автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Разработка и теоретическое обоснование технологии крашения гидратцеллюлозных волокон прямыми красителями

Введение

1. Литературный обзор

1.1. Строение и свойства целлюлозных и гидратцеллюлозных волокон 11 1.1.1. Отношение целлюлозы к химическим реагентам

1.2. Крашение текстильных материалов из целлюлозных волокон

1.2.1. Строение и свойства прямых красителей

1.2.2. Свойства волокон, определяющие диффузию и сорбцию красителей

1.2.2.1. Объемные свойства волокон

1.2.2.2. Поверхностные свойства волокон

1.3. Крашение прямыми красителями

1.4. Агрегация и диссоциация водорастворимых красителей

1.5. Колорирование текстильных материалов прямыми красителями

2. Методическая часть

2.1. Объекты исследования

2.2. Технология крашения прямыми светопрочными красителями

2.3. Методика определения устойчивости окраски к мокрым обработкам

2.4. Методика определения рН растворов

2.5. Методика определения электрокинетического (^-потенциала) волокон

2.6. Методика определения ионной силы растворов

2.7. Оптимизация технологических процессов обработки текстильных материалов

2.8. Методика определения оптической плотности красильных растворов

2.9. Оценка совместимости выбранной триады красителей

2.10. Методика воспроизведения цвета с помощью трех красителей

3. Экспериментальная часть

3.1. Изучение влияния неорганических солей различного химического строения на накрашиваемость хлопчатобумажных и гидратцеллюлозных волокон

3.2. Изучение влияния электролитов различного химического строения на изменение рН их растворов при различной температуре

3.3. Изучение влияния химического строения электролитов на изменение ионной силы растворов и адсорбционной способности хлопчатобумажных и гидратцеллюлозных волокон при их крашении прямыми красителями

3.4. Изучение влияния исследуемых электролитов на скорость выбирания прямых светопрочных красителей при крашении хлопчатобумажных и гидратцеллюлозных волокон

3.5. Изучение влияния неорганических солей различного химического строения на изменение электрокинетического потенциала хло-пчато-бумажных и гидратцеллюлозных волокон

3.6. Влияние концентрации прямых красителей в красильном растворе на изменение степени выбирания красителя целлюлозным волокном.,

3.6.1. Влияние концентрации прямых светопрочных красителей в водном растворе на изменение степени их агрегации

3.6.2. Изучение влияния концентрации хлористого натрия на агрегацию прямых светопрочных красителей в растворе

3.6.3. Изучение влияния концентрации сульфата аммония на агрегацию прямых светопрочных красителей в растворе

3.7. Разработка технологии крашения хлопчатобумажных и гидратцеллюлозных волокон прямыми светопрочными красителями

3.7.1. Оптимизация процесса крашения гидратцеллюлозной ткани прямыми светопрочными красителями

3.7.2. Исследование совместимости триады прямых светопрочных красителей в условиях предлагаемой технологии крашения

3.8. Расчет соотношения красителей в красильном растворе при воспроизведении окраски под заданный образец

3.9. Обоснование выбора метода обесцвечивания сточных вод, содержащих прямые красители

Выводы

Актуальность темы. В условиях рыночной экономики и высокой конкуренции на рынке сбыта особые требования предъявляются к качеству выпускаемой продукции. Окрашенные текстильные материалы должны обладать высокими колористическими свойствами и устойчивостью окраски к внешним воздействиям.

Широкое распространение при крашении текстильных материалов из целлюлозных и гидратцеллюлозных волокон получили прямые светопрочные красители. Эти красители имеют широкую гамму цветов и просты в применении. Они хорошо совместимы друг с другом и легко вытравляются. Однако следует подчеркнуть, что степень выбирания этих красителей из красильной ванны в условиях обычно применяемой в отделочном производстве технологии не превышает 50-70%, что приводит не только к перерасходу дорогостоящих красителей, но и значительному повышению стоимости очистки сточных вод.

