Фізико-хімічне обґрунтування та розробка технології хімічного чищення полікапроамідних текстильних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Херсонський державний технічний університет

УДК 677.464 : 648.28

Спеціальність 05.19.03 - технологія текстильних матеріалів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Фізико-хімічне обґрунтування та розробка технології хімічного чищення полікапроамідних текстильних матеріалів

Карван Світлана Анатоліївна

Херсон - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Технологічному університеті Поділля (м. Хмельницький) Міністерства освіти і науки Украіни.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Ганзюк Леонід Ілліч, Технологічний університет Поділля, м. Хмельницький, завідуючий кафедрою хімічної технології.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Малкін Едуард Семенович, інститут технічної теплофізики НАН України, завідуючий лабораторією;

- кандидат технічних наук, доцент Березненко Сергій Миколайович, Київський державний університет технологій та дизайну, доцент кафедри технології та конструювання швейних виробів.

Провідна установа: Львівська комерційна академія (м. Львів).

Захист відбудеться 27 червня 2000 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 67.052.02 при Херсонському державному технічному університеті за адресою: 73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Херсонського державного технічного університету (73008, м. Херсон, Бериславське шосе, 24).

Автореферат розісланий 26 травня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Сумська О.П.

Анотації

Карван С.А. Фізико-хімічне обгрунтування та розробка технології хімічного чищення полікапроамідних текстильних матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.19.03 - технологія текстильних матеріалів. - Херсонський державний технічний університет, Херсон, 2000.

У роботі наведені результати досліджень впливу фізико-хімічних факторів зношення (хімічне чищення, забруднення, світлопогода, їх комплексна дія) на властивості та структуру полікапроамідних текстильних матеріалів, вивчені та запропоновані механізми їх деструкції. Розроблена технологія хімічного чищення та опорядження виробів з домішками полікапроамідних волокон термо- та фотостабілізаторами у середовищі органічних розчинників. Застосування дифузійної стабілізації виробів дозволяє підвищити їх термо- та світлостійкість та подовжити термін експлуатації без погіршення споживчих властивостей матеріалів.

Ключові слова: фактори зношення, деструкція, хімічне чищення, опорядження, термо- і фотостабілізатори, властивості і структура матеріалів.

Карван С.А. Физико-химическое обоснование и разработка технологии химической чистки поликапроамидных текстильных материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.19.03 - технология текстильных материалов. - Херсонский государственный технический университет, Херсон, 2000.

Диссертация посвящена вопросам разработки технологии химической чистки поликапроамидных (ПКА) текстильных материалов на основе обработки готовых изделий термо- и фотостабилизаторами в среде органических растворителей.

В смесовых текстильных материалах (с шерстью, хлопком, вискозой и нитроном) ПКА волокна применяют для повышения износостойкости изделий. Однако, как показал анализ литературных источников, невысокая термо- и светостойкость ПКА материалов приводит к тому, что в процессе эксплуатации, термических воздействий, химической чистки и действия светопогоды изделия, содержащие капрон, теряют комплекс своих ценных свойств. В результате этого сокращается срок эксплуатации изделий.

Изучили влияние физико-химических факторов износа (химическая чистка, загрязнения, светопогода) и их комплексное действие на свойства и структуру ПКА материалов.

Определено, что сорбция ПКА нитками паров растворителей носит нормальный фиковский характер и описывается экспоненциальной зависимостью от времени. При 20°С равновесная концентрация ПХЭ в капроне составляет 3,422 г/г волокна, а УС - 2,38 г/г волокна.

Установлено, что присутствие загрязнений различной природы (жировые, водорастворимые, пигментные) и недостаточно полное удаление их в процессе мойки в органических растворителях с ПКА волокон приводит к снижению их прочности на 30 - 40%, ухудшению гигроскопичности на 15 - 30%. Наиболее полное удаление загрязнений с ПКА материалов в статической ванне при МВ=10 и 20°С происходит в течение 7 мин.

Определена оптимальная продолжительность процесса сушки ПКА нитей, обработанных ПХЭ и УС, при температурах 20, 40, 60, 80°С. Показано, что под воздействием повышенных температур во время сушки происходит термоокислительная деструкция и термический гидролиз ПКА. При этом наблюдается падение прочности нитей на 25 - 40%, молекулярной массы - на 25 - 35%. При повышенных температурах в волокнах протекают кристаллизационые процессы (степень кристалличности ПКА увеличивается на 17,5 - 22,0%). Под влиянием тепло- и массообменных процесов во время сушки материалов происходит ухудшение гигроскопичности и нарушение капиллярно-пористой структуры волокон.

Исследовано комплексное действие светопогоды и химической чистки на свойства и структуру ПКА нитей. Установлено, что инсоляция материалов усиливает деструктивные процессы, протекающие в волокнах во время обработок органическими растворителями.

С помощью рентгеноструктурного, термического анализов и ИК-спектроскопии исследованы изменения структуры и механизмы деструкции поликапроамидных волокон под влиянием физико-химических факторов износа.

Для снижения влияния термообработок и светопогоды на ПКА текстильные материалы предложена и разработана технология диффузионной термо- и светостабилизации готовых изделий в среде органических растворителей. В качестве стабилизаторов можно использовать ароматические амины, фенолы и УФ-абсорберы, а также их синергические смеси.

