Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Направленное изменение свойств поверхности волокнистых материалов в процессах химико-текстильного производства

05.19.02. - Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

Пророкова Н.П.

Иваново - 2006

Работа выполнена в Институте химии растворов

Российской академии наук

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Завадский Александр Евгеньевич

доктор технических наук, профессор

Перепелкин Кирилл Евгеньевич

доктор технических наук, профессор

Изгородин Анатолий Кузьмич

Ведущая организация:

ОАО «НПК ЦНИИШерсти», г. Москва

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Для современной текстильной промышленности необходимым условием выпуска конкурентоспособной продукции является повышение её качества без увеличения себестоимости. В связи с этим приобретает особую важность улучшение потребительских характеристик волокнистых материалов в процессах химико-текстильного производства. На многие свойства натуральных и синтетических волокон (фрикционные, электрофизические и т.п.) определяющее влияние оказывает их поверхность. Состояние поверхности, в свою очередь, тесно связано с содержанием на ней примесей волокнообразующего полимера (для синтетических волокон, сформованных из расплава, примесями можно считать олигомеры). Направленное изменение их содержания, которое, по сути дела, является поверхностной модификацией волокон, может служить действенным путем улучшения целого ряда свойств текстильных материалов.

Такая модификация позволяет придавать волокнистым материалам как постоянные (повышающие привлекательность для потребителей), так и временные (улучшающие способность к переработке) новые свойства при минимальных затратах. Для осуществления поверхностной модификации не требуется создания нового оборудования - чаще всего можно использовать базовые производственные установки. Преимуществом осуществления модификации волокнистых материалов в процессах их переработки является также возможность выпуска материалов с улучшенными свойствами в малых объемах, что важно для реализации ассортиментной политики современных предприятий.

Модификация имеет важное значение как для синтетических, так и для натуральных волокнистых материалов, например, для хлопчатобумажной пряжи. Улучшения способности хлопчатобумажной пряжи к переработке в ткачестве традиционно добиваются посредством её шлихтования. Однако после переработки шлихтованной пряжи необходимо проведение расшлихтовки готовой ткани, а оба этих процесса являются материало- и энергоемкими. Значительно более рациональным и экономически выгодным решением указанной проблемы было бы улучшение способности к ткачеству хлопчатобумажной пряжи посредством её модификации, без обязательного последующего удаления нанесенного на пряжу вещества.

Синтетические волокна, использование которых в текстильной промышленности постоянно растет, обладают рядом недостатков, таких, как сильная электризуемость, плохая накрашиваемость и т.п. Эти недостатки затрудняют переработку синтетических волокон и их использование в изделиях технического назначения и товарах широкого потребления, снижают качество готовых изделий. Поэтому исследования, направленные на модификацию синтетических волокон с целью придания волокнистым материалам улучшенных качественных характеристик, имеют большое значение.

Таким образом, можно сделать вывод, что проблема регулирования свойств поверхности натуральных и синтетических текстильных материалов в процессах их текстильной переработки, крашения и отделки является актуальной.

Работа выполнена на основании:

· планов НИР ИХР РАН на 1984 - 2006 г.г.;

· программы важнейших научно-исследовательских работ Государственного комитета по науке и технике СССР на 1977 - 1985 г.г. (Постановление Государственного комитета Совета министров СССР по науке и технике № 165 от 18.04.77 г.);

· Федеральной целевой научно - технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники», подпрограммы «Высокоэффективные технологии развития социальной сферы», направления «Разработка наукоемких технологий производства и высококачественной отделки текстильных материалов на базе использования отечественного сырья» (направление 02 «Текстиль») на 1996 - 2001 г.г. (Постановление Правительства РФ № 1414 от 23.11.96 г. и гос. контракт № 305-2(00)П от 14 января 2000 г.);

· Федеральной целевой научно - технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002 - 2006 годы, блока № 2 «Поисково-прикладные исследования и разработки», раздела «Технологии живых систем» (Жизнеобеспечение), направления «Создание комплекса волокнистых материалов для производства изделий личного потребления на базе глубокой переработки отечественного сельскохозяйственного и химического сырья» (гос. контракт № 43.061.11.2537 от 31 января 2002 г.).

Цель и задачи исследования. Целью работы явилось улучшение качества природных и синтетических текстильных материалов за счет направленного изменения свойств поверхности волокон посредством регулирования содержания на ней примесей в процессах подготовки к текстильной переработке, крашения и отделки.

Для достижения поставленной цели были решены следующие научные и технологические задачи:

· Анализ влияния обработки жидким аммиаком на основные свойства хлопчатобумажной пряжи, обусловливающие её способность к переработке в ткачестве.

· Обоснование нового метода улучшения способности к текстильной переработке хлопчатобумажной пряжи, обработанной жидким аммиаком, с использованием специально подобранных ПАВ, и создание на этой основе способов подготовки пряжи к ткачеству.

· Определение влияния разбавленных водных растворов аммиака и солей аммония на состояние и распределение олигомеров в полиэфирных текстильных материалах с целью повышения их качественных характеристик и улучшения способности к текстильной переработке.

· Обоснование новых методов направленного изменения свойств полиэфирных текстильных материалов с помощью регулирования содержания олигомеров полиэтилентерефталата на поверхности полиэфирного волокна, и разработка, на основе выявленных закономерностей, составов и технологий для получения их высококачественных окрасок.

· Улучшение способности полиэфирных волокнистых материалов к текстильной переработке за счет уменьшения содержания олигомеров на поверхности и снижения электризуемости, а также очистки от олигомеров оборудования для их крашения.

