Повышение качества окраски при крашении шерсти кислотными красителями

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение качества окраски при крашении шерсти кислотными красителями

Баданова Р.Р., Шардарбек М.Ш., Баданов И.К., Баданов К.И.

Химико-технологические процессы промывки, крашения и отделки шерстяных материалов относятся к числу операций, характеризующихся повышенным водопотреблением. При их проведении образуется большое количество сильно загрязненных стоков, очистка которых связана с определенными трудностями. Весьма высок расход трудовых, материальных и энергетических ресурсов. Кроме того, химически активный кератин шерсти, вступая в реакции с компонентами технологических растворов, подвергается частичному разрушению, падает прочность волокна, ухудшаются его технологические и потребительские свойства. При повышении температуры, например, при крашении, эти негативные явления выражены более отчетливо. Неокрашенное шерстяное волокно представляет собой серьезное препятствие для красителей при крашении, так как его внутренние слои закрыты чешуйчатым слоем (рис. 1).

Рис. 1. Микроснимки шерстяного неокрашенного волокна

Крашение, или формирование окраски на текстильном материале целиком по его площади в широком понимании можно рассматривать как взаимодействие низкомолекулярных окрашенных соединений, т.е. красителей, с твердым бипористым дисперсным полимерным текстильным материалом. Это взаимодействие осуществляется в результате массопереноса окрашенного вещества в форме иона или незаряженной молекулы из внешней среды, чаще всего жидкой в твердую фазу волокна с последующим проникновением красителя во внутреннюю структуру волокна и закреплением его сорбционными связями различной природы. Такой сложный межфазный, гетерогенный процесс включает в себя как основные стадии диффузию и сорбцию. Диффузия является лимитирующей стадией, определяющей скорость протекания процессов крашения, а сорбция, ее термодинамические свойства, влияют на устойчивость окраски. В зависимости от химической и физической природы волокон и химического строения красителей проявляются различные механизмы диффузии и сорбции красителей. В случае нетермопластичных гидрофильных волокон, например, шерстяного волокна, с развитой структурой микропор диффузия красителя осуществляется через жидкость (вода), заполняющую микропоры этих волокон - «поровый» механизм - с одновременной физической или химической сорбцией ионов красителей на активных центрах волокна. Соотношение диффузионных и сорбционных свойств системы волокно-краситель определяет скорость и эффективность формирования окраски. Между скоростью диффузии и сродством красителя к волокну имеется сложная зависимость, как между кинетическими и термодинамическими параметрами системы. В упрощенном виде феномен окрашивания текстильного материала можно определить как реализацию этих параметров в двуединстве. Без проявления их в совокупности окраска сформироваться не может. Краситель должен иметь сродство к волокну, что определяется комплиментарностью химического строения красителя и полимера волокна, а также должны быть выполнены условия для диффузии, т.е. наличие концентрации и диффузионной проницаемости волокна. Чем выше сродство красителя к волокну, тем более интенсивно он взаимодействует с волокном и тем медленнее диффундирует. В то же время, чем выше сродство тем эффективнее и полнее краситель переходит из внешней фазы в волокно, образуя более устойчивую окраску. Такая зависимость между кинетикой и термодинамикой процесса определяет основной принцип практики крашения: нахождение оптимального соотношения между диффузией и сорбцией. шерстяное волокно промывка крашение

Все классы красителей, кроме пигментов, объединенные общим диффузионно-сорбционным механизмом колорирования, проявляют специфику в химическом взаимодействии с волокном. В этом отношении их можно подразделить на следующие группы в зависимости от характера сорбции красителя волокном:

- физическая обратимая сорбция: прямые красители на целлюлозных волокнах, дисперсные красители на синтетических волокнах;

- химическая сорбция с образованием обратимой ионной связи: кислотные красители на белковых волокнах, катионные красители на полиакриловых волокнах;

- химическая сорбция с образованием необратимой ковалентной связи: активные красители на целлюлозных, белковых, полиамидных волокнах;

- образование нерастворимых пигментов во внутренней структуре волокон: кубовые, сернистые, нерастворимые азокрасители на целлюлозных волокнах.