Наиболее эффективными антиоксидантами из использованных в работе оказались гидрохинон (концентрация в ванне 0,5-0,7 г/л) и дифениламин (0,3-0,5 г/л), фотостабилизаторами - 4-диметиламинобензофенон (0,85 г/л), салол (0,7 г/л), диоксидифенил (0,25 г/л).

Показано, что наибольшей еффективностью обладают синергические смеси: диоксидифенила и дифениламина (1:3), 4-диметиламинобензофенона и дифениламина (1:1,08), салола и диоксидифенила (1:1,78). Введение смесей стабилизаторов в органические растворители при химической чистке в концентрации 0,7 - 1,0 г/л при модуле ванны 10 при обработке материалов, содержащих капрон, приводит к увеличению их термо- и светостойкости, снижению влияния повышенных температур при сушке и продлению срока эксплуатации изделий с сохранением физико-механических свойств.

Ключевые слова: факторы износа, деструкция, химическая чистка, отделка, термо- и фотостабилизаторы, свойства и структура материалов.

Karvan S.A. Physical-chemical basis of the dry-cleaning technology of the polycaprolactam textile materials. - Manuscript.

Thesis for obtaining the scientific grade of candidate of technical science on the specialty 05.19.03 - technology of textile materials. - The Kherson state technical university, Kherson, 2000.

The dissertation contents the results of investigation about influence of physical-chemical factors of wearing out (pollutant, dry-cleaning, light-weather, their complex effect) on the properties and structure of the polycaprolactam materials, the mechanism of their destruction. Worked out dry-cleaning technology and smoothing of wares with the polycaprolactam fibres by thermal- and fotostabilizers in the surroundings of the organic dissolvents. The use of diffusional stabilization of wares allows raise their thermal- and lightstability and prolong the period of exploitation with out change for the worse of the consumeral properties of the materials.

Key words: factors of wearing out, destruction, dry-cleaning, smoothing, thermal- and fotostabilizers, properties and structure of the materials.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Підгалузь хімічної чистки займає значне місце серед галузевих груп побутового обслуговування населення. В умовах розвитку ринкової економіки в Україні підприємства хімічної чистки зазнають труднощів через відсутність досконалих та науково обґрунтованих технологій обробки виробів у знежирювальних машинах, зростання вартості органічних розчинників, хімічних реактивів та енергоносіїв, а, відповідно, і збільшення собівартості послуг.

Найбільш актуальною проблемою, що стоїть перед працівниками підприємств хімічної чистки, є, поруч з видаленням забруднень, збереження товарного зовнішнього вигляду виробів та їх високих експлуатаційних властивостей. Ця проблема набуває значення у зв'язку зі стрімким розвитком виробництва хімічних волокон, розширенням асортименту текстильних матеріалів за рахунок використання сумішей природних волокон зі штучними або синтетичними в тканинах з різним переплетінням та текстильними ефектами.

Співвідношення між хімічними і натуральними волокнами в їх сукупному обсязі склало у 1999 році 52:48. В загальному обсязі світового виробництва всіх видів волокон поліамідні (ПА) займають близько 10%, з яких на капрон припадає 68%. У 90-х роках виробництво ПА волокон у світі зростало невисокими темпами (на 3,8 - 4,7% в рік). В Україні створена матеріальна і технічна база для виготовлення ПА волокон, щорічний випуск яких складає 22 тис.т.

Для розвитку текстильної промисловості України Міністерство хімічної промисловості передбачає вжити заходів: поновити виробництво капролактаму на ОАО "Азот" (м. Черкаси); зменшити вартість бензолу з метою випуску адипінової кислоти і солі АГ; створити нові види волокон, в тому числі ПА, наростити діючі потужності хімічних волокон на Київському і Чернігівському ВО "Хімволокно", Житомирському заводі хімволокна. Це дозволить збільшити виробництво ПА волокон на 25 - 30%, що складе 27,5 - 28,6 тис.т на рік.

ПА волокна та нитки, у тому числі полікапроамідні (ПКА), використовують в асортименті текстильних матеріалів у сумішах з вовною або віскозою (вкладення капрону складає до 30%), у трикомпонентних сумішах: вовна - капрон - нітрон (віскоза, лавсан) з вмістом капрону до 15%. З волокнистих сумішей виготовляють костюмні, пальтові, платяні тканини, трикотажні полотна. ПКА волокна та нитки використовують також в еластичних тканинах (лайкра, спандекс), декоративних та гардинно-тюлевих матеріалах.

ПКА волокна використовують у змішаних текстильних матеріалах для підвищення їх зносостійкості. Дійсно, капрон характеризується високими фізико-механічними показниками. Але недостатня термо- та світлостійкість ПКА волокон призводять до того, що в процесі експлуатації, хімічного чищення, термічних впливів та дії світлопогоди, вироби, що містять капрон, втрачають комплекс цінних властивостей.

Основні режими обробки виробів в машинах хімічного чищення використовують залежно від ступеня забруднення текстильних матеріалів, а також від типу обладнання. При виборі технологічних параметрів процесів миття, віджимання та сушіння практично не враховується волокнистий склад та ступінь зносу матеріалів, що часто призводить до зниження якості чищення та появи дефектів на виробах.

