Текст книги "Химическая технология текстильных материалов"

2. ПРОЦЕССЫ ПОДГОТОВКИ ТКАНЕЙ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ ВОЛОКОН К КРАШЕНИЮ И ПЕЧАТАНИЮ

Поступающие на отделочную фабрику ткани подвергаются разбраковке, в количестве 10 % от каждой партии. Далее, в зависимости от технологии обработки, подбираются куски суровья, клеймятся и сшиваются встык на швейных машинах в непрерывное полотно.

В суровом виде ткани содержат многочисленные примеси:

– природные (присутствуют в натуральных волокнах);

– технологические (наносят на волокно или ткань в процессах их изготовления).

К технологическим примесям относятся: замасливатели и антистатики (наносятся на волокна перед процессами прядения), шлихтующие агенты (наносятся на нити основы перед процессом ткачества для повышения прочности и уменьшения обрывности пряжи), маркирующие красители и случайные загрязнения.

Вышеперечисленные примеси сообщают суровым тканям жесткость, гидрофобность (несмачиваемость), неприятный сероватожелтый цвет, склонность к развитию микроорганизмов и др. Если их не удалить, они серьезно 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. Поскольку текстильные материалы имеют неодинаковое химическое строение и свойства, а ткани из них содержат различные по природе примеси, то к технологии подготовки следует подходить дифференцировано, в соответствии с природой волокна.

2.1. Подготовка хлопчатобумажных тканей

К основным операциям, из которых складывается технологический процесс получения отбеленных хлопчатобумажных тканей, относятся: опаливание, расшлихтовка, щелочная отварка, собственно беление, мерсеризация, сушка, стрижка и ширение.

Назначение процесса опаливания заключается в удалении с поверхности тканей выступающих волоконец, нитей и узелков, путем их сжигания. В результате ткань приобретает ровную, гладкую поверхность; улучшается ее внешний вид; четко выявляется ткацкая структура полотна; облегчается проведение последующих технологических процессов.

Не подлежат опаливанию полотенечные ткани, марля, фланель, бумазея, байка, хлопчатобумажное сукно, многие тяжелые ткани, предназначенные для пошива спецодежды, плащевые, обувные, костюмные материалы.

Опаливание осуществляют на газоопаливающих машинах, в которых ткань на большой скорости проходит в открытом пламени газовой горелки. Скорость обработки составляет приблизительно 180 м/мин, при этом выступающие на поверхности волокна и нити сгорают, а структура ткани не повреждается. В процессе опаливания ткань проходит через заправочное устройство в пухоочистительную камеру, далее в опаливающую машину и паровой искрогаситель.

Заправочное устройство обеспечивает ввод ткани в газоопаливающий агрегат, расправляет и центрирует полотно по оси машины, а также регулирует его натяжение.

В пухоочистительной камере поверхность материала очищается от пуха, пыли, сорных растительных примесей, что достигается за счет пропуска ткани между щетками, вращающимися навстречу движению полотна. Одновременно приподнимаются слежавшиеся хлопковые волоконца и ворс, что существенно повышает качество опаливания.

В опаливающей машине ткань проходит в пламени двух – четырех газовых горелок с компановкой, обеспечивающей как одностороннее, так и двустороннее опаливание. Используются газовые горелки двух типов: конвективные (с открытым пламенем) и радиационно-конвективные (снабженные специальными керамическими насадками).

Паровой искрогаситель служит для тушения искр и тлеющих кончиков нитей путем воздействия насыщенного водяного пара, лишенного атмосферного кислорода.

Пороки опаливания – недоопаливание, неравномерное и разнокромочное опаливание, неопаленные засечки, подмочка в искрогасителе и др. – особенно резко выделяются при последующем крашении и грунтовой печати.

Основной задачей расшлихтовки является удаление из ткани шлихты, наносимой с целью упрочнения нитей основы перед ткачеством.

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 ее количества на ткани и введением в ее состав вспомогательных веществ (антиоксидантов, ингибиторов коррозии, регуляторов вязкости, замасливателей). Перечисленные добавки улучшают качество шлихтования, но повышают устойчивость шлихты к химическим реагентам, используемым при ее 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 нанесенной 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 ее 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 ее 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:

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

2. 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.

3. 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 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.

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. Такие ПАВ 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 щелочью 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.

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 жесткости 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. Помимо бисульфита натрия, в условиях непрерывных процессов отварки при высоких концентрациях щелочи, в качестве восстановителей рекомендуют использовать ронгалит, диоксид тиомочевины, 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 засоренного хлопка. Принцип работы котла заключается в двустороннем (сверху вниз и снизу вверх) прокачивании варочной жидкости с концентрацией щелочи 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 трудоемкий 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 ее структуре.

Целью беления является повышение степени белизны отваренной ткани и ее 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).

Беление гипохлоритами

Для беления используют техническую хлорную известь (СаСlО₂∙СаО∙4Н₂О) или гипохлорит натрия (NaClO). Приготовление рабочих растворов хлорной извести производится путем медленного выщелачивания и многократного отстаивания водных суспензий технического продукта. Последний представляет собой сложную смесь веществ, часть которых при белении образует осадки – шламы, загрязняющие производство и осложняющие работу отбельных цехов. Поэтому в настоящее время предпочтение отдают использованию NaClO. Гипохлорит натрия как технический продукт не существует, вследствие нестабильности. Его получают непосредственно на отделочных предприятиях путем электролиза раствора поваренной соли или способом насыщения растворов гидроксида натрия газообразным хлором. При этом протекает реакция:

2NaOH + Cl₂ = NaClO + NaCl + H₂O

Гипохлорит натрия как соль, образованная слабой кислотой и сильной щелочью, в водных растворах легко гидролизуется по схеме:

NaClO + H₂O = HClO + NaOH

Считают, что именно хлорноватистая кислота (НClO) является белящим агентом, поскольку разлагается с выделением активного атомарного кислорода, который и оказывает отбеливающее действие:

НClO → HCl + O

При этом образуется соляная кислота, что проявляется в снижении рН среды при отбеливании. Реакция среды (кислая, нейтральная, щелочная) в значительной степени влияет на процесс гидролиза, а следовательно, и на отбеливающее действие гипохлорита. Количество образующейся НClO падает с ростом рН среды (повышением щелочности), вследствие снижения степени гидролиза NaClO, что, в свою очередь, приводит к уменьшению скорости беления. При понижении рН (в кислой среде) происходит обратный процесс – равновесие сдвигается в сторону увеличения концентрации хлорноватистой кислоты. Однако, в кислой среде при рН<4,5, концентрация HClO вновь падает по причине выделения газообразного хлора. При этом отбеливающий эффект снижается, а система начинает проявлять хлорирующее действие. В этих условиях происходит коррозия оборудования, а ядовитый хлор ухудшает экологию. Доказано, что при белении в нейтральной среде (рН = 7) имеет место наибольшее повреждение целлюлозы, особенно при высоких температурах, вызывающих самоокисление хлорноватистой кислоты.

Таким образом, при белении гипохлоритами следует жестко регламентировать режим отбеливания. Его следует проводить в слабощелочной среде (рН = 8,5–10,0) при температурах ниже 35^оС, когда эффективность отбеливания достаточно высока, а деструкция волокна незначительна.

Беление пероксидом водорода

В настоящее время пероксид водорода и основанные на его использовании способы беления получили наиболее широкое применение во всем мире. Это 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 ее из технологической цепочки подготовки ткани.

Основным недостатком перекиси водорода является ее 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 – еще 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.

Беление хлоритом натрия

Основными достоинствами хлорита натрия (NaClO₂) как отбеливателя являются: практически полное отсутствие окислительной деструкции целлюлозы, высокая скорость беления, разрушение хлоритом не только окрашенных примесей волокна, но и большинства других сопутствующих веществ. В то же время применение хлорита натрия связано с определенными трудностями. Его растворы обладают сильным коррозирующим действием на оборудование, а продукты его разложения являются токсичными веществами.

Единого мнения в отношении механизма беления хлоритом натрия не существует. Экспериментально установлено, что беление NaClO₂ наиболее активно протекает в кислой среде при рН= 3–4,5 в присутствии специальных активаторов.

Основные технологии беления хлопчатобумажных тканей

В зависимости от применяемых отбеливателей различают следующие основные способы подготовки (беления) хлопчатобумажных тканей.

Классический щелочно-гипохлоритный способ. Он основан на применении щелочей для отваривания и гипохлоритов для собственно беления. Суровые ткани после опаливания и расшлихтовки отвариваются в варочных котлах и отбеливаются солями хлорноватистой кислоты по следующей технологии. Ткань пропитывают раствором гипохлорита с концентрацией 0,5–1 г/л по активному хлору при температуре не выше 40^оС и рН = 8,5–10 и выдерживают в емкостных компенсаторах в течение 2–3 часов, затем тщательно промывают водой. Далее материал кислуют, то есть обрабатывают разбавленным раствором серной кислоты с целью разрушения остатков гипохлорита на волокне, что обеспечивает сохранение прочности ткани. После этого следует окончательная промывка горячей и холодной водой.

Непрерывный запарной щелочно-перекисный способ. Его можно осуществлять в две стадии путем отваривания, а затем беления в паровой среде или за счет совмещения обеих операций в одну стадию. Для подготовки (беления) тканей по этому способу используют поточные линии, на которых ткань может обрабатываться в виде жгута или расправленным полотном.

При двухстадийном способе беления ткань пропитывают щелочным варочным раствором при 60–70^oC, отжимают до 100–110 %-ной влажности запаривают в течение 1–2 часов в запарной машине и промывают горячей, холодной водой, разбавленным раствором H₂SO₄ и снова водой. На этом процесс отварки заканчивается. Далее ткань пропитывается белящим перекисным раствором, обрабатывается в запарной машине насыщенным водяным паром в течение 30 –40 минут и промывается горячей и холодной водой. Технологический перекисный раствор содержит: Н₂О₂ (3–5 г/л), NaOH (pH = 10–11), Na₂SiO₃ и ПАВ.

Хлоритный способ. Несмотря на ряд технологических трудностей (коррозия оборудования, выделение токсичных газообразных продуктов) беление хлоритом приобретает все большее практическое значение. Благодаря избирательному воздействию на сопутствующие целлюлозные примеси и мягкому действию на волокно, хлорит натрия широко применяется для беления тканей из смеси целлюлозных и синтетических волокон, а также для беления льняных тканей.

Перед белением ткань опаливают, расшлихтовывают ферментами и промывают. Затем пропитывают горячим раствором хлорита натрия, содержащим помимо основного компонента, NaNO₃, ПАВ и активатор (NH₄H₂PO₄). Нитрат натрия ингибирует корродирующее действие хлорита на оборудование. С точки зрения расхода NaClO₂ и уменьшения образования двуокиси хлора ClO₂ процесс беления предпочтительнее вести при рН = 3,5–4. После пропитки белящим раствором ткань отжимают до 100 %-го привеса и запаривают 1–2 часа при температуре 101–103 ^оС, пропитывают горячим раствором соды с добавкой ПАВ и окончательно промывают водой. Щелочная обработка обеспечивает необходимую капиллярность ткани.