Известно, что степень выбирания красителя из красильного раствора и, как следствие этого, интенсивность получаемой окраски можно изменять вводя в красильный раствор различные электролиты, ПАВ, изменяя рН раствора, способствующих увеличению степени накрашиваемости текстильного материала за счет снижения сил отталкивания между анионами красителя и поверхностью волокна. С другой стороны, введение в красильный раствор электролитов с различными катионами и анионами может привести к уменьшению растворимости красителя и даже выпадению его в осадок, что приведет к снижению интенсивности получаемой окраски и ее устойчивости к мокрым обработкам.

В связи с этим актуальным является выявление влияния химического строения электролитов, отличающихся природой катионов и анионов на на-крашиваемость текстильных материалов из целлюлозных волокон и обоснование состава красильного раствора и технологии крашения текстильных материалов, обеспечивающих получение колористически ценной, устойчивой к внешним воздействиям окраски при одновременном снижении расхода красителей, теплоносителей и экологической жесткости красильно-отделочного производства.

Целью работы является разработка и теоретическое обоснование технологии крашения целлюлозных волокон прямыми светопрочными красителями, обеспечивающей получение колористически ценной окраски при одновременном сокращении расхода красителей, ТВВ и теплоносителей.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

- изучено влияние неорганических солей различного химического строения на изменение электрокинетического потенциала хлопчатобумажных и гид-ратцеллюлозных волокон и их накрашиваемость;

- изучено влияние электролитов различного химического строения на изменение рН красильных растворов при различной температуре во времени;

- изучено влияние химического строения электролитов на изменение ионной силы растворов и адсорбционной способности хлопчатобумажных и гидратцеллюлозных волокон при их крашении прямыми красителями;

- изучено влияние исследуемых электролитов на агрегацию прямых светопрочных красителей в красильных растворах различной концентрации;

- разработана технология крашения целлюлозных волокон прямыми светопрочными красителями, обеспечивающая получение устойчивой к внешним воздействиям колористически ценной окраски при условии снижения расхода красителей, химических материалов и теплоносителей;

- обоснован выбор триады совместимых в условиях предлагаемой технологии прямых светопрочных красителей и произведен расчет соотношения и концентрации красителей в красильном растворе при воспроизведении окраски, соответствующей заданному эталону.

Научная новизна:

Установлено влияние электролитов различного химического строения на изменение электрокинетических и физико-химических свойств поверхности целлюлозных волокон и растворов прямых красителей. Показано, что:

- в области разбавленных растворов электролитов интенсивность получаемой окраски линейно зависит от потенциала поверхности волокна и ионной силы красильного раствора, что связано с электростатическим механизмом сжатия двойного электрического слоя, зависящего от концентрации катиона в отсутствии каких-либо специфических взаимодействий ионов электролитов с поверхностью волокна; в области реальных концентраций электролита, вводимого в состав красильного раствора, линейная зависимость интенсивности получаемой окраски от потенциала поверхности волокна и ионной силы раствора не соблюдается вследствие специфического дисперсионного взаимодействия катионов с поверхностью волокна, в результате которого имеет место сверхэквивалентная адсорбция катионов на поверхности волокна, приводящая к резкому снижению отрицательного заряда вплоть до перезарядки поверхности волокна; замена NaCl на (NH^SC^ в красильном растворе (в области исследованных концентраций), приводящая к увеличению степени агрегации ионов красителя в растворе не вызывает изменения скорости адсорбции красителя волокном.

Практическая значимость.

На основании результатов исследования влияния электролитов различного химического строения на изменение электрохимических свойств поверхности целлюлозных волокон и физико-химических свойств растворов красителей, разработана технология крашения хлопчатобумажных и вискозных текстильных материалов, позволяющая получить окраску, соответствующую заданному эталону при одновременном снижении расхода красителей, ТВВ и теплоносителей.