Сучасний стан розвитку галузі побутового обслуговування населення змушує шукати нові методи і принципи у вирішенні питань про здешевлення послуг, які надають підприємства хімічної чистки. З метою більш повного задоволення попиту населення одним з основних напрямків розвитку підгалузі хімічної чистки повинно стати удосконалення існуючих та впровадження нових технологій обробок виробів у знежирювальних машинах. Тому дослідження, спрямовані на пошук ефективних технологій, які дозволять удосконалити процеси хімічного чищення, скоротити найбільш тривалі та енергомісткі процеси миття і сушіння та здешевити процеси хімічного чищення із зберіганням споживчих властивостей виробів, постають дуже актуально.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до перспективного плану науково-дослідної роботи Технологічного університету Поділля на 1995 - 2000 роки за напрямком "Фізико-хімічне обгрунтування та розробка нових препаратів і технологій для одержання та опорядження текстильних матеріалів".

Мета і завдання дослідження. Метою даної роботи є фізико-хімічне обґрунтування та розробка технології хімічного чищення органічними розчинниками виробів з ПКА волокон та їх сумішей з іншими волокнами.

Для досягнення поставленої мети передбачалось:

дослідити вплив органічних розчинників і природи забруднюючих речовин на властивості ПКА ниток;

вивчити масообмінні процеси, що відбуваються під час висушування ПКА ниток в умовах хімічного чищення, дослідити вплив температури сушіння на властивості та структуру капрону, визначити оптимальні технологічні параметри операції сушіння;

оцінити комплексну дію інсоляції і хімічного чищення на споживчі характеристики та структуру ПКА ниток;

розробити спосіб і композиції для термо- та фотостабілізації виробів, що містять капрон, у середовищі органічних розчинників.

Наукова новизна одержаних результатів:

встановлені залежності між змінами фізико-механічних, фізико-хімічних властивостей та структури ПКА текстильних матеріалів під дією тепло- та масообмінних процесів під час хімічного чищення;

вивчені закономірності та механізми деструкції ПКА волокон під впливом фізико-хімічних факторів зношення;

визначені закономірності процесу сушіння ПКА текстильних матеріалів, оброблених органічними розчинниками;

обґрунтовано механізм та розроблено спосіб дифузійної термо- та фотостабілізації виробів у середовищі органічних розчинників для поліпшення фізико-механічних властивостей текстильних матеріалів та запобігання їх деструкції.

Практична цінність результатів роботи:

на основі отриманих результатів досліджень розроблено технологію хімічного чищення виробів з домішками ПКА волокон, яка забезпечує високу якість видалення забруднень із текстильних матеріалів, зберігає їх споживчі властивості і зовнішній вигляд, продовжує термін їх експлуатації в 2 - 2,5 рази;

розроблено спосіб і композицію для дифузійної термо- та фотостабілізації, яка дозволяє підвищити в 2 - 3 рази термо- та світлостійкість готових виробів, що містять ПКА волокна;

запропоновані технологічні режими обробок в знежирювальних машинах дозволяють скоротити тривалість операції сушіння в 3 рази, зменшити енерговитрати на 10% та втрати розчинників під час висушування та рекуперації на 20 - 30%;

проведені на Харківській та Чернівецькій фабриках хімічної чистки виробничі випробування підтвердили можливість використання термо- та фотостабілізаторів у процесі обробки виробів у знежирювальних машинах.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача полягає у постановці та обгрунтуванні завдань дослідження, критичному аналізі науково-технічної і патентної літератури, виробничого досвіду в галузі хімічного чищення виробів, розробці методик та виконанні експериментальних досліджень в лабораторних та виробничих умовах, науковому обгрунтуванні одержаних результатів, розробці способу та композицій для термо- та фотостабілізації виробів, що містять капрон.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались: на науково-практичних конференціях молодих вчених та студентів, Київ, ДАЛПУ, 1997, 1998 р.; на Міжнародній науково-технічній конференції "Новітні технології в легкій промисловості та сервісі", Хмельницький, 1998 р.; на Всеукраїнській науково-технічній конференції "Новітні технології у легкій та текстильній промисловості на порозі нового століття", Херсон, 1999 р.; на наукових семінарах кафедри ХТВМ та технологічного факультету ХДТУ, Херсон, 1999 р.; на розширеному засіданні кафедри хімічної технології ТУП, Хмельницький, 1999 р.

Публікації. Публікації за темою дисертаційної роботи включають 13 найменувань, в тому числі статей в збірниках наукових праць - 6, тез доповідей на конференціях - 6, рішення на видачу патенту України - 1.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота викладена на 148 сторінках машинописного тексту, містить 20 таблиць, 37 рисунків, 155 найменувань бібліографічних джерел.

Зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету, завдання дослідження, наукове та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі виконано аналіз літературних джерел щодо особливостей будови та властивостей ПКА текстильних матеріалів, масо-обмінних процесів, що протікають в системі волокно - розчинник під час обробки в машинах хімічного чищення (змочування, сорбція, набухання, дифузія, десорбція). Проаналізовано роботи, які присвячені вивченню змін структури і властивостей капрону під впливом фізико-хімічних факторів зношення: органічних розчинників, температурної обробки, інсоляції та їх комплексної дії. На основі критичного аналізу вітчизняних та іноземних робіт зроблено висновок про те, що фізико-хімічні фактори зношення призводять до небажаних змін в молекулярній та надмолекулярній структурах ПКА текстильних матеріалів, що виражається у більшості випадків у погіршенні фізико-механічних властивостей, міцності, довговічності та зовнішнього вигляду виробів.

У другому розділі наведені характеристики об'єктів дослідження та матеріалів, що використовувалися у роботі, описані методи досліджень та математична обробка одержаних результатів.

