Аналитический обзор научно – технической литературы и выбор технологических процессов

Аналитический обзор научно – технической литературы и выбор технологических процессов.

     Колористическому  оформлению текстильных материалов предшествует комплекс операций, составляющих процесс подготовки их к основным процессам отделочного производства – крашению. Характер подготовки тканей к крашению, набор и последовательность операции существенно зависят от природы волокна и от последующего назначения ткани. Основное назначение подготовки – удаление примесей, содержащихся в природных волокнах. Хлопчатобумажная ткань содержит примеси, являющиеся природными спутниками целлюлозы (воскообразные, пектиновые, минеральные, белковые вещества), а также технологические примеси (замасливатели, шлихта), и случайные примеси (жирные и масляные пятна).

     Вышеперечисленные примеси сообщают суровым тканям жёсткость, гидрофобность (несмачиваемость), неприятный серовато-жёлтый цвет, склонность к развитию микроорганизмов и др. Если их не удалить, они серьёзно затрудняют процессы крашения, печатания и заключительной отделки.

     Для полного удаления сопутствующих  веществ и сообщения тканям хороших  капиллярных свойств, высокой степени  белизны и ряда других необходимых  положительных свойств требуется целый комплекс сложных взаимосвязанных физико-механических и химических обработок. Они реализуются в процессах подготовки тканей к крашению и печатанию. Важнейшей задачей подготовки тканей является максимальное сохранение исходных позитивных свойств волокон. К механическим операциям относятся в основном опаливание и стрижка; к химическим и физико – химическим – расшлихтовка, отварка, беление, мерсеризация.

     Опаливание  необходимо для удаления из структуры  ткани выступающих волоконец  и является операцией, необходимой  для повышения качества готовых  тканей. В настоящее время опаливание проводится не самим пламенем, а  ИК – излучателем керамической насадки, разогревающейся до соответствующей  температуры. Во избежание возгорания ткань после опаливания попадает в искрогаситель парового или  водяного типа.

     Стрижке подвергают некоторые виды тканей для  обеспечения нужного качества окраски, особенно в темные цвета. При этом поверхность ткани очищается  от выступающих кончиков волокон, нитей. Узелков, петель (что часто не допускается при опаливании).

     Назначение  расшлихтовки тканей заключается в  удалении из ткани шлихты, нанесенной на основные нити перед ткачеством с целью повышения их прочностных  и эластических свойств. Нерасшлихтованная  ткань характеризуется низкой смачиваемостью, что вызывает затруднения в процессах химической обработки тканей. 

     Выбор рациональных способов расшлихтовки определяется составом шлихты и природой волокнистого материала.

      В хлопчатобумажном производстве значительная часть основ шлихтуется составами  на основе крахмала и его производных. Следовательно, задачей расшлихтовки является перевод крахмала в растворимые  в воде продукты с их последующим  удалением путем промывки. Традиционными  веществами, используемыми для расшлихтовки, являются кислоты и окислители. Кислоты  гидролизуют крахмал до водорастворимых продуктов, а окислители резко снижают его степень полимеризации. Однако применение указанных веществ связано с определенным риском, так как не исключено их деструктирующее воздействие на целлюлозу.

      Наряду  с крахмалом, шлихта содержит синтетические  продукты на основе поливинилового спирта, полиакрилатов, поливинилацетатов и др. При их использовании возникают более прочные связи, удерживающие шлихту на волокне. В настоящее время значительные трудности удаления шлихты вызваны увеличением её количества на ткани и введением в её состав вспомогательных веществ (антиоксидантов, ингибиторов коррозии, регуляторов вязкости, замасливателей). Перечисленные добавки улучшают качество шлихтования, но повышают устойчивость шлихты к химическим реагентам, используемым при её удалении.

      В современных способах расшлихтовки доминируют два направления: применение ферментов, устойчивых к действию высоких  температур, и использование окислителей.

      Ферменты  являются эффективными катализаторами гидролитической деструкции крахмала. Они представляют собой продукты жизнедеятельности некоторых растений, животных и микроорганизмов. Их основное преимущество в высокой избирательности  действия на крахмал без повреждения  целлюлозы. Действие ферментов в  значительной степени зависит от рН среды и температуры. Они не выдерживают сильнощелочных сред и высоких температур. Наиболее эффективно применение бактериальных ферментов, например,  амилаз, устойчивых в диапазоне температур 85 –120^оС и рН = 6 –9,5. Это позволяет производить расшлихтовку непрерывным способом по следующей технологии. Ткань пропитывается растворами ферментов, запаривается в среде насыщенного водяного пара и промывается. Длительность запаривания варьируется в зависимости от   количества нанесённой шлихты и поверхностной плотности ткани и составляет  20 с – 10 мин. Эффективность расшлихтовки увеличивается при введении в состав гидротропных и поверхностно-активных веществ (ПАВ). Добавки ПАВ обеспечивают повышение смачиваемости суровой ткани, что ускоряет её пропитку раствором фермента, улучшает моющее и обезжиривающее действие промывного раствора.

