Физико - химические свойства тканей и загрязнений. Моющие средства

Физико - химические свойства тканей и загрязнений. Моющие средства.

   Стирка  изделий из тканей представляет собой  комплекс тепловых и механических воздействий  на загрязненную ткань с помощью  моющих средств и удаление загрязнения  моющими и ополаскивающими растворами. В процессе стирки участвуют ткани, загрязнители и моющие средства, поэтому  рассмотрение процессов гидромеханической  обработки изделий из тканей целесообразно  начать с рассмотрения их физических и химических свойств.

   В настоящее время используют ткани  трех типов: натуральные, химические и  смешанные. Материалы для натуральных  тканей образуются в природе (хлопок, лен, шерсть, шелк), химические (искусственные  и синтетические) изготавливаются  промышленностью на основе физико - химических процессов (капрон, вискоза, ацетат, полиэстр и др.), смешанные ткани в своем составе имеют определенный процент натуральных волокон. Объем производства тканей на основе химических волокон постоянно увеличивается. По данным специалистов к 2000 году выпуск натуральных тканей составит 30-35%, а химических и смешанных - 65-70% [1].

   В процессе стирки происходит взаимодействие тканей изделий с моющим раствором. Способность материалов поглощать  воду оценивается водопоглощаемостью, водоемкостью и капиллярностью.

   Свойства  тканей можно разделить на три  группы: механические (прочность, удлинение, эластичность, сминаемость, склонность к изнашиванию); гигиенические (воздухопроницаемость, гигроскопичность); физические (усадка, легкость очистки, плотность, белизна, тепловые свойства).

   Текстильные материалы имеют пористое строение с воздушными прослойками между  отдельными волокнами и нитями и их тепловое сопротивление зависит в основном от пористости. Теплопроводность воздуха меньше теплопроводности волокон, поэтому если поры мелкие и “задерживают” воздух, то тепловое сопротивление таких материалов высокое, а если поры крупные и сквозные, то они не препятствуют свободному перемещению воздуха, и теплоизолирующие свойства материала ухудшаются.

   Оптимальные гигиенические показатели имеют  шерстяные ткани. К их недостаткам  относится низкий показатель теплоустойчивости, т.к. при нагревании до 100 - 105°С шерстяные ткани разрушаются и их рекомендуется стирать и сушить при температурах не выше 50°С. Теплоустойчивость материала оценивается максимальной температурой, выше которой начинается ухудшение свойств материалов, препятствующее их дальнейшему использованию. Изделия из искусственных волокон обладают устойчивостью к температурам 110 - 120°С, рекомендуемая температура их сушки составляет 60°С.

   Некоторые синтетические ткани, такие как  капрон, лавсан, устойчивы к истиранию, а такие ткани, как вискоза  и ацетат теряют прочность в мокром состоянии до 40 %. Hатуральные волокна, такие как шерсть, натуральный шелк, в мокром состоянии теряют прочность. Исключение составляет хлопок, прочность которого при намокании повышается. В целом потеря прочности мокрой ткани пропорциональна ее гигроскопичности, поэтому следует выбирать интенсивность механического воздействия в зависимости от вида ткани и избегать избыточных механических воздействий на ткань во время стирки.

   Любой текстильный материал является типичным пористым сорбентом и в нем  можно выделить следующие виды пор:

   а) макропоры - наиболее крупные поры, эффективный диаметр которых  больше 400 нм, удельная поверхность  достаточно мала и не превышает значения 0,5 ¸ 2 м²/г;

   б) мезопоры, эффективные диаметры которых составляют от 3 до 400 нм, а удельная поверхность - от 10 до 400 м²/г;

   в) супермикропоры - крупные микропоры, эффективный диаметр которых составляет от 1,4 до 3 нм, пористость является промежуточной между пористостью микро- и мезопор;

   г) микропоры - наиболее мелкие поры с  эффективным диаметром в пределах от 1 до 2 нм, суммарным объемом, не превышающим 0,5 см³/г.

   Размеры микропор и супермикропор сопоставимы с размерами адсорбирующихся в порах молекул загрязнений, т.е. их размеры так малы, что проникновению в них загрязнений препятствуют стерические эффекты. Основная масса бытовых и производственных загрязнений первоначально сорбируется в мезо- и макропорах. В материалах роль мелких мезопор выполняют неплотности межфибриллярной упаковки, а роль макропор - межволоконные капилляры. Эти поры играют роль транспортных каналов, по которым загрязнения перемещаются к мелким порам.