Общая характеристика объектов и методов исследования. В качестве объектов исследования в работе были использованы: хлопчатобумажная пряжа различной линейной плотности кольцевого и пневмомеханического способов прядения и выделенное из неё элементарное хлопковое волокно, полиэтилентерефталатные пленка, волокно, текстурированная нить, ткань и ворсованное трикотажное полотно. В качестве реагентов использовались жидкий и водный аммиак, ряд электролитов и поверхностно-активных веществ анионного, катионного и неионогенного типов, дисперсные красители. При выполнении работы применялся комплекс физических, физико-химических и физико-механических методов исследования, которые перечислены в обзоре главы 2.

В работе использовались стандартные, модернизированные и специально сконструированные установки. Обработку результатов измерений проводили методами математической статистики.

Научная новизна. Разработаны новые методы направленного изменения поверхностных свойств хлопковых и полиэфирных волокон за счет регулируемого удаления из них, соответственно, нецеллюлозных примесей и олигомеров полиэтилентерефталата, а также адсорбции текстильных вспомогательных препаратов. На основании предложенных методов и выявленных закономерностей разработаны технологии улучшения характеристик качества волокнистых материалов в процессах подготовки к текстильной переработке, крашения и отделки. При этом получены следующие наиболее существенные научные результаты:

· Определено влияние обработки жидким аммиаком на химический состав элементарных волокон суровой хлопчатобумажной пряжи и на комплекс её физико-механических свойств, обусловливающих уровень обрывности пряжи в процессе ткачества. Выявлены и проанализированы причины положительных изменений ряда важнейших физико-механических характеристик пряжи, а также причины ухудшения её усталостных свойств.

· Предложен и теоретически обоснован новый метод направленного регулирования свойств хлопчатобумажной нити, который позволяет сохранить (и даже усилить) их положительные изменения, вызванные воздействием жидкого аммиака, но одновременно компенсирует его отрицательное влияние на усталостные характеристики. Разработанный метод послужил основой для создания новых высокоэффективных способов подготовки хлопчатобумажной пряжи к ткачеству (А.с. № 933843, № 31032065). На базе метода направленного изменения поверхностных свойств текстильной нити разработаны также составы для улучшения способности к текстильной переработке синтетических (хлориновых) волокон (А.с. № 1479562, № 1742378).

· Определено влияние на полиэфирные материалы разбавленных водных растворов аммиака при температурах, превышающих температуру стеклования полимера. С помощью комплекса методов установлено, что аммиак вступает в химическое взаимодействие не с полимером, а с олигомерами полиэтилентерефталата, количественное содержание и распределение которых в полиэфирных текстильных материалах в значительной мере обусловливает свойства последних.

· Проведена оценка влияния на олигомеры полиэтилентерефталата при температурах, превышающих 100^оС, воды, водных растворов аммиака и ряда солей аммония. Выявлена сущность физико-химических процессов, в которых участвуют олигомеры полиэтилентерефталата на разных стадиях высокотемпературной обработки полимера. Установлено, что, с помощью направленного воздействия на эти процессы, можно регулировать ряд качественных характеристик полиэфирных материалов и способность их к текстильной переработке.

· Экспериментально установлено, что за счет активизации гидролиза олигомеров, содержащихся на поверхности волокна, достигается значительная интенсификация крашения полиэфирных текстильных материалов (А.с. № 1835444), высокое качество окраски и снижение содержания олигомеров на их поверхности.

· Показано, что максимальная активизация процесса гидролиза олигомеров обеспечивает условия для создания высокоэффективных технологий очистки окрашенных полиэфирных текстильных материалов и отмывки от олигомеров красильного оборудования.

· Доказано, что регулирование остаточного содержания олигомеров на поверхности волокна и их распределения являются основой придания полиэфирному волокну устойчивого эффекта снижения электризуемости (Патент SU № 1806236).

Практическая значимость и промышленная реализация результатов работы. Практическая значимость работы состоит в разработке научно обоснованных технологических решений, позволивших применить предложенные методы регулирования поверхностных свойств природных и синтетических волокнистых материалов на стадиях подготовки к текстильной переработке, крашения и отделки при создании новых высокоэффективных, экономичных и простых составов для улучшения качественных характеристик волокнистых материалов, а также технологий их применения. Новые составы и технологии защищены 5 авторскими свидетельствами и 1 патентом на изобретения.

Результаты, полученные при разработке способов подготовки хлопчатобумажной пряжи к ткачеству, основанных на применении жидкого аммиака и ПАВ, использованы при выдаче совместно с ИвНИТИ исходных требований на проектирование экспериментального образца линии для мерсеризации и шлихтования основной пряжи с использованием жидкоаммиачной технологии. Расчетный экономический эффект от внедрения линии и реализации на ней разработанных способов составляет 1 млн. руб. в год на одну линию (в ценах 1982 г.).

В опытном прядильном производстве ЦНИИШВ (г. Тверь) на модельной установке осуществлена переработка хлориновых волокон, обработанных новыми составами для улучшения их способности к текстильной переработке. По её результатам рекомендовано промышленное апробирование составов в процессе производства хлорина с последующей его переработкой.

Состав на основе разбавленных водных растворов аммиака и солей аммония для интенсивного крашения полиэфирного волокна и нитей успешно апробирован на заводе по производству полиэфирных нитей Светлогорского производственного объединения «Химволокно» (Белоруссия). Состав рекомендован к промышленному внедрению.

Новые препараты серии ивлан для периодического крашения лавсана приняты к производству Ивановским ОАО «Ивхимпром». Выдано техническое задание на выпуск опытных партий новых препаратов, расширенные производственные испытания которых на Светлогорском производственном объединении «Химволокно» (Белоруссия) подтвердили высокую технологическую и экономическую эффективность препаратов ивлан. Экономический эффект от замены комплекса ТВВ, использование которого предусмотрено технологическим регламентом способа «Рапид колор», на препарат ивлан-2 составляет 64,2 тыс. руб. на 1 т полиэфирной нити (в ценах 1993 г.).

На фирме «Ремиз» (г. Иваново) проведены расширенные производственные испытания новой технологии крашения полиэфирного плетеного шнура технического назначения, которые дали положительные результаты. Созданная технология внедрена в производство.

