Современное состояние и перспективы развития процесса крашения материалов
СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССОВ КРАШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
Введение
Способы крашения зависят от рода волокон материала, который требуется окрасить. К главнейшим волокнистым материалам относятся шерсть, хлопок, шелк, лен, пенька, солома и другие. Волокнистые материалы, как животного, так и растительного происхождения окрашивают в виде готовой ткани или в пряже. Процесс крашения состоит в поглощении краски волокнами. Применяемые для крашения тканей, пряжи и других материалов красители могут быть разделены на 2 группы: естественные, получаемые из продуктов растительного и животного происхождения, и искусственные (химические), которые иногда называются также «анилиновыми» ввиду того, что анилин является одним из главнейших исходных материалов для их изготовления. Существующее мнение о непрочности искусственных красителей совершенно не обосновано; в настоящее время имеется много искусственно приготовленных красителей, которые значительно лучше противостоят действию воды, мыла, трения и света, чем естественные. Именно поэтому искусственные красители во многих случаях вытесняют из практики естественные, тем более, что первые изготовляются всевозможных цветов и оттенков и в этом отношении дают возможность большого выбора.
Предметом исследования в работе служит предмет химической технологии и оборудования отделочного производства, а именно крашение текстильных материалов.
Непосредственный объект изучения в данной курсовой работе – это изучение современного состояния и перспектив развития процесса крашения текстильных материалов.
Ввиду огромного разнообразия красителей и способов крашения рамки курсовой работы не позволяют развить тему с достаточной полнотой, поэтому, в ней помещены лишь наиболее употребительные способы крашения текстильных материалов и их развитие.
1 Развитие техники красильно-отделочного производства и современное состояние процесса крашения текстильных материалов
1.1 История развития техники красильно-отделочного производства
Древний метод крашения текстиля – крашение в мотках. Ранее мотки пряжи подвешивались на шестах и вручную опускались в чан с раствором красителя. В настоящее время для этого применяется машина, похожая на «чертово колесо»; при повороте колеса его спицы с мотками пряжи погружаются в краситель.
Многочисленные открытия в органической химии в XIX в., и особенно во второй его половине, привели к созданию искусственных красителей, новых приемов и новой техники крашения [4].
Русские ученые - А. И. Бутлеров, Н. Н. Зинин, А. А. Воскресенский, Б. П. Алексеев и другие явились авторами открытий мирового значения в области изготовления красителей. Но для практического применения их открытий в России не было условий, и отечественная текстильная промышленность полностью зависела от иностранных поставок красителей. Лишь в 1914 г. была сделана попытка развития производства красок в нашей стране: акционерное общество "Русскокраска" приступило к постройке в Донбассе Рубежанского завода (ныне крупнейший комбинат по производству красящих веществ для текстильной промышленности).
Не производилось в России и красильно-отделочное оборудование, если не считать изготовления отдельных машин в механических и чугунолитейных мастерских некоторых крупных фабрик. Заводское производство красильно-отделочного оборудования началось в России только в 90-х годах XIX в. Развитие красильно-отделочных машин шло как в направлении выполнения технологических операций и совершенствования механической части машины, специализации и агрегирования, так и по пути снижения расходов красителей, воды, пара, топлива и энергии, связанных с выполнением операций.
Исследование развития техники
красильно-отделочного
Рисунок 1 - Схема красильной барки
Красильные барки издавна составляли основную и многочисленную группу машин, которыми пользовались для различных операций: промывки ткани, пропитки химическими материалами, отбелки едким натром, крашения многими способами и др. В производстве насчитывались десятки барок, пользовались ими постоянно в связи с многократным повторением одних и тех же операций. Работали барки периодически, вручную, имели несложные приспособления по перекатке ткани, подводу воды и пара. С течением времени барки получили механический привод и отжимное приспособление. Совершенствование барки шло также в направлении специализации согласно назначенной операции.
