CC BY
22
■а о
В статті викладені результати роботи по дослідженню впливу колоїдно-хімічних властивостей текстильно-допоміжних речовин на результати біління бавовняних тканин просочувально-накатним способом Ключові слова: бавовняна тканина, змо-чуваність, білість, поверхневий натяг, солюбілізація, емульгуваня, капілярність, втрата міцності
□-----------------------------------□
В статье изложены результаты работы по исследованию влияния коллоидно-химических свойств текстильно-вспомогательных веществ на результаты беления хлопча -тобужных тканей пропиточно-накатным методом
Ключевые слова: хлопчатобужная
ткань, смачивание, белизна, поверхностное натяжение, солюбилизация, эмульгирование, капилярность
□-----------------------------------□
The article presents the results of work on the influence of colloid-chemical properties of textile auxiliary substaces on the results of bleaching of coton fabric impregnating rolling method
Key words: cotton fabric, moistening, whiteness, surfase-tension, solubilization, emulsific-ation, capillarity, loss of strength
■Q О
УДК 661.195.1:677.826
ВПЛИВ КОЛОЇДНО-ХІМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ТЕКСТИЛЬНО ДОПОМІЖНИХ РЕЧОВИН НА ПРОЦЕС БІЛІННЯ БАВОВНЯНИХ ТКАНИН
О.Я. Березюк
Здобувач, викладач Кафедра хімії* Контактний тел.: 097-340-47-94 E-mail: ksjuxa_o@mail.ru
О.І. Кулаков
Кандидат технічних наук, доцент Кафедра хімічної технології* Контактний тел.: 050-994-85-62 *Хмельницький національний університет вул. Інститутська, 11, м. Хмельницький, Україна, 29000
Вступ
Постановка проблеми. Класична технологія підготовки тканин із целюлозних волокон включає кілька процесів: розшліхтування, відварювання і біління. Усі ці процеси є високотемпературними тобто енергови-тратними [1-2]. При застосуванні просочувально-накатного способу біління (холодного способу) ці процеси суміщаються в одному і проводяться у нормальних умовах. Як відомо, будь-який хіміко-технологічний процес складається із трьох стадій: стадії підведення вихідних речовин у зону реакції, стадії хімічного перетворення і стадії відведення продуктів реакції із зони реакції. Високотемпературні процеси протікають, мабуть у кінетичній області і дифузійні явища незначно впливають на їх швидкість. Для низькотемпературного процесу, яким є просочувально-накатний спосіб біління, зростає роль першої і третьої стадій, а саме дифузійних явищ, у яких приймають участь компоненти композицій для біління бавовняних тканин. Метою даної роботи є дослідження впливу колоїдно-хімічних властивостей текстильно-допоміжних
речовин на низькотемпературний процес біління бавовняних тканин.
Аналіз останніх досліджень і публікацій
Аналіз останніх досліджень і публікацій в області біління бавовняних тканин показує, що в них, в основному розглядається хімізм протікання процесу, а не процес у цілому [3-8]. Технологічний процес біління тканин є гетерогенним і проходить у водному середовищі. При цьому велику роль грають колоїдно-хімічні властивості розчину, наприклад, змочуваність сухої тканини. Пухирці повітря, які знаходяться у порах волокон перешкоджають змочуванню тому, що початковий високий натяг є природною перешкодою для змочування і доставляння необхідних реагентів у зону реакції. Звичайно, необхідно визначений час для того, щоб при зануренні у рідину тканини пухирці повітря видалялись і відкривали шлях для проникнення рідини. Серед факторів, поряд із змочуванням на швидкість гетерогенного процесу впливає також
З
реакційна здатність активних груп волокна і їх доступність. Велику роль для інтенсифікації цих процесів грають текстильно-допоміжні речовини поряд з іншими факторами - концентрацією лугу, пероксиду водню, тривалості процесу тощо. В літературі відсутні систематизовані дані про вплив колоїдно-хімічних властивостей ТДР на процес біління бавовняних тканин просочувально-накатним способом, тому проведення даного дослідження є актуальним.
