автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Использование модифицированной порошковой целлюлозы и её смеси с крахмалом в качестве загустителя при печати активными красителями

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Строение и свойства целлюлозы.

1.1.1. Химическое строение и роль водородных связей в целлюлозе.

1.1.2. Аморфно-кристаллическая и надмолекулярная структура целлюлозных волокон.

1.1.3. Структурообразование в водных суспензиях целлюлозы.

1.1.4. Использование гидроксида натрия для модификации целлюлозы. Основные типы щелочных целлюлоз.

1.2. Теория и практика печати текстильных материалов активными красителями.

1.3 . Современное состояние ассортимента загустителей при печати целлюлозных текстильных материалов активными красителями.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. ■

2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

2.1. Характеристика объектов исследования.

2.2. Характеристика используемых химических материалов.

2.3. Методика оценки распределения частиц по размерам.

2.4. Методика измерения диэлектрических свойств порошковой целлюлозы.

2.5. Методика оценки седиментационной устойчивости.

2.6. Методика определения количества связанной щелочи.

2.7. Методики определения вязкости загусток.

2.7.1. Определение динамической вязкости.

2.7.2. Определение кинематической вязкости.

2.7.3. Определение условной вязкости.

2.8. Методика определения степени фиксации красителей.

2.9. Методики оценки степени связывания активного красителя целлюлозой.

2.9.1. Методика оценки степени связывания активного красителя загустителем.

2.9.2. Методика определения связывания активного красителя модифицированными гидратцеллюлозными пленками.

2.10. Методика определения коэффициентов диффузии.

2.11. Исследование гидролиза активных красителей методом бумажной хроматографии.

2.12. Методика определения устойчивости окрасок к трению.

2.13. Методика определения жесткости ткани

2.14. Математическая обработка результатов исследований.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. Исследование гелеобразующей способности порошковой целлюлозы, модифицированной гидроксидом натрия.

3.1.1. Оценка влияния природы неорганических солей и гид-ротропных средств на состояние дисперсии порошковой целлюлозы.

3.1.2. Изучение влияния гранулометрического состава щелочной порошковой целлюлозы на её способность к гелеоб-разованию.

3.1.3. Изучение особенностей реологических свойств гелей на основе щелочной порошковой целлюлозы, а также композиций на их основе.

3.2. Исследование особенностей поведения красителей в среде печатных составов, содержащих щелочную целлюлозу.

3.2.1. Изучение реакционной способности щелочной целлюлозы по отношению к активным красителям.

3.2.2. Изучение влияния состава загусток на скорость массо-переноса в них красителя.

3.3. Разработка энерго- и ресурсосберегающей технологии печати х/б тканей активными красителями.

3.3.1. Разработка способов получения композиционных загусток на основе композиции крахмал-ПЩЦ.

3.3.2. Оценка технических возможностей предлагаемого композиционного загустителя при печати текстильных материалов активными красителями.

ВЫВОДЫ

Современное отделочное производство характеризуется широким ассортиментом использующихся красителей и текстильно-вспомогательных веществ (ТВВ). Значительная часть красителей, а также все используемые ТВВ, исключая аппретирующие составы, удаляются при промывке и, попадая в сточные воды, создают серьезную экологическую проблему отделочного производства. Из всех химикатов отделочного производства загустители являются главным (в количественном отношении) компонентом загрязняющих веществ, поскольку после промывки тканей они полностью попадают в сточные воды.

С усилением внимания мирового сообщества к защите окружающей среды и человека увеличивается давление общественных и государственных структур на производителей различной продукции, в том числе текстильной. В настоящее время меняется концепция решения экологических проблем отделочного производства: основная доля ответственности за экологические проблемы постепенно перемещается от специалистов по очистке стоков и воздушных выбросов к химикам-технологам. Актуальность темы. В настоящее время в России при печатании текстильных материалов из целлюлозных волокон доминирующее место занимают активные красители. Однако, печатание текстильных материалов активными красителями предъявляет особые требования к выбору загустителя, как вещества индифферентного по отношению к красителю. Этому требованию не удовлетворяют такие природные загустители, как крахмал, декстрин, трагант, камедь, имеющие в макромолекулах реакционно-способные по отношению к активным красителям гидроксильные группы.