Английский завод Матера и Плата в конце XIX в. выпустил жгутопромывную барку под названием "машина-клаппо". Машина работала непрерывно и одновременно промывала два жгута ткани. Каждый из жгутов обвивал нижний отжимной вал до шести раз, чтобы повторить столько же раз промывку и отжимку. Скорость движения жгута составляла 3 - 4м/сек.
Машина-клаппо подверглась в дальнейшем усовершенствованию. Она получила приспособление, встряхивающее ткань и ударявшее ее при этом о деревянный щит, благодаря чему эффект очистки ткани повысился.
На базе жгутопромывной машины была создана машина для пропитки ткани химическими материалами. Ящик машины выстилался листами антикоррозийного металла, отжим усиливался тремя валами, удлинялся путь каждого жгута до десяти петель и т. д. Машина под названием мойно-материальной дошла до наших дней [4].
Пропитка ткани химическими материалами вызвала специализацию барки с учетом свойств пропитывающей жидкости, пропитываемой ткани, режима пропитки. Так, для повышения эффективности пропитки тяжелой льняной ткани барка оснащалась ударными молотками, и пропитка или промывка называлась "под ударами".
Для валяния сукон была
создана валяльная сукновалка, схема
которой повторяла схему
Совершенствованию техники пропитки помогало постепенное оснащение барок приспособлениями и устройствами, стабилизирующими и автоматизирующими работу барок, в виде отжима соответствующей мощности, авторегулятора уровня жидкости, укрытий с вентиляцией и др.
Развитие барки шло, кроме
специализации и улучшения
Для непрерывного беспротравного крашения инженер Вёльтер разработал "куб-континю", значительно упрощавший и ускорявший процесс кубового крашения. Работая беспрерывно, куб дважды пропитывает ткань в двух нижних отделениях в растворе индиго и дважды проводит ткань через два верхних отделения для окисления кислородом воздуха.
Аппарат континю сложился при окрашивании ткани кампешем из трех барок: для пропитки ткани раствором кампеша и кварцеронного экстракта, для раствора зеленого купороса и промывки ткани водой. Количество машин (аппаратов) континю быстро увеличивалось в последние десятилетия XIX в. Развитие техники опаливания ткани, необходимого перед отваркой, прошло свой путь от огневой палилки с раскаленным чугунным или медным желобом до газовой, в которой ткань проходит непосредственно над пламенем газа. Газовая палилка допускала быстрое регулирование температуры, одностороннюю и двухстороннюю опалку ткани, несложное удаление нагретого и дурнопахнущего воздуха, мало расходовала топлива, а производительность была в 2 раза больше. На рубеже XIX-XX вв. заводы стали выпускать палилки с накалом желоба электротоком [5].
Техника отварки суровья перед крашением получила в рассматриваемый период значительное развитие. В середине XIX в. широкое применение получили "бардовские котлы". Установленные вертикально два котла, каждый емкостью по 750 м3, составляли один аппарат. Одна и та же порция жидкости (раствор едкой извести для хлопчатобумажной ткани) работала периодически, то в одном, то в другом котле несколько раз. Варка шла непрерывно под давлением 3-4 атмосфер в течение 8-14 часов. Позднее котел подвергся усовершенствованию: распределение жидкости по поверхности заложенной в котел ткани стало осуществляться инженером, что значительно улучшило и ускорило качество отварки.
В конце XIX в. варочный котел
был переконструирован в
Машины для отбелки льняной ткани имеют много общего с машинами для отбелки хлопчатобумажных тканей, но работают при ином режиме [5].
Развитие техники сушки ткани - операции, много раз повторяющейся, требующей много тепла, энергии, места, рабочей силы, - шло в рассматриваемый период усиленным темпом. Для экономии тепла воду из ткани выжимали перед сушкой с помощью машины, состоящей из пары отжимных валов. Крепко сжатые жгуты ткани обвивали валы несколько раз. Ткань теряла до 40% воды. Позднее эта машина уступила место более эффективной центрифуге.
Первоначальная техника
сушки ткани сводилась к
Развитие конструкции сушильных барабанов привело к агрегированию их с предшествующими машинами - с отжимом, плюсовкой, красящими, промывными и другие [5].
