Химическая технология текстильных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Условие задания

1. Строение и состав хлопкового волокна

2. Подготовка хлопчатобумажных тканей к крашению и печатанию

2.1 Опаливание тканей

2.2 Расшлихтовка тканей

2.3 Отваривание тканей

2.4 Беление тканей

2.5 Мерсеризация

3. Печатание и крашение тканей

3.1 Общие принципы построения процессов крашения и печатания

3.2 Печатание тканей азоидными красителями

3.3 Технология получения белых и цветных узоров способами вытравной печати

4. Технология заключительной отделки хлопчатобумажных тканей

4.1 Аппретирование тканей

4.2 Придание тканям стандартной ширины и исправление перекосов уточных нитей

4.3 Получение на тканях эффектов серебристо-шелковистой отделки, тиснения, лощения, гофрирования

Условие задания

Летнее платье изготовлено из набивного хлобчатобумажного сатина. Ткань сначала окрашена азоидными красителями, а затем по окрашенной ткани нанесен рисунок в виде белого и цветного узоров.

Привести технологию отделки такой ткани в отделочном производстве: описать строение, состав и свойства хлопкового волокна, процесс подготовки хлопчатобумажных тканей под крашение и печать, химию и технологию получения белых и цветных узоров способами вытравной печати и технологию заключительной отделки хлопчатобумажных тканей.

хлопковый волокно ткань аппретирование

1. Строение и состав хлопкового волокна

Хлопчатобумажные ткани вырабатываются из природного целлюлозного волокна - хлопка.

Хлопковое волокно на 95 - 96% состоит из природного полимера - целлюлозы, химическое строение и свойства которой определяют свойства хлопчатобумажных тканей в целом и технологию их обработки в отделочном производстве. Кроме того, в хлопковом волокне имеются сопутствующие целлюлозе вещества (примеси), которые необходимо удалить из нее в процессе подготовки тканей к крашению и печатанию. Основными примесями являются: воскообразные, азотсодержащие (белковые), пектиновые вещества, минеральные соли и естественные красители (следы). Последние придают тканям нежелательный желтоватый оттенок.

Целлюлоза представляет собой высокомолекулярное соединение, образованное остатками в-Д-глюкопиранозы, которые соединены друг с другом 1-4 глюкозидными связями. Отдельные макромолекулы целлюлозы в волокне связаны между собой межмолекулярными водородными связями. Общую формулу целлюлозы можно представить в виде [C6H7O2(OH)3]n , где n - степень полимеризации. Для целлюлозы хлопка n = 10000-15000. Наличие в макромолекуле целлюлозы большого числа гидроксильных групп, прочность глюкозидной связи и суммарная энергия межмолекулярных водородных связей определяют специфические свойства хлопкового волокна. Оно устойчиво к действию органических растворителей, набухает в водных растворах, особенно при нагревании, выдерживает кратковременное воздействие температуры 200оС. При длительном нагревании (при температуре >100оС) происходят необратимые структурные изменения.

Разбавленные растворы минеральных кислот (до 5 г/л) при температуре 20-30оС в течение 15-60 мин не оказывают деструктирующего воздействия на целлюлозу. При повышении температуры и длительности обработки происходит разрушение волокна по причине гидролиза целлюлозы до низкомолекулярных продуктов, смесь которых называют - гидроцеллюлоза. Водные растворы органических кислот на целлюлозу не действуют.

К водным растворам едкого натра (до 1%) целлюлоза хлопка устойчива при температуре 20-30оС. При повышении температуры и концентрации щелочи целлюлоза окисляется кислородом воздуха с образованием смеси продуктов различной степени деструкции оксицеллюлозы. В концентрированных растворах щелочей (25-30%) происходит набухание хлопкового волокна. При этом щелочь вступает в химическое взаимодействие с целлюлозой. Образующаяся при этом щелочная целлюлоза легко гидролизуется до гидратцеллюлозы. Аналогичные превращения происходят с целлюлозой в жидком аммиаке при температуре -33,4оС. В медно-аммиачных растворах целлюлоза растворяется.