Виклад основного матеріалу
Сурові тканини із целюлозних волокон (бавовна, льон) внаслідок наявності на них природних низькомолекулярних і високомолекулярних речовин та забруднень, які наносяться на волокно і пряжу в процесах прядіння і ткацтва, погано змочуються. Природно, що такі матеріали погано піддаються фарбуванню або друкуванню, і на них практично неможливо отримати яскраві, рівномірні і міцні забарвлення. Сурові тканини із інших волокон, наприклад, тканини із вовни містять залишки жирових і потових речовин, замаслювачів, целюлозних домішок, на тканинах із хімічних волокон знаходиться шліхта, різні замаслю-вачі, емульсори, необхідні при переробці його в пряжу та тканини. Усі ці речовини легко видаляються, тому процес підготовки тканин із хімічних волокон простий і менш трудомісткий, чим аналогічні процеси для текстильних матеріалів із целюлозних волокон. Отже, найбільш складними є технології підготовки для текстильних матеріалів із целюлозних волокон. Основна задача полягає у даному випадку, щоб зруйнувати і видалити із целюлозних волокон ті природні речовини, які присутні на целюлозі та які були нанесені на вироби в процесі виробництва. Кінцевою метою усіх процесів, які складають повний цикл підготовки, є надання волокну високої сталої капілярності і білості. Вирішальну роль при цьому грають змочування, емульгування, диспергування та біління. Технології опорядження підготовлених текстильних матеріалів (фарбування, друкування, заключна обробка) пов’язані з процесами змочування, емульгування та миття [9-11].
Застосування текстильно-допоміжних речовин на основі сучасних ПАР дозволяє інтенсифікувати процеси підготовки і опорядження. Правильний вибір ПАР для створення препаратів неможливий без знання їх властивостей, які можуть значно змінюватись. Змочувачі і емульгатори - це ПАР, які мають дифіль-ну будову, тобто які мають гідрофільну і гідрофобні групи. За рахунок модифікації їх структури вони набувають таких властивостей, які необхідні для змо-чувачів, емульгаторів та мийних засобів. На стадіях розшліхтування, відварювання, біління, просочувального фарбування необхідна висока змочувальна здатність препаратів. Здатність до емульгування і солюбілізації мають велике значення при підготовці. Із усіх природних супутників целюлози найбільш гідрофобними речовинами є воскоподібні речовини, які неможливо видалити із волокна шляхом руйнування або переведення в нові водорозчинні з’єднання. Очистити бавовняне волокно від воскоподібних речовин при підготовці можливо тільки шляхом емульгування.
Препарати на основі ПАР за структурою повинні мати спорідненість як до емульсованих воскоподібних речовин, так і до води. Ця рівновага в молекулі визначається гідрофільно-ліпофільним балансом (ГЛБ), який визначає співвідношення молекулярних мас гідрофільних і гідрофобних груп. У випадку, якщо необхідно емульгувати відому суміш воскоподібних речовин або жирів, тоді потрібно застосовувати композиції ПАР. В процесах фарбування, друкування і заключної обробки використовуються змочувачі та мийні засоби. Таким чином, в процесах підготовки та опорядження текстильних матеріалів препарати повинні володіти властивостями змочувачів, емульгаторів, диспергато-рів, солюбілізаторів та мийних засобів.