Большое значение в совершенствовании
сушильных барабанов имело
Рисунок 2 - Сушильня при печатных машинах, нагреваемая горячим воздухом (схема)
Многие виды крашения - особенно гладкого и в светлых тонах - не допускают сушки ткани соприкосновением с горячими поверхностями из-за образования полосатости. Для сушки таких тканей использовался горячий воздух. На рисунке 2 представлена схема машины, в которой ткань высушивается, совершая длинный путь в горячем воздухе и около горячих плит. По этой же схеме создавалась воздушная сушилка при ситцепечатных машинах, без чего было бы невозможно ситцепечатание [6].
При некоторых способах окрашивания ткань нуждалась в "вызревании". Техника его сводилась к развешиванию ткани в здании с высоким потолком, где нанесенный на ткань химический материал окислялся воздухом при нормальной температуре и влажности. Эта примитивная техника была вытеснена зрельной машиной, специально оборудованной устройствами для поддержания в камере микроклимата и регулирования скорости движения ткани.
Развитие техники запаривания ткани, которое необходимо для образования цветных лаков и закрепления их, прошло путь от примитивного, прерывного способа с помощью запарной трубки до закрытого, непрерывно действующего аппарата. Процесс запаривания ткани, развешенной в камере аппарата, длился до 2 часов. Позднее камера была усовершенствована по образцу запарочного котла для отварки ткани, и продолжительность запарки сократилась до 20-30 минут. Дальнейшее развитие техники запаривания привело к созданию непрерывно действующей запарной машины с автоматической заправкой ткани, при малом расходе тепла и полном устранении капели [6].
Развитие машин, выполняющих окрашивание ткани, начавшись с простой деревянной варки с ручным приводом, шло в направлении механизации, специализации, беспрерывности действия и агрегирования. Машины для пропитки ткани солями анилина - солильная машина, танином - танинная барка, крахмалом - крахмальная и др. в начале XXв. были усовершенствованы и стали автоматически действующими роликовыми закрытыми машинами.
Ситцепечатание - крашение ткани многоцветным рисунком - зародилось в XVIIIв. в Германии. Рисунок воспроизводился ручным способом с помощью рельефных форм. Понадобился столетний поиск для создания многоцветной печатной машины. Такая многовальная (до девяти валов) и многоцветная печатная машина непрерывного действия появилась лишь в середине XIX в., заменив труд 50 набойщиков. В ходе совершенствования ее деревянные набойные формы были заменены медными валиками, рельефная гравюра - глубинной, механические привод машины и регулятор скорости - электрическими, введено повторное использование подкладки и кирзы (Кирза - многослойная ткань, покрытая с лицевой стороны резиновой пленкой, иногда пропитываемая раствором каучука.), усовершенствована сушилка ткани при машине и многое другое [8].
По технике крашения и по отделке ткани, выпускаемые русскими текстильными фабриками, выгодно отличались от заграничных товаров. Вследствие этого они пользовались значительной славой на мировом рынке, неоднократно отмечались на международных выставках почетными дипломами и медалями. Огромной и заслуженной известностью пользовались за рубежом, главным образом в Западной Европе, русские ткани ализаринового крашения. Особо ценились ткани, выпускаемые Карабановской фабрикой. Они были отмечены почетными дипломами и медалями на международных выставках в 1862 г. в Лондоне, в 1867, 1878 и 1889 гг. - в Париже. На Карабановской фабрике в 1861 г. была установлена первая в нашей стране печатная машина, а через несколько лет их насчитывалось уже десять. Карабановские колористы начали печатание первыми и удержали свое первенство по качеству и художественности набивных тканей [8].
Особенно много для прогресса техники крашения тканей на Карабановской фабрике сделал долгое время работавший на ней химик-колорист В. М. Тряпкин. Он впервые в 1892 г. применил щелочной способ набивных ситцев по ализариновому крашению, завоевавший мировую известность. Этот способ подробно изложен в книге В. М. Тряпкина "Травление турецкой красной щелочным методом", изданной в 1899 г. на французском языке в Париже. Книга написана по материалам фабрик Владимирской и Московской губерний.