      В связи с применением разнообразных  шлихтующих веществ и их смесей, требующих жесткого воздействия  на шлихту при её удалении, интерес представляет процесс расшлихтовки с использованием окислителей. В этом случае растворению подвергается любая шлихта и появляется возможность совмещения процессов расшлихтовки и беления. Наиболее эффективным является применение перекиси водорода и персульфата натрия, так как они активно воздействуют на любой тип шлихты, а процессы сопровождаются относительно невысокими трудо-, энерго- и материальными затратами.

      Технология  окислительной расшлихтовки состоит  в пропитке ткани составом, включающим гидроксид натрия (30 – 40 г/л) и перекись водорода (5 – 10 г/л), последующем запаривании в течение 10 мин и промывке. Однако при этом способе обработки не исключена опасность повреждения волокна.

      Щелочная  отварка является основной операцией  процесса подготовки хлопчатобумажных тканей. Назначение этого процесса заключается в удалении природных  примесей целлюлозы, а также примесей, нанесенных на волокно в прядении и ткачестве. Одновременно с этим необходимо обеспечить равномерную  и высокую смачивающую и сорбционную  способность при максимальном сохранении исходных физико-механических свойств хлопкового волокна. Это достигается в результате происходящих при отварке сложных физических, химических и коллоидно-химических процессов, таких как адсорбция, диффузия, набухание, растворение, эмульгирование, гидролиз и окисление.

      Эффективное удаление примесей целлюлозы и получение  высокой капиллярности достигается  лишь при горячих щелочных обработках. Гидрофобные свойства хлопка обусловлены  наличием на наружной поверхности волокна  пектиновых, азотсодержащих (белковых) и воскообразных примесей. В процессе отварки в волокне протекают  следующие химические процессы.

      Пектиновые  вещества под действием щелочи при высокой температуре гидролизуются с образованием водорастворимых продуктов (пентозы, гексозы и др.)

      Белковые  соединения в щелочной среде гидролизуются, а образующиеся натриевые соли аминокислот не только способны переходить в раствор, но и являются хорошими эмульгаторами, способствующими интенсивному удалению воскообразных веществ и других загрязнений с поверхности волокна.

      Воскообразные примеси, представляющие собой сложные эфиры высших кислот с жирными спиртами, частично гидролизуются под действием щелочи:

      Выделяющиеся  при этом,  хотя и в незначительном количестве, жирные кислоты (пальмитиновая, стеариновая, олеиновая) под влиянием щелочи образуют натриевые соли –  мыла, обладающие высокой поверхностной  активностью, хорошей растворимостью в воде и высокой эмульгирующей способностью. Такие вещества называют поверхностно-активными (ПАВ), поскольку они способны снижать поверхностное натяжение на поверхности раздела фаз «варочная жидкость – воскообразные частицы». Молекулы ПАВ своими гидрофобными концами вступают в контакт с воскообразными примесями и полярными гидрофильными группами ориентируются в сторону варочного раствора. При этом расплавленная капля воска стягивается по периметру, превращаясь в шарообразную микрокаплю, удерживаемую поверхностью волокна в одной точке как это показано на рис.1. 

волокно 

      Рис.1. Механизм эмульгирования воскообразных примесей 

      Эмульгированные поверхностно-активными веществами воскообразные частицы отрываются от поверхности волокна и переходят в раствор, образуя устойчивую эмульсионную систему. Путем омыления жировых веществ удаляется около 40% воскообразных примесей, остальные выводят из волокна введением в варочную жидкость дополнительного количества ПАВ. Последние должны обладать не только поверхностно-активными свойствами, но и высокой эмульгирующей способностью, то есть не вызывать слипания частиц и расслаивания эмульсии. ПАВ должны биологически расщепляться в сточных водах, обладать устойчивостью к действию высоких температур и быть сравнительно недорогими.

      Экстрагированные  из волокна примеси и образующиеся при отварке осадки гидроксидов металлов должны удерживаться в растворе и повторно не сорбироваться волокном.