Нами розроблені склади текстильно-допоміжних речовин нового покоління на основі сучасних ПАР для біління бавовняних тканин. Застосування подібних ТДР є одним із перспективних направлень зниження непродуктивних витрат пероксиду водню, так як вони володіють комплексом властивостей, які забезпечують високу ефективність біління бавовняних тканин. ТДР володіють властивостями змочу-вача, стабілізатора пероксиду водню, диспергатора, емульгатора і гідротропа. Такі ТДР можна назвати композиційними інтенсифікаторами просочувально-накатного способу біління бавовняних тканин. Синергічну дію композиційних інтенсифікаторів визначали шляхом ефективності змочування, капілярності
і білості бавовняних тканин. Стабільність розчинів пероксиду водню у присутності інтенсифікатора була вивчена раніше, тому нас цікавили питання впливу колоїдно-хімічних властивостей на процес біління бавовняних тканин. Змочування текстильних матеріалів передує просочуванню і опорядженню [12]. При нанесенні краплі рідини на плоску тверду поверхню, вона в окремих випадках розтікається по поверхні, а в інших - утворює краплю визначеної конфігурації. В умовах рівноваги форма краплі визначається балансом сил, які діють в її меніску і які можна визначити з рівняння Юнга [12]:
cos0 = о -о„
рг тг тр
(1)
Відомо, що змочувачі знижують поверхневий натяг води на границі розподілу фаз по відношенню до субстрату. Наслідком цього є швидке його змочування і рідина легко проникає в капіляри субстрату. Особливо висока змочувальна здатність необхідна при обробці сурових текстильних матеріалів. Для розробки ефективних змочувачів необхідно вибрати такі критерії ефективності, які б легко підлягали оцінці і давали відтворювані результати. Процес змочування є процесом, який протікає самовільно із виграшем вільної поверхневої енергії, яку можна оцінити як роботу адгезії:
— Орг + СТр О тг,
або
— орг (1 + cos 0),
(2)
де 0 - кут змочування поверхні, град. Термодинамічно умова розтікання рідини «А» по іншій рідині або твердому тілу «В» описується коефіцієнтом розтікання Гаркінса [13]:
SA/B _ CB CA CAB > 0
або
(3)
де oA, oB i oAB - відповідно поверхневий і міжфаз-ний натяг фаз, які контактують.
Для твердої поверхні SAB можна виразити через кут змочування 0:
SAB = о (cos 0-1)
(4)
Умова розтікання витікає також з рівняння Юнга: крайовий кут змочування не утворюється якщо (отг-отр)/орг. Іншим критерієм розтікання, який легко піддається оцінці для гідрофобних поверхонь, у тому числі і твердих тіл, є тиск розтікання рідини пе:
60,0
55,0
50,0
45,0
3 у
2 ккм
1 1 Г-
-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4
Логарифм концентрації, Ід С
Рис. 1. Залежність поверхневого натягу від логарифму концентрації композицій: 1 — композ. №1;
2 — композ. №2; 3 - композ. №3
(5)
Згідно В.Д. Гаркінсу [13] в залежності від рівно-важності системи SAB і п можуть бути початковими, напівпочатковими і кінцевими. В умовах повного розтікання (SAB>0, пе >0) вже саме собою розуміється нерівноважність стану, тому не слід використовувати в таких системах рівняння (1), яке описує рівновагу сил на границі трьохфазного контакту. Якщо кут 0 >0, то рідина розтичеться в краплю обмежених розмірів, які залежать від її маси і співвідношення натягів. При 0 =
0 ( cos 0 = 1 ), то в залежності від балансу сил міжмолекулярної взаємодії рідини і субстрату може утворюватись моношар або тонка полімолекулярна плівка.
Оцінку ефективності поверхнево-активних речовин та їх сумішей в якості змочувачів проводять по відношенню до гладких гідрофобних поверхонь таких як парафін, поліамід, поліефір або тефлон. Ізотерми змочування надають у вигляді: 0 = f(C), cos0 = f(C), cos 0 = f(oPr ) тощо [12].
Ряд інших авторів пропонують змочувальну здатність ПАР оцінювати за наступними показниками: роботою змочування W3M =оргм ■ cos0ккм ; концентрацією, при якій встановлюється постійний кут змочування A cos 0 / До ; зміною гідрофільно-ліпофільних властивостей поверхні за рахунок адсорбції ПАР [13-14]. Узагальнюючи показники, можна сказати, що ефективність змочувачів характеризується граничною величиною кута змочування 0, який досягається на даній поверхні, концентрацією ПАР і низьким значенням поверхневого натягу орг.