В производственных условиях ЗАО «Искож» (г. Нефтекамск, Башкирия) при крашении полиэфирного ворсованного трикотажного полотна испытан и внедрен способ его очистки. Экономический эффект от использования нового способа за январь - июль 2000 г. составил 55,57 тыс. руб.

Автор защищает:

· Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение нового метода регулирования свойств суровой хлопчатобумажной пряжи, который позволяет сохранить их положительные и компенсировать отрицательные изменения, вызванные действием жидкого аммиака, и заключается в регулируемом удалении с поверхности образующего пряжу хлопкового волокна природных нецеллюлозных примесей и направленном формировании слоя поверхностно-активных веществ, прочно связанного с целлюлозой хлопка.

· Высокоэффективные составы для подготовки хлопчатобумажной пряжи к ткачеству, созданные на основе нового метода регулирования поверхностных свойств образующих её хлопковых волокон.

· Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение нового метода направленного изменения качественных характеристик полиэфирных текстильных материалов за счет регулирования содержания, распределения и состояния в них олигомеров полиэтилентерефталата.

· Разработанные составы для крашения полиэфирных текстильных материалов и технологии их применения, основанные на направленном воздействии разбавленных растворов водного аммиака и ряда специально подобранных веществ на физико-химические процессы, в которых участвуют олигомеры полиэтилентерефталата при температурах, превышающих 100^оС.

· Разработанные составы для улучшения способности полиэфирных материалов к текстильной переработке и технологии их реализации, базирующиеся на новом методе улучшения их качественных характеристик.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на: XY Международном конгрессе химиков - колористов соцстран «Интерколор - 85» (Болгария, Варна, 1985 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Теория и практика отделки текстильных материалов» (Иваново, 1986 г.); I, II Всесоюзных и III Всероссийской конференциях «Химия и применение неводных растворов» (Иваново, 1986 г., Харьков, 1989 г., Иваново, 1993 г.); IY и Y Всесоюзных совещаниях и YI, YII и IX Международных конференциях «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (Иваново, 1989 г., 1991 г., 1998 г., 2001 г., Плес, 2004 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Новое в технике и технологии отделочного производства «Прогресс - 90» (Иваново, 1990 г.); научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ИГХТА (Иваново, 1991 г, 1995 г.); I Всесоюзной конференции «Жидкофазные материалы» (Иваново, 1990 г.); Международной конференции «Текстильная химия» (Иваново, 1992 г.); II, III и IY Конгрессах химиков-текстильщиков и колористов (Иваново, 1996 г., Москва, 2000 г., 2002 г.); I Региональной межвузовской конференции «Актуальные проблемы химической технологии и химического образования «Химия - 96» (Иваново, 1996 г.); Международных научно-технических конференциях «Современные наукоёмкие технологии и перспективные материалы текстильной и лёгкой промышленности» «Прогресс - 98», «Прогресс - 99», «Прогресс - 2001» (Иваново, 1998 г., 1999 г., 2001 г.); II Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы химии и химической технологии «Химия - 99» (Иваново, 1999 г.); I, II и III Всероссийских научных конференциях «Физико-химия процессов переработки полимеров» (Иваново, 1999 г., 2002 г., 2006 г.); I и II Международных конференциях «Достижения текстильной химии - в производство» («Текстильная химия - 2000» и «Текстильная химия - 2004») (Иваново, 2000 г, 2004 г.); III Всероссийской научно-технической конференции «Новые химические технологии: производство и применение» (Пенза, 2000 г.); Международной конференции по химическим волокнам «Химволокна - 2000» (Тверь, 2000 г.); YI Международном научно-практическом семинаре «Физика волокнистых материалов» (Иваново, 2003 г.); конференции «Прорывные, высокие технологии в производстве текстиля: волокна, красители, ТВВ, оборудование» (Москва, 2003 г.); YII, YIII и IX Международных научно-практических семинарах «Физика волокнистых материалов: структура, свойства, наукоемкие технологии и материалы» «SMARTEX - 2004», «SMARTEX - 2005» и «SMARTEX - 2006» (Иваново, 2004 г., 2005 г., 2006 г.); Международной конференции «Волокнистые материалы - ХХI век» (Санкт - Петербург, 2005 г.); IX Международной конференции по химии и физикохимии олигомеров «Олигомеры - 2005» (Одесса, 2005 г.); International Conference “Advanced Materials and Technologies” (Tbilisi, 2006).

Публикации. Основные теоретические положения работы, её практические результаты представлены 101 работой, включающей 42 статьи в научных рецензируемых журналах и сборниках, 1 статью в зарубежном издании, 52 статьи в нерецензируемых изданиях и тезисов докладов, а также 6 авторских свидетельств и патентов на изобретения.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, литературно-аналитической части (одна глава), методической части (одна глава), экспериментальной части и обсуждения результатов (5 глав), выводов, списка цитируемой литературы из 395 наименований, списка авторских публикаций из 101 наименования, перечня рисунков и таблиц, 12 приложений. Основная часть диссертации содержит 348 страниц машинописного текста, в число которых входят 68 рисунков и 54 таблицы.

Содержание работы

Глава 1. Литературно-аналитическая часть

Обзор литературы, проведенный в настоящей работе, содержит несколько разделов. Первый из них посвящен строению и свойствам хлопчатобумажной пряжи и элементарных хлопковых волокон. Обращается внимание на взаимосвязь состава и строения волокон и пряжи с их качественными характеристиками и способностью к текстильной переработке. Во втором разделе освещаются вопросы влияния обработки жидким аммиаком на структуру и свойства целлюлозных текстильных материалов. Обобщены данные работ, посвященных возможностям практического использования жидкого аммиака в процессах облагораживания хлопчатобумажной пряжи. В третьей части обзора приведены современные представления об особенностях строения и свойств полиэфирных материалов как объекта текстильной переработки и крашения. Обобщены литературные данные, посвященные олигомерам полиэтилентерефталата. Проанализированы сведения, касающиеся вопросов высокотемпературного периодического крашения полиэфирных материалов и их электризации в процессах текстильной переработки. Рассмотрены проблемы модификации синтетических полимерных материалов, причем особое внимание уделено их щелочному гидролизу. Прослежена взаимосвязь между состоянием поверхности волокнистых материалов и их свойствами. На основе проведенного анализа литературных и патентных источников намечены основные этапы проводимого исследования.