Окислители (гипохлориты, хлориты, перекись водорода) деструктируют целлюлозу с образованием оксицеллюлозы, что сопровождается понижением степени ее полимеризации. Интенсивность деструкции зависит от природы окислителя, рН среды и температуры. Целлюлоза окисляется также под действием света в присутствии кислорода воздуха. Окисление усиливается при повышении температуры, влажности окружающей среды и в присутствии красителей.

Водные растворы восстановителей (бисульфита, ронгалита, борогидрида натрия, сульфита и гидросульфита натрия) на целлюлозу не действуют.

Эксплуатация и хранение хлопчатобумажных текстильных изделий в условиях повышенной влажности способствуют развитию микроорганизмов - плесневых грибов и бактерий, разрушающих волокно. При этом наблюдается глубокая деструкция целлюлозы с выделением различных газообразных продуктов.

Линейные макромолекулы, образующие целлюлозные волокна, (хлопок, лен, гидратцеллюлоза) неодинаково ориентированы в различных областях волокна. В некоторых зонах макромолекулы располагаются близко друг к другу вдоль оси волокна, т.е. упорядоченно и образуют микрокристаллические зоны; в других - макромолекулы переплетаются, создавая неориентированные, неупорядоченные аморфные зоны. Наличие таких участков с различной степенью ориентации и уплотнением макромолекул является очень важным фактором, определяющим свойства волокон. Аморфные области волокна являются менее плотными и более реакционноспособными. Они более гигроскопичны, легче набухают в водных растворах, более доступны для проникновения красителей в глубь волокна. В кристаллические участки волокна доступ химических реактивов и даже молекул воды затруднен. Степень кристалличности хлопкового волокна составляет 60-70%, набухание в воде порядка 45%.

2. Подготовка хлопчатобумажных тканей 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:

ь природные (присутствуют в натуральных волокнах);

ь 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 жёсткость, гидрофобность (несмачиваемость), неприятный серовато-жёлтый цвет, склонность к развитию микроорганизмов и др. Если их не удалить, они серьёзно затрудняют процессы крашения, печатания и заключительной отделки.

Для полного удаления сопутствующих веществ и сообщения тканям хороших капиллярных свойств, высокой степени белизны и ряда других необходимых положительных свойств требуется целый комплекс сложных взаимосвязанных физико-механических и химических обработок. Они реализуются в процессах подготовки тканей к крашению и печатанию. Важнейшей задачей подготовки тканей является максимальное сохранение исходных позитивных свойств волокон. 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.

К основным операциям, из которых складывается технологический процесс получения отбеленных хлопчатобумажных тканей, относятся:

ь опаливание;

ь расшлихтовка;

ь щелочная отварка;

ь беление;

ь мерсеризация;

ь сушка;

ь стрижка;

ь ширение.

2.1 Опаливание тканей

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 её внешний вид; чётко 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 щётками, 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, лишённого атмосферного кислорода.

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

2.2 Расшлихтовка тканей

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

В современных способах расшлихтовки доминируют два направления: применение ферментов, устойчивых к действию высоких температур, и использование окислителей.

Ферменты являются эффективными катализаторами гидролитической деструкции крахмала. Они представляют собой продукты жизнедеятельности некоторых растений, животных и микроорганизмов. Их основное преимущество в высокой избирательности действия на крахмал без повреждения целлюлозы. Действие ферментов в значительной степени зависит от рН среды и температуры. Они не выдерживают сильнощелочных сред и высоких температур. Наиболее эффективно применение бактериальных ферментов, например, амилаз, устойчивых в диапазоне температур 85 -120^оС и рН = 6 -9,5. Это позволяет производить расшлихтовку непрерывным способом по следующей технологии. Ткань пропитывается растворами ферментов, запаривается в среде насыщенного водяного пара и промывается. Длительность запаривания варьируется в зависимости от количества нанесённой шлихты и поверхностной плотности ткани и составляет 20 с - 10 мин. Эффективность расшлихтовки увеличивается при введении в состав гидротропных и поверхностно-активных веществ (ПАВ). Добавки ПАВ обеспечивают повышение смачиваемости суровой ткани, что ускоряет её пропитку раствором фермента, улучшает моющее и обезжиривающее действие промывного раствора.

