автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Теоретическое и экспериментальное обоснование повышения эффективности технологий отделки текстиля с использованием поля токов высокой частоты

ЦИРКИНА Ольга Германовна

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ОТДЕЛКИ ТЕКСТИЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛЯ ТОКОВ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Специальность 05.19.02 Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

2015

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Иваново —2015

005570364

ЦИРКИНА Ольга Германовна

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ОТДЕЛКИ ТЕКСТИЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛЯ ГОКОВ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Специальность 05Л9.02 Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Иваново - 2015

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» и Институте социально-гуманитарных и естественных наук ФГБОУ ВО «Ивановский государственный политехнический университет»

Научный консультант:

доктор технических наук, ст. н. с.

Никифоров Александр Леонидович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

доктор химических наук, профессор

Ведущая организация:

Киселёв Александр Михайлович

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна», заведующий кафедрой «Химическая технология и дизайн текстиля» Иванов Анатолий Николаевич

ФГКВОУ ВПО «Военная академия радиационной, химической и биологической защиты им. Маршала Советского Союза С.К. Тимошенко» Министерства обороны РФ, профессор кафедры «Специальные конструкционные материалы», г. Кострома Кобраков Константин Иванович

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет дизайна и технологии», заведующий кафедрой «Органическая химия»

ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет», г. Кострома

Защита состоится vT^n 2015 г. в часов на заседании диссертационного

совета Д 212.063.03 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Шереметевский, 7.

Тел. (4932) 32-54-33, факс: (4932) 32-54-33, e-mail: dissovet@isuct.ru

С диссертацией можно ознакомиться в Информационном центре ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Шереметевский, 10 и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «ИГХТУ» http://www.isuct.ru.

Сведения о защите и автореферат диссертации размещены на сайте ВАК и сайте ИГХТУ.

Автореферат разослан «f5^3> 2015 г.

Ученый секретарь совета

Д 212.063.03

e-mail: sharnina@isuct.ru

Шарнина Любовь Викторовна

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Ускоренное развитие промышленного производства в России невозможно без обновления технологий и оборудования. Отделочное производство текстильной промышленности, где в настоящее время используются громоздкие энергозатратные технологические линии, также требует модернизации. Сокращение производственньгх площадей за счет внедрения новых технологий отделки тканей и использования высокотехнологичного оборудования позволит предприятиям малого и среднего бизнеса успешно конкурировать на внутреннем и внешнем рынках. Энергоемкой операцией в отделочном производстве является стадия теплового воздействия на текстильный материал. В отечественной текстильной промышленности традиционно используются контактный, конвективный или ПК— способы нагрева, по сравнению с которыми наиболее перспективным способом является нагрев материалов в поле токов высокой частоты (ТВЧ). В связи с этим, поиск технических и технологических решений, обеспечивающих повышение эффективности процессов отделки текстильных материалов в поле ТВЧ, и проблема создания универсальных методик расчета и прогнозирования наиболее энергетически выгодных условий обработки, связывающих диэлектрические свойства текстильных материалов с интенсивностью их нагрева в поле токов высокой частоты, является актуальной. Это позволит на практике получить высокие показатели качества готовых материалов при одновременном сокращении трудо- и энергозатрат на выпуск единицы продукции.

Данная работа выполнена по планам НИР Ивановского государственного химико-технологического университета, и в соответствии с Федеральными научно-техническими программами «Обоснование методов управления сорбционной и реакционной способностью полимерных материалов по отношению к химическим реагентам на основе комплексных физико-химических исследований» (2001 - 2005 гг.); «Исследование адсорбционных, диффузионных и структурных закономерностей направленной модификации свойств полимерных материалов под влиянием физико-химических и биохимических воздействий» (2006 - 2008 гг.); «Применение неорганических и биохимических нано-катализаторов для активации деструкции органических красящих веществ и примесей природных и синтетических полимеров» (2009 - 2011 гг.), а также хоздоговорных тем, выполненных в период с 2000 до 2013 гг.

Степень разработанности темы. Представленная работа является продолжением научного направления, связанного с теоретическим обоснованием и разработкой энерго- и ресурсосберегающих способов отделки тканей, использующих нетрадиционные источники нагрева, начало которого положено на кафедре ХТВМ ИГХТУ под руководством д.т.н., профессора Мельникова Б.Н. К настоящему времени на кафедре ХТВМ ИГХТУ разработаны технологии, использующие диэлектрический нагрев. Однако для их реализации требуется предварительный подбор большого числа технологических и технических параметров, что влечет за собой постановку длительных и трудоемких экспериментов для конкретных технологических процессов. Дополнительную

сложность в организацию производства вносит энергетическая нестабильность протекающих в ВЧ-полях технологических процессов. Это связано со степенью согласования генератора и нагрузки, которая в ходе процесса может быть различной за счет изменения влажности, химического состава, структуры и реакционной способности волокнообразующего полимера. При этом степень согласования системы напрямую влияет на основной энергетический показатель -тепловую энергию, выделяющуюся в объеме плоских текстильных материалов при их непрерывной обработке в ВЧ-полях. Представленная работа призвана решить обозначенные вопросы.

Цель и задачи исследования. Цель работы заключалась в поиске и обосновании путей повышения эффективности воздействия поля ТВЧ на текстильный материал при реализации процессов отделочного производства и разработке метода подбора энергетически выгодных условий их проведения на основе системного подхода и анализа выявленных закономерностей ВЧ-нагрева тканей.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие научно-исследовательские и практические задачи:

• Выявить и проанализировать закономерности изменения электрофизических величин для тканей различного волокнистого состава в зависимости от химической природы и количества наносимых на них композиций, а также от условий их тепловой обработки.

• Ранжировать внешние факторы, от которых зависит эффективность ВЧ-нагрева текстильных материалов в условиях отделочного производства, и выявить степень влияния каждого из них с помощью методов математической обработки данных.

• Выявить и проанализировать особенности протекания технологических процессов облагораживания тканей в ВЧ-полях, и установить взаимосвязь между параметрами электромагнитного поля и диэлектрическими характеристиками материалов.

• Обосновать корреляционную зависимость между величиной диэлектрических потерь материала и структурными изменениями, происходящими в волокне при различных условиях тепловой обработки.

• Разработать математические модели для расчета величин диэлектрических потерь текстильных материалов, обрабатываемых в поле ТВЧ, с использованием методов множественного корреляционного и кластерного анализа.

• Смоделировать процессы обработки полимерных материалов в поле токов высокой частоты и обосновать выбор универсального энергетического параметра, характеризующего эффективность ВЧ-нагрева диэлектриков.

• Разработать универсальную методику, позволяющую оценить влияние энергетического фактора, параметров ВЧ-поля и электрофизических характеристик тканей на эффективность протекания химико-текстильных процессов.

• Сопоставить теоретические и экспериментальные данные, выявляющие взаимосвязь между параметрами поля ТВЧ и диэлектрическими характеристиками материалов с техническими показателями тканей, полученных при использовании

новых наиболее эффективных режимов их обработки на различных этапах отделочного производства и при получении материалов с полимерным покрытием.

Научная иовизна. Теоретически и экспериментально обосновано влияние параметров поля токов высокой частоты и диэлектрических характеристик волокнистых, пленочных и полимерно-тканевых материалов на эффективность протекающих в ВЧ-полях физических, физико-химических и химических процессов. Разработана универсальная методика, позволяющая оценить влияние диэлектрических свойств тканей, параметров поля ТВЧ и тепловой мощности, генерируемой в материале, на показатели качества текстильных полотен. При этом впервые с использованием широкого ассортимента тканей получены следующие результаты:

• Проведенный анализ массива полученных в ходе эксперимента и имеющихся в научно-технической литературе данных выявил и подтвердил факт влияния химической природы волокон (целлюлозных, гидратцеллюлозных, полиамидных, полиэфирных, смесовых) и структуры тканей (толщины, поверхностной плотности, вида переплетения) на их диэлектрические показатели. •Экспериментально оценено и теоретически обосновано влияние параметров поля ТВЧ, отделочных композиций, концентраций входящих в их состав компонентов и температуры разогрева тканей на величину диэлектрических потерь текстильных материалов.