70,0
Рис. 2. Залежність часу змочуваннятканини від концентрації композиції №1: 1 — при 20 °С;
2 — при 60 °С; 3 — при 80 °С
Поверхневий натяг розчинів ТДР вимірювали методом максимального тиску у пухирці повітря на приладі Ребіндера. Графічно із залежностей о-^С знайдені величини ККМ. Кути змочування 0 визначали методом проектування краплі нанесеної на парафінову поверхню. Для сурової бавовняної тканини здатність до змочування розчинів зручно оцінювати за часом змочування зразків. В роботі використовували бязь сурову арт. 40-09/164. Для визначення часу змочування вирізали із тканини кружки діаметром 3 см, витримували їх при нормальних умовах на протязі 24 год і досліджували час змочування при різних концентраціях і температурах. Інші показники визначали згідно методик [13 -15].
Як видно із рис. 1, розроблені склади ТДР для біління бавовняних тканин мають практично однакові значення у межах від 1,3 до 1,5 г/л. Значення ККМ інформує відносно кількісних витрат ТДР для досягнення необхідних ефектів, тобто якісну білість можна отримати при концентрації від 1,5 г/л
і вище. Крім того, ефективною мірою ефективності ТДР є концентрація, яка потрібна для зниження поверхневого натягу на 20 мН/м [16].
У табл. 1 представлені колоїдно-хімічні властивості водних розчинів композицій для біління бавовняних тканин. Як видно з табл. 1, зниження поверхневого натягу у точці ККМ для композицій перевищує 20мН/м і лежить у межах від 21,45 до 25,45 мН/м.
Крім того, композиції мають високу здатність до диспергування і солюбілізації, що можна порівняти із ПАР синтанол ДС-10, який широко застосовується в текстильній промисловості у якості змочува-ча, диспергатора, емульгатора і мийної речовини [17]. Поряд із колоїдно-хімічними властивостями композицій було досліджено деякі технологічні властивості.
На рис. 2 показано залежність часу змочування сурової бязі розчинами композиції №1 від концентрації і температури. Як видно із рис. 2, із зростанням концентрації час змочування тканини зменшується і приймає мінімально постійне значення у точці ККМ. Особливо час змочування залежить від температури і при температурі 80°С складає кілька секунд. Це дуже важливо для швидкого доставляння компонентів композиції до волокна. Усі композиції характеризуються низькою роботою змочування і здатністю до піноутворення. Робочими концентраціями для композицій повинні бути
°B >CA +CAB
концентрації, які трохи перевищують значення ККМ, тобто в межах від 1,5 до 2,0 г/л [11].
Таблиця 1
Колоїдно-хімічні властивості водних розчинів композицій для біління бавовняних тканин
Показник Назва композиції
компо- зиція №1 компо- зиція №2 компо- зиція №3
Концентрація композиції при ККМ с„м , г/л 1,40 1,40 1,40
Поверхневий натяг при ККМ ®ккм (20?), мН/м 49,30 51,30 48,30
Зниження натягу Ао = о„ п - о H2O ккм 25,45 21,45 24,45
Здатність до диспергування До/С / ккм 18,18 15,32 17,46
Кут змочування при ККМ 0ккм, град 36,50 36,4 37,8
Косинус кута змочування cos 9ккм 0,8141 0,8021 0,7898
Д cos 0 = cos 0 - cos 0„ „ ккм H20 0,7012 0,6892 0,6769
Д cos 0 / До 0,0276 0,0323 0,0266
Д cos 0 /C„M 0,5008 0,4923 0,4835
Робота змочування при ККМ W =СРГ ■ cos 0 зм ккм ккм 40,14 40,05 38,15
Солюбілізація барвника (судан III) S6apB , мг/л 1,12 1,03 0,96
Здатність до піноутворення (при ККМ) Н0, мм 26 34 32
Кінцевою метою біління сурових тканин є отримання високої капілярності і білості. Капілярність залежить від діаметра окремих капілярів. В тканинах такими капілярами служать мілкі пори між елементами, які складають тканину.