В связи с применением разнообразных шлихтующих веществ и их смесей, требующих жесткого воздействия на шлихту при её удалении, интерес представляет процесс расшлихтовки с использованием окислителей. В этом случае растворению подвергается любая шлихта и появляется возможность совмещения процессов расшлихтовки и беления. Наиболее эффективным является применение перекиси водорода и персульфата натрия, так как они активно воздействуют на любой тип шлихты, а процессы сопровождаются относительно невысокими трудо-, энерго- и материальными затратами.

Технология окислительной расшлихтовки состоит в пропитке ткани составом, включающим гидроксид натрия (30 - 40 г/л) и перекись водорода (5 - 10 г/л), последующем запаривании в течение 10 мин и промывке. Однако при этом способе обработки не исключена опасность повреждения волокна.

2.3 Отваривание тканей

Щелочная отварка является основной операцией процесса подготовки хлопчатобумажных тканей. Назначение этого процесса заключается в удалении природных примесей целлюлозы, а также примесей, нанесенных на волокно в прядении и ткачестве. Одновременно с этим необходимо обеспечить равномерную и высокую смачивающую и сорбционную способность при максимальном сохранении исходных физико-механических свойств хлопкового волокна. Это достигается в результате происходящих при отварке сложных физических, химических и коллоидно-химических процессов, таких как адсорбция, диффузия, набухание, растворение, эмульгирование, гидролиз и окисление.

Эффективное удаление примесей целлюлозы и получение высокой капиллярности достигается лишь при горячих щелочных обработках. Гидрофобные свойства хлопка обусловлены наличием на наружной поверхности волокна пектиновых, азотсодержащих (белковых) и воскообразных примесей. В процессе отварки в волокне протекают следующие химические процессы.

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

Белковые соединения в щелочной среде гидролизуются, а образующиеся натриевые соли аминокислот не только способны переходить в раствор, но и являются хорошими эмульгаторами, способствующими интенсивному удалению воскообразных веществ и других загрязнений с поверхности волокна.

Воскообразные примеси, представляющие собой сложные эфиры высших кислот с жирными спиртами, частично гидролизуются под действием щелочи:

Выделяющиеся при этом, хотя и в незначительном количестве, жирные кислоты (пальмитиновая, стеариновая, олеиновая) под влиянием щелочи образуют натриевые соли - мыла, обладающие высокой поверхностной активностью, хорошей растворимостью в воде и высокой эмульгирующей способностью. Такие вещества называют поверхностно-активными (ПАВ), поскольку они способны снижать поверхностное натяжение на поверхности раздела фаз «варочная жидкость - воскообразные частицы». Молекулы ПАВ своими гидрофобными концами вступают в контакт с воскообразными примесями и полярными гидрофильными группами ориентируются в сторону варочного раствора. При этом расплавленная капля воска стягивается по периметру, превращаясь в шарообразную микрокаплю, удерживаемую поверхностью волокна в одной точке как это показано на рис.1.

Эмульгированные поверхностно-активными веществами воскообразные частицы отрываются от поверхности волокна и переходят в раствор, образуя устойчивую эмульсионную систему. Путем омыления жировых веществ удаляется около 40% воскообразных примесей, остальные выводят из волокна введением в варочную жидкость дополнительного количества ПАВ. Последние должны обладать не только поверхностно-активными свойствами, но и высокой эмульгирующей способностью, то есть не вызывать слипания частиц и расслаивания эмульсии. ПАВ должны биологически расщепляться в сточных водах, обладать устойчивостью к действию высоких температур и быть сравнительно недорогими.

Экстрагированные из волокна примеси и образующиеся при отварке осадки гидроксидов металлов должны удерживаться в растворе и повторно не сорбироваться волокном.

Минеральные вещества, сопутствующие целлюлозе, при взаимодействии со щёлочью образуют гидраты, растворимые в воде, и удаляются при промывке.

В процессе отварки не исключена возможность каталитического окисления целлюлозы активным кислородом, так как при высокой температуре обработки кислород воздуха в присутствии щелочей образует перекисные соединения. Последние взаимодействуют с целлюлозой, в результате чего получается оксицеллюлоза. Об этом свидетельствует снижение вязкости медно-аммиачных растворов целлюлозы в процессе варки.

Данные теоретические предпосылки учитываются при реализации процесса отварки на практике. Так в состав варочной жидкости кроме гидроксида натрия (основного компонента, разрушающего практически все примеси) и ПАВ дополнительно вводят силикат натрия - Na₂SiO₃ и восстановители (традиционно бисульфит натрия - NaHSO₃).