Труд В. М. Тряпкина начинается с общего обзора применения нового щелочного способа вытравки набивных ситцев. Автор пишет, что "травление турецкой красной при помощи каустической соды было произведено в первый раз по способу Шлипера, который позволяет получить на красной белые и синие расцветки". "Но, - подчеркивает автор, - способ Шлипера при травлении турецкой красной другими цветами не может быть применен на производстве в больших масштабах и не заменяет классического способа травления при помощи обесцвечивающей ванны". Далее указывается, что поисками способов травления занимались многие химики-колористы и что лучшим из них оказался щелочной способ, применяемый на русских фабриках. "Этот способ, - утверждает В. М. Тряпкин, - придает краскам, употребляемым при расцвечивании турецкой красной, прочность и яркость, не достижимую при употреблении обесцвечивающей ванны, а поэтому с успехом заменяет ее. В русском производстве, которое специально выделывает турецкую красную, новый метод, известный под названием "щелочной метод", используется уже в течение 6-7 лет в очень больших размерах". Далее автор детально описывает этот метод, подробно рассказывает о вытравной бели, приготовлении вытравной краски на базе натриевого станита, приготовлении белой вытравной с помощью натриевого цинка, щелочной белой вытравной с натриевым цинкатом, о краске для печати, розовой вытравной, синей вытравной, зеленой вытравной щелочной, о черной краске в соединениях с щелочными вытравными, дает общие указания о приготовлении и употреблении щелочных вытравных красок [10].
Набивные ткани ализаринового крашения, выработанные по этому способу на русских фабриках, были прочны и ярки. Подобного эффекта не могли добиться ни на одной фабрике в Западной Европе и Америке. Конечно, французские фабриканты всячески пытались перенять способы окраски и набивки тканей, применявшиеся на русских фабриках. Поэтому в Париже и вышла книга русского химика-колориста, предназначенная для ознакомления французских специалистов со способами окраски и набивки, с успехом применявшимися в России.
По качеству тканей Карабановская фабрика не была единственной в русской текстильной промышленности. От нее не отставали Трехгорная мануфактура, ряд иваново-вознесенских фабрик и др.
Самым экономичным, а потому и наиболее распространенным является метод партионного (штучного) крашения, т.е. крашения ткани в кусках, после того как она уже выработана. Имеются разные варианты метода. Иногда ткань проводят через ванну с красителем, скрутив ее в виде жгута, а иногда она проходит в полную ширину сначала через чан с красителем, а затем через отжимные валки.
1.2 Современное состояние процесса крашения текстильных материалов
Красителями называются вещества, способные окрашивать различные предметы, например, хлопчатобумажное волокно, шерсть, шелк натуральный, вискозный, ацетатный и др., кожу, бумагу, дерево, солому и многое другое. Красители применяются также и для окрашивания пластмасс, металлических изделий, предметов парфюмерии, пищевых продуктов, для приготовления лаков, туши, чернил, в цветной фотографии [11].
Применяемые для крашения тканей, пряжи и других материалов красители разделяются по происхождению на две группы:
а) красители естественного происхождения;
б) красители искусственные, полученные химическим путем [11].
Естественные красители в свою очередь делятся на красители растительного и животного происхождения.
Красители растительного происхождения — вещества, получаемые из растений.
Красители животного происхождения — красящие вещества, получаемые из высушенных насекомых.
Искусственные красители — вещества, получаемые химическим путем, представляют собой сложные органические соединения.
Существуют много типов
и групп искусственных
Подготовка изделий к крашению и перекраске. Перед крашением вещи очищают от загрязнений. При перекрашивании иногда, кроме того, удаляют первоначальную окраску полностью или частично. Это делают в том случае, если вещи перекрашивают в другой цвет и если окраска их полиняла, местами выгорела.
Очищают изделия от загрязнений стиркой в мыльно-щелочных растворах или химической чисткой с помощью жирорастворяющих или других пятновыводящих средств. Пятна удаляют очень тщательно, во избежание неровной окраски. Стирку и чистку проводят обычным способом.