•Проанализированы основные факторы, влияющие на скорость и эффективность протекания процесса высокочастотного нагрева. Выявлена зависимость между электрофизическими характеристиками и показателями качества тканей, прошедших различные этапы отделки.

•Оценены сорбционные свойства и диффузионная проницаемость целлюлозосодержащих тканей по отношению к красителям и отделочным препаратам при их обработке в поле ТВЧ. Проведена комплексная оценка изменения физико-механических показателей тканей, прошедших ВЧ-обработку, для материалов из целлюлозных и синтетических волокон.

•Доказано, что универсальным энергетическим параметром, обуславливающим максимальную эффективность диэлектрического нагрева текстильного материала, является удельная мощность, генерируемая в диэлектрике при его обработке в электромагнитных полях ВЧ-диапазона.

•Теоретически обоснована и экспериментально доказана значимость степени согласования системы «генератор - нагрузка», как главного фактора, обеспечивающего максимальный КПД преобразования электрической энергии в тепловую в процессах ВЧ-обработки полимерных материалов. Выявлены основные параметры и установлены закономерности, определяющие степень согласования системы.

•На основании обобщенных данных по диэлектрическим свойствам тканей разработана методика подбора оптимальных технологических и технических параметров процессов ВЧ-нагрева, учитывающая рецептуру и концентрацию отдельных компонентов рабочих растворов и композиций, применяемых на различных этапах отделочного производства. Предложенная методика позволяет

расчетным путем определить количественный состав технологических композиций, обеспечивающий наилучшие показатели качества тканей, не прибегая к предварительному эксперименту.

•Разработаны и апробированы математические модели, использование которых на практике позволяет рассчитать идущие на нагрев материала величины удельных мощностей и обеспечить высокие показатели качества готовых тканей на каждом из этапов отделки.

Теоретическая н практическая значимость работы. Проведенная систематизация данных по диэлектрическим свойствам полимерных материалов и полученные на этой основе математические модели позволили, минуя стадию экспериментальных проверок, с минимальными затратами времени оптимизировать процесс нагрева текстильных материалов в поле ТВЧ на различных этапах отделочного производства. На основании расчетных данных скорректированы технологические составы и параметры обработки тканей в ВЧ-поле, что позволило выбрать энергетически выгодные режимы для каждого химико-текстильного процесса.

Испытания, проведенные с использованием экспериментальной ВЧ-установки (ИГХТУ) и промышленного оборудования предприятий ООО «Самойловский текстиль», ООО ТК «Тейковский хлопчатобумажный комбинат», ОАО «Ивановская текстильно-галантерейная фабрика», ФГУП «Ивановский научно-исследовательский институт пленочных материалов и искусственной кожи», показали пригодность разработанных математических моделей для их использования на практике. Оптимизированные условия обработки тканей в поле ТВЧ и использование ВЧ-нагрева в целом позволяют в комплексе решать многие технико-экономические задачи. Замена традиционного оборудования на ВЧ-установки позволит в 3-5 раз сократить производственные площади; в среднем на 10-20% уменьшить расход отделочных препаратов и красителей по сравнению с традиционными способами обработки при достижении аналогичных показателей качества тканей; увеличить степень фиксации красителей и отделочных препаратов, что ведет к уменьшению их содержания в сточных водах и снижению водопотребления на этапе промывки на15-20%. Одновременно ткани приобретают улучшенные потребительские характеристики: прочность материала увеличивается в среднем на 15-25%, водоудерживающая способность для тканей с ГГВХ-покрытием - на 30-40%; интенсивность окраски - на 15-20%. Экономический эффект от внедрения комплекса предложенных мероприятий, рассчитанный без учета экономии на производственных площадях, составляет приблизительно 35 млн. руб. на одну технологическую линию в год в ценах 2013 г.

Методология н методы исследования. В работе обобщены, систематизированы и проанализированы имеющиеся в отечественной и зарубежной научно-технической литературе данные по теме исследования. На основании этого сформулирована проблема, предложены пути ее решения и проведена проверка достоверности полученных результатов. Для этого использованы методы теоретического и эмпирического уровня исследований.

Объектами исследования являлись суровые и подготовленные хлопчатобумажные, льняные, вискозно-штапельные, полиэфирные, полиамидные и смесовые ткани различной поверхностной плотности, толщины и вида ткацкого переплетения; галантерейные изделия из полиамидных и полиэфирных волокон и полимерные пленки различной химической природы. При моделировании химико-текстнльных процессов применялись целлофановая и полнвнннлхлоридная пленки. В ходе экспериментальных исследований использовались различные по химическому составу и концентрации компонентов технологические растворы, печатные композиции и ПВХ-пасты.

Изучение процессов нагрева диэлектриков в поле ТВЧ проводилось на специально сконструированных установках, а также стандартном и модернизированном лабораторном оборудовании. При выполнении работы использовались современные физические и физико-химические методы исследования и математические методы обработки полученных данных: контурно-резонансные методы; спектрофотомерия; жидкостная хроматография; калориметрия; инструментальные методы оценки степени мерсеризации, белизны, несминаемости, колористических и прочностных характеристик тканей; многофакторный анализ процесса ВЧ-нагрева текстильных материалов. Обработка результатов измерений проводилась методами математической статистики с помощью пакета прикладных программ «Ехсе1-2010». При создании математических моделей для расчетов показателя диэлектрических потерь полимерных материалов и удельной мощности использовались современные математические и информационные методы работы с данными, в том числе методы кластерного и множественного корреляционного анализа.

Положения, выносимые на защиту. •Теоретическое обоснование выбора технологических параметров обработки тканей при использовании энергии поля ТВЧ в отделочном производстве для достижения высоких показателей качества готовых материалов. • Математические модели расчета диэлектрических величин тканей, полученные на основе систематизированных данных по электрофизическим свойствам целлюлозосодержащих материалов;

•Универсальную методику оценки эффективности нагрева материалов в электромагнитных полях ВЧ-диапазона при проведении в отделочном производстве различных химико-текстильных процессов, созданную на основе разработанных математических моделей;

•Полученные закономерности нагрева полимерных диэлектрических материалов различной химической природы в поле ТВЧ, с нанесенными на них при отделке технологическими составами;

•Выявленные особенности массопереноса и взаимодействия с целлюлозой красителей и препаратов для заключительной отделки, имеющие место в ВЧ-поле, в процессах колорирования и заключительной отделки тканей; •Теоретически и экспериментально обоснованные расчетные методы, предназначенные для унификации подхода к созданию новых технологических

процессов обработки тканей в отделочном производстве и положительные результаты их полупроизводственной проверки;

•Выявленную корреляционную зависимость между параметрами электромагнитного поля, диэлектрическими потерями и показателями качества тканей, прошедших различные виды химических обработок в отделочном производстве;

•Оптимизированные технологические режимы обработки тканей в поле токов высокой частоты при реализации различных этапов отделочного производства, получении материалов с ПВХ-покрытием или их декорировании с использованием пластизолевых красок.

Степень достоверности полученных результатов. Исследование проведено с использованием современных физических, физико-химических и химических методов анализа и математической обработки данных. Достоверность полученных результатов подтверждена взаимной согласованностью данных, полученных при использовании обозначенного комплекса методов исследования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на:

• Международных НТК «Лен», Кострома, 2000, 2008, 2012 гг.; «Текстильная химия», Иваново, 2000, 2008 гг.; «Достижения в области химической технологии и дизайна текстиля, синтеза и применения красителей», Санкт-Петербург, 2009 г.; «Наукоемкие химические технологии», Иваново - Суздаль, 2010 г.; «Физика высокочастотных разрядов», Казань, 2011г.; «Современные тенденции развития химии и технологии полимерных материалов», Санкт-Петербург, 2012 г.; «Прогресс», Иваново, 2000 - 2013 гг.; «Инновации», Москва, 2014 г.

• Всероссийских НТК «Физико-химия процессов переработки полимеров», Иваново, 2009 г.; «Техтекстиль-2010», Димитровград, 2010 г.; «Текстиль», Москва, 2003, 2005 - 2012 гг.;

•III Инновационного салона-выставки научных достижений Ивановской области «Инновации-2006», Иваново, 2006 г.;

•Научно-практических конференциях «Экологические проблемы промышленных городов», Саратов, 2011г.; «Нанотехнологии в текстильной и легкой промышленности», Москва, 2011 г.;

• Международной научно-практической конференции «Медтекстиль-2012», Москва, 2012 г;

• Международных научно-практических семинарах «Смартекс», Иваново, 2008 — 2013 гг..