Из всех этих комбинаций красителей и волокон следует выделить класс активных красителей, которые с целлюлозными, белковыми и полиамидными волокнами в определенных условиях (pH, температура) образуют ковалентную связь, что обеспечивает исключительно устойчивую окраску к мокрым обработкам. Ковалентное связывание активных красителей с волокнами обусловлено протеканием нуклеофильных реакций замещения или присоединения Это связано со строением активных красителей. Такой механизм требует наличия в волокнах нуклеофильных групп, которые имеются только у целлюлозных (-OH), белковых (-OH, -NH₂) и полиамидных (-NH₂) волокон, и ограничивает область применения этого класса красителей этими волокнами [1].

Совершенствование и интенсификация всех стадий крашения кислотными красителями должно быть направлено на использование не только химических, но и физических способов воздействия на красильную систему за счет совершенствования красильного оборудования. Крашение при пониженной температуре улучшает технологические свойства шерсти, позволяет более экономно расходовать дорогостоящее сырье. Однако, понижение температуры приводит к замедлению скорости процесса крашения, к увеличению длительности операции, снижению качества окраски по равномерности и устойчивости. Для исключения этих отрицательных явлений необходимы дополнительные способы интенсификации процесса, которые помимо решения чисто технологических задач способны положительно повлиять на экономию и экологию красильно-отделочного производства шерстяной отрасли текстильной промышленности.

Для крашения шерстяного волокна предлагается устройство, разработанное в ТарГУ им. М.Х. Ду-лати (рис. 2).

Рис. 2. Экспериментальное устройство для крашения шерстяного волокна

Крашение образцов шерсти осуществляется в устройстве для жидкостной обработки материалов [2]. Конструкция устройства представляет два бака, соединенных между собой системой циркуляции растворов через трубопроводы. Первый бак предназначен для приготовления технологических растворов при заданной температуре и непрерывном перемешивании для лучшего растворения компонентов технологического раствора. Второй бак предназначен для жидкостной обработки шерсти, в котором размещается перфорированный цилиндр для окрашиваемого материала. Крышка перфорированного цилиндра может перемещаться и фиксироваться в заданном положении. Блоки регулировки температуры и регулировки скорости вращения валов электродвигателей позволяют создать оптимальные скорости перемешивания и циркуляции технологического раствора, что влияет на диффузионные процессы при жидкостной обработке. Блок регулировки температуры автоматически поддерживает температуру технологического раствора в заданном значении.

Устройство работает следующим образом: в бак приготовления растворов 1 заливается вода. Контактным термометром 5 устанавливается температура приготовления раствора и включается электронагреватель 3. В бак 1 через загрузочный люк засыпаются химреагенты согласно рецептуре и включается электродвигатель 9 привода мешалки 10 до полного приготовления раствора. Скорость вращения мешалки регулируется блоком 7. Окрашиваемый субстрат шерсти размещают в цилиндрическом баке 2. Для размещения окрашиваемого материала в цилиндрическом баке открывают крышку, вынимают внутренний перфорированный цилиндр, размещают в нем окрашиваемый материал и закрывают крышкой. Раствор, нагнетаемый циркуляционной системой, входит в цилиндр через патрубок и проходит через окрашиваемый материал, расположенный в цилиндре. Таким образом, красильный раствор проходит через волокно и прокрашивает его. Скорость циркуляции раствора варьируется блоком 7 регулировки скорости вращения вала электродвигателя 3 центробежного насоса 4.

Предлагаемая красильная установка позволяет окрашивать шерстяное волокно, ленту при циркуляции красильного раствора через паковку волокна. На установке можно предварительно готовить красильные растворы при постоянной заданной температуре и автоматически ее поддерживать с точностью ±0,5єС. Данное устройство использовали в условиях лаборатории наноинженерных методов исследований им. А.С. Ахметова при ТарГУ им. М.Х. Дулати.