Основні дослідження проводили з ПКА комплексною ниткою номінальної лінійної густини 29 текс, що містить 80 елементарних ниток; розчинниками хімічного чищення: перхлоретиленом (ПХЕ) та уайт-спіритом (УС); промисловими світлостабілізаторами та антиоксидантами.

Фізико-механічні властивості текстильних матеріалів оцінювали відповідно до чинних Держстандартів.

Зміни в молекулярній та надмолекулярній структурі волокон оцінювали методами рентгеноструктурного аналізу та ІЧ-спектроскопії. Тепло- та термостійкість капрону оцінювали методом термічного аналізу (ТГ, ДТГ, ДТА). Молекулярну масу ПКА визначали хімічним методом за кислотним та амінним числами.

Масообмінні властивості та характеристики капілярно-пористої структури ниток визначали методом сорбції - десорбції води.

Результати експериментів оброблені відповідно до методів сучасної математичної статистики з використанням персонального комп'ютера PENTIUM MMX 166 і програм "NUMERY", версія 2.1 (1990 р.) та EXCEL (OFFICE, 1997 р.).

У третьому розділі представлена експериментальна частина з обговоренням результатів досліджень.

Під час носіння одяг постійно контактує з різноманітними джерелами забруднень, для видалення яких застосовують хімічне чищення у середовищі органічних розчинників. Тому вивчили вплив органічних розчинників (ПХЕ та УС), природи забруднюючих речовин та їх комплексної дії при десятиразових обробках на властивості ПКА ниток.

Встановлено, що сорбція ПКА нитками розчинників з пароповітряного середовища носить нормальний фіковський характер та описується експоненційною залежністю від часу:

для ПХЕ: Мф = -2,996 · е -0,0356·ф + 3,422; (1)

для УС: Мф = -2,148 · е -0,0305·ф + 2,380. (2)

При 20С рівноважна концентрація ПХЕ у капроні складає 3,42 г/г волокна, а УС - 2,38 г/г волокна. Причому, на протязі перших 30 - 40 годин концентрація розчинників у капроні зростає швидко, після чого відбувається дуже повільне наближення системи до стану рівноваги.

На основі кривих сорбції розрахували коефіцієнти дифузії розчинників у капрон за рівнянням Кренка. Величина коефіцієнтів дифузії ПХЕ та УС при температурі 20С досягає максимального значення D = (0,8-1,0)·10-14 мІ/с на початковому етапі дифузії і при подальшому збільшенні тривалості сорбції поступово знижується.

Для вивчення кінетики десорбції забруднень використовували чотири типи забруднюючих речовин: жирові, водорозчинні, пігментні і комплексний забруднювач НІТХІБ. Жири та масла легко розчиняються в органічних розчинниках і десорбція їх в ПХЕ та УС складає 70 - 80%. Десорбція пігментних часток в УС більша (70%), ніж ПХЕ (60%), бо поверхневий натяг нафтового розчинника менший, ніж хлорвуглеводневого. Водорозчинні речовини мало розчиняються в органічних розчинниках (5 - 10%). До складу комплексного забруднювача входять жирові, пігментні та водорозчинні сполуки, масляна плівка обумовлює адгезію за рахунок прилипання часток до жирної поверхні і сприяє більш міцному утриманню пігментів на волокнах. Десорбція забруднювача НІТХІБ в ПХЕ та УС складає 40 - 45%. Встановлено, що максимальне видалення всіх типів забруднень у статичному режимі при 20С та модулі ванни МВ=10 спостерігається при тривалості миття 6,5 - 7,5 хв. При проведенні подальших досліджень оптимальний час чищення ПКА ниток в ПХЕ і УС у статичній ванні становить 7 хв.

Для вивчення впливу хімічного чищення та забруднень на фізико-механічні та фізико-хімічні властивості капрону проводили десятиразові обробки зразків розчинниками та забрудненнями. Один цикл складався з обробки ПКА ниток забруднювачем та миття в ПХЕ або УС при МВ=10 та температурі 20С; сушили зразки при 60С.

Дослідження показали, що під впливом органічних розчинників спостерігається зниження розривного навантаження ПКА ниток після 5 - 6 циклів обробок на 25 - 35% (табл.1). Наявність залишків забруднень (особливо пігментних і жирових) на волокнах погіршує їх розривне навантаження на 30 - 45%. Незначне підвищення міцності ПКА ниток після 5 - 6 циклу обробок пов'язане з переважанням кристалізаційних процесів над деструктивними, оскільки органічні розчинники і забруднення проявляють властивості пластифікаторів.

Таблиця 1. Залежність розривного навантаження ПКА ниток (Н) від кількості циклів обробок забрудненнями і розчинниками

Забруднювач	Кількість циклів обробок
	0	2	4	6	8	10
Миття в ПХЕ
Без забруднень	20,80	16,00	13,52	12,63	13,03	14,22
Жировий	20,80	14,92	12,30	11,40	12,04	12,87
Водорозчинний	20,80	14,40	11,98	11,02	11,79	11,83
НІТХІБ	20,80	14,00	11,78	10,77	11,09	11,17
Пігментний	20,80	13,40	11,22	10,32	10,72	10,88
Миття в УС
Без забруднень	20,80	17,46	15,72	15,28	15,83	17,31
Жировий	20,80	16,73	15,17	14,62	14,93	15,51
Водорозчинний	20,80	16,42	14,95	14,39	14,54	14,87
НІТХІБ	20,80	15,40	13,53	13,02	13,44	14,40
Пігментний	20,80	15,01	13,22	12,46	12,57	13,08

Обробка ПКА ниток органічними розчинниками призводить до розпушення їх структури під впливом масообмінних процесів, внаслідок чого спостерігається зростання гігроскопічності капрону. Наявність залишків забруднень на зразках погіршує гігроскопічність капрону на 15 - 30%. Жирові забруднення знижують гігроскопічність волокон за рахунок зв'язування жирними кислотами функціональних груп та заповнення активних центрів, на яких відбувається сорбція води. Пігментні частки, адсорбовані на поверхні ПКА ниток, знижують капілярну проникність капрону. В цілому гігроскопічність ПКА ниток залежить від десятиразових процесів сорбції - десорбції забруднень в розчинниках та від виду забруднень.