Личный вклад соискателя состоит в постановке проблемы, выборе направления и методов исследования, получении, научном анализе, обобщении и интерпретации результатов эксперимента. Экспериментальные исследования, разработка оригинальных методик и создание лабораторного оборудования для нагрева полимерных материалов в поле ТВЧ выполнены автором лично или при его непосредственном участии. Изложенные в диссертации результаты отражают самостоятельные исследования автора и его работы, выполненные в соавторстве.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 40 статьях и 61 тезизах докладов по теме диссертации, среди которых 27 статей в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных действующим перечнем ВАК, а также 3 Патента РФ и 1 Решение о выдаче патента на изобретение.

Структура н объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, литературного обзора, методической части, экспериментальной части, заключения, списка цитируемой литературы из 311 наименований, списка авторских публикаций и приложений. Основная часть диссертации содержит 392 страницы машинописного текста, в число которых входят 121 рисунок и 49 таблиц.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ РАБОТЫ

Глава 1. Перспективные технологии отделки текстильных материалов с использованием энерг ии электромагнитных колебаний ВЧ/СВЧ-диапазона

Произведенный в рамках представленной работы анализ научно-технической литературы посвящен вопросам теории и практики нагрева полимерных диэлектриков энергией электромагнитных колебаний высоких и сверхвысоких частот. Поскольку все текстильные материалы являются диэлектриками, особое внимание уделено работам, посвященным поведению полимерных материалов в высокочастотном диапазоне электромагнитных волн. Рассмотрены вопросы, связанные с химическим составом, особенностями структуры и физико-механическими свойствами волокнистых материалов, перерабатываемых в текстильной и лёгкой промышленности. Охарактеризованы основные электрофизические свойства полимерных материалов:

электропроводность и присущие диэлектрикам виды поляризации; а также показатели, влияющие на эффективность диэлектрического нагрева материала: диэлектрическая проницаемость (с) и тангенс угла диэлектрических потерь (^6). Рассмотрено влияние основных параметров внешнего ЭМП: напряженности (Е), частоты ф, мощности источника излучения (Р) на поведение диэлектрика, помещенного в электромагнитное поле. Проанализированы работы, связанные с процессами ВЧ-нагрева диэлектриков при получении полимерных плёнок и прочих материалов, применяемых в производстве товаров народного потребления и изделий специального назначения. На основании критического анализа имеющейся в научно-технической и патентной литературе информации по рассматриваемой проблеме сформулированы цель и задачи диссертационной работы, намечены основные пути теоретической проработки вопроса и обосновано практическое использование полученных результатов по данному направлению.

Глава 2. Методическая часть

В данной главе приведены основные характеристики объектов исследования и методы анализа. Объектами исследования являлись ткани, выработанные из волокон различного химического состава, и имеющие различные геометрические, физико-механические и химические свойства. Моделирование процессов нагрева диэлектриков в поле ТВЧ и процессов диффузии красителей и отделочных препаратов в волокнистый материал производили с использованием

поливинилхлоридной и целлофановой пленок с известными электрофизическими характеристиками.

Приведены характеристики и химическое строение использованных в работе красителей, аппретирующих веществ, химических реагентов, входящих в технологические композиции, а также составов ПВХ-паст, применяемых для получения материалов с полимерным пленочным покрытием. Описаны методики исследования свойств текстильных материалов, в том числе разработанные в соавторстве оригинальные методики, связанные с изучением процесса диффузии красителей и отелочных препаратов в полимерный материал при ВЧ-обработке.

Глава 3. Экспериментальная часть и обсуждение результатов

3.1. Выявление зависимостей диэлектрических характеристик текстильных материалов от условий их обработки в отделочном производстве

Основным фактором, определяющим эффективность нагрева диэлектрика в ВЧ-полях, является удельная мощность (Руц), расчет которой производится по формуле:

Руа = 0,55 - ЕV (1)

Характер поглощения веществом энергии внешнего электромагнитного поля зависит от совокупности факторов, влияющих на состояние полимера. При этом эффективность ВЧ-нагрева диэлектриков определяется как параметрами самого электромагнитного поля, так и диэлектрическими характеристиками обрабатываемого материала: тангенсом угла диэлектрических потерь (^д) и диэлектрической проницаемостью (е), произведение которых представляет собой фактор диэлектрических потерь - к. Значения указанных величин могут изменяться в широких пределах и зависеть от множества факторов.

На первом этапе работы проведены экспериментальные исследования и анализ литературных данных, на основании которых создана база значений диэлектрических показателей тканей, с целью получения математического описания процессов их нагрева в поле ТВЧ и унификации подхода к разработке новых ВЧ-технологий отделки текстильных материалов. Для выявления общих закономерностей изменения диэлектрических характеристик полимерных материалов проведена оценка диэлектрических показателей тканей, пропитанных различными по составу технологическими растворами с учетом концентраций их основных компонентов. Оценено влияние внешних факторов на величину основных электрофизических характеристик полимеров и е) и выявлена взаимосвязь между структурными изменениями, протекающими в полимере в ходе химических реакций, и величиной ígд диэлектрика.

Определены общие закономерности изменения диэлектрических характеристик текстильных материалов в условиях «мокрых» обработок, имеющих место в процессах всего цикла химической отделки тканей. Диапазон влажности, в котором наблюдается максимум величины диэлектрических потерь, составляет 30 - 40%. Материалы с исходной влажностью 80 - 100%, также имеют показатели tgд и к, обеспечивающие их эффективный нагрев в поле ТВЧ, при этом величина диэлектрических потерь ткани напрямую зависит от её геометрических

свойств. Выявлена экстремальная зависимость диэлектрических характеристик от температуры влажного материала. Корреляционная зависимость величины tgЗ от времени ВЧ- и конвективного нагрева показывает, что при обработке тканей в поле ТВЧ происходит увеличение значений tgS. Вероятно, это обусловлено удлинением макромолекулярной цепи за счет вновь образующихся ковалентных связей в структуре волокна. Увеличение количества полярных групп и наложение их гармонических колебаний друг на друга под действием ВЧ-поля, приводит к росту частотно-резонансной амплитуды колебания сегментов макромолекул. Таким образом, в результате увеличения подвижности сегментов макромолекул, возрастает величина tgS.

Определены величины диэлектрических потерь целлюлозосодержащих тканей, пропитанных мерсеризационными и белящими перекисными растворами, при различных концентрациях основных компонентов. На этой основе подобраны оптимальные составы растворов, обеспечивающие высокие показатели качества обработанных в ВЧ-поле тканей.

Выявлены факторы, в наибольшей степени, влияющие на эффективность взаимодействия красителя с волокном. В процессах крашения, когда красильный раствор распределен равномерно по объему полотна и привес ткани составляет 90 - 110%, тепловыделе]гае в объеме материала является равномерным. В случае печатания ткань имеет оптимальное для ВЧ-обработки влагосодержание 28-40%, что обеспечивает высокую эффективность процесса, в том числе и за счет увеличения сегментальной подвижности полимерных цепей. Доказано, что тип красителя практически не влияет на диэлектрические характеристики текстильного материала, а величина определяется наличием в составе технологического раствора электролитов различной природы. Выявлена экстремальная зависимость диэлектрических показателей тканей от концентраций указанных компонентов, что учтено в дальнейшем при разработке математических моделей.

При использовании аппретирующих составов, используемых на этапе заключительной отделки, отмечено, что препараты, включающие добавки полярного строения, имеют максимальные значения tgS. Получена зависимость между величиной tgS аппретированных тканей и степенью «сшивки» макромолекул целлюлозного волокна посредством молекул предконденсатов термореактивных смол (ПТРС). Это подтверждает тот факт, что структура полимера оказывает выраженное влияние на его диэлектрические показатели.