Силикат натрия адсорбирует продукты распада естественных примесей целлюлозы и тем самым устраняет возможность их повторного осаждения на волокно. Кроме того, он выступает в качестве защитного средства, препятствующего образованию на ткани осадков гидроксидов металлов в виде ржавых пятен. Последние образуются в варочной жидкости из компонентов, содержащихся в воде - солей железа, солей жёсткости и др. - в виде устойчивых коллоидных гидрозолей. Силикат натрия коагулирует их, превращая в грубодисперсные частицы, не способные сорбироваться волокном.

Восстановители в составе варочной жидкости выполняют две функции: защищают целлюлозу от окисляющего действия кислорода воздуха и способствуют удалению лигнина, содержащегося в механических примесях в виде «галочек». Помимо бисульфита натрия, в условиях непрерывных процессов отварки при высоких концентрациях щёлочи, в качестве восстановителей рекомендуют использовать ронгалит, диоксид тиомочевины, тиомочевину, сульфид натрия, а в последние годы - антрахинон и его производные.

На качество отварки оказывают влияние такие факторы как сортность хлопкового волокна, характер крутки, линейная плотность пряжи, структура ткани и др. В зависимости от этого отварку проводят либо в варочных котлах (периодический способ), либо в запарных варочных аппаратах или запарных машинах различной конструкции (непрерывные способы).

Периодический способ отварки тканей в котлах обеспечивает высокое качество обработки и является незаменимым при подготовке марли, а также плотных, тяжелых тканей, выработанных из засорённого хлопка. Принцип работы котла заключается в двустороннем (сверху вниз и снизу вверх) прокачивании варочной жидкости с концентрацией щёлочи 9 - 12 г/л при температуре 130^оС в течение

4 часов через толщу текстильного материала, плотно и равномерно уложенного в котле в виде жгута. Со всеми подготовительными операциями - загрузка ткани, заполнение котла раствором, разогрев варочной жидкости, расхолаживание котла, выборка ткани - общая длительность цикла отварки составляет 12 часов. Поэтому обработка тканей периодическим способом - процесс весьма трудоёмкий и длительный, требующий большого расхода электроэнергии и воды.

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 её структуре.

2.4 Беление тканей

Целью беления является повышение степени белизны отваренной ткани и её 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 щёлочью, 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 щёлочности), 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:

HClO + HCl H₂O + Cl₂

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 по реакции:

3HClO HClO₃ + 2HCl

Таким образом, при белении гипохлоритами следует жёстко 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. Этот факт 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 её из технологической цепочки подготовки ткани.

Основным недостатком перекиси водорода является её 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 - ещё 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 корродирующим 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.

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

Классический щёлочно-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 ёмкостных 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 щёлочно-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.

В настоящее время по данному способу отбеливают до 85% хлопчатобумажных тканей.

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 (операция является необязательной для лёгких тканей) 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.

2.5 Мерсеризация

Мерсеризация является процессом облагораживания хлопчатобумажных тканей, в результате которого они приобретают комплекс ценных потребительских свойств: повышенную гигроскопичность и накрашиваемость, устойчивый шелковистый блеск, эластичность и дополнительную прочность.

В настоящее время классическую операцию мерсеризации проводят обработкой пряжи или ткани под натяжением концентрированными (250-300 г/л) растворами гидроксида натрия в течение 30 - 90 секунд при комнатной температуре.

В результате такой обработки в хлопковом волокне происходят физические, химические и структурные изменения.

Физические изменения проявляются в сильном набухании волокна вследствие проникновения щелочи сначала в аморфные, а затем и в ориентированные зоны. Степень набухания характеризует активность процесса мерсеризации и увеличивается с понижением температуры. Оптимальной является температура 16^оС. При набухании стенки волокна утолщаются, оно приобретает цилиндрическую форму, внутренний канал практически исчезает. В результате волокна лучше отражают световые лучи, усаживаются, а ткань приобретает блеск, шелковистость, становится плотнее, прочнее, эластичнее. Чтобы снизить усадку и усилить блеск мерсеризацию проводят под натяжением.