     В состав загрязнений на изделиях  из тканей входят в основном  следующие компоненты:

   а) вещества, растворимые в воде и  не образующие прочных соединений с волокнами;

   б) вещества, растворимые в воде и  образующие прочные соединения с волокнами;

   в) белковые вещества;

   г) жировые вещества;

   д) неорганические пигменты.

   Основные  растворимые вещества, не имеющие  сродства к волокну - это поваренная соль и мочевина, главным образом, из пота. Их удаление с белья в  процессе стирки практически не вызывает каких-либо затруднений. Вещества, растворимые и имеющие сродство к волокну - это все красящие вещества, попадающие на волокно случайно, такие, как фруктовые соки, вино, чай, кофе, чернила. В связи с тем, что они прочно связываются с волокном, их устранение с волокна вызывает большие затруднения и для удаления этого типа загрязнений применяется процесс химической отбелки.

   Белковые  вещества, вследствие их набухания  в щелочной и горячей моюшей ванне в принципе удаляются с ткани достаточно легко, но процесс их отделения требует весьма продолжительного воздействия. Для удаления наиболее стойких белковых загрязнений, например, крови, в состав моющих средств вводятся протеолитические энзимы.

   Жировые и пигментные загрязнения на белье - это загрязнения,  удаление которых  из волокон ткани возможно при  применении моющих средства, так как  гидрофилизация и удаление именно этих фазово чужеродных загрязнений возможно только благодаря поверхностной активности моющего раствора. Наиболее трудноудалимыми являются пигменты сажи, которая является одним их основных компонентов городской уличной пыли. Сажа имеет черную окраску и при неправильном выборе режима стирки в результате значительного диспергирования в моющем растворе может подвергаться вторичному прочному осаждению на хлопчатобумажном волокне.

   Основная  масса загрязнений первоначально  скапливается в межволоконных капиллярах и в меньших количествах на поверхности волокна. Диффузия загрязнений  происходит по разветвленной системе  пор и капилляров натуральных  волокон и по трещинам, микрорасслоениям искусственных волокон. Скорость диффузии вещества в пористой структуре материала невелика и зависит от соотношения размеров пор сорбента и размеров молекул ткани. Сорбционное равновесие может достигаться за достаточно большие промежутки времени. За время хранения грязного белья его загрязнения могут проникать внутрь материала на глубину 5 - 6 волокон. Это относится даже к несмачивающим ткань жидкостям, которые постепенно проникают в межволоконные капилляры, а затем в морфологическую структуру ткани. При длительном контакте текстильных волокон с загрязнениями в результате взаимной или односторонней диффузии цепных молекул или их участков граница между адгезивом и субстратом исчезает, образуются так называемые спайки, разрушение которых возможно только при применении химических отбеливающих препаратов. С увеличением глубины диффузии загрязнения усложняется его удаление из ткани при любых видах стирки.

   Процесс стирки текстильных изделий в  бытовых стиральных машинах основан  на взаимодействии ткани с моющим раствором синтетического моющего  средства (СМС) в воде. В состав синтетических  моющих средств входят поверхностно-активные вещества (ПАВ), отбеливающие средства, добавки, уменьшающие пенообразование и повышающие моющую способность ПАВ, добавки для смягчения воды и снижения корродирующего действия на металлические части стиральных машин.

   Вещества, положительно адсорбирующиеся на поверхности  ткани изделий, называются поверхностно - активными. Поверхностно-активные вещества имеют асимметричную молекулярную структуру. Молекулы ПАВ содержит одну или несколько гидрофильных групп  и один или несколько гидрофобных  радикалов. Такая структура, называемая дифильной, обусловливает поверхностную (адсорбционную) активность ПАВ, т.е. их способность концентрироваться на межфазных поверхностях раздела и адсорбироваться, изменяя их свойства.

   По  характеру диссоциации ПАВ разделяются на группы:

   а) анионные ПАВ, функциональные группы которых  в результате ионизации в растворе образуют отрицательно заряженные органические ионы, обусловливающие поверхностную  активность;

   б) катионные ПАВ, функциональные группы которых в результате ионизации  в растворе образуют положительно заряженные органические ионы, обусловливающие  поверхностную активность;

   в) неионогенные ПАВ, не образующие в водном растворе ионов;

   г) амфолитные ПАВ, образующие в водном растворе в зависимости от условий анионоактивные или катионоактивные вещества.

   К технологическим свойствам ПАВ  относятся пенообразующая, эмульгирующая, смачивающая, солюбилизирующая, диспергирующая и моющая способность.