Для получения сложных композиционных цветов выбраны триады прямых светопрочных красителей, совместимость которых сохраняется в условиях разработанной технологии крашения, создана база данных цветовых характеристик выбранных красителей и проведен расчет рецептур красильного раствора для воспроизведения цвета под заданный образец.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации.

Научные положения, выводы, а также рекомендации, сформулированные в работе, опираются на большой экспериментальный материал, выполненный на достаточно высоком уровне, с использованием современных стандартных физико-химических методов исследования. Обоснованность и достоверность выводов и результатов работы подтверждены использованием обширного материала, соответствием с современными представлениями о процессах крашения текстильных материалов.

Методы исследования.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на хлопчатобумажной бязи арт.275/150 и ткани из вискозного штапельного волокна арт. 8172110. В качестве неорганических электролитов использовали соединения Na, NH4, Са, Zn, А1, Си, Со с различными анионами. Крашение исследуемых образцов ткани проводилось с использованием прямых светопрочных красителей, входящих в известные триады.

Экспериментальные исследования проводились с применением физико-химических и электрохимических методов исследования: спектрофотометрии, рН-метрии, метода потенциала протекания и др. Математическая модель процесса крашения получена с использованием программы «ONTSY». Оценка колористических характеристик окраски ткани и расчет рецептуры красильного раствора для воспроизведения цвета заданного эталона проводили на приборе «Texflash» фирмы Datacolor.

Прочие экспериментальные исследования проводились с использованием стандартных методик и в соответствии с требованиями ГОСТ. Все расчеты в работе проведены с использованием ЭВМ.

Автор защищает:

- теоретическое и экспериментальное обоснование эффективности использования электролитов различного химического строения при крашении хлопчатобумажных тканей и тканей из гидратцеллюлозных волокон прямыми светопрочными красителями;

- разработанную технологию крашения и состав красильного раствора для колорирования хлопчатобумажных тканей и тканей из гидратцеллюлозных волокон прямыми светопрочными красителями.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку:

- на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль

2001), (27 - 28 ноября 2001 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина, г. Москва);

- на Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2002), (22-24 апреля 2002 г., ИГТА, Иваново);

- на Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс - 2002), (27 -30 мая 2002 г., ИГТА, г. Иваново);

- на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль

2002), (26 - 27 ноября 2002 г., МГТУ им. А.Н. Косыгина, г. Москва).

Структура и объем работы.

Работа содержит введение, литературный обзор, методическую часть, экспериментальную часть с обсуждением полученных результатов, выводы, список литературы и приложения.

Диссертация изложена на 128 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка и 23 таблицы, 67 наименований библиографических ссылок, 4 приложения.

1 .ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

ВЫВОДЫ:

1. Изучено влияние неорганических солей, содержащих различные сочетания катионов Na , NH4 , Са" , Zn , А1 , Си и Со с анионами СГ, S04 , NO3", СН3СОО", на изменение интенсивности окраски при крашении целлюлозных текстильных материалов прямыми светопрочными красителями. Установлено, что сформулированная цель работы может быть достигнута только при введении в красильный раствор солей Na или NH4. При этом наибольшее влияние на увеличение интенсивности окраски оказывают соли NH4.

2. Исследованные анионы в солях Na и NH4, по их влиянию на изменение интенсивности получаемой окраски можно расположить в следующий ряд: S042"> СН3СОО" > СГ > N03"

3. Установлено, что в процессе крашения рН красильных растворов при введении в них солей Na в интервале концентраций 0,017-0,17 моль/л практически не изменяется, в то время как при увеличении концентрации солей NH4, рН растворов заметно снижается, что является одной из причин увеличения интенсивности получаемой окраски.

