УЗ ванш t=25-30°C в розчиш ПАР (неонол) - 3 г/л - - - + - -
8. Просочення вiдбiлюючим розчином: луг - 3 г/л, пероксид водню 100%-ий 15 г/л, силшат натрш 5 г/л, ПАР (неонол) - 1 г/л, + - + + + +
9. Просочення вiдбiлюючим розчином: луг - 7 г/л, пероксид водню 100%-ий -30 г/л, силшат натрш 10 г/л, ПАР (неонол) 2 г/л - + - - -
10. Вилежування 24 години + + + + + +
11. Промивка у УЗ ванш t=25-30°C в розчиш ПАР (неонол) - 3 г/л - - - - + -
12. Промивка гарячою водою, t=85-90°C + + + + + +
13. Промивка холодною водою, t=18-20°C + + + + + +
14. Кислування H2SO4, 3 г/л + + + + + +
15. Промивка холодною водою, t=18-20°C + + + + + +
16. Сушшня (конвективне 120оС) + + + + + +
н
ен л ен
о
г
м
90 80 70 60 50 40 30 20
г ■ ■ " ^
\ \ \ V V
\ \ \ V V
\ \ \ V V
\ \ \ V V
\ \ \ V V
\ \ \ V V
\ \ \ V V
\ \ \ V V
\ \ \ V V
\ \ \ V V
\ \ \ \ \ \ V 7 V V
\ \ \ V > V
\ \ \ п \ \ V V > у V V
\ \ у \ V у V
\ \ у \ п V у V
\ \ у \ А V у V
^ > \ > \ А у
0 0.5 1 5 15
90 80
70 ^
60 Ё м
50 ^ и
40 |
Ш
30 20
п \ \ \
V \ \ \
V \ \ \
V \ \ \
V \ \ \
V \ \ \
V \ \ \
V \ \ \
V \ \ \
V \ \ \
V \ \ \
V \ \ \
V \ \ >- \
V \ \ у \
V \ \ у \
V \ \ у \
V \ \ у \
V \ \ у \
V п \ \ у \
V А \ А \ у \
V л \ А >
0 0.5 5
15 20
90
30
70
60
50
40
¡Я ьГ
.5
Час ойройки, хе
Час ойройки, хБ
а)
б)
85
I 30
* 75
В 70 3 65
Ен
Й 60
1 55 | 50
45
40
+ \ - \
\ \ \ V \
\ \ \ V V
\ \ \ V V
\ \ \ V V
\ \ \ V V
\ \ \ V V
\ \ \ V V
\ \ \ V V
\ \ \ - V 7 V
\ \ \ / V у V -
\ / \ \ у V у V у
\ / \ \ у V у V у
\ / \ \ у V у V у
\ / \ \ у V у V у
\ / \ \ у V у V у
\ / \ \ у V у V у
\ / \ \ у V у V у
\ / \ \ у V у V у
\ N / / \ я \ 1 у <■ * у у V * у у
0 0.5 1
15 20
90 80 *
70 |
н
60 Я
50 40
.3
и
Час ойройки, хв
0 0.5 1 5 15 20 Час ойройки, хв
100
90
80
70
60
50
40
и
ос
К
ё
м
В)
Г)
0 0.5 1 5 15 20 Час ойройки, хе
100
90
80
70
60
50
\ \ \ \ \ \
\ \ \ \ \ \
\ \ \ \ \ \
\ \ \ \ \ \
\ \ \ \ \ \
\ \ \ \ \ \
\ \ \ \ \ \
\ \ \ \ \ \
\ \ \ \ \ \
\ \ \ \ \ \
\ \ \ \ \ \
\ \ \ \ \ \
\ \ \ \ \ \
\ \ \ \ \ \
\ \ \ \ \ \
\ г \ \ \ \ \
\ У \ \ \ \ \
\ У \ \ \ \ \
\ У \ \ \ \ \ к.