   Пенообразующую  способность можно охарактеризовать следующими показателями:

   а) вспениваемостью - количеством пены, выражаемым объемом пены (в мл) или высотой ее столба (в мм), которое образуется из постоянного объема раствора при соблюдении определенных условий в течение заданного промежутка времени;

   б) кратностью - отношением объема пены к  объему раствора, используемого на ее образование;

   в) стабильностью (устойчивостью) - временем существования элемента пены (отдельного пузырька, пленки) или ее определенного  объема;

   г) дисперсностью, которая задается средним  размером пузырька, распределением пузырьков  по размерам или поверхностью раздела  раствор - газ в единице объема пены.

   Эмульгирующей способностью ПАВ называется способность диспергировать нерастворимую жидкость и обеспечивать агрегативную устойчивость образовавшейся эмульсии. Эмульгирующая способность характеризуется следующими показателями:

   а) типом эмульсии (масло - вода или  вода - масло);

   б) устойчивостью эмульсии;

   в) дисперсностью, которая зависит  от среднего размера частиц в системе, распределения их по размерам.

   Солюбилизирующая способность (коллоидное растворение) характеризуется самопроизвольным прониканием низкомолекулярного вещества внутрь мицелл поверхностно-активного вещества. Данный показатель определяется количеством углеводорода, маслорастворимого вещества, которое солюбилизируется водным раствором, содержащим определенное количество ПАВ.

   Диспергирующая способность ПАВ характеризует его действие при стабилизации дисперсной системы загрязнение - водный раствор и определяется по отношению к измельченным частицам сажи, красителей, оксидов металов.

   Моющая  способность - одна из основных характеристик  синтетических моющих средств, определяемая отношением степени удаления загрязнения  раствором моющего средства на одном  или нескольких видах ткани к  степени снятия загрязнения раствором  эталона на таких же тканях в тех  же условиях стирки.

6.2.2  Процессы гидромеханической обработки загрязненных тканей. Особенности гидромеханических процессов в барабанных стиральных машинах.

   Процесс гидромеханической обработки изделий  из тканей в бытовых стиральных машинах  можно разделить на следующие  стадии: стирка, полоскание отжим, сушка. Для сильно загрязненного белья  в программу обработки включается предварительная стирка. Процесс  сушки предусмотрен в стирально-сушильных  автоматах и сушильных машинах.

   Процесс стирки предназначен для выполнения моющего действия - удаления загрязнений  и регенерации физико-гигиенических  показателей белья: воздухопроницаемости, гигроскопичности. Стирка включает три  основных операции: удаление загрязнений  из изделий, отполаскивание, специальную обработку.

   Эффект  отстирывания количественно определяется фотометрическим способом, основанном на сравнении отражательной способности искусственно загрязненного образца материала до и после стирки с отражательной способностью материала до загрязнения. За эталон абсолютно белого тела принята металлическая пластина, покрытая слоем оксида бария. Показатель отстирываемости или моющая способность (О) определяется по формуле Штюпеля:

   На  эффективность процесса стирки оказывают  влияние следующие основные факторы:

   а) физико - химический,

   б) механический,

   в) тепловой,

   г) временной.

   Процесс стирки происходит в водной среде, основной особенностью которой является небольшое  расстояние между молекулами. Молекулы всех компонентов моющего раствора вступают в межмолекулярные контакты, называемые физико - химическим взаимодействием. При физико - химических взаимодействиях происходят фазовые контакты большинства загрязнений с текстильным материалом и раствором и разрушение ранее сформированных адгезионных связей загрязнения с тканью.

   Процесс взаимодействия ткани изделий с  моющим раствором при стирке можно  свести к следующим основным стадиям: положительная адсорбция моющих средств на границе раздела загрязнение - моющий раствор, смачивание ткани  и загрязнений, отделение загрязнений  от волокна, диспергирование и эмульгирование загрязнений в моющем растворе, стабилизация дисперсий [2].

   Физика  процесса положительной адсорбции  заключается в уменьшении поверхностного натяжения на границе раздела  двух сред и проникновении моющего  раствора между тканью и загрязнением. Далее с помощью механического воздействия грязь удаляется с ткани, дробится, а образовавшиеся частицы окружаются гидрофильным адсорбционным слоем ПАВ. Молекулы ПАВ проникают также в микротрещины загрязнений и разрушают их вследствие расклинивающего эффекта тонких адсорбционных слоев. Кроме того, большинство обычных загрязнений при рН > 5 заряжается отрицательно и отталкивается от ткани. В процессе стирки электростатическое поле и гидрофильный слой препятствуют сближению частиц загрязнений и осаждению их на ткань.