4. Установлено влияние электролитов различного химического строения на изменение электрокинетических и физико-химических свойств поверхности целлюлозных волокон и растворов прямых красителей. Показано, что:

- в области разбавленных растворов электролитов интенсивность получаемой окраски линейно зависит от потенциала поверхности волокна и ионной силы красильного раствора, что связано с электростатическим механизмом сжатия двойного электрического слоя, зависящего от концентрации катиона в отсутствии каких-либо специфических взаимодействий ионов электролитов с поверхностью волокна;

- в области реальных концентраций электролита, вводимого в состав красильного раствора, линейная зависимость интенсивности получаемой окраски от потенциала поверхности волокна и ионной силы раствора не соблюдается вследствие специфического дисперсионного взаимодействия катионов с поверхностью волокна, в результате которого имеет место сверхэквивалентная адсорбция катионов на поверхности волокна, приводящая к резкому снижению отрицательного заряда вплоть до перезарядки поверхности волокна; замена NaCl на (NH4)2S04 в красильном растворе (в области исследованных концентраций), приводящая к увеличению степени агрегации ионов красителя в растворе не вызывает изменения скорости адсорбции красителя волокном.

5. Разработана технология крашения целлюлозных текстильных материалов прямыми светопрочными красителями и состав красильного раствора, обеспечивающие повышение интенсивности получаемой окраски на 1060%, при одновременном снижении температуры крашения на 15-20°С.

6. Показано, что в условиях разработанной технологии сохраняется совместимость известных триад прямых светопрочных красителей.

7. Произведен расчет соотношения и концентраций красителей в красильном растворе при воспроизведении 220 окрасок соответствующих заданному эталону.

8. Показана целесообразность применения электролизеров с растворимыми железными электродами для обесцвечивания сточных вод, содержащих прямые красители с применением в качестве интенсификатора процесса (NH4)2S04.

123

1. Кукин Г.Н., Соловьев А.Н. Текстильное материаловедение. «Легпромиз-дат», М., 1985,-254 с.

2. Мельников Б.Н., Кириллова М.Н., Морыганов А.П. «Современное состояние и перспективы развития технологии крашения текстильных материалов». М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983.- 232 с.

3. Кричевский Г.Е., Корчагин М.В., Сенахов А.В. Химическая технология текстильных материалов Под. ред. проф. Г.Е.Кричевского. М., Легпром-бытиздат, 1985. -640 с.

4. Отделка хлопчатобумажных тканей В 2 ч. 4.1. Технология и ассортимент хлопчатобумажных тканей: Справочник/Под ред. Б.Н. Мельникова. М.: «Легпромбытиздат, 1991.-432 с.

5. Балашова Т.Д., Булушева Н.Е., Новорадовская Т.С., Садова С.Ф. «Краткий курс химической технологии волокнистых материалов» -М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984.-200 с.

6. Садов Ф.И., Корчагин М.В., Матецкий А.И. «Химическая технология волокнистых материалов» -М., 1968.- 682 с.

7. Кричевский Г.Е. Химическая технология текстильных материалов Учеб. для вузов в 3-х т. Т.1, М., 2000. - 436 с.

8. Бернард Вальтер. Практика беления и крашения текстильных материалов. Берлин, 1968 (пер. с немецкого), М., Легкая индустрия, 1971, 472 с.

9. Мельников Б.Н., Морыганов А.П. Теория и практика интенсификации процессов крашения.-М.: Легкая индустрия, 1969.

10. Серков А.Т. Вискозные волокна.-М., 1981.

11. Серков А.Т. Производство вискозных штапельных волокон. -М.: Химия, 1986.

12. Груздев В.А., Пакшвер А.Б. Отделка вискозного волокна.- Гизлегпром, 1956.

13. Способы получения, структурные особенности и свойства ВВМ волокна,-М.: НИИТЭХИМ, 1977.-26 с.

14. Масленников К.Н., Николаева Н.С., Смирнов Н.С., Могилевский Е.М. Гидратцеллюлозные волокна, их свойства и разновидности //Химические волокна -1981 №1.

15. Усманов Х.У., Николаева Г.В. Надмолекулярная структура гидратцеллю-лозных волокон Ташкент, РАН. 1974, - 368 с.