      Минеральные вещества, сопутствующие целлюлозе, при взаимодействии со щёлочью образуют гидраты, растворимые в воде, и удаляются при промывке.

      В процессе отварки не исключена возможность  каталитического окисления целлюлозы  активным кислородом, так как при  высокой температуре обработки  кислород воздуха в присутствии  щелочей образует перекисные соединения. Последние взаимодействуют с целлюлозой, в результате чего получается оксицеллюлоза. Об этом свидетельствует снижение вязкости медно-аммиачных растворов целлюлозы в процессе варки.

      Данные  теоретические предпосылки учитываются  при реализации процесса отварки  на практике. Так в состав варочной жидкости кроме гидроксида натрия (основного компонента, разрушающего практически все примеси) и ПАВ дополнительно вводят силикат натрия – Na₂SiO₃ и восстановители (традиционно бисульфит натрия – NaHSO₃).

      Силикат натрия адсорбирует продукты распада  естественных примесей целлюлозы и  тем самым устраняет возможность  их повторного осаждения на волокно. Кроме того, он выступает в качестве защитного средства, препятствующего  образованию на ткани осадков  гидроксидов металлов в виде ржавых пятен. Последние образуются в варочной жидкости из компонентов, содержащихся в воде – солей железа, солей жёсткости и др. – в виде устойчивых коллоидных гидрозолей. Силикат натрия коагулирует их, превращая в грубодисперсные частицы, не способные сорбироваться волокном.

      Восстановители  в составе варочной жидкости выполняют  две функции: защищают целлюлозу  от окисляющего действия кислорода  воздуха и способствуют удалению лигнина, содержащегося в механических примесях в виде «галочек». Помимо бисульфита натрия, в условиях непрерывных процессов  отварки при высоких концентрациях  щёлочи, в качестве восстановителей  рекомендуют использовать ронгалит, диоксид тиомочевины, тиомочевину, сульфид натрия, а в последние годы – антрахинон и его производные.

      На  качество отварки оказывают влияние  такие факторы как сортность  хлопкового волокна, характер крутки, линейная плотность пряжи, структура  ткани и др. В зависимости от этого отварку проводят либо в  варочных котлах (периодический способ), либо в запарных варочных аппаратах  или запарных машинах различной  конструкции (непрерывные способы).

      Периодический способ отварки тканей в котлах обеспечивает высокое качество обработки и является незаменимым при подготовке марли, а также плотных, тяжелых тканей, выработанных из засорённого хлопка. Принцип работы котла заключается в двустороннем (сверху вниз и снизу вверх) прокачивании варочной жидкости с концентрацией щёлочи 9 – 12 г/л при температуре 130^оС в течение 
4 часов через толщу текстильного материала, плотно и равномерно уложенного в котле в виде жгута. Со всеми подготовительными операциями – загрузка ткани, заполнение котла раствором, разогрев варочной жидкости, расхолаживание котла, выборка ткани – общая длительность цикла отварки составляет 12 часов. Поэтому обработка тканей периодическим способом – процесс весьма трудоёмкий и длительный, требующий большого расхода электроэнергии и воды.

      Непрерывные способы отварки, как и периодические, должны обеспечить высокую капиллярность ткани, но за более короткое время (1 час). На практике это достигается повышением концентрации веществ, содержащихся в варочной жидкости. Так концентрацию основного компонента – гидроксида натрия – увеличивают в  
3 раза, а при ускоренных способах отварки она составляет 100–130 г/л.

      Щелочная  отварка по непрерывному способу  осуществляется на поточных линиях, в  состав которых могут входить  машины различной конструкции. Пропитанная  варочной жидкостью ткань в виде жгута или расправленного полотна  обрабатывается насыщенным водяным  паром при температуре 101 – 103^оС в течение 1 – 2 часов, а затем тщательно промывается. Машины для непрерывной обработки тканей входят в состав линий беления и составляют  секцию отварки. Этим достигается высокая производительность непрерывных способов подготовки (беления) хлопчатобумажных тканей. Исключительно важную роль при этом играет паровая среда, в которой ткань быстро прогревается и набухает, что значительно интенсифицирует процесс удаления примесей. Сама ткань выполняет функции реактора, поскольку все рассмотренные ранее процессы удаления примесей протекают непосредственно в её структуре.

      Целью беления является повышение степени белизны отваренной ткани и её капиллярности.