   Под смачиванием понимают вытеснение жидкой фазой какой - либо другой фазы из твердого или жидкого тела. Диспергирование - процесс дробления пигментов и удержания их в жидкой фазе. Эмульгирующая способность - возможность образования эмульсии различных жидких сред. Для моющего действия важна только эмульсия масла в воде.

   Под стабилизацией дисперсии понимают свойство системы текстильное волокно - загрязнение - моющее средство предотвращать  повторное осаждение удаленного загрязнения на волокно. Это свойство достигается введением в моющее средство карбоксиметилцеллюлозы. При разработке технологического процесса стирки необходимо учитывать, что активность моющего средства зависит от жесткости воды, свойств ПАВ, вида ткани и других факторов.

   Почти все загрязнения являются гидрофобными, поэтому они не смачиваются водой. Если в воде растворить моющее средство, то ее поверхностное натяжение резко  уменьшится, и раствор смочит загрязнение, заполняя микроскопические поры. Благодаря  этому через молекулы моющего  вещества происходит соединение воды с загрязнением, уменьшение сил сцепления  ткани и загрязнителя.

   Таблица 6.1 - Основные методы создания механического воздействия при стирке

   При последующем механическом воздействии  потоком воды загрязнения переходят  в водный раствор. При этом молекулы моющего вещества образуют прочные  защитные пленки вокруг отмытых загрязнений  и на поверхности волокна, предотвращая повторное осаждение загрязнений  на ткань.

   Перечисленные выше процессы адсорбции, смачивания, диспергирования, эмульгирования, стабилизации дисперсий классифицируются как  физические явления. Истинно химическое взаимодействие в процессе стирки в  бытовых стиральных машинах проявляется  в основном при химическом отбеливании. Для отбеливания белья применяют  два типа препаратов - оптические и  химические.

   Действие  оптических отбеливателей имеет  много общего с действием подсинивающих  препаратов и основано на физическом процессе сорбции препарата на поверхности  ткани. Белые материалы, поглощая часть  лучей коротковолновой области спектра, приобретают желтоватый оттенок. Процесс сорбции оптического отбеливателя происходит за счет межмолекулякулярного взаимодействи его коллоидного раствора с текстильными волокнами. Молекулы отбеливателя обладают голубой флуорисценцией и в сумме с желтым оттенком придают белью белый цвет. В результате компенсируется поглощенная часть видимых лучей, желтоватый оттенок дополняется до белого и за счет повышения белизны ткани проявляется эффект оптического отбеливания.

   При химическом отбеливании вещества отбеливающих препаратов разлагаются в воде с  образованием атомарного кислорода  или хлора. Кислородсодержащие препараты  эффективно разлагаются при температуре 85°С и выше, а хлорсодержащие - при температуре выше 30°С. В атомарном состоянии кислород и хлор проявляют высокую активность. При движении сквозь материал они промотируют разрыв связи загрязнения с волокном и вступают во взаимодействие либо с атомом водорода ОН-группы волокна, либо с одной из групп загрязнения. Взаимодействие произойдет с той группой, с которой О- или Cl- атомы образуют более прочное соединение, характеризующееся большей энергией связи. За счет разрушения прочных адгезионных связей загрязнений с волокном, для разрыва которых недостаточно действия перечисленных выше физических факторов, достигается эффект химического отбеливания.

   Одним из важных компонентов, влияющих на качество процесса стирки, является механический фактор. Роль механического фактора  состоит в интенсификации процессов  массообмена и массопереноса. Основной составляющей механического фактора является гидродинамический эффект, возникающий при прокачивании жидкости через поры материала. Интенсивность гидромеханического воздействия пропорциональна скорости движения жидкого раствора через поры ткани. Положительное влияние силы трения в процессе стирки состоит в усилении деформации решетки ткани, что способствует удалению закрепленных в ней крупных частиц загрязнений.

   Существуют  различные способы создания гидромеханического воздействия в процессе стирки. Основные способы стирки перечислены в  таблице 2.

   Тепловой  фактор оказывает большое влияние  на качество процесса стирки. В начальный  период стирки повышение температуры  раствора в значительной степени  ускоряет процесс коллоидного растворения  моющих веществ в воде.