Исследованы и проанализированы диэлектрические свойства основных компонентов технологической композиции, применяемой для получения материалов с полимерным пленочным покрытием, и готовых ПВХ-паст в смеси с различными пластификаторами. Показано, что наилучшей способностью к ВЧ-нагреву при использовании промышленно разрешенных частот (27,12 и 40,68 МГц) обладают пасты на основе ПВХ, диоктилфталата (ДОФ) и трихлорэтилфосфата (ТХЭФ).

3.2. Влияние энергетических параметров поля ТВЧ на эффективность протекания технологических процессов отделки текстильных материалов

Основными энергетическими параметрами поля ТВЧ являются его частота и напряженность, значения которых оказывают непосредственное влияние на эффективность нагрева диэлектриков. Однако в ходе ВЧ-обработки диэлектрики могут нагреваться до разной температуры в зависимости от своей химической природы. Поэтому изучение зависимостей tgд от температуры для различных видов тканей представляет значительный интерес. Характерные зависимости коэффициентов диэлектрических потерь тканей от температуры представлены на рис. 1.

Полученные зависимости tgS для сухих хлопчатобумажных, льняных, вискозных штапельных и хлопкополиэфирных полотен от температуры материала демонстрируют, что для воздушно-сухих тканей показатель диэлектрических потерь практически не зависит от температуры ткани в диапазоне от 20 до 150°С. Поскольку целлюлоза является полярным жесткоцепным полимером, то для нее в сухом состоянии свойственна только дипольно-групповая поляризация, что обуславливает малую скорость нагрева материала в поле ТВЧ. В материалах, содержащих в составе макромолекул группы со средней полярностью (полиэфирные волокна), основным видом поляризации является электронная, протекающая без выделения тепла, поэтому в воздушно-сухом состоянии они характеризуются низкими значениями диэлектрических потерь и слабо нагреваются в ВЧ-поле. Для полярных диэлектриков (ткани из полиамидных волокон) характерна и дипольно-групповая, и дипольно-сегментальная поляризация, поэтому подобные материалы имеют большие значения диэлектрических потерь.

Частотные зависимости tg8 полиэфирной, вискозной штапельной и хлопчатобумажной тканей в кондиционно-сухом состоянии имеют вид кривых с ярко выраженным максимумом (рис.2). Наличие такого рода экстремумов обусловлено резонансом при совпадении частоты колебаний ЭМП с собственной частотой колебаний молекул воды, содержащейся в волокне. В ходе экспериментальной проверки выявлены энергетически выгодные частоты исследованного диапазона, соответствующие 27,12 МГц и 40,68 МГц. Проведенная оценка влияния указанного параметра электромагнитного поля на величину диэлектрических потерь текстильных материалов показала, что значение коэффициента диэлектрических потерь к растет с увеличением частоты поля.

Для каждого технологического процесса также установлена взаимосвязь между величиной напряженности поля и диэлектрическими показателями тканей. Величина напряженности поля влияет, прежде всего, на скорость удаления влаги из материала. Поэтому вслед за уменьшением влагосодержания ткани, экспоненциально уменьшается диэлектрическая проницаемость материала е и экстремально (с максимумом на 30-40%) уменьшается величина /£<5 (табл.1). Следует отметить, что полученные высокие исходные значения к свидетельствуют о возможности эффективного ВЧ-нагрева мокроотжатых тканей на любом технологическом этапе их обработки.

Зависимость tgS текстильных материалов от частоты ЭМП

Частота поля, Гц

1 - полиэфирная ткань;

2 - хлопчатобумажная ткань

3 - вискозная штапельная ткань

Рис.2

Зависимость коэффициента диэлектрических потерь от температуры

Температура, "С

1 - полиамидная ткань (капрон);

2 - хлопчатобумажная ткань;

3 - полиэфирная ткань (лавсан)

Рис.1

Таблица 1

Взаимосвязь напряженности электрического поля (Е) с диэлектрическими показателями хлопчатобумажной ткани «бязь» на различных этапах отделки __(время В Ч-обработки 8 с)___

Коэффициент

Технологический Напряженность, Влаго содержа- tgd диэлектриче-

процесс В/мм ние, % ских потерь, к

1 2 3 4 5 6

Исходный обр. 80 ±2 0,166 67 11,2

100 50 ±2 0,182 60 10,9

Мерсеризация 150 200 20 ±2 6±1 0,169 0,120 51 35 8,6 4,2

250 0 0,155 33 3,8

Исходный обр. 100 ±2 0,129 65 8,4

100 60 ±2 0,130 45 5,9

Беление 150 30 ±2 0,136 33 4,5

200 6±1 0,118 28 3,3

250 0 0,113 26 2,9

Исходный обр 100 i 2 0,25 65 16,3

100 60 ±2 0,23 56 12,9

Крашение 150 200 25 ±2 6±1 0,18 0,05 45 23 8,1 1,2

250 0 0,03 22 0,7

Продолжение табл. 1

1 2 3 4 5 6

Исходный обр. 40 ±2 0,30 41 12,3

100 35 ±2 0,32 39 14,5

Печатание 150 20 ±2 0,15 30 4,4

200 6±1 0,08 21 1,7

250 0 0,04 20 0,8

Исходный обр. 80 ±2 0,17 65 11,1

100 60 ±2 0,17 63 10,7

Заключительная 150 35 ±2 0,19 42 8,0

отделка 200 6±1 0,06 21 1,3

250 - - - -

Обобщение широкого спектра данных позволило определить оптимальную величину напряженности поля, обеспечивающую высокие показатели качества отделки тканей, равную 150-200 В/мм в зависимости от геометрических характеристик материала. При этом апробированы аппликаторы различных конструкций, в том числе, и аппликатор с изменяемой по его длине напряженностью поля, на который получен Патент РФ на полезную модель № 139953 БИ № 12, опубл. 27.04.2014 «Аппликатор для непрерывной обработки длинномерных диэлектрических материалов в электромагнитном поле высокой частоты». Разработанная конструкция аппликатора предусматривает плавное изменение напряженности поля по длине полотна, что позволяет избежать преждевременного высыхания ткани и обеспечивает более полное протекание

химических реакций.

В ходе экспериментальных исследований проведено определение температуры, влажности и электрофизических характеристик обрабатываемого материала во времени, а также рассчитаны энергетические показатели мощностей: общей - подводимой к диэлектрическому материалу, и полезной - идущей на его нагрев. В качестве модельных полимеров были использованы пленочные материалы, близкие по своим диэлектрическим свойствам (к=еЩ&) к кондиционно-сухим тканям. На рис.3 приведены зависимости температуры модельного диэлектрика и поглощаемой им энергии поля ТВЧ от времени обработки. С ростом температуры обрабатываемого материала возрастает и

величина мощности.

Подводимая к аппликатору мощность (Р) расходуется на нагрев материала (рп) и на потери за счет теплообмена с окружающей средой (Рш„):

Р = Р* + Ртп (2)

Для выведения соотношения, позволяющего оценить долю каждой составляющей в общей мощности Р, использовано уравнение непрерывности теплового потока в дифференциальном виде, которое справедливо для плоского полимерного материала:

, л 3{сГ(х,у)) д2Т <7 (*>У) = —д,--О)

В результате получено уравнение, по которому проведен расчет общей мощности, потребляемой нагрузкой:

= (4)

I 8 2

Зависимость температуры модельного диэлектрика (а) и поглощаемая энергия ВЧ-поля (б) от времени ВЧ-обработки

200

и

о 150

■я

а.

те а. 100

и

5

-50

0 2 4 6 8 10 12 Время обработки в поле ТВЧ. с

1 - на оси; 2 - на поверхности материала

Рис.3

),0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Измеренная мощность, кВт

Рис.4 иллюстрирует соотношение между величинами расчетной и измеренной мощностей. На протяжении рабочей зоны ВЧ-аппликатора характер и интенсивность воздействия поля ТВЧ на полимерный материал является различным. Для учета изменения энергетических характеристик системы «волокнистый материал технологическая композиция» предложен универсальный энергетический критерий подобия - показатель удельной мощности.

Рис.4 Расчет данной величины позволит априори

оценить эффективность протекания любого технологического процесса отделочного производства и выдать практические рекомендации по выбору оптимальных параметров обработки тканей в поле токов высокой частоты.