Глава 2. Объекты и методы исследования

В качестве объектов исследования в работе была использована суровая хлопчатобумажная пряжа 18,5 - 50 текс кольцевого и пневмомеханического способов прядения разной степени крутки и выделенное из неё элементарное хлопковое волокно; использовалась также пряжа, шлихтованная в производственных условиях. Помимо этого, объектами исследования служили полиэтилентерефталатные пленка, волокно, текстурированная нить, ткань, ворсованное трикотажное полотно.

При выполнении работы использовались следующие физические и физико-химические методы исследования: сорбционный, объемный и весовой химический анализ, йодометрическое титрование, вискозиметрия, световая и растровая электронная микроскопия, спектроскопия, колориметрия, рентгеноструктурный анализ.

Физико-механические характеристики волокнистых материалов оценивались в соответствии со стандартными методиками и действующими ГОСТ. В соответствии с ГОСТ оценивалась также прочность получаемой окраски волокнистых материалов к различным физико-химическим воздействиям. Определялись также колористические показатели окраски.

Глава 3. Изучение влияния жидкого аммиака на основные свойства хлопчатобумажной пряжи, определяющие её способность к переработке в ткачестве

Для бесперебойного протекания процесса ткачества необходимо, чтобы хлопчатобумажная пряжа при высокой прочности обладала значительной выносливостью к многократному растяжению и истиранию. Наиболее широко используемым способом улучшения способности пряжи к переработке в ткачестве является шлихтование, суть которого заключается в нанесении на нити основы тонкого слоя состава, обеспечивающего склеивание элементарных волокон на поверхности пряжи и образование полимерной пленки. Такой исторически сложившийся подход является, в сущности, нерациональным, поскольку предполагает достаточно большой расход материальных и энергетических ресурсов для временного (на период переработки в ткачестве) придания пряже новых свойств. Более того, в дальнейшем пленку шлихтующего материала, препятствующую осуществлению процессов облагораживания текстильного материала, необходимо полностью удалить, для чего проводится дополнительная технологическая операция - расшлихтовка ткани.

Принципиально возможно иное решение проблемы подготовки пряжи к переработке в ткачестве - придание ей улучшенных свойств на основе модификации волокнообразующего полимера. Известен ряд модифицирующих агентов, которые оказывают значительное воздействие на хлопковую целлюлозу, следствием чего является изменение как основных физико-химических, так и физико-механических характеристик волокнистых материалов из неё. К реагентам, особенно эффективно модифицирующим хлопковую целлюлозу, относится жидкий аммиак. Результаты исследования его воздействия на надмолекулярную структуру полимера позволяют предположить, что, используя жидкий аммиак, можно значительно улучшить многие физико-механические характеристики суровой хлопчатобумажной пряжи.

3.1. Влияние жидкого аммиака на изменение химического состава суровой хлопчатобумажной пряжи

Свойства текстильных материалов, обработанных жидким аммиаком, в значительной степени определяются параметрами процесса обработки - продолжительностью воздействия, способом удаления реагента и степенью вытяжки волокнистого материала. Для выбора оптимального режима обработки пряжи использовали комплекс физико-химических и физико-механических показателей, применяемых на практике для характеристики качества мерсеризованного (модифицированного раствором гидроксида натрия) волокнистого материала - сорбцию гидроксида бария (баритовое число) и разрывную нагрузку пряжи. Установлено, что при обработке жидким аммиаком пряжи различной линейной плотности максимальные значения баритового числа достигаются при воздействии реагента на пряжу в течение 2,5 - 3 с. Наибольшую разрывную нагрузку пряжа приобретает в случае 6%-ной вытяжки. Дальнейшие исследования проведены при указанных параметрах обработки.

Как известно, жидкий аммиак обладает свойствами универсального растворителя и высокой химической активностью. Вследствие этого он может воздействовать на содержащиеся в хлопковых волокнах сопутствующие целлюлозе вещества, от количества и распределения которых в значительной степени зависят свойства элементарных волокон и образованной ими текстильной нити. Поскольку суровая хлопчатобумажная пряжа различных способов изготовления, линейной плотности и степени крутки отличается рядом структурных особенностей, изучение воздействия аммиака на содержание сопутствующих целлюлозе веществ в элементарных волокнах хлопка проведено с использованием пряжи различных видов. Результаты количественного анализа их химического состава приведены в табл. 1.

Из таблицы следует, что в результате обработки жидким аммиаком происходит заметное снижение содержания в хлопковых волокнах воскообразных (на 7 - 27 %), пектиновых (на 29 - 62 %) и зольных (на 6 - 16 %) веществ. Это связано с их химическим взаимодействием с аммиаком и растворением в нем. По-видимому, часть оставшихся в волокне сопутствующих целлюлозе веществ переходит в растворимую в воде форму, чем объясняется тот факт, что обработка аммиаком с удалением реагента промывкой водой приводит к более полному их извлечению. Некоторое возрастание содержания азота в пряже после обработки её жидким аммиаком можно объяснить недостаточно полным удалением реагента из текстильного материала. Учитывая, что в процессе анализа волокнистый материал полностью растворяли, и, следовательно, аммиак не содержался в пустотах внутри волокна, можно с достаточной уверенностью утверждать, что остаточный аммиак находится в хлопке в связанном состоянии, образуя, вероятнее всего, соединения (комплексные) с целлюлозой.