\ / ■1 ■1 л -. -. л
0 0.5 1
15 20
90
80 *
70 и
(н
ОС
К Ё
60 .5 Щ
50
Час ойройки, хе
д)
к\\\\Н бмзна
У/капiлярнiсть
е)
Рис. 1. Показники якостi подготовлено! бавовняно! тканини: а - варiант 1, б - варiант 2, в - варiант 3,
г - варiант 4, д - варiант 5, е - варiант 6.
Аналiз даних табл. 5 та рис. 1 сввдчить про те, що використання двохстадшного пероксидного способу бшння дозволяе отримати бiлiзну тканини до 82%, що вiдповiдае вимогам ДСТУ до вiдбiлених тканин. У технологи обробки за варiантом 1 у другш просочувальнiй ваннi для економи хiмiчних материалiв концентраци реагенпв було знижено удвiчi, а промивка з УЗВ проводилась пiсля бюлопчного розшлiхтування при температурi 25-30оС у присутносп ПАР. Капiлярнiсть оброблено! тканини зростае пропорцшно часу обробки i пiсля 20 хв складае 80 мм за 20 хв., але при цьому на 2% знижуеться бiлизна тканини.
У 2-му (табл. 5 рис. б) варiантi технологи обробки була збшьшена концентрацiя вибiлюючого розчину для друго! стади. Параметри та положення в процесi операцп ромивки з УЗВ осталось незмшним. Аналiз даних та рис. 2 сввдчить про те, що завдяки збiльшенню концентраци бiлизна оброблено! тканини при будь-яком час обробки становила не менш 82%. Але, у порiвняннi з першим варiантом технологи обробки, отримано низькi значення кашлярносп - до 60 мм за 15 хв.
У варiантi 3 (табл. 5 рис. в) операц1я бiорозшлiхтування була замiнена на розлiхтування сiрчаною кислотою. Параметри та положення у процеа операцi! ромивки з УЗВ залишилось незмiнним. Аналiз даних сввдчить про те, що бшьш ефективне видалення крохмалю сiрчаною кислотою практично не вплинуло на кашлярш властивостi оброблено! тканини - до 64 мм за 5 хв обробки на бшизш - 82%, але зменшився час оброби до значення 60 мм з 15 хв. у другому варiантi, до 5 хв. у третьому варiантi технологи обробки.
У варiантi 4 (табл. 5 рис. г) операщя бiорозшлiхтування була замшена на розлiхтування арчаною кислотою. Змiнилося положення у процеа операцп промивки з УЗВ - шсля першо! стадi! вибшювання. Було припущено, що видалення частки вiскоподiбних речовин пiсля першо! стади бiлiння дозволе покращити просочення вiдбiлюючим розчином на другiй стадi! i таким чином збiльшити бiлизну та кашляршсть. Аналiз даних сввдчить про те, що досягнуто 90 мм за 5 хв. обробки та бшизни - 83%, збшшення часу оброби до 20 хв. покращило кашляршсть лише до 95 мм.
При обробщ за варiантом 5 (табл. 5 рис. д) розшлiхтування проводилось арчаною кислотою, а промивка з УЗВ та ПАР шсля друго! стади бшння. Як i в попередшх варiантах, краще значення кашлярносп 100 мм отримано при обробщ впродовж 5 хв. За вама варiантами бiлизна склала 82-83%.
У 6-му варiантi обробки (табл. 5 рис. е) операщя розшлiхтування була замщена промивкою в ультразвуковш ваннi з ПАР. Краще значення кашлярносп 80 мм отримано за 5 хв. обробки. Бшизна за будь-який час обробки склала 82%.
Загальш висновки
1. Дослiджено вплив ультразвукового випромшювання на текстильний матерiал при замiщеннi операцi! хiмiчного розшлiхтування. Використання ультразвукових хвиль сприяе видаленню крохмалю у достатньо короткий час, завдяки чому можливо покращити здатшсть тканини до змочування пiд час наступних обробок, але не забезпечуе рiвень капiлярностi, що вимагае ДСТУ.