На рис.5 приведена зависимость температуры полимера от генерируемой в диэлектрике мощности. При этом КПД ВЧ-установки зависит от степени

согласования системы «генератор - нагрузка», и имеет максимальный показатель при соблюдении условия Яцг = Л//. Связь между удельной мощностью и степенью согласования для любого процесса ВЧ-обработки может характеризоваться величиной коэффициента стоячей волны (КСВ) и определяться из соотношения выходного сопротивления генератора и сопротивления нагрузки: при величине КСВ близкой к 1, КПД оборудования максимален. Изменение степени согласования при нагреве в ВЧ-поле мокроотжатых тканей происходит за счет испарения влаги и за счет повышения их температуры. При одновременном воздействии на полимер паровой среды и энергии ВЧ-поля его макромолекулы приобретают определенную сегментальную подвижность, и помимо дипольно-групповых появляются дипольно-сегментальные потери. В указанных условиях обработки происходит изменение физического состояния полимера, величина коэффициента диэлектрических потерь возрастает, за счет этого система остается максимально согласованной, и дальнейший нагрев материала в поле ТВЧ по-прежнему эффективен.

Для расчета значения мощности, исходя из величины КСВ, можно использовать приведенные ниже уравнения. Доля отраженной (не поглощенной материалом) мощности рассчитывается по формуле:

отр КСВ +1 (6)

отр

Тогда доля мощности, поглощаемая нагрузкой:

порл отр V ГГУ-1ТЛ . 1 '

КСВ + 1 (КСВ + 1У (7)

На рис.6 приведено характерное изменение температуры во времени для процессов ТВЧ-нагрева полимерных материалов при высокой степени согласования. Исходя из расчетных данных, изменение температуры может быть представлено в виде кривых, каждый из участков которых характеризуется изменением степени согласования системы за счет изменения физического состояния полимера.

На рис.7 приведены зависимости для процесса ВЧ-обработки тканей из термопластичных волокон с одновременным приложением давления при получении на них различных декоративных эффектов (тиснения, аппликаций) или сварного шва. Полученные данные свидетельствуют, что для всех электродов в случае близкого согласования удельная мощность Ру'а незначительно изменяется с ростом температуры.

Корреляционные зависимости температуры диэлектрика и удельной мощности, рассчитанные для смесовых тканей со значительным вложением синтетического волокна, и тканей из чисто синтетических волокон (рис.8), позволяют оценить величину удельных энергозатрат, идущих на ВЧ-обработку тканей с различным влагосодержанием.

Соотношение толщины ткани к площади Влажность материала: I - 90%; 2 - 6% электрода с1/8: 1 - 1/15; 2-1/30; 3-1/60; 4-1/120; 5-1/240 Рис.7

Зависимость температуры полимера от генерируемой в диэлектрике

мощности____________________

200

180

160

и

о 140

О. 120

о. 100

1>

Е 80

и

н 60

40

20

Зависимость температуры модельного диэлектрика от времени пребывания в поле ТВ Ч

ю 20 30 40 50 Подводимая мощность, отн.ед.

Время обработки в поле ТВЧ

1 - высокая степень согласования;

2 - удовлетворительная;

3 - неудовлетворительная

Рис.5

Зависимость мощности от температуры для электродов с __различной площадью____

1 - на оси материала;

2 - на его поверхности

Рис.6

Корреляционная зависимость температуры материала и удельной ___мощности__

0

0 50 100 150 200 Температура, °С

50 100 150 Температура, °С_

Рис.8

Проведено сравнение расчетной и измеренной удельной мощности в зависимости от длительности обработки материала в поле ТВЧ для процессов крашения и желирования ПВХ-пластизолей при получении материалов с полимерным покрытием (рис.9). Отмечено, что в обоих случаях

экспериментальные и полученные расчетным путём кривые показывают одинаковый характер. Отличие в абсолютных величинах связано с неучтенными потерями энергии ВЧ-поля в паразитных емкостях аппликатора.

Изменение мощности при ВЧ-краилении целлюлозных материалов (а) и в процессе желирования ПВХ-пластизоля (б)

у г к— 2 1

/

/ ■

1 ]

V \—

0 2 4 6 8 10

Время обработки в поле ТВЧ, с

I и 2 - расчетные значения для тканей 1 - рассчитанное значение «горизонт» и «диагональ», соответственно; мощности;

II и 21 - измеренные значения для тканей 2 - измеренное значение мощности «горизонт» и «диагональ»

Рис.9

Таким образом, одним из путей совершенствования технологических процессов отделки тканей и повышения эффективности ВЧ-нагрева является обеспечение максимальной степени согласования генератора и нагрузки, что приводит к росту значения КПД оборудования. В представленной работе указанная проблема решена за счет конструкционных особенностей ВЧ-аппликаторов: расчета оптимальной площади электродов, изменения расстояния между электродами при обработке ткани в непрерывном режиме, изменения напряженности электрического поля по длине аппликатора.

3.3. Разработка математических моделей для оценки эффективности нагрева текстильных материалов в поле ТВЧ в процессах их отделки и получения на тканях полимерного покрытия

Как уже отмечалось диэлектрические свойства обрабатываемых материалов, с нанесенными на них технологическими составами, также оказывают значительное влияние на скорость и интенсивность их нагрева в поле ТВЧ.

В процессе исследования наработана база данных зависимости величин tgS и е от различных внешних факторов. Данный раздел работы посвящен созданию математических моделей, позволяющих оценить результат и характер протекания технологического процесса с учетом постоянно изменяющихся параметров всей системы и, не прибегая к трудоемкому эксперименту, подобрать оптимальные технологические составы для различных этапов отделки тканей.

Решение задачи построения качественной математической модели, соответствующей эмпирическим данным и целям исследования, является многоступенчатым процессом. Изначально проведено разбиение полученных данных по диэлектрическим характеристикам текстильных материалов соответственно процессам отделочного производства. Практический интерес представляет целостный анализ полученного массива данных величины tgS, и создание математических моделей, позволяющих определять данную характеристику расчётным путём, исходя из рецептуры технологических растворов, в соответствие с разработанным алгоритмом, приведенным на рис.10.

Алгоритм расчета эффективности теплового нагрева текстильного материала в поле ТВЧ

Рис.10

Поставленная задача решена методом множественного регрессионного анализа, в результате чего получены зависимости величины от геометрических

параметров' тканей, концентраций компонентов технологических растворов, частоты и напряженности поля. При этом все выводы и рекомендации основываются на полученных в'ходе исследования статистических данных. Изменение показателя /£<5 рассматривалось во взаимосвязи с целым рядом влияющих на него факторов. Модель, которая отражает взаимосвязь одной переменной с несколькими, влияющими на нее, можно представить в виде уравнения множественной регрессии:

у=/(х,,х2,...,хт)

где у - результирующая переменная - /£<5; хи х2,..хт - независимые переменные

Качество полученных уравнений оценивалось в соответствии с методом статистического анализа по следующим критериям: коэффициенту детерминации (Я2) - чем ближе полученная для модели величина Л2 к единице, тем более качественной она является; /•'-критерию Фишера и /-статистики, которые рассчитываются индивидуально для каждой математической модели и сравниваются с табличными значениями.

С помощью представленных ниже математических моделей были выбраны наиболее энергетически выгодные режимы ВЧ-обработки тканей для непрерывных процессов подготовки; крашения активными, прямыми, кубовыми и кубозолевыми красителями; процессов заключительной отделки и получения материалов с полимерным покрытием. Ввиду того, что при реализации процессов отделочного производства используются различные по химическому составу растворы и композиции, целесообразно вывести индивидуальные математические зависимости изменения диэлектрических свойств материала для каждого из этапов.

В ходе анализа процессов ВЧ-сушки текстильных материалов в качестве основных переменных, влияющих на величину приняты: х, - поверхностная плотность ткани, г/м2; хг - толщина ткани, м; х3 - влажность ткани, %; - частота поля, Гц; х5 - диэлектрическая проницаемость материала; - напряженность поля, В/м. В результате получены следующие уравнения.

Уравнение 1: = -0,168+1,04-ИГ4х, - 8,27-1(Г5х3+1,891(Г!0х4+ +3,76Ю4х5+3,66Ш7х6 целесообразно использовать при подборе энергетически выгодного режима ВЧ-сушки целлюлозосодержащих тканей с поверхностной плотностью до 300 г/м2 на любых технологических переходах отделочного производства, в том числе, на этапах промежуточной сушки, а также закрепления прямых красителей.