Несмотря на широкий спектр предлагаемых импортных загущающих препаратов, на российских предприятиях часто используют более дешевый и доступный немодифицированный крахмал. Химически немо-дифицированный крахмал является самым дешевым загустителем, однако его использование сопряжено с целым комплексом негативных моментов: низкая загущающая способность и соответственно высокий расход его при печати, плохая удаляемость при промывке с ткани после фиксации красителя, и, в результате жесткий гриф готовой ткани и низкие показатели прочности окрасок к трению. Для устранения этих недостатков ткань во многих случаях приходится промывать по 2-3 раза, что, соответственно, отражается на стоимости продукции и рентабельности работы предприятия.

Среди природных полимеров, представляющих большой интерес в качестве загустителя печатных красок, имеет целлюлоза, в первую очередь древесная. Однако, в настоящее время в качестве загустителя при печати тканей используется не сама целлюлоза, а ее водорастворимые эфиры, в частности, карбоксиметилцеллюлоза. Тем не менее, известен прием перевода целлюлозы из твердого в микрофибриллированное состояние, характеризующееся низким значением критической концентрации гелеобразо-вания. Недостатком существующих способов перевода целлюлозы в микрофибриллированное состояние является то, что для их реализации требуется энергоемкое и сложное в техническом отношении оборудование.

Настоящая работа посвящена выявлению возможности получения загустки на основе порошковой целлюлозы, пригодной для печати тканей активными красителями. Работа выполнена в соответствии с тематическим планом исследований ИХР РАН в рамках г/б темы:"Разработка методов регулирования физико-химических процессов в многокомпонентных системах на основе природных геле- и волокнообразующих полимеров" (раздел:"Физическая и химическая модификация природных гелеобра-зующих полимеров и тонкодисперсных систем на их основе"), № госрегистрации 01.2.00 103984.

Научная новизна.

Впервые выявлена, теоретически обоснована и экспериментально показана эффективность применения порошковой щелочной целлюлозы (ГТЩЦ) в качестве загустителя при печати активными красителями.

Экспериментально изучено и теоретически интерпретировано влияние гранулометрического состава и дисперсионной среды ка седименташюк-ную устойчивость и реологические свойства дисперсий ПЩЦ.

На основании систематического исследования реологических свойстз гелей на основе крахмала и щелочной целлюлозы выявлен синерпгческпй эффект загущающего действия компонентов в смеси ПЩЦ-крахмал.

Установлен эффект значительного снижения реакционной способности по отношению к активным красителям целлюлозы, модифицированной гидроксидом натрия и карбамидом. Практическая значимость.

В лабораторных условиях доказано, что загустка на основе смеси крахмал-ПЩЦ, позволяет на 50% снизить расход крахмала, исключить операцию «горячей» клейстеризации крахмала, повысить степень полезного использования красителей по сравнению с немодифицировакным крахмалом и улучшить качество получаемых окрасок.

Промышленная апробация разработанной технологии получения за-густки на основе крахмал-ПЩЦ на ОАО «Самтекс» (г.Иваново) подтвердила эффективность ее применения при печати х/б тканей активными красителями. Показано, что использование композиционной загустки позволяет существенно улучшить качественные показатели готовых тканей и, одновременно, снизить себестоимость получения загустки на 20-30%. по сравнению с традиционно используемой крахмальной загусткой. 7

ВЫВОДЫ:

1. Показана целесообразность и эффективность использования модифицированной порошковой целлюлозы и её смеси с крахмалом в качестве загустителя при печати текстильных материалов активными красителями.