Оскількі найбільш тривалою операцією у знежирювальних машинах є висушування оброблених розчинниками і віджатих виробів, то визначено оптимальну тривалість сушіння на основі одержаних кінетичних кривих при температурах 20, 40, 60 і 80°С (табл. 2).

Таблиця 2. Тривалість процесу сушіння, хв.

Розчинник	Температура сушіння
	20°С	40°С	60°С	80°С
ПХЕ	16	8	6	3,5
УС	120	30	25	20

Крива кінетики сушіння ПКА ниток, оброблених ПХЕ або УС, описується поліномом 4-го порядку:

С* = A0 + A1· ф + A2· ф 2 + A3· ф 3 + A4· ф 4, (1)

де С* - відносна концентрація розчинника у пароповітряному середовищі, ф - час сушіння. Із зниженням температури сушіння зменшується коефіцієнт А 4, і рівняння С* = f (ф) наближається до рівняння 3-го ступеня.

Загалом, тривалість сушіння ПКА ниток, оброблених УС, в 4 - 7 разів більша, ніж зразків, оброблених ПХЕ, що пов'язано з меншою летючістю нафтового розчинника порівняно з хлорвуглеводневим.

Для визначення температурного впливу сушіння на ПКА нитки дослідили зміну їх фізико-механічних, фізико-хімічних та структурних показників у процесах багаторазових обробок. Після миття в органічних розчинниках зразки сушили за режимами, наведеними у таблиці 2.

Розривне навантаження ПКА ниток знижується після 5 - 6 циклу обробок (на 30 - 40%), а потім незначно зростає. Насамперед зниження міцності капрону пов'язане зі зменшенням молекулярної маси ПКА (на 15 - 25%) внаслідок розриву хімічних зв'язків у його макромолекулах та протікання процесів термоокислювальної і термічної деструкції.

Під час сушіння під впливом підвищених температур протікають кристалізаційні процеси у структурі капрону, що знайшло відображення у зростанні ступеня кристалічності волокна (на 15 - 22%). Перевага кристалізаційних процесів над деструктивними після 5 - 6 циклу обробок пояснює підвищення міцності ПКА ниток.

Зміни у молекулярній та надмолекулярній структурі ПКА волокон підтвердили результатами рентгеноструктурного, термічного аналізів та ІЧ-спектроскопії. Зменшення інтенсивності малокутових рефлексів та збільшення ширини піка при 18,5° обумовлене як зростанням кристалітів, так і дефектністю приповерхневих кристалічних областей ПКА. Усередині кристалічних ділянок не відбуваються зміни, про що свідчить постійність температури плавлення ПКА, визначеної за ДТА (225°С). Зменшення температури окислення капрону при зростанні температури сушіння до 80°С, а також поява на ІЧ-спектрах зразків піка при смузі поглинання карбонільних сполук (1725 см-1) вказує на протікання термоокислювальної деструкції ПКА волокон. Зниження інтенсивності смуг поглинання, що відповідають групі -CО-NH-, свідчить про часткове руйнування амідного зв'язку в процесі сушіння. текстильний полікапроамідний волокно зношення

Температурні впливи під час сушіння негативно впливають і на сорбційні властивості ПКА ниток. Із збільшенням температури сушіння до 80°С спостерігається зменшення гігроскопічності ПКА ниток, що пов'язане зі змінами у капілярно-пористій структурі ниток: зменшується кількість пор, особливо радіусом 1 - 3 нм, що підтверджують диференційні криві розподілу пор за розмірами, побудовані на основі ізотерм сорбції - десорбції води.

Для зниження впливу підвищених температур під час сушіння ПКА нитки обробляли розчином термостабілізаторів в ПХЕ. Антиоксиданти (феноли та ароматичні аміни) обривають кінетичний ланцюг окислення ПКА за реакцією з пероксидними радикалами:

ROO · + AmH Am · + ROOH (2)

ROO · + PhOH PhO · + ROOH (3)

Антиоксиданти у кількості 0,5% від маси зразка попередньо розчиняли в етиловому або ізопропіловому спирті, а потім суміш вводили в ПХЕ. Зразки висушували при температурі 80°С. Для зразків визначали міцність, молекулярну масу ПКА та термостійкість волокон. Термостійкість оцінювали за втратою міцності та молекулярної маси за відношенням до початкових значень (Рр=20,8 Н, М=19850) після нагрівання при 120С протягом 4 годин. Ефективність стабілізаторів розраховували за відношенням числа розривів основного ланцюга ПКА для нестабілізованого і стабілізованого зразків.

Результати досліджень, наведені у табл. 3, свідчать про те, що введення термостабілізаторів у структуру капрону дифузійним методом призводить до зростання міцності і термостійкості ПКА ниток в порівнянні з нестабілізованим зразком.

