Розробка антидеструктивної технології хімічного чищення вовняних виробів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

Розробка антидеструктивної технології хімічного чищення вовняних виробів

Бубенщикова Галина Тихонівна

Загальна характеристика роботи

Світові технології хімічного чищення розвиваються за наступними основними напрямками:

повернення до вуглеводневих розчинників і розробка відповідного сучасного обладнання;

розвиток "аква-технологій";

розробка машин, що працюють на зрідженому вуглекислому газі;

створення нових енергозберігаючих машин, що працюють на перхлоретилені (ПХЕ) та вдосконалення технологій чищення у середовищі ПХЕ.

Кожний з цих напрямків має свої позитивні і негативні сторони, але основним розчинником в світовій практиці хімічного чищення є, і ще довго буде залишатись, ПХЕ за рахунок його багатофункціональності, високої миючої здатності, низької вартості. Отже, подальше вдосконалення процесу обробки в ПХЕ, пошук ефективних ресурсозберігаючих технологій мають вирішальне значення для розвитку цієї галузі побутового обслуговування населення.

Найбільш поширеним і важливим об'єктом хімчистки є вироби верхнього одягу платтяно-костюмної та пальтової груп з вовняних тканин: чистововняних та напіввовняних.

Актуальність теми. В зв'язку з поступовим подорожчанням вовняної сировини, зниженням її якості, виникає проблема подовження терміну експлуатації та зберігання цінних споживчих властивостей виробів вовняного асортименту, одним із шляхів розв'язання якої є застосування науково обґрунтованих технологій хімічного чищення. В умовах розвитку ринкових відносин в Україні актуальними стають розробки з створення технологій хімічного чищення з наданням нових високоякісних послуг населенню з оптимальним співвідношенням ціни і якості. Тому дослідження, спрямовані на вдосконалення технологій хімічного чищення з використанням нових допоміжних матеріалів, є актуальними.

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 обґрунтування та розробка нових препаратів та технологій для одержання та опорядження матеріалів" та на 2000 - 2005 роки - "Спрямований синтез та вивчення хімічних властивостей нових хімічних сполук та каталітичних систем, дослідження процесів на підприємствах сфери обслуговування та промисловості".

Особистий внесок автора полягає у визначенні причин змін у структурі та складі вовняних матеріалів, які відбуваються під час хімічного чищення, та розробці на основі одержаних результатів технології чищення вовняних виробів, що запобігає перебігу деструктивних процесів.

Мета і задачі досліджень. Розробка технології хімічного чищення вовняних виробів, що дозволяє зберегти структуру вовняних волокон та подовжити термін експлуатації виробів, на основі комплексного дослідження змін властивостей та структури вовняних текстильних матеріалів в процесах чищення органічними розчинниками. вовняний волокно хімічний чищення

Для досягнення поставленої мети передбачалось:

вивчити масообмінні процеси хімічного чищення вовняних ниток;

дослідити вплив температури сушіння на властивості і структуру вовняних ниток після обробки органічними розчинниками;

провести комплексну оцінку змін властивостей, складу та структури вовняних ниток на молекулярному, надмолекулярному рівнях та мікрорівні;

визначити основні деструктивні процеси, які протікають у вовняних волокнах при обробках в органічних розчинниках, з'ясувати їх механізми;

розробити спосіб та композиції препаратів для гальмування деструктивних процесів під час хімічного чищення і при подальшій експлуатації виробів із вовни.

Об'єкт дослідження - технологія хімічного чищення вовняних матеріалів.

Предмет дослідження - вовняні текстильні матеріали та способи зберігання їх властивостей в процесах хімічного чищення.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач керувалися комплексним підходом до оцінки змін в організації структури вовняних волокон, що мають місце у процесах хімічного чищення виробів, оскільки структура і склад визначають фізико-механічні та фізико-хімічні властивості вовняних матеріалів. В роботі використані сучасні теоретичні і експериментальні методи досліджень.

Зміни у структурі і складі визначали сучасними фізико-хімічними методами аналізу: рентгеноструктурним; ІЧ-спектрофотометричним; полярографічним; фототурбідиметричним.

Для оцінки змін у поверхневих структурах вовняних ниток використали мікроскопічні дослідження.

Вологообмінні властивості та характеристики капілярно-пористої структури вивчали методом термограм сушіння.

Масообмінні процеси хімічного чищення досліджували гравіметричним методом.

Підготовка текстильного матеріалу, дослідження фізико-механічних, геометричних характеристик та складу проводилось методами, визначеними державними стандартами на текстильні матеріали.

Результати експериментів оброблені у відповідності до методів сучасної математичної статистики з використанням персонального комп'ютера і програм EXCEL (OFFICE - 2000) та MATHCAD.