16. Бакшеев И.П. Состояние и тенденции развития производства вискозных волокон и нитей.//Химические волокна. 1991, №5, С.28-32.

17. Степанов Б.И. «Введение в химию и технологию органических красителей».-Учеб. для ВУЗов,- 3-е изд. перераб. и доп. -М.: Химия, 1984 592 с.

18. Бородкин В.Ф. Химия красителей.-М.: Химия, 1981,-248 с.

19. Богословский Б.М., Лаптев Н.Г. Химия красителей Гизлегпром, 1957.

20. Андросов В.Ф., Петрова И.Н. Синтетические красители в легкой промышленности: Справочник.- М.: Легпромбытиздат, 1989.-368 с.21 .Кричевский Г.Е. Активные красители.-М.: Легкая индустрия, 1968, 340 с.

21. Андросов В.Ф., Голомб Л.М. Синтетические красители в текстильной промышленности. М., 1968.

22. Синтетические красители в легкой промышленности: Справочник. М.: Легпробытиздат, 1989 -368 с.

23. Мелъников Б.Н., Виноградова Г.И. Применение красителей. Учебное пособие для Вузов.-М.: Химия, 1986.-240 с.

24. Емельянов А.Г. «Прямые красители и их применение в текстильной промышленности». М., L963.

25. Мельников Б.Н., Морыганов П.А. Применение красителей. Учебное пособие для Вузов.-М.: Химия, 1971.

26. Мельников Б.Н., Блиничева И.Б. Теоретические основы технологии крашения волокнистых материалов. М., 1978.

27. Балашова Т.Д., Булушева Н.Е., Попиков И.В. «Отделка шелковых тка-ней»-М.: Легпробытиздат, 1986.

28. Петере Р.Х. «Текстильная химия (физическая химия)» /Пер. с англ. под ред. проф. Г.Е.Кричевского /В 2 ч. 4.1 -М., Легпромбытиздат, 1989.-368 с.

29. Волков В.А. Коллоидная химия: Поверхностные явления и дисперсные явления: Учеб. для ВУЗов.-М.: МГТУ, 2001-640 с.

30. Жиронкин А.Н., Волков В.А. Исследование двойного электрического слоя хлопкового волокна в растворах NaCl. РАН Коллоидный журнал, т.54, 1992.

31. Мельников Б.Н. и др. «Физико-химические основы процессов отделочного производства».Учеб. пособие для ВУЗов/ Б.Н.Мельников, М. «Легкая и пищевая промышленность», 1982.

32. Воюцкий С.с. Курс коллоидной химии. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: Химия, 1975.

33. Булушева Н.Е., Журавлева Н.В., Куликова М.А. и др. Химическая технология волокнистых материалов. Лабораторный практикум.-М.: МТИ, 1986.

34. Степанов А.С. Развитие технологии отделки хлопчатобумажных, льняных и вискозных тканей.-М.: Легкая индустрия, 1965.

35. Кричевский Г.Е. Химическая технология текстильных материалов Учеб. для вузов в 3-х т. Т.2, М., 2000. -540 с.

36. Хархаров А. А., Предтеченская И. А. «Подготовка и крашение волокнистых материалов». Учебное пособие,- Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1979.

37. Алиева А.Э. Дисс. на соискание уч. степени к.т.н. М.:-1995.

38. Петерс Р.Х. «Текстильная химия (физическая химия)» /Пер. с англ. под ред. проф. Г.Е.Кричевского /В 2 ч. 4.2 -М., Легпромбытиздат, 1989.-384 с.

39. Кричевский Г.Е. Диффузия и сорбция в процессах крашения и печатания.-М.: Легкая индустрия, 1981.-208 с.

40. Методы исследования в текстильной химии: Справ./Под ред. Г.Е.Кричевского М.: 1993-401 с.

41. Каталог «Прямые красители». Минхимпром В/О Союзанилпром.

42. Лапина З.С. Применение смесей прямых красителей для колорирования текстильных материалов. М., 1972.