В целом, жидкий аммиак в процессе обработки им суровой хлопчатобумажной пряжи обеспечивает удаление около 30% содержащихся в хлопковом волокне сопутствующих целлюлозе веществ.

Таблица 1.

Влияние жидкого аммиака на содержание сопутствующих целлюлозе веществ в элементарных волокнах, образующих хлопчатобумажную пряжу линейной плотности 35,7 текс кольцевого и 18,5 текс пневмомеханического способа прядения

Вариант обработки пряжи	Содержание нецеллюлозных примесей (%) в пряже
	воскообразных веществ	пектиновых веществ	зольных веществ	общего азота
	35,7 текс	18,5 текс	35,7 текс	18,5 текс	35,7 текс	18,5 текс	35,7 текс	18,5 текс
Необработанная пряжа	0,88	0,85	1,80	1,32	1,03	1,16	0,23	0,27
Обработка жидким аммиаком с удалением его испарением	0,69	0,74	1,06	0,94	0,96	1,07	0,26	0,28
Обработка жидким аммиаком с удалением его промывкой водой	0,64	0,71	0,96	0,64	0,90	0,97	0,27	0,29

Значительное извлечение примесей не может не сказаться на физико-механических характеристиках обработанной жидким аммиаком хлопчатобумажной пряжи.

3.2. Влияние жидкого аммиака на основные физико - механические характеристики хлопчатобумажной пряжи

Установлено, что обработка хлопчатобумажной пряжи жидким аммиаком вызывает значительный прирост её относительной разрывной нагрузки. Максимальное увеличение прочности (до 31%) достигается в случае обработки жидким аммиаком текстильной нити, выработанной на пневмомеханической прядильной машине. Поскольку именно пониженная, по сравнению с пряжей кольцевого способа прядения, разрывная нагрузка является основным недостатком такой пряжи, придание ей дополнительного запаса прочности путем обработки жидким аммиаком имеет особую важность.

С использованием положений теории прочности установлены основные причины повышения разрывной нагрузки пряжи под действием жидкого аммиака. Показано, что возрастание прочности пряжи определяется увеличением разрывной нагрузки образующих её элементарных волокон хлопка и усилением взаимодействия между ними. Установлено, что повышение разрывной нагрузки элементарных волокон происходит не только за счет подробно описанной в литературе структурной модификации целлюлозы, но и благодаря снижению содержания в хлопке воскообразных веществ. Обработка жидким аммиаком обеспечивает улучшение структуры пряжи, которое доказано посредством определения её объемной массы и коэффициента использования прочности элементарных волокон в пряже. Объемная масса пряжи, отражающая плотность упаковки в ней элементарных волокон, значительно увеличивается в результате вытяжки в набухшем состоянии. Возрастает также коэффициент использования прочности волокон, который является комплексным показателем, учитывающим влияние на прочность пряжи расположения элементарных волокон относительно оси пряжи, их параллельности, плотности упаковки, извитости, цепкости. Таким образом, можно сделать вывод, что прочность пряжи повышается за счет увеличения разрывной нагрузки образующих её элементарных волокон, плотности их упаковки, и упорядочения расположения волокон вдоль оси пряжи.

Основными показателями текстильной нити, позволяющими оценить её способность противостоять действию циклических механических нагрузок в процессе ткачества, считаются выносливость пряжи к истиранию и многократному растяжению. В табл. 2 приведены соответствующие характеристики суровой и обработанной жидким аммиаком хлопчатобумажной пряжи.

Показано, что обработка пряжи жидким аммиаком приводит к снижению её выносливости к истиранию до 18 - 30%. Величина падения этого показателя связана с особенностями структуры пряжи и, вследствие этого, значительно меньше для пряжи пневмомеханического способа прядения, которая, благодаря более высокой крутке, обладает лучшей выносливостью к истиранию.

Таблица 2.

Влияние жидкого аммиака на усталостные свойства хлопчатобумажной пряжи линейной плотности 35,7 текс кольцевого и 18,5 текс пневмомеханического способов прядения

Вариант обработки пряжи	Выносливость к истиранию (цикл.) пряжи	Выносливость к многократному растяжению (цикл.) пряжи
	35,7 текс	18,5 текс	35,7 текс	18,5 текс
Необработанная пряжа	43 ± 7	255 ± 28	372 ± 52	627 ± 156
Обработка жидким аммиаком с удалением его испарением	32 ± 5	227 ± 22	286 ± 29	371 ± 103
Обработка жидким аммиаком с удалением его промывкой водой	30 ± 6	210 ± 26	222 ± 31	329 ± 36

На основании данных о механизме процессов разрушения нити, протекающих при истирающем воздействии, установлена основная причина отрицательного влияния на выносливость нити к истиранию обработки жидким аммиаком. Это нарушение целостности защитного слоя, образованного воскообразными веществами на поверхности элементарных волокон.

Установлено, что действие на пряжу жидкого аммиака вызывает значительное (до 48%) снижение её выносливости к многократному растяжению. Показано, что под влиянием жидкого аммиака происходит уменьшение степени эластичности пряжи, причинами которого являются как известный эффект повышения ориентации макромолекул целлюлозы при обработке волокнистого материала этим реагентом под натяжением, так и уменьшение эластичности составляющих пряжу элементарных волокон за счет снижения содержания в них воскообразных веществ.

Отмеченное снижение выносливости пряжи к истиранию и многократному растяжению, несмотря на её высокие прочностные характеристики, является серьезным препятствием к использованию нити, обработанной жидким аммиаком, в процессе ткачества в качестве основы. Однако проведенный анализ причин ухудшения этих свойств позволяет предложить пути их компенсации и создания, на основе использования жидкого аммиака, эффективных способов подготовки пряжи к ткачеству.