Наукова новизна одержаних результатів:

вперше проведено комплексну оцінку змін на всіх рівнях організації структури волокон (молекулярному, надмолекулярному та мікрорівні), які відбуваються під час хімічного чищення вовняних ниток органічними розчинниками;

встановлено, що основним процесом, який призводить до падіння міцності вовняних ниток після обробок у знежирювальних машинах, є процес термоокислювальної деструкції макромолекул кератину в середовищі органічних розчинників під час операції сушіння;

встановлено залежності між змінами фізико-механічних властивостей та структури вовняних матеріалів під дією тепло- та масообмінних процесів хімічного чищення;

вперше визначено основні механізми деструкції вовняних волокон в середовищі органічних розчинників при підвищених температурах;

обґрунтовано механізми та розроблені методи дифузійної стабілізації вовняних виробів у середовищі органічних розчинників для запобігання деструктивних процесів під час хімічного чищення та подальшої експлуатації.

Практичне значення одержаних результатів:

на основі отриманих результатів досліджень розроблено технологію хімічного чищення вовняних виробів, яка запобігає перебігу деструктивних процесів під час обробок у знежирювальних машинах та надає вовняним виробам стійкість до дії світлопогоди та подовжує термін їх експлуатації;

визначено оптимальний склад синергічної суміші доступних і недорогих стабілізаторів, які дозволяють підвищити стійкість вовняних матеріалів до таких факторів зношення, як хімічне чищення та дія світлопогоди у 1,5 - 2 рази;

запропоновано використання під час хімічного чищення ароматичних масел, які одночасно виконують роль фотостабілізаторів і одорантів;

запропоновано технологічний режим з підвищенням температури сушіння до 80С за рахунок введення в останню миючу ванну стабілізаторів, що дозволяє скоротити тривалість операції сушіння в 2,5 рази, зменшити енерговитрати на 10% та втрати розчинників під час висушування та рекуперації.

Проведені на Харьківській та Хмельницькій фабриках хімічного чищення виробничі випробування підтвердили можливість використання стабілізаторів у процесі обробки виробів у знежирювальних машинах.

Особистий внесок здобувача полягає у постановці та обґрунтуванні завдань дослідження, критичному аналізі науково-технічної та патентної літератури, виробничого досвіду в галузі хімічного чищення виробів, розробці методик та виконанні експериментальних досліджень в лабораторних та виробничих умовах, науковому обґрунтуванні одержаних результатів, у визначенні основних механізмів деструктивних процесів під час хімічного чищення вовняних матеріалів та на основі цих досліджень розробки способу запобігання деструктивних процесів при хімічному чищенні та подальшій експлуатації вовняних виробів, в узагальненні результатів та у формулюванні висновків.

У всіх наукових працях, що опубліковані у співавторстві, здобувачу належать: напрацювання експериментальних даних, теоретичне обґрунтування результатів, висновки.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації було викладено і обговорено на:

міжвузівській науковій конференції "Проблеми легкої та текстильної промисловості на порозі нового століття", 26 - 29 вересня 2000 р.

(м. Херсон);

міжвузівській науковій конференції "Проблеми легкої та текстильної промисловості на порозі нового століття", 17 - 20 вересня 2001 р. (м. Херсон);

науково-технічних конференціях викладачів і студентів Технологічного університету Поділля, 2000-2002 р., (м. Хмельницький);

науково-практичній конференції молодих вчених та студентів у Київському національному університеті технологій і дизайну, 15 - 17 травня 2001 р.

(м. Київ);

науковому семінарі кафедри хімічної технології і дизайну волокнистих матеріалів Херсонського державного технічного університету, 18 червня 2002 р.,

(м. Херсон).

Публікації за темою дисертаційного дослідження включають 9 найменувань, в тому числі: статей в збірниках наукових праць - 6, тез доповідей на конференціях - 2, патент України - 1.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, трьох розділів, списку використаних джерел та додатків. Робота викладена на 153 сторінках машинописного тексту, містить 23 таблиці, 29 рисунків, 159 найменувань бібліографічних джерел та 6 додатків.

Зміст роботи

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

У першому розділі проведено аналіз літературних джерел щодо сучасних уявлень про будову вовняних волокон та змін, яких зазнають вовняні волокна при переробці, прядінні і фарбуванні, що особливо важливо враховувати при виборі об'єкта дослідження. Проаналізовані роботи, які присвячені масообмінним процесам в системі волокно - розчинник під час обробки в машинах хімічного чищення, змінам, що відбуваються у вовняних волокнах під впливом органічних розчинників хімічного чищення. Показано, що літературні дані про вплив розчинників на вовну мають суперечливий характер. Наводяться дані про дію основних факторів зношення (світлопогода, температура, хімічне чищення) на вовняні текстильні матеріали та про додаткові обробки під час хімічного чищення, які проводяться для відновлення експлуатаційних властивостей виробів, звертається увага на те, що даних про обробки, які б надавали стійкість до дії вищезазначених факторів зношення в літературі немає.

У другому розділі наведені характеристики об'єктів дослідження та матеріалів, що використовувались у роботі, описані методи досліджень та математична обробка одержаних результатів. Основні дослідження проводили з вовняними нитками (ВН) лінійної густини 29 текс; найбільш поширеними на підприємствах хімічного чищення розчинниками: ПХЕ та уайт-спіритом (УС); промисловими стабілізаторами.