Таблиця 3. Властивості стабілізованих і нестабілізованих ПКА ниток

Термостабілізатор	Розривне навантаження, Н	Молекулярна маса	Ефективність стабілізатора	Термостійкість
				Втрата міцності, %	Втрата молек. маси,%
Без стабілізатора	17,48	16520	-	12,96	36,1
Гідрохінон	20,71	18710	3,27	3,52	20,8
Резорцин	18,82	17110	1,25	7,15	30,7
Дифеніламін	20,15	18640	3,08	4,76	21,8
п-амінофенол	19,38	18090	2,06	5,24	29,4
п-фенілендіамін	19,93	18530	2,80	4,68	23,4

Найбільш ефективними антиоксидантами в умовах хімічного чищення виявились гідрохінон і дифеніламін. Встановлено, що максимальна ефективність стабілізаторів спостерігається при вмісті у ванні 0,5 - 0,7 г/л гідрохінону або 0,3 - 0,5 г/л дифеніламіну.

Оскільки під час експлуатації вироби завжди піддаються дії світла, провели дослідження сумісної дії світлопогоди і хімічного чищення на ПКА нитки. Кожний вид модельованого зношення був розділений на 10 періодів, що включали 25000 умовних доз опромінення (УДО), при комбінованій дії через кожні 25000 УДО проводили хімічне чищення в ПХЕ або УС.

Дослідження зміни розривних характеристик ПКА ниток від кількості циклів зношення показало, що при комплексній дії фізико-хімічних факторів зношення спостерігається істотне зниження міцності капрону (50 - 60%), пов'язане з фотохімічною деструкцією ПКА під дією інсоляції, розривом макромолекул та накопиченням у волокнах низькомолекулярних фракцій, збільшенням ступеня полідисперсності та розширенням молекулярно-масового розподілення. При цьому відбувається дуже різке зниження молекулярної маси ПКА при перших циклах зношення (на 30 - 35%).

На основі даних про зміну молекулярної маси ПКА протягом 10-ти циклів зношення було побудовано залежність зворотньої величини ступеня полімеризації ПКА (1/Up) від кількості циклів дії фізико-хімічних факторів зношення.

Аналіз даних показав, що в ПКА існують "слабкі" зв'язки, які розриваються легше, ніж звичайні зв'язки основного ланцюга. Якщо слабкі зв'язки розподілені статистично, то деструкція ПКА:

р = р 1 + р 2, (4)

де р 1 та р 2 - ступінь деструкції звичайних і слабких зв'язків відповідно.

З урахуванням граничних умов:

0 ? р 1 ? 1 - р 2(0); 0 ? р 2 ? р 2(0),

де р 2(0) - частка слабких зв'язків, після перебігу деструкції протягом n циклів:

(5)

де k1 та k2 - константи швидкості розриву звичайних та слабких зв'язків. Якщо k1n " 1 та k1" k2, то можна записати рівняння деструкції ПКА у вигляді:

(6)

Дослідження молекулярної і надмолекулярної структури капрону методами рентгеноструктурного аналізу й ІЧ-спектроскопії підтверджують те, що комплексна дія інсоляції та хімічного чищення посилює деструкцію ПКА ниток. Після дії світлопогоди і хімічного чищення зростає інтенсивність смуги поглинання 3440 см-1 (валентні коливання вільних NH-груп), зменшується інтенсивність смуги поглинання NH-груп, що утворюють водневі зв'язки (3300 см-1). Це вказує на руйнування водневих зв'язків між макромолекулами ПКА.

Дослідження кінетики накопичення пилу та пігментних часток в ПКА нитках під час експозиції у природних умовах показало, що після комплексної дії розчинників та інсоляції забруднюваність зразків зростає на 30%, що можна пояснити руйнуванням поверхні волокон, утворенням тріщин та щілин.

Для запобігання фотохімічної деструкції капрону в текстильні матеріали вводять світлостабілізатори. За аналогією з дифузійною термостабілізацією проводили світлостабілізацію ПКА ниток. В ролі світлостабілізаторів використовували: 1,2,3-бензотриазол, салол, 4-диметиламінобензофенон, бензофенон, гідрохінон, резорцин, 4,4'-диоксідифеніл, дифеніламін, п-амінофенол, п-фенілендіамін, N,N'-п-фенілендіамін. Стабілізатори, сорбовані ПКА нитками, розподіляються переважно по аморфних областях. Також може відбуватись їх зв'язування полярними групами ПКА: стабілізатори, використані у роботі, мають полярні групи -С=О, -NH-, -NH2, -OH, здатні утворювати водневі зв'язки з капроном.

Для оцінки ефективності світлостабілізаторів їх розчиняли в ізопропанолі у кількості 0,5% від маси зразка та вводили в органічні розчинники (концентрація у ванні 0,5 г/л). Результати досліджень свідчать про те, що світлостабілізація у середовищі ПХЕ відбувається краще, ніж в УС, що пов'язано з більшим набуханням ПКА ниток в хлорвуглеводневому розчинику, ніж у нафтовому, а, відповідно, більшою дифузією стабілізаторів у поверхневі шари капрону.

Визначення залежності ефективності світлостабілізаторів від концентрації їх у ванні показало, що для кожного стабілізатора характерне своє значення оптимальної концентрації, вище якої його ефективність знижується внаслідок зростання поглинання квантів світла і порушення структури капрону. Найефективнішими серед досліджених виявились світлостабілізатори: салол (0,70 г/л), 4-диметиламінобензофенон (0,85 г/л) та диоксідифеніл (0,25 г/л).