Уравнение 2: = -0,0036 - 2,14-Ш4х3 + 4,611аюх4+3,5210'4х5 получено для тканей с высокой поверхностной плотностью и толщиной при нулевых концентрациях компонентов технологических растворов. Данная зависимость лучше всего отражает процессы ВЧ-сушки промытых тканей с поверхностной плотностью более 300 г/м2, имеющих исходную влажность 80 -120%.

В процессе мерсеризации хлопчатобумажных и хлопкополиэфирных тканей влияние на величину диэлектрических потерь оказывают: лс/ - частота поля, Гц; х2

- концентрация гидроксида натрия, г/л; д:? - поверхностная плотность ткани, г/м2; Х4 - толщина ткани, м.

Уравнение 3: %д3 = - 0,25+1,45-1а9х,+],3-1 (Г3х2-2,2-1(Т4х3+516,1х4 получено для оценки величины при мерсеризации на разрешенных к

промышленному применению частотах (27,12 и 40, 68 МГц) при концентрациях едкого натра до 200 г/л.

Математическая модель процесса пероксидного беления построена с учётом основных компонентов белящего раствора, где: X/ - частота поля, Гц; х2 -концентрация пероксида водорода Н202 (100%), г/л; х3 - концентрация гидроксида натрия, г/л; х4 - концентрация силиката натрия Ыа28Ю3, г/л; лг5 - поверхностная плотность ткани, г/м2; Хц — толщина ткани, м.

Уравнение 4:

(83 = - 0,25+8,6-1(Г9х, - 0,11х3+3,4-1(У2х4+3,2-10'4х5+217,9х6 использовано при расчёте величины диэлектрических потерь на промышленно разрегиенных частотах для процесса беления. При проверке статистической значимости параметров полученной модели была установлена незначимость коэффициента при переменной дг2, поэтому соответствующий показатель был исключен из уравнения множественной регрессии.

В отделочном производстве наиболее сложными и многообразными по составу являются красильные растворы и печатные композиции, в связи с чем, наибольшее количество статистических данных было наработано для процессов колорирования текстильных материалов. Поэтому, построение математической зависимости величины от геометрических характеристик текстильных

материалов и составов пропиточных растворов, потребовало несколько иного подхода при систематизации полученных данных. На данном этапе математическая обработка производилась последовательно в 2 этапа: кластерный анализ всей базы данных и построение математической модели внутри каждого кластера с использованием метода множественного регрессионного анализа.

Кластерный анализ позволяет разбить множество факторов на отдельные группы таким образом, чтобы параметры обработки, входящие в одну группу (кластер), были более сходными по сравнению с величинами, включенными в другие группы. Основными переменными для проводимой в данном случае математической обработки являются: д^ — поверхностная плотность ткани, г/м2; лг2

- толщина ткани, м; л3 - влажность ткани, %; лг4 - частота поля, Гц; д:5 -диэлектрическая проницаемость материала; х^ - напряженность поля, В/м; Ху — концентрация нейтрального электролита, г/л; х8 - концентрация карбамида (мочевины), г/л; х? - концентрация щелочного агента, г/л; Хщ - концентрация красителя (активного, прямого, кубового), г/л; Хц - температура обрабатываемого материал а,°С.

Результатом проведенного математического анализа явилось разбиение массива данных на отдельные кластеры, получение соответствующих математических моделей и рекомендации по их практическому использованию:

Уравнение 5: ^¿5= - 0,167-2,3 ](Г4хз+6,251СГ3 х1+9,591а4х7-5,741Сг\+ +5,39-1 (Г3х9 +5,74- ИГ4 х, о

получено для тканей с поверхностной плотностью 100-250 г/м2 и рекомендуется для выбора режима ВЧ-обработки на частоте 40,68 МГц при реализации процессов колорирования, так как основное влияние на эффективность нагрева материала будет оказывать состав и концентрация компонентов технологической композиции. При этом данное уравнение может быть использовано для подбора оптимальных условий колорирования активными, прямыми и кубовыми красителями, поскольку их составы содержат щелочной агент, нейтральный электролит и карбамид.

Уравнение 6: = 0,275 + 10 Зх, - 1051,73х2+0,043-1пх3+3,664-1СГ9х4+ +610 % - 7,7321а6 х3- 210 ~3 х9 содержит наибольшее количество переменных при постоянстве концентрации красителя и температуры, поэтому его наиболее целесообразно применять при выборе условий колорирования целлюлозосодержащих тканей различной поверхностной плотности и толщины с использованием любых промышленно разрешенных частот.

Уравнение 7: #<57 = - 0,034 + 810 -}х,+80.255х2+10 '2х;+10 ~2хп характеризуется постоянством частоты поля, отсутствием в растворе нейтрального электролита, постоянством концентраций мочевины, щелочного агента и красителя, поэтому данная модель пригодна при подборе условий крашения и сушки тканей различной поверхностной плотности и толщины на промышленно разрешенной частоте 40,68 МГц.

Множественный регрессионный анализ был также применён при статистической обработке данных, полученных для процессов печати пигментами и заключительной отделки, где в качестве объясняющих переменных выступали: х1 - частота поля, Гц; х2 - поверхностная плотность ткани, г/м2; X) - толщина ткани, м; х4- суммарная концентрация предконденсатов термореактивной (ПТРС) и/ипи термопластичной (ПТПС) смолы, г/л; х5 и х6 -концентрации катализаторов, соответственно, М§С12 (МН4С1) и СН3СООМ (30%), г/л; х7 - концентрация мягчителя, г/л.

Уравнение 8:

«£<5« = - 0,194+3,19-1(Г9х,+7,58-1(Г4х2 - 8,451СГ2х3+8,75-1(Г4х4 - 3,58- 1(Г3х5 -

-2,5-1СГ2х6-2,48-1(Г3х7 учитывает влияние всех обозначенных переменных, поэтому является универсальным при оценке величины tgS в процессах печати пигментами и заключительной отделки целлюлозосодержащих тканей.

Для процессов изготовления тканей с ПВХ-покрытием получена зависимость, учитывающая следующие величины: д?1 - поверхностная плотность ткани, г/м2; хг - толщина наносимого слоя ПВХ-пасты, м; лс3 - частота поля, Гц; х» - количество ПВХ, масс.ч.; х5 и х6 - количество пластификаторов ДОФ и ТХЭФ, соответственно.

Уравнение 9: tg59 = 0,056 + 10 ~3х, - 102, 2х2 +2,43-Ш9х3 + 610 ~6х4 --5,11810-6 х5-2,571-10-"х6

использовано при подборе энергетически выгодных условий в процессах получения на тканях полимерного покрытия и декорирования текстильных изделий путем нанесения на них пластизолевых красок методом печати.

Следует отметить, что для всех математических моделей коэффициент детерминации лежит в пределах 0,86 - 0,97, что свидетельствует об их высокой точности. Кроме того, имеет место высокая статистическая значимость регрессий в целом: наблюдаемые значения ^статистики существенно превышают табличные значения, при уровне значимости а=0,001, что характеризует высокое качество полученных математических зависимостей.

На основе полученных математических моделей для расчета величины диэлектрических потерь материала разработана универсальная методика, позволяющая оценить влияние энергетического фактора, параметров ВЧ-поля и электрофизических характеристик текстильных материалов на эффективность их ВЧ-нагрева. Предложенная методика позволяет с помощью прикладных программ «Анализ данных», входящих в МБ Ехсе1-2010, выдать прогноз по величине tg¿ и быстро рассчитать значение удельной мощности, выделяющейся в материале в виде тепла. В качестве примера на рис.11 приведены графики для нахождения величины удельной мощности по значению для процессов мерсеризации, крашения и заключительной отделки хлопчатобумажной ткани «горизонт».