Для комплексної оцінки змін на структурних рівнях організації вовняних волокон та у їх складі під час хімічного чищення використовували сучасні фізико-хімічні методи аналізу: рентгеноструктурний, ІЧ-спектрофотометричний, полярографічний, мікроскопічний та інші.

Результати експериментальних досліджень обробляли методами математичної статистики, для визначення найбільш важливих деструктуючих чинників хімічного чищення використали метод кореляційного аналізу, а для оптимізації складу стабілізаторів - метод регресійного аналізу.

У третьому розділі викладено експериментальну частину роботи, що складається з п'яти підрозділів.

У першому підрозділі досліджувались тепло- і масообмінні процеси, які відбуваються під час хімічного чищення,: сорбція органічних розчинників ВН, десорбція забруднень з ВН в середовище розчинників, кінетичні характеристики процесу сушіння.

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

- для ПХЕ: М_ф = -32,36 · е ^-0,0356·ф + 32,40 (1)

- для УС: М_ф = -22,25 · е ^-0,0305·ф + 22,30 (2)

На основі кривих сорбції розрахували коефіцієнти дифузії розчинників у вовну. Коефіцієнт дифузії ПХЕ у ВН досягає максимального значення D = 5,85·10^-17 м²/с на початкових етапах дифузії (5 год) і перевищує коефіцієнт дифузії УС (D = 4,72·10^-17 м²/с через 20 год), що пояснюється меншим мольним об'ємом ПХЕ порівняно з УС. Отже, ПХЕ можна охарактеризувати як розчинник, який має більшу проникну здатність всередину волокна порівняно з УС.

Для визначення оптимального часу обробки ВН в органічних розчинниках вивчили кінетику десорбції забруднень з ВН. Для цього використали чотири типи забруднюючих речовин: жирові, водорозчинні, пігментні і комплексний забруднювач НІТХІБ. Визначено, що максимальне видалення всіх видів забруднень з вовняних ниток як в ПХЕ, так і в УС спостерігається при тривалості миття 6,5-7,5 хв. Збільшення тривалості процесу миття може призвести до ресорбції забруднень нитками, внаслідок чого знижується якість чищення. Оптимальний час обробки вовни в органічних розчинниках при 20С та МВ=10 можна приймати за 7 хв.

Для вивчення закономірностей процесу сушіння одержали кінетичні криві сушіння ВН при температурах 20, 40, 50 і 80С. Аналіз одержаних даних показав, що вони є типовими, але скорочення тривалості сушіння зразків, зволожених ПХЕ, при підвищенні температури відбувається за рахунок пропорційного зменшення ділянок поверхневого випаровування розчинника та видалення розчинника зсередини матеріалу, а для зразків, зволожених УС, - за рахунок зменшення періоду випаровування розчинника з поверхні матеріалу. Такий різний характер змін можна пояснити різною природою розчинників (розміри та будова молекул), а також силою взаємодії між молекулами розчинника і матеріалу. Загалом, тривалість сушіння ВН, оброблених УС, в 4 рази більша, ніж зразків, оброблених ПХЕ, що пов'язано з його меншою леткістю порівняно з ПХЕ. Дослідження кінетики сушіння ВН, зволожених органічними розчинниками, дозволило вибрати оптимальний час сушіння зразків при різних температурах.

На наступному етапі роботи визначали вплив температури сушіння на властивості та структуру ВН. Результати цих досліджень викладені у другому підрозділі експериментальної частини. Визначено, що максимальне падіння міцності (12,7%) спостерігається при температурі сушіння 50°С після обробки в ПХЕ, а після обробки в УС - при температурі сушіння 60°С (8%). Зміни розривного навантаження (а) та ступеня пошкодження кератину (б) після сушіння зразків при різних температурах представлено на рис.1.

Максимальна зміна вологості також спостерігається після сушіння зразків, оброблених органічними розчинниками, не при найвищих температурах, а при температурі 60°С: зростання на 2,35% після обробки ПХЕ на 3,73% - після обробки в УС. Більший вплив УС на зміну вологості можна пояснити більшим мольним об'ємом цього розчинника порівняно з ПХЕ та більш тривалим періодом сушіння.

Для визначення структурних змін визначали розчинність ВН в 0,1 н. NaOH. Розчинність в лугах, яку розглядають як ступінь пошкодження кератину, зростає при збільшенні температури сушіння до 50 - 60С; при подальшому зростанні температури сушіння - поступово знижується. Такий характер змін розчинності в лугах ВН вказує на те, що при підвищенні температури сушіння до 50 - 60С відбувається розпушення структури за рахунок часткового руйнування міжмолекулярних зв'язків (водневих, дисульфідних, сольових). При більш високих температурах (70 - 80С) ступінь зшивки макромолекул зростає, що призводить до ущільнення структури.