Глава 4. Направленное изменение свойств хлопчатобумажной пряжи, обработанной жидким аммиаком, с целью улучшения её способности к переработке в ткачестве

Установлено, что важную роль в ухудшении усталостных характеристик обработанной жидким аммиаком пряжи играет удаление из неё воскообразных веществ, локализованных, в основном, в кутикуле и первичной стенке образующих пряжу элементарных хлопковых волокон. В результате нарушается целостность защитного поверхностного слоя, уменьшающего трение волокон по металлу и повышающего эластичность волокон и нити, вследствие чего облегчается разрушение текстильной нити под действием истирания и многократного растяжения. Следовательно, можно предположить, что если взамен нарушенного на поверхности волокон сформировать новый защитный слой веществ, регулирующих трение, то это компенсирует отрицательные последствия удаления воскообразных веществ. В производстве и переработке химических волокон в качестве препаратов, определяющих величину трения нитей, используются поверхностно-активные вещества (ПАВ). Из литературы известно, что сила трения нити по металлу зависит от количества ПАВ на её поверхности. Можно ожидать, что уникальные свойства жидкого аммиака позволят регулировать содержание ПАВ на текстильном материале и, таким образом, целенаправленно изменять его свойства. Предложены два варианта подготовки хлопчатобумажной пряжи к ткачеству - однованный, предусматривающий нанесение на пряжу ПАВ непосредственно из среды жидкого аммиака, и двухванный, при реализации которого ПАВ наносятся из водной ванны в процессе удаления аммиака из пряжи.

4.1. Подготовка хлопчатобумажной пряжи к ткачеству путем использования жидкого аммиака с добавками анионных препаратов

Обработку пряжи жидким аммиаком и ПАВ по однованному способу проводили по описанному в главе 3 оптимальному режиму, удаление реагента осуществляли испарением. На основании анализа литературы, посвященной переработке волокон из регенерированной целлюлозы, и предварительных экспериментов были выбраны необходимые для достижения намеченной цели ПАВ, растворимые в жидком аммиаке - сульфорицинат Е и авироль.

Известно, что минимальным трением по металлу, а значит, и максимальной выносливостью к истиранию, обладает волокнистый материал, на котором адсорбирован моно- или бимолекулярный слой препарата, блокирующий активные группы полимера. Для формирования такого слоя осуществляли нанесение сульфорицината Е и авироля на пряжу из раствора в жидком аммиаке. По-видимому, молекулы этих анионных ПАВ электростатически взаимодействуют с гидроксильными группами целлюлозы, активированной жидким аммиаком, в результате чего на волокне образуется прочно зафиксированный слой препарата. Из рис. 1 видно, что обработка хлопчатобумажной пряжи указанными ПАВ из среды жидкого аммиака (кривые 1, 2) приводит к значительному увеличению её выносливости к истиранию, в то время как нанесение сульфорицината Е и авироля из водной среды (кривые 1', 2') вызывает снижение этой характеристики текстильной нити. Последнее, по всей вероятности, связано с тем, что при обработке водными растворами ПАВ на пряже образуются полимолекулярные слои препарата. Согласно теории Х. Хаувелла, трение такой нити по металлу возрастает вследствие вязкого течения препарата между двумя трущимися поверхностями.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Влияние обработки хлопчатобумажной пряжи 35,7 текс растворами сульфорицината Е и авироля в жидком аммиаке (1, 2) и в воде (1', 2') на величину её выносливости к истиранию

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Влияние обработки хлопчатобумажной пряжи 35,7 текс растворами сульфорицината Е и авироля в жидком аммиаке (1, 2) и в воде (1', 2') на величину её разрывной нагрузки

Одновременно с уменьшением трения волокнистого материала по металлу образование мономолекулярного слоя ПАВ приводит к увеличению трения волокна по волокну, что способствует повышению силы сцепления элементарных волокон и, в конечном счете, вызывает значительное повышение разрывной нагрузки пряжи (рис. 2, кривые 1, 2). Взаимодействие полимолекулярных слоев ПАВ, образованных в результате нанесения препаратов из водного раствора, также приводит к увеличению трения волокна по волокну. Однако при действии на пряжу растягивающего усилия слабо связанные с волокном полимолекулярные слои ПАВ проскальзывают друг относительно друга, поэтому прочность пряжи возрастает незначительно (рис. 2, кривые 1', 2'). Изучение кинетики десорбции четыреххлористым углеродом сульфорицината Е и авироля с текстильной нити подтвердило, что препараты, нанесенные из среды жидкого аммиака, фиксированы на волокнистом материале значительно прочнее, чем нанесенные из водного раствора ПАВ.

Из рис. 2 следует, что в случае использования сульфорицината Е максимальной разрывной нагрузки пряжа достигает при нанесении его из жидкоаммиачного раствора концентрации 3 г/л. Экспериментально определено, что на пряже при этом содержится 0,13% масс. препарата. Ориентировочный расчет показал, что для образования сплошного равномерного мономолекулярного слоя сульфорицината Е на поверхности элементарных волокон, образующих пряжу 35,7 текс, необходимо приблизительно такое же количество препарата. Отсюда следует, что в результате нанесения из среды жидкого аммиака на нити вполне вероятно образование мономолекулярного слоя препарата, формирование которого обеспечивает придание пряже целого комплекса улучшенных характеристик.

Увеличение сил сцепления элементарных волокон пряжи при нанесении на неё ПАВ приводит к повышению стабильности её структуры, что в значительной степени определяет возрастание выносливости пряжи к многократному растяжению (рис. 3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Влияние обработки хлопчатобумажной пряжи 35,7 текс сульфорицинатом Е (1) и авиролем (2) из среды жидкого аммиака на величину её выносливости к многократному растяжению

Другой причиной возрастания выносливости к многократному растяжению является экспериментально доказанное повышение эластичности пряжи, обработанной ПАВ из среды жидкого аммиака - она значительно увеличивается за счет восстановления целостности защитного слоя, заменяющего слой природных воскообразных веществ и препятствующего накоплению пластической деформации.