Для лучшего удаления прежней
окраски с хлопчатобумажных и
льняных вещей в мыльно-
Перед крашением готовых вещей их подготавливают следующим образом. Швы с запасами распускают; те части, которые не нужно красить, отпарывают; подкладку, если вещи красят вместе с ней, подпарывают в нескольких местах, чтобы вещи не всплывали кверху от находящегося под подкладкой воздуха.
Вязаные вещи перед крашением нашивают на какую-либо грубую хлопчатобумажную ткань, чтобы их можно было красить в расправленном виде. При подготовке вещей к крашению особенно внимательно надо осмотреть карманы, чтобы в них не было посторонних предметов, например, карандашей, которые обламываются и остаются в углах карманов. Карманы необходимо перед крашением вывернуть. Очистка вещей от загрязнений производится стиркой или химической чисткой с удалением отдельных пятен [11].
Удаление прежней окраски полностью или частично, если ее не удается уничтожить кипячением или стиркой в мыльно-щелочном растворе, производят раствором гидросульфита натрия (10—20 г гидросульфита на 1 л воды). Этот способ применим как для хлопчатобумажных, так и для шерстяных тканей.
Раствор гидросульфита при обесцвечивании вещей подогревают постепенно (в продолжение 30 мин.) до 70°, все время переворачивая вещи, чтобы получить равномерное обесцвечивание окраски. По истечении 10 мин. от начала обработки в бак добавляют уксусную кислоту в количестве 10—15 г на 1 л раствора гидросульфита, что ускоряет отбелку. Но при добавлении кислоты гидросульфит разлагается. Этот процесс сопровождается выделением сернистого газа. Во избежание отравления людей сернистым газом, надо эту обработку производить в хорошо вентилируемом помещении. После отбелки вещи тщательно промывают несколько раз теплой водой [12].
Для удаления первоначальной окраски с хлопчатобумажных и льняных тканей, если она не удаляется указанными выше способами, применяют хлорную известь. Однако необходимо помнить, что хлорная известь при неправильном ее употреблении может сильно ослабить ткань; поэтому при такой обработке надо строго придерживаться определенных правил: не применять хлорную известь больше допустимого количества, не повышать температуру раствора выше 35°, тщательно промывать вещи после отбелки.
Для хлопчатобумажных и льняных тканей вместо хлорной извести лучше применять гипохлорит натрия. Его готовят следующим образом: на 1 л отбеливающего раствора берут 3—5 г хлорной извести и столько же кальцинированной соды. Раствор отстаивают и употребляют только в виде прозрачной, чистой жидкости, в которой вещи выдерживают при постоянном помешивании в течение 15—20 мин. После этого их промывают в теплой (30°) и холодной воде. В промывную воду добавляют немного уксуса (1 чайную ложку на 3 л воды). Последний раз полощут в чистой воде [12].
Окраску с шерстяных и шелковых изделий удаляют обработкой перекисью водорода. На 1 л воды берут 5—6 г 3-процентной перекиси водорода и 3—5 г 10-процентного нашатырного спирта. Раствор подогревают до 50—60° и опускают в него вещи на 2—4 часа, периодически помешивая их. Затем изделия стирают и промывают, как обычно.
Перед крашением шерсти или шерстяной пряжи ее обрабатывают в течение 30 мин. в слабом растворе нашатырного спирта (10—15 г 25-процентного нашатырного спирта на 1 л воды) или в мыльно-содовом растворе, как при стирке шерстяных вещей, а затем промывают теплой водой.
Перед стиркой или химической чисткой вещи вытряхивают и чистят щеткой для удаления пыли, присохшей грязи и т. д. Крупные, грубые вещи выколачивают с помощью выбивалки (из прутьев). Чистку вещей надо производить с осторожностью, чтобы их не порвать и не испортить пуговиц.
Закрепление красителей на ткани. Для получения более прочной окраски прямыми красителями применяют:
а) обработку раствором медного купороса;
б) раствором хромпика (двухромовокислого калия) [13].