За показником ступеня руйнування кератину розрахували енергію активації деструктивних процесів, що відбуваються в середовищі органічних розчинників при підвищених температурах. Визначено, що при зростанні температури сушіння до 40 - 50°С енергія активації процесів, що призводять до зростання ступеня пошкодження кератину, складає від 19 до 45 кДж/моль. Виходячи з цих значень енергії активації, які можна порівняти з енергією водневих зв'язків - 20,9 - 41,8 кДж/моль, можна припустити, що при цих температурах переважно відбуваються процеси руйнування водневих зв'язків між макромолекулами кератину.

Енергія активації процесів, які призводять до зростання ступеня зшивки макромолекул кератину, для ниток, що оброблялись в середовищі ПХЕ, складає 55,7 кДж/моль, а для ниток, що оброблялись в середовищі УС, - 84 кДж/моль.

Вовняні вироби платтяно-костюмного та пальтового асортименту мають тривалий час носіння і під час експлуатації піддаються багаторазовому хімічному чищенню. У третьому підрозділі вивчали вплив багаторазових обробок "миття -сушіння" на фізико-механічні (міцність, вологообмінні характеристики) та геометричні (лінійна густина) властивості ВН. Процес сушіння проводили при температурах 50 і 80С.

Дані про зміну механічних властивостей ВН в залежності від кількості циклів обробок "миття - сушіння" представлені на рис. 2.

З наведених графіків видно, що багаторазова обробка в ПХЕ викликає більш істотне падіння міцності, ніж обробка в УС. Максимальне зменшення міцності спостерігається при багаторазовій обробці ниток в ПХЕ при температурі сушіння 80°С.

При багаторазових обробках "миття - сушіння" змінюються вологообмінні характеристики вовняних текстильних матеріалів. Максимальне зростання вологості спостерігається після 4 - 5 циклів обробок (на 2 - 4,6%), при наступних обробках вологість поступово знижується.

Для більш детального дослідження вологообмінних характеристик був використаний метод термограм сушіння, який базується на закономірностях сушіння зразка вологого текстильного матеріалу в умовах сталої температури навколишнього повітря. Для ниток після 4 і 10 циклів обробок "миття - сушіння" були визначені наступні характеристики по відношенню до води: повна вологоємність, гігроскопічна волога, адсорбована волога (полішару та моношару), об'єми макро- і мікропор, питома поверхня. Для всіх вищезазначених характеристик (крім об'ємів мікропор зразків, які оброблялись в ПХЕ і висушувались при 80С) спостерігається тенденція зростання значень після чотирьох циклів обробок порівняно з вихідними нитками. Після 10 циклів обробок ці характеристики знижуються. Такий характер змін вологообмінних властивостей ВН при багаторазовому хімічному чищенні ще раз свідчить про розпушення структури ниток на перших циклах обробок (до 4 - 6 циклів обробок) та поступове ущільнення структури при подальшому зростанні кількості циклів обробок "миття - сушіння".

Об'єм мікропор волокон, які оброблялись в середовищі ПХЕ, поступово зростає, що підтверджує припущення про зростання розмірів існуючих у вихідних нитках мікротріщин внаслідок процесів ущільнення у внутрішніх шарах волокон вовни в середовищі ПХЕ.

Таким чином, проведені дослідження показали, що багаторазова обробка вовняних текстильних матеріалів в машинах хімічного чищення, а саме тепло- і масообмінні процеси, що в них протікають, суттєво впливають на властивості та капілярно-пористу структуру вовни і можуть призвести до погіршення її споживчих властивостей та небажаного ефекту старіння.

Оскільки структура і склад визначають фізико-механічні властивості вовняних матеріалів, досліджували зміни в складі та у структурі ВН на молекулярному, надмолекулярному рівнях та мікрорівні, що відбуваються під час багаторазових обробок "миття - сушіння". Результати досліджень наводяться в четвертому підрозділі.

Методом рентгеноструктурного аналізу одержали великокутові дифрактограми, за якими оцінювали зміну відносного ступеня кристалічності вовняних волокон після 4 і 10 циклів обробок.

Залежність ступеня кристалічності від кількості циклів обробок та від сумарного часу сушіння представлена на рис. 3.

З наведених графіків видно, що при багаторазових обробках відбувається поступове зниження ступеня кристалічності вовняних волокон на 1,7 - 6,5% після 10 циклів обробок. Найбільше падіння ступеня кристалічності спостерігається при обробці ниток в ПХЕ при температурі сушіння 80С.

Методом ІЧ-спектроскопії показано, що однією з причин розпушення структури вовняних волокон після перших 4 - 5 циклів обробок є часткове руйнування водневих зв'язків (зменшення інтенсивності поглинання смуги 3300 - 3500 см^-1). Зростання інтенсивності смуг поглинання на ділянках 680 - 720, 520 см^-1 свідчить про накопичення продуктів термоокислення цистеїну в оброблених органічними розчинниками нитках. При цьому ступінь окислення продуктів цистеїну для ниток, оброблених ПХЕ та УС, різний: в середовищі УС утворюються більш окисленні продукти (смуга поглинання SO₂-груп при 520 см^-1). Це також підтверджується зміною інтенсивності смуги S=O при 1060 см^-1.