В результате действия на целлюлозу концентрированных растворов щёлочи и последующей промывки водой, происходит последовательное превращение целлюлозы сначала в щелочную целлюлозу, а затем в гидратцеллюлозу. Число гидроксильных групп целлюлозы, реагирующих со щелочью, изменяется в зависимости от концентрации NaOH, температуры и наличия вспомогательных веществ в мерсеризационной ванне.

Химические превращения практически не изменяют состава целлюлозы, но существенно влияют на её надмолекулярную структуру. Сорбция целлюлозой щёлочи сопровождается частичным разрушением межмолекулярных водородных связей, что приводит к декристаллизации целлюлозы, увеличению доли аморфных областей на 10 -20% и образованию новой структурной модификации - целлюлозы II. В целлюлозе II элементарные звенья Д-глюкопиранозы разворачиваются друг относительно друга на 90^о, что и приводит к разрыву межмолекулярных связей и появлению свободных гидроксильных групп. В результате волокно проявляет повышенную сорбционную и реакционную способность, становится более гигроскопичным, легче окрашивается. Этому способствует также увеличение площади поперечного сечения волокна, его объема, размера пор внутри волокна.

Хлопчатобумажные ткани (батист, шифон, маркизет, сатины и др.) лучше мерсеризовать после расшлихтовки и щелочной отварки. Однако, это разрывает цепочку непрерывного способа подготовки, поэтому мерсеризацию тканей часто проводят в суровом виде.

Ткани мерсеризуют на цепных и валковых машинах непрерывного действия. Материал пропитывают концентрированным раствором щелочи и выдерживают в натянутом состоянии 1 -5 минут, чтобы обеспечить реакцию NaOH с целлюлозой. Затем интенсивно промывают горячей водой, причем для лучшего удаления щёлочи её попеременно обрабатывают паром и водой в специальной машине - пароводяном выщелачивателе. Оставшийся в волокне едкий натр отмывается очень трудно, поэтому ткань пропитывают разбавленным раствором серной кислоты, с целью нейтрализации NaOH.

Для мерсеризации предложено также использовать жидкий аммиак, который быстро смачивает даже суровые материалы и эффективно проникает в волокно, вызывая его набухание.

3. Печатание и крашение тканей

3.1 Общие принципы построения процессов печатания и крашения

Различают следующие виды печати:

ь прямую;

ь вытравную;

ь резервную.

При прямой печати цветной узор наносят на белую ткань. Её разновидностью является накладная печать, когда рисунок печатают по гладкокрашеной ткани без разрушения окраски основного фона.

При вытравной печати на окрашенную ткань наносят составы, которые разрушают краситель в местах их нанесения, и на окрашенном полотне воспроизводятся белые или цветные узоры.

Резервный способ печати предусматривает крашение ткани после нанесения на неё рисунка. При этом в состав печатной краски вводят резервирующие вещества, которые предохраняют волокно от взаимодействия с красителем.

В настоящее время в мире производится несколько тысяч марок красителей для колорирования текстильных материалов из различных видов волокон. Для удобства их применения пользуются технической классификацией красителей.

Техническая классификация учитывает технологические особенности красителей, отношение к волокнам различной природы, характер связи красителя с волокном, а также способность красителя растворяться или не растворяться в воде.

Наибольшее применение в текстильной технологии получили следующие группы красителей:

ь Растворимые в воде - прямые, активные, кислотные, катионные.

ь Нерастворимые в воде - кубовые, сернистые, дисперсные, пигменты.

ь Образующиеся на волокне - азоидные, чёрный анилин.

Для колорирования тканей из целлюлозных волокон (хлопок, лён, гидратцеллюлоза) используют прямые, активные, кубовые, сернистые, азоидные красители, а также пигменты и чёрный анилин.

Несмотря на различия в химическом строении и технологических свойствах, все красители, применяемые для окрашивания целлюлозных волокон, имеют общие признаки. Это, прежде всего, склонность к образованию больших по размерам агрегированных частиц. Процесс агрегации представляет собой взаимодействие молекул красителя друг с другом за счет образования водородных связей между электронодонорными -ОН и -NH₂ группами (ауксохромные группы). Последние являются неотъемлемой составляющей любого красителя. В общем виде процесс можно представить так:

Ввиду того, что поглощение красителя волокном возможно лишь в виде отдельных ионов или молекул, задача диспергирования частиц красителей до мономолекулярного состояния за счёт их дезагрегации (разрушения агрегатов), является одной из первостепенных. При крашении этого добиваются повышением температуры и введением в красильную ванну растворителей или диспергаторов.