2. На основании известного механизма структурообразования дисперсий целлюлозы исследовано влияние ряда разрушающих и упорядочивающих структуру воды соединений на седиментационную устойчивость свободносвязанных дисперсий ПЩЦ. Выявлено, что наибольшей стабилизирующей способностью из изученного ряда обладают калий роданистый и карбамид. Предложена теоретическая трактовка особенностей механизма стабилизирующего действия этих соединений на дисперсии ПЩЦ. Установлен экстремальный характер влияния состава смеси KSCN-карбамид на седиментационную устойчивость дисперсий ПЩЦ.

3. На основании исследования взаимосвязи гранулометрического состава ПЩЦ, полученной различными способами, и реологии гелей получаемых на её основе, позволило выявить оптимальные размеры частиц, соответствующие максимальной вязкости получаемых загусток.

4. В результате систематического исследования реологических свойств гелей на основе крахмала и щелочной целлюлозы выявлен синергиче-ский эффект загущающего действия компонентов в смеси ПЩЦ-крахмал.

5. Экспериментально установлен эффект значительного снижения реакционной способности по отношению к активным красителям целлюлозы, модифицированной гидроксидом натрия и карбамидом.

6. На основе выявленных закономерностей разработана технология получения загустки на основе смеси крахмал-ПЩЦ, позволяющая существенно снизить расход крахмала, исключить операцию «горячей» клейстеризации крахмала, повысить степень полезного использования

107 красителей по сравнению с немодифицированным крахмалом и улучшить качество получаемых окрасок. 7. В процессе производственных испытаний на ОАО «Самтекс» апробированы технологические регламенты приготовления композиционной загустки, с использованием как порошковой целлюлозы полученной на аппарате шнекового типа, так и отходов прядильного производства. Показаны технические и экономические преимущества при использовании предлагаемых загусток в сравнении с традиционно используемым 12%-ным крахмальным клейстером.

1. Байклз И., Сегал JI. Целлюлоза и ее производные. М.: Мир. 1974. -500 с.

2. Marx-Figini М., Schulz G.V. Uber die Kinetik und den Mechanismus der Biosynthese der Cellulose in hoheren Pflanzen. //Biochim. biophus. Acta. 1966.-V.112.-N1.-P. 81-101.

3. Marx-Figini M., Schulz G.V. Neuere untersuchungen liber dro{3e und dro(3enverteilung der 3-glukosidischen ketten nativer cellulosen II Macromol. Chem., 1963, Bd.62. S.49-65

4. Marx-Figini M., Penzel E. Absolutes molekulargewicht und molekulargewichtverteilung von nativen unbelichterer baumwollcellulose // Macromol. Chem., 1965, Bd.87. S.307-315

5. Рейзиньш Р.Э. Структурообразование в суспензиях целлюлозных волокон. Рига: Зинатне, 1987. -208 с.

6. Attala R.H. Polymorphy in cellulose: recent development. In: Proc. Intern. Symp. on Wood and Pulping Chemistry. Tsukuba Sci. City (Japan).- 1983,-V.l-P. 42-47

7. Марихин В.А., Мясникова Л.П. Надмолекулярная структура полимеров. Л.: Химия, 1977, - 240 с.

8. Усманов Х.У., Никонович Г.В. Электронная микроскопия целлюлозы. Ташкент, 1962. 270 с.

9. Кузнецова A.M., Мухаммадиева A.M., Нарлзуллаев и др. Рентгено-дифракционное исследование микрофибрилл хлопкового волокна // ВМС, 1975, Б17., с.201-204

10. Sci., 1982, vol. 14, N 3, p. 120-126

11. Рейзинын Р.Э., Чернявская С.А. Люминесценция контактного слоя воды на границе с целлюлозой. Химия древесины, 1977, N2, с. 111112

12. Whitaker P.M., Nieduszynski I.A., Atkins E. Struktural aspects of Soda-Cellulose II//Polymer, 1974, Vol.15. P.125-127

13. Завадский A.E., Белоголовцев A.C. Влияние концентрации водных растворов гидроксида натрия на кинетику структурных переходов целлюлозы при мерсеризации хлопчатобумажных тканей // Изв.вузов ТТП. №5, 1988., с.56-601.l

14. Warwicker J.O. Swelling of Cotton in alkalis and acids // J. Appl. Polvm. Sci., 1969, Vol.13. P.41-54.

15. Кленкова Н.И. Структура и реакционная способность целлюлозы. Наука. Л., 1976.248 с.