Дані висновки можна пояснити тим, що УС має меншу проникну здатність всередину волокна (має менше значення коефіцієнта дифузії порівняно з ПХЕ), є менш летким розчинником порівняно з ПХЕ (збільшується час сушіння), тому окислення дисульфідних зв'язків в середовищі УС відбувається на поверхні волокна та макропор і за більш тривалий час, ніж при контакті волокон з ПХЕ. Аналіз вмісту сульфат-іонів у водній витяжці з ВН підтвердив, що обробки в середовищі органічних розчинників призводять до зростання продуктів окислення цистеїну в поверхневих шарах для ниток, які оброблялись в УС, та по всьому об'єму волокна - для ниток, які оброблялись в ПХЕ.

Термоокисленню можуть піддаватись не тільки дисульфідні, а й пептидні зв'язки, що може призвести до часткової деструкції поліпептидних ланцюгів з утворенням низькомолекулярних продуктів деструкції, в тому числі у вигляді карбонільних сполук (формальдегіду, ацетальдегіду, мурашиної кислоти, деяких кетонів). Полярографічним методом виявлено зростання вмісту карбонільних сполук у водних витяжках з ВН, які піддавались багаторазовому хімічному чищенню, порівняно з вихідними нитками.

Методом кореляційного аналізу доведено, що падіння міцності ВН викликають на молекулярному рівні зміни, які пов'язані з процесами термоокислювальної деструкції, що супроводжуються утворенням карбонільних сполук (коефіцієнт кореляції 0,99) та продуктів кислотного характеру. Такі процеси можуть призвести до розриву ланцюгів кератину. Нижче представлений можливий механізм термоокислення кератину.

Ланцюгова реакція починається по зв'язку СН в б-положенні до NH-групи пептидного зв'язку з утворенням гідропероксиду:

Гідропероксиди в умовах підвищених температур можуть розкладатись за різними напрямками, основним з яких може бути наступний:

дисоціація по зв'язку О-О з утворенням радикала ~С-NH-CO~.

Подальший розклад радикала може проходити по зв'язку С-N (а) або С-R (б):

а) розрив ланцюга з утворенням ~СОR + Н₂N-CO~;

б) відщеплення R^· по в-зв'язку (по відношенню до вільного) з утворенням низькомолекулярних карбонільних сполук за схемою:

~СО-NH-CO~ + R^· R^· + О₂ > R-O-O^· > карбонільні сполуки

На рівні надмолекулярної структури падіння міцності в процесах хімічного чищення можна пов'язати зі зменшенням ступеня кристалічності (коефіцієнт кореляції 0,95 - 0,98), а на рівні мікроструктури - зі зростанням об'єму макропор для ниток, які висушувались при 50С (за рахунок вимивання жирів та забруднень і розпушення структури), а також зі зростанням об'єму мікропор для ниток, які оброблялись в ПХЕ і висушувались при 80С. Мікроскопічні дослідження підтверджують, що при багаторазових обробках збільшується пошкодження поверхневих структур в напрямку згладжування поверхні лусочок та їх відлущування.

Таким чином, можна зробити висновок, що до змін властивостей вовняних ниток при багатократному хімічному чищенні призводить комплекс змін на всіх рівнях організації структури волокон вовняних ниток. Основним процесом, який обумовлює падіння міцності, є окислювальна деструкція, яка посилюється в середовищі органічних розчинників при підвищених температурах.

Як показали наші дослідження, процеси окислювальної деструкції в більшому об'ємі і більш активно перебігають при обробці вовняних матеріалів в середовищі ПХЕ при температурі сушіння 80С, ніж в середовищі УС. Враховуючи також, що ПХЕ - це найбільш поширений розчинник хімічного чищення, подальша робота проводилась в напрямку пошуку ефективних інгібіторів, або стабілізаторів, які би зменшували дію факторів деструкції хімічного чищення в середовищі ПХЕ та надавали виробам стійкість до дії таких факторів зношення, як світлопогода та дія тепла. У п'ятому підрозділі наводяться результати досліджень дифузійної стабілізації ВН із середовища органічних розчинників.

У роботі використовували доступні і дешеві стабілізатори різних типів: гідрохінон (фенольний тип); дифеніламін (амінний тип); тіосечовина (превентивної дії); бензофенон, 1,2,3-бензотріазол (УФ-адсорбери), які вводились у миючу ванну в концентраціях 0,01 та 0,002 моль/л, щоб після віджимання концентрація стабілізатора знаходилась в межах від 0,01 до 0,2% від маси ниток.

Частину оброблених зразків піддавали дії світлопогоди, а другу частину - УФ-опромінюванню протягом 4 год. Дані про міцність ниток після вищезазначених випробувань наводяться в табл. 1.

Як видно з наведених даних, індивідуальні стабілізатори надають вовняним ниткам стійкість до окремих факторів зношення (хімічного чищення, УФ-опромінювання) і діють найменш ефективно проти дії світлопогоди, яка є комплексним фактором зношення матеріалів і включає дію сонячної радіації, вологи і температури повітря, опади та іншу атмосферну дію. За сумарною ефективністю, з врахуванням надання стійкості у всіх вищезазначених процесах, можна виділити гідрохінон (ГХ) та дифеніламін (ДА).