Корреляционная зависимость величины удельной мощности и диэлектрических потерь хлопчатобумажной ткани «горизонт» на различных

этапах отделки

Рис.11

Технологический процесс:

1 — мерсеризация,

2 — крашение,

3 - малосминаемая отделка

Анализ полученных математических моделей показал, что во всех рассмотренных случаях первостепенное влияние на величину tgS и эффективность нагрева ткани в ВЧ-поле, оказывают геометрические характеристики обрабатываемого материала, концентрация наиболее сильного электролита, влагосодержание ткани и частота внешнего электромагнитного поля. На показатели качества получаемых материалов в свою очередь влияют

напряженность электромагнитного поля и продолжительность обработки ткани в поле ТВЧ. Для каждого технологического этапа с использованием полученных математических моделей были выбраны оптимальные режимы обработки тканей в ВЧ-поле, которыми предлагается заменить все тепловые процессы, предусмотренные в непрерывных способах отделки текстильных материалов по схеме «пронитка/плюсование/нанесение печатного рисунка - сушка/тепловая обработка - промывка - сушка».

Пригодность математических моделей расчета величин tg5 текстильных материалов для использования на практике также были оценены в ходе научно-производственных испытаний. Полученные качественные показатели текстильных материалов, режимы обработки которых выбирались с учетом расчетных данных, свидетельствуют о высокой точности предложенных уравнений. Таким образом, полученные математические модели, позволили быстро определить величину диэлектрических потерь текстильных материалов и на основе этого выбрать наиболее эффективные режимы их нагрева в поле ТВЧ. Это позволило унифицировать подход к совершенствованию технологий, использующих ВЧ-нагрев на этапах тепловой обработки тканей.

3.4. Оптимизация технологических процессов отделки тканей с использованием нагрева в поле ТВЧ

Проведенные исследования и анализ литературных данных показывают, что под действием поля ТВЧ возрастает кинетическая подвижность ионов и молекул низкомолекулярных веществ, входящих в технологические составы, что ускоряет их диффузию в структуру волокна. Помимо этого, в результате воздействия поля ТВЧ в такт его частоте происходит колебание атомов или целых функциональных групп самого полимера. А в случае, когда полимер находится в пластифицированном или высокоэластическом состоянии (целлюлоза при влажности 80-110%, синтетические волокна при температуре выше Тс) имеет место и сегментальная подвижность участков макромолекулярной цепи. Совокупность указанных факторов приводит к уменьшению суммарной энергии межмолекулярных связей и к снижению энергии химических связей в макромолекулах полярных полимеров. Следствием этого является образование дополнительного числа активных центров, влияющих на скорость и полноту протекания химических реакций полимера с низкомолекулярными веществами. Сделанные предположения подтверждены проведенными расчетами скорости диффузии молекул красителей и отделочных препаратов в целлюлозу (10 "9 см2/с -для запаривания и 10 "7 см2/с - для ВЧ-обработки), которые показали увеличение указанного значения на два порядка. Расчет величины Тс для целлюлозных материалов в процессе их ВЧ-обработки доказал, что на начальном временном отрезке ВЧ-нагрева первые 4 с целлюлоза находится в пластифицированном состоянии, что значительно повышает ее реакционную способность. В дальнейшем при уменьшении влажности до 40% и ниже значение Тс целлюлозы возрастает, и она переходит в застеклованное состояние. Рассчитанные константы скоростей реакции (0,03 с 1 - для запарного способа и 0,60 с 1 - для ВЧ-обработки) свидетельствуют о двадцатикратном увеличении скорости химической реакции

красителя с целлюлозой под действием ВЧ-поля. Таким образом, в результате воздействия энергии поля ТВЧ на систему «текстильный материал -технологическая композиция» повышается эффективность протекающих в ней физических, физико-химических и химических процессов, имеющих место на различных этапах отделки текстиля.

Систематизация и анализ полученных и литературных данных также показали, что обработка текстильных материалов различной химической природы в поле ТВЧ ускоряет протекание релаксационных процессов в структуре волокна вследствие чего, улучшаются физико-механические свойства материала. Поскольку под действием поля ТВЧ подвижность сегментов макромолекулярньгх цепей повышается, это способствует переводу структуры полимера в равновесное состояние и обуславливает изменение его прочностных свойств (рис. 12а). Улучшение прочностных свойств целлюлозных материалов, прошедших ВЧ-обработку также доказывает рост значений степени полимеризации целлюлозы (рис.126).

Влияние энергии поля ТВЧ на физико-механические свойства

целлюлозного волокна (а) и степень полимеризации целлюлозы

а б

Рис.12

Аналогичным образом происходит увеличение разрывной нагрузки тканей из полиамидных и полиэфирных волокон после их обработке в поле ТВЧ (рис.13).

При обработке влажных полиамидных и полиэфирных тканей в поле ТВЧ в течение 4 с, зафиксировано повышение прочности образцов, в среднем, на 15 -25%. Одновременно с возрастанием прочности волокна (в случаях, когда не производится его химическая модификация), происходит уменьшение показателя его удлинения.

Заключительным этапом работы явилось практическое подтверждение достоверности полученных данных о влиянии энергетического фактора, диэлектрических характеристик полимерных материалов и рекомендованных параметров электромагнитного ВЧ-поля на качество готовых тканей, а также выявление технологического и экономического преимущества применения ВЧ-нагрева в процессах отделочного производства, реализуемых по непрерывной

схеме.

Изменение физико-механических свойств тканей из полиамидных и полиэфирных волокон под действием поля ТВ Ч

Разрывная нагрузка (а)

Удлинение (б)

1 - полиамидная ткань; 2 - полиэфирная ткань Рис. 13

Оценка сорбционной способности и изменения структуры целлюлозного волокна до и после проведения процесса мерсеризации в различных условиях подтвердила оптимальность выбранных с использованием полученного уравнения условий высокочастотной обработки. Об этом свидетельствуют полученные показатели баритового числа - 141 при ВЧ-мерсеризации, против 135 - при традиционном способе. Кроме того, ранее проведенные исследования и анализ литературных данных доказывают, что при ВЧ-мерсеризации содержание модификации целлюлозы-П в кристаллитных областях аналогично или несколько превышает указанный показатель, полученный по ходовой технологии.

При реализации процесса пероксидного беления выявлено, что с точки зрения теории нагрева диэлектриков в поле ТВЧ, полученные результаты коррелируют с их диэлектрическими характеристиками.

Изучены процессы диффузии активных красителей и отделочных препаратов в целлюлозосодержащий материал при моделировании процессов крашения, печатания и заключительной отделки в условиях различных тепловых обработок (рис.14).

Выявлено, что под действием поля ТВЧ уровень сегментальной подвижности макромолекул целлюлозы оказывает значительное влияние на рост диффузионной проницаемости полимерного материала по отношению к красителям, а сами молекулы красителей приобретают большую диффузионную подвижность.

Сравнительная оценка показателей качества ткани, прошедшей заключительную отделку, представлена в табл.3. Установлено, что обработка в поле ТВЧ приводит к уменьшению количества поперечных сшивок и увеличению их длины. Это обуславливает возможность перераспределения нагрузки между отдельными структурными элементами волокна при разрыве и снижение потерь прочности тканей после прохождения малосминаемой отделки.

Распределение красителя активного ярко-красного СТ по слоям целлофановой мембраны

Рис.14

Таблица 3.

Влияние условий тепловой обработки на показатели ткани, прошедшей малосминаемую отделку

ВЧ-обработка (7 с) Традиционный способ

Кол-во попер, сшивок Длина попер, сшивки Сумм, угол раскр., град Снижение разрывн. нагрузки. % Кол-во попер, сшивок Длина попер, сшивки Сумм, угол раскр., град Снижение разрывн. нагрузки, %

4,27±0,16 2,55±0,15 212±5 30±3 4,51 ±0,16 2,02±0,15 210±5 33±3

Аналогичным образом осуществлялась оптимизация состава ПВХ-паст и режимов ВЧ-обработки для получения на тканях полимерного покрытия. Предложенный способ получения ПВХ-покрытия или декорирования текстильного материала заключается в последовательном проведении следующих операций: нанесение на поверхность ткани ПВХ-пластизоля ламинированием, трафаретной печатью или через сетчатые шаблоны; обработка ткани в поле токов высокой частоты в течение 16-20 с при частоте 40, 68 МГц. При этом одновременно происходят процессы сушки, вспенивания (при использовании пластизолевых красителей), отверждения и фиксации ПВХ-пластизоля на поверхности текстильного материала. На данный способ получено положительное решение о выдаче патента на изобретение «Способ декорирования текстильных материалов» от 17.03.2015 (заявка на изобретение № 2014120296).