Крашение проводили при температуре 82С⁰, так как при пониженной температуре влияние вышеперечисленных факторов наиболее выражено. Красильные растворы готовили в баке приготовления при температуре 40єС. Качество приготовления красильного раствора оценивали пробой на фильтровальную бумагу. Крашение пряжи проводили в течении 40 мин. После крашения отбирали пробы остаточного красильного раствора для определения количества красителя в остаточной ванне. Содержание красителя в остаточной ванне проводили по стандартной методике на фотоколориметре КФК-3. Качество окраски пряжи оценивали на спектроколориметре «Спектротон». Крашение проводили с пятикратным повторением при различной скорости течения красильного раствора и различной плотности паковки волокна. Колористические показатели окраски пряжи (насыщенность S, светлоту L, тон окраски Т) оценивали в пяти точках. Все экспериментальные данные были обработаны методом математической статистики в среде «Microsoft Excel».

Проведенные исследования показали, что на качество окраски шерстяного волокна большое влияние оказывает скорость течения красильного раствора. Например, при увеличении скорости красильного раствора с 1,1 м/мин до 1,43 м/мин насыщенность окраски пряжи растет с 37,5 до 48,9 единиц. При скорости выше 1,43 м/мин насыщенность окраски снижается до 41,6. Причем с увеличением скорости выше 1,43 м/мин растет и неровнота окраски, о чем свидетельствует коэффициент неровноты результатов измерения насыщенности окраски, который составил 11,24%. Использование разработанной установки позволило также выявить влияние особенностей красителей на результаты крашения.

Установлено, что для исследованных трех кислотных красителей (кислотный бордо С, кислотный оранжевый и кислотный бирюзовый) оптимальная скорость течения красильного раствора различна и находится в пределах от 1,2 до 1,43 м/мин. При поддержании для каждого красителя своей оптимальной скорости течения красильного раствора возможно снизить остаточное содержание красителя в остаточной ванне до 0,02-0,04 г/л. (при 3%-ой выкраске). Плотность паковки варьировали в пределах от 27,7 до 125 кг/м ³. Установлено, что при плотности набивки пряжи до 41,6 кг/м³ насыщенность окраски увеличивается. Однако дальнейшее увеличение плотности паковки приводит к снижению насыщенности окраски и минимум наблюдается при плотности паковки волокна 125 кг/м ³.

Крашение шерстяного волокна в предлагаемой устройстве имеет ряд преимуществ:

обеспечивается качественное приготовление красильного раствора при заданной температуре и скорости его перемешивания, что предотвращает “сваривание” компонентов рецептуры и их полное растворение;

обеспечивается оптимальная циркуляция технологического раствора через шерстяное волокно, что улучшает диффузионные процессы в зависимости от плотности набивки волокна и модуля ванны.

Становится возможным:

- оперативно подобрать оптимальные параметры приготовления технологического раствора (температуру, скорость перемешивания), оптимальные параметры жидкостной обработки текстильного материала (температуру, скорость циркуляции раствора);

поддерживать в оптимальном интервале температуру приготовления технологического раствора в зависимости от специфических свойств химических реагентов технологического раствора, температуру обработки текстильного материала в зависимости от вида жидкостной обработки и специфических свойств волокнистого состава текстильного материала;

улучшить качество жидкостной обработки текстильных материалов за счет автоматического поддержания оптимальной температуры обработки;

эффективно использовать красители при крашении текстильных материалов за счет увеличения степени диффузии красителей в толщу материала при оптимальной скорости циркуляции красильного раствора;

сократить сброс химреагентов в сточные воды за счет их эффективного использования при улучшении диффузионных процессов в устройстве.

Крашение шерстяного волокна в аппаратах подобного типа позволит максимально сохранить первоначальные физико-механические свойства шерстяного волокна, свести к минимуму свойлачивание шерсти, максимально выбрать компоненты красильной ванны и снизить вредное воздействие на экологию окружающей среды.

Литература

1. Кричевский Г.Е. Роль химии в производстве текстиля. Эволюция и революции в текстильной химии. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2002, т. XLVI, №1, стр. 5-8.

2. Баданов К.И., Кауымбаев Р.Т., Баданова Р.Р. Устройство для жидкостной обработки текстильных материалов. А.с №49741 Комитет по правам интеллектуальной собственности Министерства юстиции Республики Казахстан, 2007г.

3. Садова С.Ф., Кривцова Г.Е., Коновалова М.В. Экологические проблемы отделочного производства. Учеб. Для вузов. Под ред. С.Ф. Садовой. - М.:РИО МГТУ, 2002.- 284 с.

Размещено на Allbest.ru