      Белизна  - один из важнейших показателей  качества хлопчатобумажных тканей. От степени белизны зависит возможность  использования тканей для изготовления изделий различного ассортимента. В  соответствии с требованиями стандартов белизна бельевых тканей должна быть не менее 80%, а для улучшенных сортов – 83%, белизна сорочечных тканей должна составлять 87 – 88%. Основные свойства отбеленных тканей оценивают по степени белизны, гидрофильности (капиллярности) и сохранности целлюлозы.

      Сущность  процесса беления состоит в разрушении природных красящих веществ хлопка, которые придают неотбеленным тканям буроватую или кремовую окраску. При отваривании в щелочных растворах красящие пигменты не претерпевают заметных изменений, поэтому при белении их разрушают с помощью окислителей.

      В качестве отбеливателей в текстильной  технологии в основном используют три  типа окислителей: гипохлориты натрия или кальция, перекись водорода и  хлорит натрия. Очень редко для  беления используют надуксусную кислоту и производные дихлоризоциануровой кислоты. Для достижения высокого эффекта белизны применяют оптические отбеливающие вещества (ООВ).

      В настоящее время для отбеливания  применяют в основном три типа наиболее распространенных отбеливающих реагентов: гипохлорит натрия или кальция, перекись водорода, хлорит натрия. Другие реагенты (надкислоты, дихлорциановая кислота и ее производные) используются довольно редко и не пригодны для массового производства вследствии высокой себестоимости.

      Гипохлоритное отбеливание является неперспективным способом в силу таких причин, как сложность приготовления отбеливающих растворов, их нестабильность, существенная опасность повреждения целлюлозных волокон в процессе отбеливания. Также отбеливание гипохлоритом является малопроизводительным процессом, что не позволяет ему конкурировать с непрерывным и периодическим способами отбеливания.

        Основными достоинствами хлоритного отбеливания являются: практически полное отсутствие окислительной деструкции целлюлозы, высокая скорость отбеливания, разрушение не только окрашенных примесей, но и сопутствующих веществ. Хлорит относится к окислителям мягкого действия, что позволяет с его помощью получать хорошие эффекты белизны на текстильных материалах без повреждения волокон. Из недостатков применения хлорита можно выделить следующее: сильное корродирующее действие по отношению к металлам, выделение токсичных продуктов ( в частности оксида хлора 4), препарат является дорогим импортным продуктом.

      В настоящее время пероксид водорода и основанные на его использовании способы беления получили наиболее широкое применение во всем мире. Этот факт объясняется тем, что при реализации перекисного способа беления достигается высокое качество беления, устойчивость белизны, сохранение прочности целлюлозы, экологическая безопасность. Кроме того, перекись водорода является доступным и достаточно дешевым отбеливающим препаратом. При его использовании происходит разрушение примесей, что позволяет значительно сократить время предшествующей белению щелочной отварки или совсем исключить её из технологической цепочки подготовки ткани.

      Основным  недостатком перекиси водорода является её неустойчивость, что вызывает необходимость  стабилизации белящих растворов. Реакция  разложения перекиси водорода протекает  по уравнению:

      2Н₂О₂ = 2Н₂О + О₂

      С точки зрения эффективности процесса беления эта реакция является нежелательной, поскольку не обеспечивает необходимой степени белизны, а  кислород повреждает целлюлозу. Приведенная  реакция каталитически ускоряется на свету, в присутствии ионов металлов, в щелочной среде и при повышенных температурах.

      Отбеливающее  действие оказывает продукт диссоциации  перекиси водорода как кислоты с  образованием пергидроксил-иона:

      Н₂О₂ = Н⁺ + НО₂^-

      Процесс электролитической диссоциации, а  следовательно, и увеличение концентрации иона НО₂^-, ускоряется в щелочной среде и при увеличении температуры, благодаря связыванию ионов водорода  ионами ОН^-. Реакция протекает по схеме:

      Н₂О₂ + ОН^- = Н₂О + НО₂^-

      Образование основной белящей частицы – пергидроксил-иона – ещё более усиливает нежелательную реакцию каталитического разложения перекиси водорода:

      Н₂О₂ + НО₂^- = Н₂О + О₂ + ОН^-

      Поэтому, чтобы в условиях беления  в  максимальной степени сохранить  основные белящие частицы НО₂^- и повысить устойчивость  перекисных растворов, в систему необходимо вводить стабилизирующие добавки. Наиболее распространенным стабилизатором, предотвращающим каталитическое разложение Н₂О₂, является силикат натрия.