Оскільки індивідуальні стабілізатори не виявили достатньої ефективності в процесах надання стійкості до дії світлопогоди, було проведено дослідження з визначення ефективності та виявлення ефекту синергізму в процесах запобігання окислювальної деструкції ВН суміші двох найбільш активних стабілізаторів - гідрохінону та дифеніламіну, механізм сумісної дії яких описаний в літературі для карбоцепних і гетероцепних синтетичних полімерів.

Таблиця 1. Міцність оброблених стабілізаторами вовняних ниток (розривне навантаження вихідних ниток - 16,4 Н)

Стабілізатор	Концентрація стабілізатора у ванні, моль/л	Розривне навантаження, Н
		після стабілізаціі в ПХЕ	після дії УФ-опромін.	після дії світлопогоди
Вихідні нитки (необроблені)	-	-	13,74	13,62
Нитки, оброб- лені в ПХЕ без стабілізатора	-	15,3	14,0	14,2
Гідрохінон	0,01 0,002	16,3 16,0	16,0 15,6	15,2 13,7
Дифеніламін	0,01 0,002	16,1 15,7	15,3 14,5	15,4 14,4
Тіосечовина	0,01 0,002	15,5 15,5	15,4 14,7	15,0 13,8
Бензофенон	0,01 0,002	16,4 15,7	15,2 14,9	13,6 12,7
Бензотріазол	0,01 0,002	15,5 15,4	16,1 14,3	14,5 14,1

Задачу виявлення ефекту синергізму та пошук оптимального співвідношення стабілізаторів було вирішено за допомогою повного факторного експерименту 2³. Як основний критерій оцінки ефективності дії суміші стабілізаторів (функція відклику, параметр оптимізації) використовували показник міцності ниток (розривне навантаження). Для порівняння розривне навантаження вимірювали безпосередньо після обробки ниток сумішшю (Y_обр), після дії УФ-випромінювання (Y_УФ) та світлопогоди (Y_СП) на стабілізовані нитки.

Досліджено вплив на відповідні функції відклику трьох факторів: концентрації ГХ (г/л); концентрації ДА (г/л); концентрації співрозчинника - ізопропанолу (мл/л). Основу ванни складав ПХЕ. Концентрація стабілізатора у ванні добиралась таким чином, щоб вона була менша, ніж при застосуванні індивідуального стабілізатора: 0,1 та 0,05% від маси ниток.

Після математичної обробки одержали наступні рівняння регресії, які адекватні експериментальним даним:

Y_обр = 16,145 - 0,158Х₁Х₂ - 0,098Х₁Х₂Х₃; (3)

Y_УФ = 15,90 + 0,089Х₁ - 0,094Х₂ - 0,102Х₁Х₂ - 0,11Х₁Х₃ - 0,241Х₁Х₂Х₃;

Y_СП = 15,362 + 0,162Х₁ + 0,099Х₃ - 0,304Х₁Х₂ - 0,105Х₁Х₂Х₃. (5)

У всіх трьох рівняннях коефіцієнти при Х₁Х₂ (взаємодія факторів Х₁ та Х₂) є значимими і перевищують всі інші коефіцієнти, що вказує на ефект синергізму ГХ та ДА в процесах стабілізації ВН, при цьому знак "-" вказує на те, що концентрацію одного із компонентів треба зменшувати. Виходячи з механізму сумісної дії ГХ та ДА, можна припустити, що зменшувати треба концентрацію ДА.

Зафіксувавши значення Х₃ на вищому рівні плану (+1), одержуємо рівняння, на основі яких можна побудувати поверхні, що відповідають функціям відклику Y_обр, Y_СП, Y_УФ.

Поверхні відклику мають однаковий вигляд для всіх трьох рівнянь і являють собою гіперболічний параболоїд ("сідло"), їх загальний геометричний образ представлений на рис. 4,а. Однаковий вигляд поверхонь функцій відклику для всіх трьох рівнянь свідчить про спільність механізмів деструктивних процесів, які протікають в середовищі ПХЕ при підвищених температурах, при УФ-опромінюванні та дії світлопогоди і основний механізм полягає в окислювальній ланцюговій деструкції та окислювальних процесах в бокових радикалах кератину.

Таким чином, проведений експеримент дозволив вибрати оптимальний склад суміші стабілізаторів, обробка якою ниток практично зводить до мінімуму вплив зовнішніх факторів.

У якості другої модельної синергічної композиції з іншим механізмом дії використовували суміш 4-диметиламінобензофенону (ДМАБФ) та дифеніламіну у масовому співвідношенні 1 : 1,08, яку було розроблено нами в попередніх дослідженнях для фото- та термостабілізації матеріалів, що містять поліамідні волокна. Дифеніламін є антиоксидантом, який взаємодіє з радикалами або гідропероксидами, і таким чином розриває окислювальний ланцюг. Похідні бензофенону належать до типу УФ-адсорберів, вони знижують швидкість ініціювання окислення. Залежність міцності ВН від концентрації суміші стабілізаторів у ванні представлена на рис. 5.