У структурі тканини розрізняють три види пор:
1) наскрізні пори або просвіти, які утворюються в тканині із-за нещільного прилягання ниток один до одного;
2) пори, які знаходяться на поверхні тканини утоку;
3) пори, які знаходяться у нитках і утворені повітряними проміжками між окремими волокнами.
Вода по наскрізним порам і порам, які знаходяться на поверхні тканини із-за малої протяжності і великого діаметру підніматись не може.
Таким чином, суттєвим значенням для надання капілярності тканині є очистка пор третього виду від різних домішок, які притаманні бавовняним волокнам. У суровій тканині при наявності цих домішок капілярність відсутня. Нами досліджені різні варіанти застосування розроблених складів ТДР для просочувально-накатного способу біління бавовняних тканин, однак найбільш ефективним варіантом застосування ТДР у просочувально-накатному способу біління бавовняних тканин є двохстадійний спосіб просочення бавовняної тканини: спочатку просочення розчином ТДР, який грає роль мийної ванни при температурі від 60 до 80 °С, віджимання,
просочення композицією для біління при 20 °С, віджимання і вилежування 24 год. Застосування підвищеної температури при короткочасному просоченні сурової тканини на протязі кількох хвилин дозволяє різко підвищити ефективність процесу біління. З підвищенням температури зменшується зв’язок забруднень і супутніх речовин з поверхнею волокна (особливо для воскоподібних речовин), прискорюються дифузійні і ресорбційні процеси усередині волокна так як знижується поверхневий натяг мийного розчину.
При першому просоченні видаляється більшість забруднень і супутніх речовин у мийну ванну і при другому просоченні розчином для біління для ефективного проведення процесу потрібні менші концентрації реагентів, особливо пероксиду водню. Результати біління бязі арт. 40-09/164 просочувально-накатним способом біління із використанням двохстадійного способу просочення представлені у табл. 2.
Таблиця 2
Результати підготовки і біління з використанням розроблених складів композицій
Композиція Тканина артикул Обробка композицією Біління
капі- ляр- ність, мм ступінь роз-шліх-тув., % бі- лість, % втрата міц- ності, %
композиція №1 бязь, арт. 40-09/164 100/145* 61,3 84 6,2
композиція №2 бязь, арт. 40-09/164 110/152 62,4 84 6,3
композиція №3 бязь, арт. 40-09/164 114/156 67,3 85 6,1
* В чисельнику дробу - капілярність після обробки композицією, у знаменнику - після біління
Як видно із табл. 2, вибілена бязь арт. 40-09/164 має високі показники по капілярності і білості. При тому, втрата міцності білої тканини не перевищують 6,3 %.
Висновки
За результатами роботи можна зробити наступні висновки:
1. Вивчено колоїдно-хімічні властивості розроблених складів ТДР для інтенсифікації просочувально-накатного способу біління бавовняних тканин. Показано, що усі склади ТДР можна рекомендувати для біління, однак найкращі результати як інтенсифікатор показала композиція №3.
2. Встановлено, що найбільш ефективним варіантом застосування ТДР у просочувально-накатному способу біління бавовняних тканин є двохстадій-ний спосіб просочення бавовняної тканини: спочатку просочення розчином ТДР при температурі від 60 до 80 °С, віджимання, просочення композицією для біління при 20 °С, віджимання і вилежування 24 год.
.............................................Е
Література
1. Кричевский Г. Е. Химическая технология текстильных материалов : учебник для вузов / Г. Е. Кричевский, М. В. Корчагин, А.