16. Sumner Н. Mechanism of dyeing with Procion Dyes I // J.S.D.C. 76, 12,675 (1960)

17. Беленький Л.И. Физико-химические основы отделочного производства текстильной промышленности. М.: Легкая индустрия, 1979. 312 с.

18. Сафонов В.В. Облагораживание текстильных материалов- М.: Лег-промбытиздат. 1991.-288 с

19. Деревицкая В., Прокофьева M., Роговин 3. Исследование сравнительной реакционной способности гидроксильных групп целлюлозы // Журнал общей химии, 1958, Т.28., с. 718-721

20. Кричевский Г.Е. Химическая технология текстильных материалов: Учеб. для вузов в 3-х т. Т.2. М., 2001. 540 с.

21. Калантаров И. Я. Свойства и методы применения активных красителей. Дониш. Душанбе. 1970.

22. Кричевский Г. Е. Физико-химические основы применения активных красителей. М.: Лёгкая индустрия. 1977. С. 191.

23. Сенахов А. В., Коваль В. В., Садов Ф. И. Загустки их теория и применение. М.: Лёгкая индустрия. 1972. С.5-197.

24. Меньшикова И. И., Казарян М. 3., Стешенко Г. А., Чагина Р. И. Загуститель для активных красителей.// Текст, пром. 1984. №1. С.61-65.

25. Степанов А. С. Загустители и печатные краски. М.: Лёгкая индустрия. 1969. С.170-180.

26. Садов Ф.И., Кричевский Г.Е., Мовшович И.М. Истинные и кажущиеся константы скорости реакции красителя с волокном // Изв. вузов ТТЛ. 1971. №2. С.87-91.

27. Садов Ф.И., Кричевский Т.Е., Мовшович И.М. Кинетика крашения целлюлозных волокон активными красителями // Изв. вузов ТТП. 1969. №2. С.85-98.

28. Садов Ф.И., Кричевский Т.Е., Мовшович И.М. Крашение целлюлозных волокон активными красителями (анализ кинетических уравнений) // Изв. вузов ТТП. 1970. №1. С.76-80.

29. Зуйкова Е.С., Сеннахов А.В. Реакции, определяющие эффективность использования активных красителей в крашении // Изв. вузов ТТП. 1965. №3. С.48-51.

30. Брейтман В. М., Сенахов А. В. Исследование влияния взаимодействия между красителем и загустителем в печатных красках на количество красителя, фиксируемого тканью при печати. // Изв. вузов ТТП. 1970. №2. С.100-104.

31. Брейтман В. М., Сенахов А. В. Исследование влияния взаимодействия красителя с загустителями в печатных красках.// Изв. вузов ТТП. 1969. №>5. С.79-83.

32. Schumacher Н. Die Reaction-Farbstoffe in Farberei und Druck // Melliand Textilber., 41, 12, 1548 (1960)1.gamels W., Sumner H., Williams G. The Mechanism of Dyeing with

33. Procion Dyes II The mechanism of reaction with Water and Soluble

34. Alcohols or Carbohydrates // J.S.D.C., 78, 454 (1962)

35. Aspland J., Johnson A. Alkaline Hydrolysis of Chloro-N-Geterocyclic

36. Reactive Dyes containing Ionisable Amino Groups II // J.S.D.C., 81, 11,477(1965)

37. Сенахов A.B., Зуйкова E.C. Хемосорбционный характер кинетики процесса фиксации активных красителей целлюлозным волокном /7

38. Изв. вузов ТТЛ., №3, 1999, с.64-68

39. Кричевский Г.Е. Активные красители М.: Легкая индустрия. 1968. 340 с.