З метою пошуку природних сполук, які б могли виявити властивості стабілізаторів, для обробки вовняних матеріалів в середовищі ПХЕ були використані ароматичні масла. Також така обробка могла б частково компенсувати втрату природних жирів вовни і надати приємного запаху виробам після хімічного чищення. Результати експерименту стабілізації ВН ароматичними маслами представлені в табл. 2.

Найбільш ефективною виявилась обробка з додаванням бергамотового масла. Наявність бергамотового масла у перхлоретиленовій миючій ванні у концентраціях 2,6 та 1,73 г/л повністю гальмує процеси, що призводять до падіння міцності при проведенні хімічного чищення, а у концентрації 2,6 г/л надає стійкість вовняним ниткам до дії УФ-опромінювання та світлопогоди.

Таблиця 2. Міцність вовняних ниток, стабілізованих ароматичними маслами

Масло	Концентрація масла у ванні, г/л	Розривне навантаження, Н
		після обробки	після УФ-опромінюв.	після дії світлопогоди
Неролієве	2,60 1,73	16,20 15,97	15,63 15,13	15,58 14,95
Бергамотове	2,60 1,73	16,4 16,4	16,10 15,98	16,45 15,77
М'ятне	2,60 1,73	15,81 15,44	14,58 14,43	15,13 14,81
Полинне	2,60 1,73	15,55 15,36	15,12 14,96	14,99 14,63
Трояндове	2,60 1,73	15,60 15,30	14,90 14,53	14,43 14,28
Лавандове	2,60 1,73	15,45 15,38	14,92 14,62	14,41 14,32

Так, високу ефективність бергамотового масла можна пов'язати з наявністю у його складі бергаптену (5-метоксі-6,7-фурокумарину).

Бергаптен за своєю будовою є фурокумарином. Як відомо, кумарини та їх похідні належать до світлостабілізаторів, механізм дії яких полягає у поглинанні УФ-світла та наступному випромінюванні світла з більшою довжиною хвилі, ніж поглиненого. Фуранове кільце бергаптену легко окислюється киснем повітря, тому може виконувати роль антиоксиданта. Таким чином, молекула бергаптену поєднує в собі властивості двох типів стабілізаторів, чим і пояснюється висока ефективність бергамотового масла в процесах гальмування окислювальної деструкції при дії факторів зношення.

Менш ефективним, але досить дійовим, особливо в процесах гальмування негативної дії факторів хімічного чищення, виявилось неролієве масло. Всі інші масла надають вовняним ниткам незначне підвищення стійкості до дії вищезазначених факторів зношення - УФ-опромінювання та дії світлопогоди. Стабілізуючу дію неролієвого масла можна пояснити наявністю у його складі метилантранілату та індолу, які за будовою можна віднести до стабілізаторів амінного типу.

Таким чином, в даному підрозділі показана принципова можливість застосування дифузійної стабілізації вовняних текстильних матеріалів за допомогою промислових стабілізаторів та природних сполук під час хімічного чищення.

Висновки

1. На основі комплексного дослідження структурних змін, які відбуваються під впливом тепло- і масообмінних процесів хімічного чищення вовняних матеріалів в середовищі органічних розчинників, розроблено антидеструкційну технологію обробки вовни із застосуванням промислових та природних стабілізаторів з наданням виробам ефекту світлостійкості.

2. На основі дослідження тепло- і масобмінних процесів хімічного чищення органічними розчинниками - перхлоретиленом та уайт-спіритом, визначено сорбційні характеристики вовняних текстильних матеріалів по відношенню до ПХЕ і УС, закономірності десорбції забруднень у процесі миття та кінетики сушіння вовняних ниток, зволожених ПХЕ та УС. Встановлено, що ПХЕ має більшу проникну здатність всередину волокна, ніж УС, чим і пояснюється більший вплив ПХЕ на зміну властивостей вовняних ниток в процесах хімічного чищення.

3. Установлено, що на зміну властивостей та структурних характеристик вовняних ниток під час хімічного чищення в першу чергу впливає температура сушіння матеріалу. Показано, що найбільші зміни у фізико-механічних властивостях ниток спостерігаються при температурі сушіння 50 - 60°С, що пояснюється розпушенням структури волокон і частковим руйнуванням міжмолекулярних водневих та дисульфідних зв'язків. Підвищення температури сушіння зволожених органічними розчинниками ниток до 70 - 80С призводить до утворення нових поперечних зв'язків між макромолекулами кератину та до ущільнення структури.

4. Установлено, що зростання кількості обробок в середовищі ПХЕ та УС з наступним сушінням при підвищених температурах призводить до змін фізико-механічних властивостей вовняних ниток. Найбільш негативно кількості обробок впливає на механічні властивості ниток: їх міцність знижується на 5 - 18% після 10 циклів обробок, а найбільше падіння міцності викликає багаторазова обробка в ПХЕ при температурі сушіння 80С.