43. Колориндекс-80. Интенхим ГДР, 1980.

44. Перечень основной номенклатуры химических реактивов и препаратов. М., 1972.

45. Справочник химика. Т.2. Основные свойства неорганических и органических соединений /Госхимиздат, М. 1963.

46. Артеменко А.И., Малеванный В.А., Тикунова И.В. Справочное руководство по химии: Справ, пособие,- М.: Высш. пж., 1990. 303 с.

47. Методы испытания устойчивости окрасок к физико-химическим воздействиям. ГОСТ 9733.1-27-83. М., 1983.

48. Методические указания к выполнению лабораторных работ по физической химии «Электрохимия, неравновесные и равновесные явления» ч.2. МВиСО СССР, МГТУ им. А.Н.Косыгина, М.-1988.

49. Гордеев А.С., Волков В.А. Влияние рН среды и адсорбции неионогенных ПАВ на электрокинетические свойства поверхности волокон./ Изв. ВУЗов. Технология легкой промышленности, №6, 1991.

50. Краснов К.С., Воробьев Н.К., Годнев И.Н. и др. Физическая химия. В 2 кн. Кн.2. Электрохимия. Химическая кинетика и катализ: Учеб. для ВУЗов/ Под ред. Красновой В.С.-3-е изд., испр.- М.: Высш. шк., 2001- 319 с.

51. Резинов Л.П., Слободчиков Р.И. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. М., 1980.

52. Тихомиров В.М. Планирование и анализ эксперимента. М.: Легкая индустрия, 1974, 287 с.

53. Базовый лабораторный практикум по химической технологии волокнистых материалов: Учеб. для ВУЗов/ Колл. авторов/ Под ред. Н.Е.Булушевой.- М.: РИО МГТУ, 2000.

54. Куликова М.А., Журавлева Н.В., Коновалова М.В., Золотарева С.В., Шес-тернина Г.П. Колорирование текстильных материалов. Учеб. пособие. М., РИО МГТУ, 2000, 203 с.

55. Волков В.А., Данюшин Г.В. Влияние концентрации активного красителя, температуры и рН на его состояние в растворе. «Проблемы химической чистки и крашения одежды». Научные труды ЦНИИБыт, 1987, с. 37-41.

56. Модная гамма «Осень 2002 г.», ф. Clariant.

57. Рыжова JI.H. Пономаренко З.И., Журков B.C. Очистка сточных вод производства полимеров на основе метилметакрилата. Сб. «Физико-химические методы очистки и анализа сточных вод промышленных предприятий». Труды ВНИИ «ВОДГЕО», М., 1974.

58. Светашова Е.С., Краснобородько И.Г. Цаналикина Р.Б. Исследование возможности электрохимического обесцвечивания сточных вод текстильных предприятий/ Сб. «Новые методы и типы сооружений для очистки производственных и городских сточных вод», Л., 1992.

59. Васильев Г.В. Очистка сточных вод предприятий текстильной промышленности. М.: Легкая индустрия, 1991.

60. Яковлев С.В., Ласков Ю.М. Очистка сточных вод предприятий легкой промышленности. М., 1972, 152 с.

61. Лурье Ю.Ю., Рыбникова А.И. Химический анализ производственных сточных вод. Изд. 4-е. М.: Химия, 1974-234 с.

62. Челноков А.А. и др. Основы промышленной экологии Мн.: Высш. шк., 2001.-343 с.

63. Мазур ИИ., Молдаванов О.И. Курс инженерной экологии. -М.: Высш. шк., 1999-447 с.

64. Яковлев С.В., Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод. -М.: АСВ, 2002-704 с.

65. Смирнова М.В., Чесноков М.А., Булушева Н.Е. Разработка технологии очистки сточных вод красильно-отделочного производства Сборник науч128ных трудов, выполненных по итогам конкурса грантов молодых исследо вателей. М.: МГТУ, 2002, с.27-31.