Однако не все прямые красители способны закрепляться от этих обработок. Окрашенные некоторыми красителями ткани изменяют свой цвет, поэтому для них нельзя рекомендовать этот способ закрепления. Например, прямой красный X от медного купороса переходит в коричневый. Некоторые краски сильно темнеют от обработки. Например, прямой яркооранжевый, прямой зеленый. Поэтому для закрепления тех красителей, которые не имеют в названии красителя букв М или X, необходимо предварительно произвести опыты закрепления на образцах.
Обработка раствором медного купороса производится следующим образом: крашенную вещь промывают водой 2—3 раза и затем опускают на 10—15 мин. в раствор медного купороса, подогретого до 60—70°. На 1 кг окрашенных вещей требуется 25 л раствора медного купороса. Медного купороса берут 10—20 г на 1 л воды, растворяют его в горячей воде при размешивании и туда же вливают 5—10 г уксусной эссенции [13].
После обработки медным купоросом вещи хорошо промывают. Медный купорос повышает прочность окраски к свету.
Обработка хромпиком производится
так же, как и медным купоросом.
Хромпик для приготовления
Некоторые окраски закрепляются при обработке смесью медного купороса и хромпика. Для этого берут раствор, состоящий из 20 г медного купороса и 20—30 г хромпика на 1 л воды и 8—12 г уксусной эссенции. Такая обработка повышает прочность окраски к действию света и стирки [13].
Крашение вещей из искусственного шелка. Крашение готовых вещей и ткани из искусственного шелка производится в основном прямыми красителями аналогично хлопчатобумажной ткани.
Красители растворяются в воде, умягченной содой. Крашение вещей и ткани производится при температуре 80°, начинают его при 50° и красят сначала 15 мин., затем красильный раствор подогревают до 80° и красят 10 мин. при этой температуре. После этого прекращают нагрев и продолжают красить еще 10 мин. По окончании крашения вещи промывают, как обычно, отжимают, укладывают между 2 слоями сухой хлопчатобумажной ткани и сушат. Для крашения вещей из ацетатного шелка применяют так называемые целлитоновые красители и реже основные красители. Прямыми красителями этот шелк обычно не окрашивается. Этими красителями можно окрасить ацетатный шелк только после его обработки щелочами [14].
В отличие от хлопчатобумажной ткани и других искусственных шелков крашение вискозных изделий следует производить при температуре не выше 60° и без добавления столовой соли.
При крашении этих изделий (ткани, трикотаж, чулки, ленты, сшитые вещи и пр.) следует учесть особенность искусственного шелка — он теряет крепость во влажном виде. Поэтому вещи из искусственного шелка нельзя сильно скручивать и растягивать.
При промывке по окончании крашения вещи отжимают между чистыми тряпками, нажимая ладонью. Сушат при температуре не выше 50—60° [14].
Крашение полушелковых вещей. Полушелковые вещи могут состоять из смеси натурального шелка и хлопка, шерсти и искусственного шелка в различных соотношениях. Полушелковые вещи чаще всего красят прямыми красителями, которые окрашивают почти все виды текстильных волокон (за исключением ацетатного шелка). Рецепт крашения полушелковых вещей: берут прямого красителя — 1—4% от веса сухих вещей; мыла ядрового — 60-процентного — 4—10%; глауберовой соли—10—20%. Мыло добавляют в красильный раствор для получения более равномерной окраски. Крашение начинают при 60—70°, подогревают раствор до 90—95° и красят около 60 мин. Окрашенные вещи промывают в теплой воде, в которую добавляют для умягчения немного соды (лучше питьевой — двууглекислой) или нашатырного спирта (1 чайную ложку на 3 л воды). При промывке в жесткой воде, оставшееся на вещах мыло может свернуться и образовать осадки на ткани, что способствует получению непрочной к трению и некрасивой окраски. Поэтому умягчение воды является обязательным. Последнюю промывку вещей надо производить в воде, подкисленной небольшим количеством уксуса с целью получения яркой окраски. Однако подкисление воды уксусом надо делать только после того, как можно быть уверенным в достаточно полном удалении мыла [14].