Основным параметром технологического процесса крашения является скорость перехода красителя на волокно. От этого зависит интенсивность и равномерность окраски.

При погружении в воду или технологические растворы целлюлозные волокна приобретают отрицательный заряд за счёт диссоциации гидроксильных и карбоксильных групп:

Целл - ОН Целл - О^- + Н⁺

Целл - СООН Целл - СОО^- + Н⁺

Все красители для целлюлозных волокон относятся к классу анионных, то есть в водных растворах они диссоциируют с образованием отрицательно заряженных ионов. Это относится к прямым, активным, сернистым, кубовым красителям, кубозолям и азосотавляющим азоидных красителей. Например, для молекул прямых и активных красителей справедлива запись:

В процессе крашения отрицательно заряженные частицы красителя будут отталкиваться от одноименно заряженной поверхности волокна, что замедлит переход окрашенных частиц на волокно. Для преодоления сил отталкивания при крашении целлюлозных волокон в пропиточные растворы вводят нейтральные электролиты, обычно хлорид или сульфат натрия. Последние, диссоциируя в водных растворах по схеме: NaCl Na⁺ + Cl^-, поставляют в раствор положительно заряженные ионы, которые нейтрализуют отрицательный заряд волокна и красителя. Следствием этого является более быстрый и полный переход красителя на волокно, что приводит к повышению интенсивности окрасок и меньшему загрязнению сточных вод красителями.

Наиболее важным фактором, управляющим процессами крашения, является температура. Выбор температурного режима зависит от природы красителя и его технологических свойств. Однако, в любом случае, в условиях реализации периодического способа содержание красителя на волокне изменяется с ростом температуры и достигает максимума при её оптимальном значении (Т_опт.). Эта величина индивидуальна для каждого красителя и приводится в специальных колористических справочниках. Необходимость соблюдения оптимальной температуры крашения можно объяснить следующим образом. В начале процесса с ростом температуры увеличивается растворимость красителя, растет доля мономолекулярной фракции (дезагрегация), возрастает активность красителя и его поглощение волокном. Параллельно увеличивается скорость набухания волокна и облегчается процесс внутренней диффузии. При достижении Т_опт., по мере дальнейшего роста температуры и увеличения кинетической энергии молекул красителя, его связь с волокном может разрушаться.

В связи с существующей в настоящее время тенденцией к объединению отделочных и швейных предприятий, развитием малого бизнеса и необходимости производить как само сырье, так и готовые изделия, знание общих принципов технологического процесса крашения специалисту швейного производства крайне необходимо.

3.2 Печатание азоидными красителями

В промышленности получили применение два способа печатания азоидными красителями:

ь загущенными диазорастворами по предварительно азотолированной ткани;

ь смесью азотолов и устойчивых пассивных форм диазосоединений.

Первый способ используют в грунтовой печати. На ткань, пропитанную раствором азотолята и высушенную, наносят печатную краску, содержащую диазоль, ацетат натрия или уксусную кислоту (чтобы создать необходимый для реакции азосочетания рН), загустку и воду. После печатания и сушки ткань иногда обрабатывают в зрельнике для ускорения реакции азосочетания и получения более ярких и прочных окрасок. Далее ткань промывают.

Данный способ печатания имеет ряд недостатков:

ь азотол расходуется непроизводительно и трудно смывается с ткани;

ь сложно получить разнообразную цветовую гамму, так как варьировать можно только азосоставляющую;

ь необходима дополнительная операция азотолирования ткани.

Указанные недостатки послужили причиной создания второго способа печатания, когда азо- и диазосоставляющие наносятся на ткань в составе одной печатной краски. При этом диазосоединение находится в неактивной форме, которая не способна реагировать с азотолятами. Сочетание происходит только после нанесения печатной краски на ткань, путём перевода пассивной формы диазосоединения в активную, которая и сочетается с азотолами.

Разработано несколько вариантов реализации этого способа из которых наибольшее применение получил способ печати нейтрально проявляемыми диазаминолами (пологены, нейтрогены, диазаминолы с маркой Н и др.)