В табл. 3 приведены характеристики хлопчатобумажной пряжи, обработанной совместно жидким аммиаком и ПАВ, а также показатели пряжи, подготовленной к ткачеству традиционным шлихтованием. Как видно из таблицы, комплекс свойств пряжи, обработанной жидким аммиаком с добавками анионных препаратов, свидетельствует о высокой способности текстильной нити к переработке в ткачестве. Большинство характеристик такой нити превосходит аналогичные показатели пряжи, подготовленной к ткачеству шлихтованием. Новый способ подготовки пряжи к ткачеству защищен авторским свидетельством (А.с. № 933843).

Таблица 3.

Основные свойства хлопчатобумажной пряжи 35,7 текс, подготовленной к ткачеству различными способами

Вариант обработки пряжи	Вынос-ливость к истиранию, цикл.	Выносливость к многократному растяжению, цикл.	Разрыв- ная нагрузка, сН	Разрыв- ное удлинение, %
Необработанная пряжа	43 ± 7	372 ± 72	485 ± 10	4,5 ± 0,1
Обработка жидким аммиаком с удалением его испарением	32 ± 5	286 ± 29	545 ± 15	3,8 ± 0,1
Обработка жидким аммиаком с добавкой сульфорицината Е (4 г/л)	47 ± 8	1170 ±79	680 ± 15	4,1 ±0,1
Обработка жидким аммиаком с добавкой авироля (4 г/л)	75 ± 7	1090 ± 145	620 ± 20	3,9 ± 0,2
Шлихтование крахмальной шлихтой (70 г/л)	58 ± 10	312 ± 36	513 ± 20	0,8 ± 0,1

Наряду с отличными физико-механическими показателями, пряжа, обработанная жидким аммиаком и анионными ПАВ, обладает хорошими сорбционными свойствами, о чем свидетельствуют высокие значения её баритового числа.

Важно отметить, что в процессе промывки ПАВ способствуют удалению части природных воскообразных веществ, которые, вероятно, переходят в растворимую форму в результате аммиачной обработки. Найдено, что остаточное их содержание в волокнистом материале составляет ~ 0,4 %, то есть по эффективности удаления воскообразных веществ процесс промывки волокнистого материала приближается к процессу отварки. Низкое содержание воскообразных веществ и высокие сорбционные свойства обработанной аммиаком и ПАВ пряжи свидетельствуют о возможности осуществления крашения изготовленной из неё ткани в суровом виде.

4.2. Подготовка хлопчатобумажной пряжи к ткачеству способом последовательной обработки её жидким аммиаком и водным раствором неионогенного ПАВ

Кроме однованного способа подготовки хлопчатобумажной пряжи к ткачеству с использованием жидкого аммиака, обоснован и разработан двухванный способ, который реализуется при обработке текстильной нити жидким аммиаком с удалением его промывкой водой на стадии вытяжки волокнистого материала. Одновременно с удалением жидкого аммиака осуществляется обработка текстильной нити водным раствором ПАВ. На основании анализа литературы и проведения предварительных исследований установлено, что в этом случае наиболее эффективно использование неионогенных ПАВ - стеарокса-920 и оксанола О-18.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Последовательная обработка хлопчатобумажной пряжи 35,7 текс жидким аммиаком и водным раствором стеарокса-920 или оксанола О-18 концентрации 1 - 4 г/л приводит к значительному улучшению физико-механических характеристик текстильной нити. Оптимальные значения физико-механических характеристик пряжи достигаются при концентрации препаратов в растворе 3 г/л. Изучение экстракции ПАВ с текстильной нити показало, что с пряжи, обработанной жидким аммиаком и ПАВ по двухванному способу, препарат удаляется значительно медленнее, чем с нити, на которую он был нанесен просто из водного раствора ПАВ (рис. 4). Это свидетельствует о том, что в первом случае существует более прочная связь ПАВ с волокнистым материалом, т.е. на его поверхности, предположительно, присутствует моно- или бимолекулярный слой препарата.

Проведен ориентировочный расчет количества ПАВ, необходимого для образования мономолекулярного слоя препарата на поверхности элементарных волокон, составляющих пряжу. Расчет сделан с учетом предположения, что при двухстадийной обработке текстильной нити распределение препарата может происходить не только на поверхности элементарных волокон, но и в их порах. Это предположение сделано на основании возникновения в процессе удалении жидкого аммиака эффекта вакуумирования, который способствует проникновению раствора ПАВ в поры хлопкового волокна, доступные вследствие нарушения целостности поверхностного слоя природных восков. Учитывался также известный из литературы факт значительного увеличения размеров пор и микропустот хлопкового волокна под действием жидкого аммиака. В такие поры могут проникать молекулы неионогенных ПАВ, которые, в отличие от анионных ПАВ, ориентированы вдоль поверхности волокна. Расчет показал, что для образования мономолекулярного слоя препарата необходимо ~ 1,2% масс. стеарокса-920.

Методом экстракции ПАВ определено, что после нанесения стеарокса-920 по двухванному способу на пряже содержится 1,16% масс. препарата, т.е. экспериментальные данные вполне соответствуют расчетным и свидетельствуют о вероятности образования на элементарных волокнах мономолекулярного слоя препарата.

Наличие на поверхности элементарных волокон пряжи мономолекулярного слоя неионогенных ПАВ, связанного с целлюлозой, активированной жидким аммиаком, по установленным выше причинам способствует повышению прочностных, усталостных и упруго-эластических характеристик текстильной нити, что приводит к улучшению их способности к переработке в ткачестве. В табл. 4 приведены характеристики хлопчатобумажной пряжи, обработанной последовательно жидким аммиаком и водным раствором ПАВ, а также, для сравнения, подготовленной к ткачеству шлихтованием.