2. Дослщжена iнтенсифiкацiя промивки пiсля вибiлювання за допомогою ультразвукового випромiнювання. Встановлено, що збiльшення часу обробки (бшьш 5 хв.) в ультразвуковому випромшюванш приводить до попршення капiлярних властивостей, що можна пояснити ресорбцiею вiскоподiбних речовин у волокно.
3. Дослщжена iнтенсифiкацiя промивки пiсля операцi! бюлопчного розшлiхтування за допомогою ультразвукового випромiнювання. Встановлено, що обробка в ультразвуковому випромшюванш, сумюно з доданням у промивний розчин ПАР та високою температурою 80-90°С, сприяе значному полшшенню капiлярних властивостей текстильного матерiалу, що можна пояснити ефективним видаленням не тшьки крохмалю, але i воскоподiбних речовин з поверхневого шару бавовняного волокна.
4. Дослщжено можливiсть iнтенсифiкацi! процесу розшлiхтування з використанням окислювачiв за допомогою ультразвукового випромшювання. Встановлено, що ультразвукове випромiнювання незначно впливае на ефектившсть процесу розшлiхтування у присутностi окислювачiв без попереднього замочування матерiалу перед обробкою. Гаряча промивка шсля процесу бшння не покращила кашляршсть, яка за 20 хв. обробки в ультразвуковш ванш досягла лише 20 мм.
5. Дослщжено процеси, що проходять у водних розчинах шд впливом ультразвукового випромiнювання:
- ультразвукове випромшювання змiнюе значення pH техшчно! води з доданням ПАР у лужну сторону та збiльшуе Redox потенщал;
- ультразвукове випромiнювання змшюе значення рН технiчно! води ПАР у лужну сторону та практично не змiнюе Redox потенщал;
- шд впливом ультразвукового випромiнювання у вщбшюючому розчинi практично не змiнюеться рН, а Redox потенцiал змiнюеться з -116 до -9, що негативно впливае на ефектившсть
процесу вибiлювання.
6. Дослщжено вплив ультразвукового випромшювання тд час процесу промивання на рiзних стадiях двохстадшного процесу холодного пероксидного вибiлювання. Встановлено, що використання двохстадiйного пероксидного способу бшння дозволяе отримати бiлизну тканини 82%, що ввдповщае вимогам ДСТУ до вщбшених тканин. За рахунок видалення частки вiскоподiбних речовин шсля першо! стади бiлiння, що дозволяе покращити просочення вiдбiлюючим розчином на другш стади процесу бiлiння та, таким чином, збшьшити бiлизну та покращити кашлярш властивостi текстильного матерiалу.
Л1ТЕРАТУРА:
1. Эльпинер И.Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие. М.: ГИФМЛ, 1963. - 420 с.
2. Сафонов В.В., Богданов Г.А. Влияние ультразвука на процессы беления хлопчатобумажных тканей. Текстильная промышленность, 1989, № 1.- С. 60-61.
3. Исследование влияния ультразвукового поля на скорость отбеливания хлопчатобумажных тканей / В.В. Садов, Г.А. Богданов, О.Д. Краснова. Межвузовский сборник научных трудов. М., 1983. - С. 80-85.
4. А.В. Шибашов Изучение влияния УЗВ поля на окислительно-восстановительный потенциал пероксида водовода / Химия и химическая технология. - 2007, №12. - С. 80-82.
КУЛ1Г1Н Михайло Львович - к.т.н., доцент кафедри хiмiчноl технологи та дизайну волокнистих матерiалiв Херсонського нацюнального техшчного ушверситету. Науковi штереси:
- ресурсозаощаджуючi технологи в текстильнш промисловосп;
- попередня шдготовка текстильних матерiалiв;
- заключна обробка тканин.
ЧУМАКОВ Геннадш Анушевiч - к.т.н., доцент кафедри обладнання хiмiчних виробництв, пiдприемств будiвельних матерiалiв Херсонського нацiонального технiчного ушверситету. Науковi iнтереси:
- ресурсозаощаджуючi технологи в текстильнш промисловосп.