Диазоаминосоединения в этих препаратах устойчивы в обычных условиях, а в условиях запарного зрельника при высокой влажности и температуре, распадаются с выделением активного диазосоединения. Оно вступает в реакцию с азотолятом, образуя на ткани нерастворимый азопигмент. Ткань печатают составом, содержащим пологен, мочевину, гидроксид натрия, сульфат магния и загуститель, сушат, запаривают в паровой среде и промывают.

3.3 Технология получения белых и цветных узоров способами вытравной печати

На тканях, окрашенных азоидными красителями, получают белые и цветные печатные узоры вытравным и резервным способами.

Технологический процесс получения белой вытравки состоит в следующем. На ткань наносят печатный состав, содержащий ронгалит, антрахинон в виде пасты с глицерином, поташ (К₂СО₃), загустку и воду. Напечатанную ткань высушивают, пропускают через паровой зрельник и промывают.

Для получения цветной вытравки используют кубовые красители, при этом в зрельнике они переходят в растворимую форму, а на стадии промывки их окисляют до нерастворимого пигмента.

Для того чтобы получить белый узор резервным способом печати по фону из азоидных красителей, в печатный состав вводят восстановители или сернокислые соли цинка и алюминия. Восстановители превращают соли диазония в неактивные соединения, а соли - нейтрализуют щёлочь и переводят азотол в нерастворимую форму, не способную вступать в реакцию азосочетания. Образующиеся при этом осадки гидроксидов металлов затрудняют проникновение в волокно диазорастворов.

Для получения цветных резервных расцветок на азотолированную ткань наносят загущенный раствор диазоля с целью полного связывания азотолята в местах нанесения рисунка. Последующее высушивание полностью разрушает избыток диазоля и при пропуске ткани через раствор диазоля другого цвета реакция азосочетания протекает только в тех местах, где отсутствует рисунок.

4. Технология заключительной отделки хлопчатобумажных тканей

В процессах заключительной отделки происходит значительное улучшение качества тканей, повышение долговечности и износостойкости изделий из них. Заключительной отделке подвергают отбеленные, гладкокрашеные и набивные ткани. Основной задачей является придание тканям завершенного товарного вида, красивого высоко эстетического оформления, стандартной ширины. На этом этапе в зависимости от назначения материала также необходимо придать ему жёсткость или мягкость, добротность, драпируемость, шелковистость, повысить эластичность, а если необходимо и специальные свойства (водоотталкивающие, огнезащитные, противогнилостные и др.).

Все процессы заключительной отделки делят на механические и химические. Механические процессы отделки включают:

ь сушку;

ь придание стандартной ширины;

ь исправление перекосов уточных нитей;

ь обработку на каландрах;

ь механическую усадку;

ь стрижку;

ь чистку и другие.

В процессах химических обработок на ткань наносят специальные химические составы - аппреты.

В зависимости от их природы и назначения различают традиционную и специальную химические отделки. Традиционная химическая отделка предназначена для улучшения грифа готовой ткани и придания ей товарного вида. Специальная отделка заключается в придании тканям новых свойств: несминаемости, безусадочности, огнестойкости, гидрофобности и др.

Для получения высококачественных тканей химические виды отделок сочетают с механическими обработками. Поскольку ткани из различных волокон обладают специфическими свойствами и имеют разное целевое назначение, то к технологии их заключительной отделки следует подходить дифференцировано.

Несмотря на многие преимущества хлопчатобумажных, вискозных штапельных и льняных тканей перед другими материалами, они обладают и существенными недостатками. В частности, эти ткани:

ь недолговечны;

ь легко сминаются;

ь обладают склонностью усаживаться при стирках.

Эти недостатки могут быть устранены путём нанесения на ткань соответствующих отделочных препаратов, выбор которых определяется способом отделки.

Основными операциями заключительной отделки тканей из целлюлозных волокон являются:

ь аппретирование;

ь придание стандартной ширины;

ь каландрирование.