      Мерсеризация  является процессом облагораживания  хлопчатобумажных тканей, в результате которого они приобретают комплекс ценных потребительских свойств: повышенную гигроскопичность и накрашиваемость, устойчивый шелковистый блеск, эластичность и дополнительную прочность.

      В настоящее время классическую операцию мерсеризации проводят обработкой пряжи  или ткани под натяжением концентрированными (250–300 г/л) растворами гидроксида натрия в течение 30 – 90 секунд при комнатной температуре.

      В результате такой обработки в  хлопковом волокне происходят физические, химические и структурные изменения.

      Физические  изменения проявляются в сильном  набухании волокна вследствие проникновения  щелочи сначала в аморфные, а затем  и в ориентированные зоны. Степень  набухания характеризует активность процесса мерсеризации и увеличивается  с понижением температуры. Оптимальной  является температура 16^оС. При набухании стенки волокна утолщаются, оно приобретает цилиндрическую форму, внутренний канал практически исчезает. В результате волокна лучше отражают световые лучи, усаживаются, а ткань приобретает блеск, шелковистость, становится плотнее, прочнее, эластичнее. Чтобы снизить усадку и усилить блеск мерсеризацию проводят под натяжением.

      В результате действия на целлюлозу концентрированных  растворов щёлочи и последующей  промывки водой, происходит последовательное превращение целлюлозы сначала  в щелочную целлюлозу, а затем  в гидратцеллюлозу. Число гидроксильных групп целлюлозы, реагирующих со щелочью, изменяется в зависимости от концентрации NaOH, температуры и наличия вспомогательных веществ в мерсеризационной ванне.

      Химические  превращения практически не изменяют состава целлюлозы, но существенно  влияют на её надмолекулярную структуру. Сорбция целлюлозой щёлочи сопровождается частичным разрушением межмолекулярных  водородных связей, что приводит к  декристаллизации целлюлозы, увеличению доли аморфных областей на 10 –20% и образованию новой структурной модификации – целлюлозы II. В целлюлозе II элементарные звенья Д-глюкопиранозы разворачиваются друг относительно друга на 90^о, что и приводит к разрыву межмолекулярных связей и появлению свободных гидроксильных групп. В результате волокно проявляет повышенную сорбционную и реакционную способность, становится более гигроскопичным, легче окрашивается. Этому способствует также увеличение площади поперечного сечения волокна, его объема, размера пор внутри волокна.

      Ткани мерсеризуют на цепных и валковых машинах непрерывного действия. Материал пропитывают концентрированным  раствором щелочи и выдерживают  в натянутом состоянии 1 –5 минут, чтобы обеспечить реакцию NaOH с целлюлозой. Затем интенсивно промывают горячей водой, причем для лучшего удаления щёлочи её попеременно обрабатывают паром и водой в специальной машине – пароводяном выщелачивателе. Оставшийся в волокне едкий натр отмывается очень трудно, поэтому ткань пропитывают разбавленным раствором серной кислоты, с целью нейтрализации NaOH.

     Для тканей «Диагональ» и «Костюмная»  был выбран современный ускоренный способ подготовки, предусматривающий  совмещение процессов мерсеризации и отварки, который называется «горячая мерсеризация». В результате снижаются материальные затраты на ее подготовку (уменьшая количество необходимых химматериалов, снижается расход пара, воды и электроэнергии на обработку суровья), снижаются также возможные потери прочности при исключении окислительной деструкции на стадии беления. В итоге качество подготовки тканей «Диагональ» и «Комфорт» оказывается удовлетворительным для последующих процессов крашения сернистыми водорастворимыми красителями.

     Операция  опаливание проводится для всех видов  тканей, а стрижка только для тканей «Комфорт» и бязи «Нега». Для тканей «Диагональ»и «Костюмная» предусмотрена только горячая мерсеризация, а для тканей «Комфорт» и бязи «Нега» предусмотрена расшлихтовка, отварка, беление и мерсеризация.

     В качестве белящего компонента использована перекись водорода. Являясь недорогим  отбеливателем массового производства, она обеспечивает высокий и устойчивый эффект белизны при умеренной  опасности повреждения волокна. Кроме того, продукты распада перекиси не вредны для здоровья рабочих и  не загрязняют окружающую среду. Мерсеризация предусмотрена в конце цикла  подготовки; нежелательный желтый оттенок  ткани не оказывает существенного влияния на качество окраски. В результате не происходит загрязнение мерсеризационных щелоков, которые возможно регенерировать после проведения процесса и вернуть в производство.