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.