B. Сенахов. - М. : Легпромбытиздат, 1985. - 640 с.
2. Мельников Б. Н. Роль текстильных вспомогательных веществ. Прогресс текстильной химии и технологии / Б. Н. Мельников // Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева. - 2002. - т. ХЦ/І. - № 1. - С. 9-19.
3. Атаханов А. А. Новые малосиликатные стабилизирующие системы для пероксидного беления хлопкового волокна / А. А. Атаханов [и др.] // Химия растительного сырья. - 2004. - № 4. - С. 5-9.
4. Шибашова С. Ю. Интенсификация пероксидного беления целлюлозсодержащих материалов / С. Ю. Шибашова // Достижения текстильной химии - в производство : материалы междунар. науч.-техн. конф. «Текстильная химия - 2008», (Иваново, 9-11 декабря 2008 г.). - Иваново : ИГТА, 2008. - С. 148.
5. Кулигин М. Л. Совершенствование ресурсосберегающей технологии подготовки хлопчатобумажных тканей холодным способом / М. Л. Кулигин, В. А. Евдокимова // Проблемы легкой и текстильной пром-ти Украины. - 2008. - № 1(14). - С. 171.
6. Барановский В. И. Оценка влияния нетрадиционных технологий подготовки хлопчатобумажных тканей на цветовые характеристики окрасок при печатании активными красителями / В. И. Барановский, Ибрагим Хан, О. П. Сумская // Проблемы легкой и текстильной пром-ти Украины. - 2000. - № 4. - С. 54-57.
7. Поліщук С. А. Сучасні технології остаточної обробки текстильних матеріалів, що забезпечують їх конкурентоспроможність /
C. А. Поліщук, Н. І. Ксєнжук, В. І. Барановський // Легка промисловість. - 2003. - № 1. - С. 56-57.
8. Ксєнжук Н. І. Нові економічні і екологічні вирішення у технології підготовки бавовняних тканин / Н. І. Ксєнжук, В. І. Барановський, С. А. Поліщук // Легка промисловість. - 2003. - № 2. - С. 55.
9. Сафонов В. В. Современные направления в химической технологии текстильных материалов / В. В. Сафонов // Текстильная промышленность. - 2002. - № 4. - С. 21-23.
10. Б. Н. Мельников. Физико-химические основы процессов отделочного производства: учеб. пособие для вузов / Б.Н. Мельников, Т. Д. Захарова, М. Н. Кириллова. - М. : Легкая и пищевая пром-сть, 1982. - 280 с
11. Достижения в области интенсификации процессов предварительной подготовки хлопчатобумажных тканей к крашению и печати / Л. С. Ковальчук, В. С. Жолобова, И. Х. Раскина [и др.]. М. : ЦНИИТЭИлегпром (серия « Хлопчатобумажная промышленность»). - 1977. - № 5. - 32 с.
12. Зимон А. Д. Адгезия жидкостей и смачивание / А. Д. Зимон. - М. : Химия, 1974. - 416 с.
13. Ланге К. Р. Поверхностно-активные вещества: синтез, свойства, анализ и применение / К. Р. Ланге. - М. : Профессия, 2005. - 239 с.
14. Абрамзон А. А. Поверхностно-активные вещества : справочник / А. А. Абрамзон [и др.] ; по ред. А. А. Абрамзона и Г. М. Гаевого. - М. : Химия, 1979. - 376 с.
15. Новорадовская Т. С. Лабораторный практикум по химической технологии текстильных материалов : учеб. пособие для вузов / Т. С. Новорадовская [и др.] ; под общ. ред. Г. Е. Кричевского. - М. : Высшая школа, 1994. - 397 с.
16. Плетнев М. Ю. Косметико-гигиенические моющие ср.-ва / М. Ю. Плетнев. - М. : Химия, 1990. - 272 с.
17. Текстильно-вспомогательные вещества : каталог / НИИТЭХИМ. - Черкассы, 1980. - 168 с.