4.1 Аппретирование тканей

Аппретирование производится с целью улучшения внешнего вида ткани, повышения её износостойкости и придания специальных свойств. Обязательными операциями технологического процесса аппретирования являются пропитка ткани соответствующим составом и последующая её сушка. Для некоторых видов отделок необходима дополнительная термическая обработка. Вид отделки и её качество зависят от назначения ткани, сообщаемых эффектов, степени закрепления аппрета на волокне, устойчивости к стиркам, химической чистке и другим воздействиям.

Для аппретирования хлопчатобумажных и льняных тканей наиболее широко используются крахмальные аппреты, в состав которых входят расщеплённый (частично переведенный в растворимую форму) крахмал, мыло, глицерин, вода и, иногда, мягчители. При аппретировании бельевых полотен и тканей с бело-земельным рисунком для улучшения белизны фона применяют ультрамарин или оптические отбеливающие вещества (ООВ). Крахмальные аппреты вымываются из ткани в процессе стирки, одновременно с этим исчезает и приданный эффект - наполненность, жёсткость, гладкость.

В связи с этим, более эффективными являются малосмываемые аппреты, которые, выполняя функции крахмала, достаточно прочно удерживаются на волокне при стирках. Они также улучшают внешний вид тканей, придают им необходимую упругость, шелковистость, значительно повышают стойкость материала к истиранию, создают условия для удобства раскроя полотна и пошива изделия. В качестве малосмываемых аппретов используют:

термопластичные полимеры (отделка МАПС - малосмываемый аппрет с применением пластичных смол);

термореактивные полимеры (отделка МАРС - малосмываемый аппрет реактивными смолами);

акриламиды (CH₂ = CH - CO - NH₂), которые, обладая ненасыщенной двойной связью, способны легко полимеризоваться и реагировать с подвижными атомами водорода гидроксильных групп целлюлозы.

Придание тканям свойств малосминаемости

В волокне между макромолекулами целлюлозы существуют достаточно слабые силы физического взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса) и водородные связи. Под действием механических нагрузок, особенно при одновременном увлажнении, в волокне возникают необратимые деформации, вызывающие образование складок, заминов и т.д. Деформация смятия ткани сопряжена с возникновением растягивающих усилий в определенных частях волокна. Это приводит к разрыву непрочных межмолекулярных связей, которые после снятия сминающей нагрузки не восстанавливаются, следовательно, волокно распрямляется и вытягивается.

Если между макромолекулами целлюлозы слабые связи чередуются с более прочными, то после снятия внешней нагрузки и растягивающих усилий, структура полимера возвращается в исходное состояние, а волокно сокращается до первоначальной длины. Такое волокно обладает упруго-эластичными свойствами и, следовательно, сохраняет свою форму и размеры. При этом ткань приобретает свойства малосминаемости и малоусадочности, а изделия из них - формоустойчивость.

Из сказанного следует, что для придания тканям упругих свойств и стабилизации структуры волокна, необходимо образование прочных химических связей между его макромолекулами, чередующихся со слабыми водородными. Подобный результат достигается путём обработки ткани предконденсатами термореактивных смол.

Технология процесса малосминаемой отделки тканей

Технологический процесс состоит из операций:

1) пропитки;

2) сушки;

3) термической обработки;

4) промывки ткани.

Пропитку ткани осуществляют раствором предконденсата термореактивной смолы в присутствии катализатора кислой природы. В состав раствора часто вводят смачиватель, мягчитель, пластификатор. Смачиватель интенсифицирует процесс пропитки, особенно низко капиллярных тканей. Мягчитель устраняет нежелательный эффект жёсткости полотна. В качестве мягчителей используют препарат АМ, алкамон ОС-2, аламин М, стеарокс, кремнийорганические соединения (алкамоны). Пластификатор повышает устойчивость ткани к истиранию и снижает потери её прочности на разрыв. С этой целью можно использовать эмульсии термопластичных полимеров, а также мочевину, которая воздействует на структуру волокна и связывает формальдегид. Совместное применение указанных веществ накладывает своеобразный отпечаток на протекающие в волокне химические реакции, придаёт тканям улучшенные потребительские свойства (гибкость, эластичность, мягкость, драпируемость и др.) и повышает устойчивость отделки к кислотному и щелочному гидролизу. Процесс пропитки ткани растворами предконденсатов осуществляется при температуре не выше 30^оС, так как её повышение неизбежно приводит к преждевременной конденсации препарата с образованием нерастворимых продуктов.

...