Одним з шляхів боротьби з шкідливими побічними реакціями, що супроводжують процес інгібірованого окислення полімерних матеріалів, є перехід від індивідуальних стабілізаторів до їх синергічних сумішей. Причому, при зменшенні концентрації стабілізаторів у волокні значно зростає їх ефективність.

З урахуванням відомостей про механізми синергізму сумішей використаних стабілізаторів утворено дві групи композицій:

Один з компонентів суміші взаємодіє з радикалами або гідропероксидами (антиоксидант), а другий знижує швидкість ініціювання окислення (УФ-абсорбер). При відсутності взаємодії між стабілізаторами механізм синергізму можна пояснити значним зниженням швидкості окислення ПКА за рахунок обриву ланцюга на антиоксиданті за реакціями (2, 3), при яких ефективність УФ-абсорбера зростає.

Обидва стабілізатори є антиоксидантами і взаємодіють з пероксидними радикалами. В присутності ароматичного аміну і фенолу відбувається обмінна реакція:

Am · + PhOH AmH + PhO, (6)

яка грає основну роль у синергізмі амінів і фенолів: регенерується ефективний інгібітор і запобігається реакція передачі ланцюга амінним радикалом через його заміну феноксильним.

З використаних стабілізаторів склали 12 сумішей, для яких вивчили залежність їх ефективності від концентрації композиції у ванні і співвідношення компонентів. Дослідження показали, що найбільш ефективно уповільнюють фотохімічну деструкцію ПКА волокон суміші: диоксідифенілу і дифеніламіну (1:3), 4-диметиламінобензофенону і дифеніламіну (1:1,08), салолу і диоксідифенілу (1:1,78). При збільшенні сумарної концентрації стабілізаторів у ванні посилюється ефективність дії композиції і зростає світлостійкість ПКА ниток.

Оскільки до складу синергічних сумішей входять антиоксиданти, встановлено, що обробка ПКА ниток даними сумішами призводить до підвищення термостійкості, а, відповідно, і стійкості стабілізованих зразків до підвищених температур у процесі сушіння.

Щоб виявити, як витрачається композиція стабілізаторів у процесі експлуатації, досліджували вплив інсоляції і хімічного чищення на міцність тканин, що містять капрон: капронову тканину арт.52003, тканину "Веснянку" арт. 49910 "П", платяно-костюмну арт. 4125 "П"1РД-ДЛ (табл. 4). Результати досліджень свідчать про те, що стабілізовані тканини більш світлостійкі і можуть довше експлуатуватись в умовах інсоляції без руйнування і зниження їх міцності. Використання розчину суміші диоксідифенілу і дифеніламіну (1 г/л) дозволяє проводити обробку двох партій тканин, після чого необхідне підживлення ванни маточним розчином до початкової концентрації.

Таблиця 4. Фізико-механічні властивості стабілізованих тканин

Властивість	Капронова тканина	Тканина "Веснянка"	Тканина плат.-костюмна
	з стабілізатором	без стабілізатора	з стабілізатором	без стабілізатора	з стабілізатором	без стабілізатора
Розривне навантаження по основі, Н	122,3	103,5	496,4	476,6	352,4	335,8
Втрата міцності (%) після інсоляції: -20 діб -30 діб -40 діб	15,16 26,74 44,28	23,19 33,91 64,06	11,26 17,43 28,76	14,65 21,17 41,36	11,13 16,58 27,61	16,14 25,38 48,84
Втрата міцності (%) після одного х/ч -двох х/ч -трьох х/ч	0,23 2,41 5,17	1,56 3,14 5,26	0,12 1,76 3,89	0,76 2,15 3,96	0,14 1,96 4,09	0,98 2,24 4,17

Таким чином, використання дифузійної стабілізації текстильних матеріалів з домішками ПКА волокон дозволяє підвищити термо- та світлостійкість виробів, подовжити термін їх експлуатації та запобігти процесам передчасного руйнування волокон. Виробничі випробування довели, що використання температур сушіння 80°С дозволяє скоротити енерговитрати на 10% та втрати розчинників під час сушіння і рекуперації на 20 - 30%.

Загальні висновки

Встановлено, що тепло- і масообмінні процеси, що відбуваються в системі текстильний матеріал - органічний розчинник під час хімічного чищення, призводять до деструкції ПКА волокон, внаслідок чого погіршуються споживчі властивості капрону і скорочується термін експлуатації виробів. Комплексна дія фізико-хімічних факторів зношення (забруднення, хімічне чищення, світлопогода) посилюють руйнівні процеси у текстильних матеріалах.

Виявлено закономірності впливу органічних розчинників та природи забруднень на властивості капрону. При десятиразових обробках забрудненнями і розчинниками відбувається зниження міцності при розриві на 35 - 45%, що пов'язано з посиленням деструкції капрону під впливом жирових, водорозчинних та пігментних забруднень. Зміни сорбційних властивостей капрону зумовлені розпушенням його структури під впливом розчинників і можливістю проникнення забруднень усередину волокна. Визначено, що оптимальна тривалість чищення капрону у статичній ванні при модулі ванни 10 та температурі 20С складає 7 хв.

На основі дослідження кінетики сушіння ПКА ниток, оброблених ПХЕ та УС, змін фізико-механічних та фізико-хімічних властивостей капрону визначено тривалість процесу сушіння при температурах 20, 40, 60, 80°С та встановлено, що при відсутності стабілізаторів нові та незношені вироби з домішками ПКА волокон можна сушити в машинах хімічного чищення при температурі не вище 70°С, а зношені - не вище 50°С, щоб зберегти комплекс необхідних властивостей матеріалу.