40. Отделка хлопчатобумажных тканей. В 2-х ч. 4.2. Оборудование для отделки хлопчатобумажных тканей: Справочник / Под.ред. Н.В. Егорова. М.: Легпромбытиздат. 1991. 240 с.

41. Deny R.R., Higgenbotham R.S. The Flow Properties of Textile Printing Pastes J.S.D.C., 69, p.569., 1953

42. Кричевский Г. Е. Основные тенденции в теории и практике отделочного производства.// Текст, химия, 1995. спец. выпуск №1(6). С.31-41.

43. Морозова JI. Н., Кушко А. А., Бровко Р. В. Применение загустки на основе модифицированного крахмала в текстильной печати. Межвуз. сб. научн. трудов: Прогресс техники и технологии отделочного производства. Иваново. 1992. С.85-89.

44. Bajoj P., Chavan R. В. Производство синтетических загустителей для текстильной печати. Colourage, 1982. 29. №20. С.3-6. Полиакрилатные загустители. Пат. 4338239. США. заявл. 30.03.81. опубл. 06.07.82.

45. Алексеева О. В., Рожкова О. В., Мазурина Н. А. Печатание текстильных материалов акриловыми загустителями.// Текст, пром. 1993. №2. С.30.

46. Пат. 4481076 США, Редиспергируемая микрофибриллированная целлюлоза//РЖХ 1985 12 Ф23 П

47. Пат. 4481077 США, Способ получения микрофибриллированной целлюлозы// РЖХ 1985 12 Ф24 П

48. Пат. 4483743 США, Микрофибриллированная целлюлоза// РЖХ 1985 14Ф21 П

49. Кузнецова Т.В., Кудряшов Н.В. Тимашев В.В. Физическая химия вяжущих материалов. М.: Высшая школа, 1989. - 384 с.

50. Бабко А.К., Пятницкий И.В. Количественный анализ, М., Высшая школа, 1968, 496 с.

51. Ларин О.В. Теоретическое обоснование и разработка механохимиче-ского способа получения загусток на основе крахмала: Дис. . канд. техн. наук. Иваново, 2000

52. Ralf J. Die Papierchromatografie der Reaktivfarbstoffe // Deutsche Tex-tiltechnik. 1963. Bd.13, №2. P.86-89

53. Щукин Е.Д., Перцов E.A., Амелина Коллоидная химия: уч. для хим. спец. ун-тов. М.: Изд-во МГУ. 1982. 352 с.

54. Практикум по коллоидной химии: учеб. Пособие для хим.-технол. Спец. Вузов/ под.ред. Лаврова И.С. М.: Высшая школа, 1983 - 216 с.

55. Петропавловский Г.А. Гидрофильные частично замещенные эфиры целлюлозы и их модификация путем химического сшивания. Л.: Наука, 1988. 298 с.

56. Гойхман А.Ш., Соломко В.П. Высокомолекулярные соединения Киев: Наукова думка, 1982, 192с

57. Sumi Y., Hale R., Ranby В. // Tappi. 1963. Vol.46, №2, P.126

58. Прокофьева M.B., Родионов H.A., Козлов М.П. //Химия и технология производных целлюлозы. Владимир, 1968, 118с.

59. Никитин Н.И., Орлова Н.М. // ЖПХ. 1933. Т.6. с. 1093

60. Захарченко В.Н. Коллоидная химия. М.: Высшая школа, 1989. 238 с.

61. Целлюлоза и её производные., под.ред. Н.Байкалза, Л.Сегала, т. 2, М.: Мир, 1974, 510 с.

62. Ильин А.В., Баранов А.В., Дымникова Н.С. Использование щелочной целлюлозы при печати текстильных материалов активными красителями // Тез.докл II Всероссийской науч. конф. «Физико-химия процессов переработки полимеров» г. Иваново, 2002.

63. Ильин А.В., Баранов А.В., Дымникова Н.С. Новые загущающие композиции на основе древесной целлюлозы для печати хлопчатобумажных тканей активными красителями // Изв.вузов ТТП Х°2. 2002. С.