5. Фізико-хімічними методами та кореляційним аналізом встановлено, що до змін фізико-механічних властивостей вовняних ниток при багатоциклових обробках призводить комплекс змін на всіх рівнях організації структури волокон вовняних ниток. Основним процесом, який обумовлює падіння міцності є окислювальна деструкція, яка посилюється в середовищі органічних розчинників при підвищених температурах. Визначено, що окислювальна деструкція може проходити у кератиновому ланцюгу та у бокових радикалах, зокрема, по дисульфідних зв'язках. При цьому окислювальні процеси при обробці в ПХЕ протікають по всьому об'єму волокна, а в УС - у поверхневих структурах.

6. На основі запропонованого механізму деструктивних процесів під час хімічного чищення вовняних матеріалів показано принципову можливість дифузійної стабілізації із середовища ПХЕ із застосуванням індивідуальних промислових стабілізаторів, синергічних сумішей стабілізаторів та ароматичних масел для запобігання втрати міцності при обробці вовняних виробів в знежирювальних машинах. Застосування сумішей стабілізаторів дає можливість підвищити температуру сушіння до 80С, а також надає вовняним матеріалам стійкість до дії світлопогоди.

7. Розроблено технологічний двованний режим хімічного чищення вовняних виробів з використанням синергічних сумішей стабілізаторів (гідрохінон та дифеніламін, дифеніламін та 4-диметиламінобензофенон), які вводяться у другу миючу ванну у вигляді розчину у ізопропанолі. Сушіння після миття проводиться при 80С, загальний цикл обробки виробів скорочується на 10 - 15 хв, що дозволяє скоротити енерговитрати та подовжити термін експлуатації вовняних виробів.

8. Введення бергамотового та неролієвого масел у другу миючу ванну за рахунок наявності у їх складі речовин типу антиоксидантів запобігає процесам окислювальної деструкції під час процесів хімічного чищення та при подальшій експлуатації виробів, а також надає приємного запаху вовняним виробам після хімічного чищення.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Тараканова Г.П., Бубенщикова Г.Т. Вплив процесу сушіння на властивості вовняних ниток, оброблених органічними розчинниками // Вестник Херсонского государственного университета. - 1999. - № 3. - С. 316 - 318.

(обробка експериментальних даних, підготовка до публікації)

Тараканова Г.П., Бубенщикова Г.Т. Вплив багаторазового хімічного чищення органічними розчинниками на властивості вовняних текстильних матеріалів // Вісник Львівської комерційної академії. - 2001. - № 4. - С. 198 - 204.

(проведення досліджень, обробка експериментальних даних, формулювання висновків)

Бубенщикова Г.Т., Карван С.А., Толстюк О.А. Сорбційні характеристики вовни в процесах хімічного чищення // Науковий вісник Ужгородського університету. - 2001. - № 6. - С. 207 - 210.

(проведення досліджень, участь у підготовці матеріалу до публікації)

Бубенщикова Г.Т., Карван С.А., Дослідження структурних змін у вовняних матеріалах при багатократному хімічному чищенні // Вісник Технологічного університету Поділля. - 2002. - № 1. - С. 155 - 157.

(підготовка зразків до досліджень, обробка результатів, формулювання висновків, підготовка до публікації)

Бубенщикова Г.Т., Карван С.А. Зміна вологообмінних властивостей вовни при обробці органічними розчинниками // Проблемы легкой и текстильной промышленности Украины. - 2001. -№ 5. - С. 65 - 68.

(підготовка зразків до досліджень, участь у проведенні досліджень обробка експериментального матеріалу, участь у підготовці до друку та формулюванні висновків)

Бубенщикова Г.Т., Карван С.А., Сарибеков Г.С. Використання стабілізаторів під час хімічного чищення вовняних виробів // Вісник Технологічного університету Поділля. - 2002. - № 5. - С. 145 - 147.

(проведення досліджень, математична обробка результатів, підготовка до публікації)

Спосіб світлостабілізації текстильних виробів, що містять поліамідні волокна. Карван С.А., Тараканова Г.П., Бубенщикова Г.Т. - Патент 32371 А, Україна, 6 D 06М 23/10: Опубл. 15.12.2000, Бюл. 7 - 11.

(підготовка зразків та участь у проведенні досліджень)

Тараканова Г.П., Бубенщикова Г.Т. Вплив процесу сушіння на властивості вовняних ниток, оброблених органічними розчинниками // Сборник трудов всеукраинской НТК "Проблемы легкой и текстильной промышленности на пороге нового века". - Херсон -1999. - С. 159 - 161.

(обробка експериментальних даних, підготовка до публікації)

Бубенщикова Г.Т., Карван С.А., Толстюк О.А. Пошкодження кератину вовни в процесах хімічного чищення органічними розчинниками // Тези доповідей наукової конференції молодих вчених та студентів. - К. -2001. - С. 148. (проведення досліджень, обробка експериментальних даних)

Размещено на Allbest.ru

...