Встановлено, що обробка органічними розчинниками хімічного чищення знижує світлостійкість ПКА ниток в умовах подальшої експлуатації. Визначено закономірності деструкції ПКА в процесах зношення. Під впливом комплексної дії інсоляції і хімічного чищення відбувається руйнування поверхні і поверхневих шарів ПКА ниток, що збільшує забруднюваність та погіршує гігроскопічність капрону.

Методами рентгеноструктурного, термічного аналізу та ІЧ-спектроскопії досліджені зміни, що відбуваються в молекулярній та надмолекулярній структурі ПКА ниток під впливом хімічного чищення, інсоляції та їх комплексної дії. Під дією підвищених температур при сушінні або світлопогоди спостерігається зростання кристалітів і збільшення дефектності кристалічних областей у поверхневих шарах волокон. ІЧ-спектри оброблених зразків свідчать про руйнування амідного зв'язку та протікання окислювальних процесів у капроні під час зношення.

Розроблено технологію хімічного чищення текстильних матеріалів, що містять капрон, з використанням термо- та фотостабілізаторів для дифузійної стабілізації ПКА ниток. Обробка ПКА ниток сумішшю антиоксидантів або антиоксиданту з фотостабілізатором при концентрації у ванні 1 г/л протягом 10 хв. дозволяє використовувати підвищені температури (80 - 90°С) під час сушіння, скоротити тривалість сушіння у 3 рази, підвищити термо- та світлостійкість капрону у 2 - 3 рази та подовжити термін подальшої експлуатації виробів в 2 - 2,5 рази без погіршення споживчих властивостей.

Економічна ефективність від впровадження запропонованої технології хімічного чищення на виробництві складе 60 - 115 грн. на 1000 кг виробів залежно від складу композиції.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Карван С.А. Зміна фізичних властивостей полікапроамідних ниток під впливом фізико-хімічних факторів // Вісник Технологічного університету Поділля. - Хмельницький, 1998. - № 2. - С. 70 - 72.

Карван С.А., Тараканова А.П., Ганзюк Л.І. Вплив температури сушіння на фізико-механічні властивості полікапроамідних ниток, оброблених органічними розчинниками // Вісник Технологічного університету Поділля. - Хмельницький, 1998. - № 2. - С. 73 - 75.

Карван С.А. Комплексна дія інсоляції і хімічної чистки на властивості полікапроамідних ниток // Вісник Технологічного університету Поділля. - Хмельницький, 1998. - № 4. - С. 130 - 133.

Карван С.А. Изменение физико-механических свойств и структуры поликапроамидных нитей в процессе эксплуатации // Технология легкой и текстильной промышленности Украины. - Херсон, 1998. - №1. - С. 51 - 54.

Карван С.А., Тараканова А.П. Термостабілізація полікапроамідних волокон в процесі хімічного чищення // Технология легкой и текстильной промышленности Украины. - Херсон, 1999. - № 1. - С. 50 - 52.

Тараканова А.П., Карван С.А. Дифузійна світлостабілізація капрону у середовищі органічних розчинників // Вісник Технологічного університету Поділля. - Хмельницький, 2000. - № 1. - С. 54 - 56.

Карван С.А., Тараканова А.П., Бубенщикова Г.Т. Спосіб світлостабілізації текстильних виробів, що містять поліамідні волокна / Рішення про видачу патенту на винахід № 99052631 від 25.02.2000.

Тараканова А.П., Гражданкина Е.В., Мазилова С.А. Современное состояние химической чистки как одной из отраслей бытового обслуживания // Якість і конкурентна здатність товарів широкого вжитку: Тези доп. наук.-техн. конф.- Хмельницький: ТУП, 1993. - С. 185 - 187.

Тараканова А.П., Гражданкіна О.В., Олексієнко Н.П., Мазілова С.А., Ганзюк Л.І. Вплив хімічних та фізико-механічих факторів на волокноутворюючі полімерні матеріали // Наукові основи сучасної прогресивної технології: Тези доп. наук.-практ. конф. - Хмельницький: ТУП, 1994. - С. 54.

Тараканова А.П., Гражданкина Е.В., Карван С.А. Влияние органических растворителей на качество текстильных материалов // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах і конверсії виробництва: Тези доп. наук.-техн. конф. - Хмельницький: ТУП, 1995. - С. 221.

Тараканова А.П., Карван С.А., Бубенщикова Г.Т. Зміна властивостей полікапроамідного волокна під час обробки органічними розчинниками // Технологічний університет в системі реформування освітньої та наукової діяльності Подільського регіону: Тези доп. наук.-практ. конф. - Хмельницький: ТУП, 1995. - Ч. 2. - С. 423.

Карван С.А., Білоблоцька Н.В., Тараканова А.П. Дослідження впливу органічних розчинників і процесу сушіння на властивості полікапроамідних текстильних матеріалів // Наукові праці молодих вчених та студентів. - Київ: ДАЛПУ, 1997. - С. 98 - 99.

Карван С.А., Красій Н.П. Вплив комплексної дії інсоляції і хімічної чистки на властивості полікапроамідних текстильних матеріалів // Наукові праці молодих вчених та студентів. - Київ: ДАЛПУ, 1998. - С. 35.

Размещено на Allbest.ru

...