   В течение всего процесса стирки роль теплового фактора состоит в  повышении общей энергии системы, увеличении скорости движения ионов  и мицелл поверхностно - активных веществ. Это приводит к повышению вероятности  встречи ПАВ с загрязнениями, созданию более благоприятных условий  для измельчения загрязнений, отделенных от ткани. При повышении температуры  раствора происходит набухание волокон  материала, увеличение диаметра межволоконных  капилляров и улучшаются условия  для отделения загрязнений. Действие теплового фактора проявляется  также в снижении вязкости граничного слоя жидкости, поверхностного натяжения  на границах раздела фаз, что приводит к улучшению условий отделения  и диспергирования загрязнений. В целом тепловой фактор оказывает  значительное влияние на эффективность  процесса стирки в бытовых стиральных машинах.

   Технологический процесс стирки протекает во времени, поэтому важное значение имеет правильный выбор продолжительности обработки белья. Роль временного фактора состоит в том, чтобы обеспечить продолжительность каждой операции, необходимую для достаточной реализации действия остальных факторов и обеспечить удаление загрязнений на стадии стирки и синтетических моющих средств при полоскании. При выполнении операций, для которых требуется нагрев раствора, отсчет продолжительности должен начинаться только с момента достижения заданной температуры раствора.

   Процесс полоскания сводится к удалению из ткани остатков растворимых веществ стирального раствора, отдельных частиц загрязнений, оставшихся в ткани.

   Полоскание  является физическим массобменным процессом, основой которого является диффузия под действием градиента концентраций к поверхности раздела фаз между волокном и водой [2]. Скорость процесса диффузии зависит от размера пор ткани, поверхностной плотности ткани. Численные значения коэффициентов диффузии СМС внутри пор ткани на несколько порядков меньше коэффициентов его молекулярной диффузии в воде. Продолжительность процесса полоскания в значительной степени определяется стадией внутренней диффузии компонентов моющего средства.

   Для повышения скорости процесса диффузии в процессе полоскания применяется  механическое воздействие. Роль механического  фактора при полоскании состоит  в переносе СМС из граничного слоя в объем воды. Повышение эффективности  процесса полоскания может быть достигнуто при оптимальном сочетании гидромеханического, теплового и временного факторов. Процесс полоскания в современных  стиральных машинах состоит из нескольких стадий, каждая из которых завершается  промежуточным отжимом белья.

   При неполном удалении компонентов СМС  из ткани изделий могут возникать  раздражения кожи, аллергические  реакции, может ухудшиться товарный вид изделий.

   Отжим влаги из ткани в бытовых стиральных машинах является самой сложной  технологической операцией, определяющей конструкцию машины. Качество процесса отжима характеризуется остаточной влажностью ткани изделий, определяемой по формуле:

    ,          

   где m - масса белья после отжима;

          m₁ - масса сухого белья.

   В среднем 1 кг сухой ткани захватывает 2 - 2,5 кг воды, т.е. остаточная влажность  ткани составляет 200 - 250 %. В процессе отжима степень влажности ткани необходимо довести до 55 - 65 % [1].

   Процесс центробежного отжима можно разделить  на два этапа. Hа первом этапе удаляется влага, находящаяся в основных и уточных переплетениях ткани, а также в промежутках между волокнами. Hа втором этапе удаляется влага, которая удерживалась в ткани за счет сил поверхностного натяжения. После первого этапа центрифугирования влажность ткани составляет 110 - 120 %, после второго - 55 - 65 % [1].

   Исследования  показали, что для обеспечения  остаточной влажности 110 - 120 % частота  вращения барабана должна составлять 350-400 об/мин, а для достижения 55-65 % необходимо увеличить частоту вращения барабана до 1000 об/мин [1]. Для того, чтобы развить такую частоту вращения и обеспечить устойчивость машины необходимо либо значительно увеличить массу машины и применить мягкую систему подвески, либо использовать специальные способы выхода на режим отжима с заданной частотой. Это объясняется тем, что масса влажной ткани распределяется в барабане неравномерно, и при больших значениях частоты вращения возрастает величина центробежной силы, которую необходимо компенсировать.

   Для компенсации возникающей при отжиме центробежной силы предпочтительно использовать специальные способы, например, прерывистый режим. Прерывистый режим - это способ отжима, состоящий из нескольких простых фаз отжима, прерываемых во времени для обеспечения равномерного распределения массы ткани вдоль обечайки барабана. Часто применяют также линейный отжим с плавным линейным повышением частоты вращения и ступенчатый отжим с различным числом ступеней и их уровней. Каждый из видов отжима имеет свои модификации для разных типов тканей.