Данные табл. 4 свидетельствуют, что пряжа, обработанная жидким аммиаком и водным раствором неионогенного ПАВ, характеризуется лучшим комплексом свойств, чем подготовленная к ткачеству посредством шлихтования. Двухстадийный способ подготовки пряжи к ткачеству защищен авторским свидетельством (А.с. № 31032065).

Так же как пряжа, обработанная жидким аммиаком и анионными ПАВ по однованному способу, текстильная нить, подвергнутая последовательной обработке жидким аммиаком и неионогенными ПАВ, характеризуется высокими сорбционными свойствами. В отличие от нанесенных из среды жидкого аммиака ПАВ, локализованных только на поверхности элементарных волокон, которые смываются с пряжи водой за 0,9 - 4,1 мин., неионогенные ПАВ, проникшие в поры волокна, удаляются с текстильного материала несколько медленнее (рис. 4, кривая 1). Однако при этом они оказывают на содержащиеся в хлопке воскообразные вещества и другие нецеллюлозные примеси, оставшиеся неизвлеченными в процессе обработки жидким аммиаком, сильное эмульгирующее действие. В результате 20-минутной обработки горячей водой содержание примесей в элементарных волокнах хлопка уменьшается в 2,2 раза по сравнению с суровым волокном и в 1,2 раза по сравнению с обработанным жидким аммиаком с последующим удалением реагента промывкой, вследствие чего режим последующей отварки ткани может быть значительно смягчен. Благодаря снижению содержания примесей и высоким сорбционным свойствам ткань из пряжи, подготовленной к ткачеству с использованием нового состава, может окрашиваться в суровом виде.

Таблица 4.

Основные свойства хлопчатобумажной пряжи 35,7 текс, подготовленной к ткачеству различными способами

Вариант обработки пряжи	Вынос-ливость к истиранию, цикл.	Выносливость к многократному растяжению, цикл.	Разрывная нагрузка, сН	Разрыв-ное удлинение, %
Необработанная пряжа	43 ± 7	372 ± 72	485 ± 10	4,5 ± 0,1
Обработка жидким аммиаком с удалением его промывкой водой	30 ± 6	222 ± 61	560 ± 10	3,3 ± 0,1
Последовательная обработка жидким аммиаком и водным раствором стеарокса-920 (3 г/л)	63 ± 5	473 ± 69	660 ± 25	4,3 ±0,1
Последовательная обработка жидким аммиаком и водным раствором оксанола О-18 (2 г/л)	55 ± 5	799 ± 145	616 ± 19	4,4 ± 0,1
Шлихтование крахмальной шлихтой (70 г/л)	58 ± 10	312 ± 36	513 ± 20	0,8 ± 0,1

Результаты, полученные при разработке способов подготовки хлопчатобумажной пряжи к ткачеству, основанных на применении жидкого аммиака и ПАВ, использованы при выдаче совместно с ИвНИТИ исходных требований на проектирование экспериментального образца линии для мерсеризации и шлихтования основной пряжи с использованием жидкоаммиачной технологии. Расчетный экономический эффект от внедрения линии и осуществления на ней разработанных способов, составляет 1 млн. руб. в год на одну линию (в ценах 1982 г.).

Метод направленного изменения поверхностных свойств текстильной нити, высокая эффективность которого при подготовке к ткачеству хлопчатобумажной пряжи показана выше, использован также для улучшения способности к текстильной переработке синтетических нитей. На основании принципов направленного регулирования поверхностных свойств волокнистого материала были разработаны два оригинальных состава для подготовки к текстильной переработке хлоринового волокна, прядение которого сопряжено с большими сложностями (А.с. № 1479562, № 1742378).

Глава 5. Изучение влияния разбавленных водных растворов аммиака на полиэтилентерефталатные текстильные материалы как основа улучшения их качественных характеристик

Проблемы, возникающие при текстильной переработке и отделке волокнистых материалов из полиэтилентерефталата (ПЭТФ), в большой степени связаны с наличием в них значительного (от 1,3 до 4 %) количества низкомолекулярной фракции волокнообразующего полимера. Олигомеры, распределенные во всем объеме полимерного волокна и на его поверхности, затрудняют процесс крашения любых полиэфирных материалов, отрицательно влияя на интенсивность и равномерность получаемой окраски. Кроме того, поверхностная локализация олигомеров серьезно затрудняет текстильную переработку полиэфирных волокна, ровницы и пряжи. При перемотке, сновке и т.п. операциях олигомеры осыпаются и способствуют росту обрывности волокнистых материалов. В связи с тем, что концентрация и местоположение олигомеров в ПЭТФ существенно влияют на свойства материалов из него, следует предположить, что регулирование содержания олигомеров может служить действенным путем улучшения качественных характеристик полиэфирных материалов. Как показано некоторыми ранее проведенными в ИХР РАН исследованиями, к числу наиболее перспективных модифицирующих агентов относятся разбавленные водные растворы аммиака (~ 0,01 - 0,05 моль/л). Подробное изучение влияния разбавленных растворов аммиака на олигомеры ПЭТФ позволило разработать новый метод направленного изменения свойств полиэфирных текстильных материалов, в основе которого лежит регулирование поверхностного содержания олигомеров в полимере, воздействие на их состояние и, на базе этого, создать высокоэффективные технологии улучшения качественных характеристик полиэфирных текстильных материалов. Интересно отметить, что основные принципы регулирования свойств как хлопчатобумажной пряжи при подготовке её к ткачеству с использованием жидкого аммиака, так и полиэфирных текстильных материалов в целях улучшения их способности к переработке и накрашиваемости с использованием разбавленных водных растворов аммиака, совпадают. Если, как было показано выше, жидкий аммиак воздействует на нецеллюлозные примеси хлопка, вследствие чего изменяются многие свойства хлопчатобумажной пряжи, то разбавленный водный аммиак взаимодействует с олигомерами ПЭТФ, которые, по сути, также являются примесями полимера, и определяют многие его характеристики.

...