При использовании ТВЧ-нагрева были получены полимерно-тканевые композиции, превосходящие по своим качественным характеристикам материалы, полученные по традиционным технологиям: водоудерживающая способность полимерно-тканевых материалов увеличилась на 30 - 40%; устойчивость полимерного покрытия к истиранию возросла на 7 - 12%; мягкости грифа декорированного материала увеличилась на 10-15%.

Таким образом, на основании результатов теоретических и экспериментальных исследований усовершенствованы технологические процессы отделки тканей за счет подбора технических и технологических параметров их обработки в поле ТВЧ. Результатом проведенной работы является сокращение расхода химических материалов при сохранении высоких показателей качества тканей, вследствие более полного протекания в ВЧ-поле процессов фиксации волокном красителя и аппрета. Пропорционально этому удается сократить количество промывных ванн и уменьшить расход воды, идущей на промывку полотна. За счет совмещения промежуточной сушки тепловой обработки в одну стадию также достигается сокращение производственного цикла и экономия производственных площадей, при этом время фиксации красителя, отделочного препарата и образование ПВХ-пленки на тканях сокращается со 120-180 с при традиционных способах отделки до 6 - 20 с при ВЧ-обработке. Экономический эффект от внедрения предложенных решений, рассчитанный без учета экономии на производственных площадях и без учета стоимости традиционного оборудования, составляет около 35 млн. руб. в год на одну технологическую линию (в ценах 2013 г.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выводы

1. Выявлены основные зависимости диэлектрических показателей текстильных полотен от их волокнистого состава, структурных и размерных характеристик. Установлено, что определяющими факторами энергетической эффективности обработки в поле ТВЧ являются химический состав и геометрические характеристики тканей. Получены зависимости, связывающие диэлектрические характеристики исследуемых материалов с составами технологических растворов, влагосодержанием и температурой их обработки. Подобраны оптимальные концентрации компонентов технологических растворов и композиций, обеспечивающие энергетически выгодные режимы обработки тканей в ВЧ-поле.

2. Для широкого диапазона частот при различной напряженности электрического поля получен массив данных по диэлектрическим свойствам пленок, полимерных композиций и тканей, имеющих различную химическую природу и технические характеристики. Обобщение данных позволило выбрать оптимальную частоту поля ТВЧ в исследуемом диапазоне (/" = 73 кГц - 41 МГц), обеспечивающую максимальную величину диэлектрических потерь полимерных материалов и выдать рекомендации по подбору величины напряженности поля.

3. На основании обобщения экспериментальных и литературных данных показано влияние вида и продолжительности высокотемпературной обработки на значения показателя диэлектрических потерь целлюлозных материалов и оценено воздействие поля токов высокой частоты на величину степени полимеризации целлюлозы. Выявлена зависимость между диэлектрическими характеристиками тканей и молекулярной массой целлюлозных волокон, что доказывает факт влияния молекулярной структуры полимера на его диэлектрические характеристики.

4. Проведена оценка влияния ВЧ-поля на физико-механические характеристики

текстильных волокон различной химической природы и проанализированы основные закономерности изменения прочностных свойств тканей в зависимости от продолжительности их обработки в поле ТВЧ. Проанализирована зависимость между глубиной и скоростью релаксационных процессов, протекающих в целлюлозном волокне при ВЧ-нагреве, и уровнем сегментальной подвижности макромолекул полимера. На основании полученных данных сделано предположение об изменениях надмолекулярной структуры волокнистых материалов под действием поля токов высокой частоты.

5. Проведены исследования процессов диффузии красителей и предконденсатов термореактивных смол в целлюлозосодержащем материале в различных условиях обработки. Полученные результаты доказывают активирующее воздействие ВЧ-поля на кинетическую подвижность красителей и отделочных препаратов в волокне. Показано, что под действием энергии поля ТВЧ повышается степень фиксации красителей и отделочных препаратов, что подтверждает увеличение реакционной способности целлюлозы.

6. Впервые проведено ранжирование внешних факторов, характеризующих протекание химико-текстильных процессов при использовании энергии поля токов высокой частоты. Методом кластерного анализа проведена математическая обработка массива данных зависимости величины диэлектрических потерь от технических характеристик текстильных полотен, состава пропиточных растворов, влагосодержания и параметров обработки в поле ТВЧ. По величине соответствующих коэффициентов выявлена степень влияния каждого из факторов на значения диэлектрических показателей материала. Для каждого кластера предложена математическая модель, позволяющая расчетным путем определить величину диэлектрических потерь целлюлозосодержащих тканей, и оценить эффективность их нагрева в электромагнитных полях ВЧ-диапазона.

7. С использованием математических зависимостей при моделировании процессов подготовки, колорирования, заключительной отделки и получении тканей с ПВХ-покрытием выбраны энергетически выгодные условия их обработки в поле ТВЧ. Разработана универсальная методика оценки влияния энергетического фактора, параметров поля высокой частоты и электрофизических характеристик текстильных материалов на эффективность протекания химико-текстильных процессов.

8.Обоснован выбор универсальной энергетической величины, характеризующей эффективность процесса диэлектрического нагрева. Доказано, что главным энергетическим фактором, определяющим экономическую и технологическую эффективность нагрева текстильных материалов в поле ТВЧ при реализации процессов отделки, является удельная мощность, зависящая от диэлектрических свойств обрабатываемых тканей. Установлена корреляция между температурой и величиной генерируемой в материале мощности.

9. Показано, что максимальная скорость нагрева до рабочей температуры имеет место в процессах обработки мокроотжатых тканей с привесом 80 - 110%. При этом воздействие поля ТВЧ на полотно по длине рабочей зоны аппликатора является различным. Выявлено, что величина удельной мощности и КПД ВЧ-

установки в целом зависят от степени согласования системы «генератор -аппликатор». С использованием предложенных математических моделей произведен расчет удельной мощности, генерируемой в материале на различных этапах его обработки. Полученные результаты имеют значения близкие к измеренным величинам, что подтверждает высокую точность предложенных уравнений.

10. На основании полученных экспериментальных данных установлена взаимосвязь между параметрами ВЧ-обработки (величиной удельной мощности, напряженностью и частотой поля, диэлектрическими характеристиками и влажностью материала, длительностью обработки) тканей, с одной стороны, и техническими результатами каждой стадии отделки, с другой стороны. Это позволяет прогнозировать процесс ВЧ-нагрева и конечный результат любого технологического этапа отделочного производства, предусматривающего обработку ткани в поле ТВЧ, без проведения предварительного трудоемкого эксперимента.

Рекомендации. Проведенные исследования обосновывают возможность замены традиционных способов теплового воздействия на ткань в процессах их химической отделки на обработку материалов в поле ТВЧ. Рассчитанные с помощью предложенных математических моделей оптимизированные технологические составы и режимы ВЧ-обработки тканей рекомендованы для проведения различных этапов отделочного производства, получения тканей с полимерным покрытием и декорирования текстильных изделий с использованием пластизолевых красок. В результате обеспечиваются наиболее энергетически выгодные условия проведения химико-текстильных процессов и получение готовых материалов с высокими качественными показателями.

Перспективой дальнейшей разработки тематики по использованию высокочастотного нагрева в отделочном производстве являются исследования, предусматривающие расширение спектра технологических составов, применяемых в процессах облагораживания текстильных материалов, и ассортимента выпускаемых тканых и нетканых полотен. Основные обозначения, принятые в тексте

руЛ - мощность, генерируемая в единице объема материала, [Вт/м ]; tgS - тангенс угла диэлектрических потерь; е - диэлектрическая проницаемость материала; к - фактор (коэффициент) диэлектрических потерь; /- частота внешнего электромагнитного поля, [Гц]; Е - напряженность поля, [В/м];

С0 и - емкость и добротность контура на данной частоте без измерительной

ячейки; „ „

С, и Qi - емкость и добротность контура с измерительной ячейкой; }

д - тепловая энергия, выделяющаяся в единице объема материала, [Дж/с-м ];

Р - мощность, потребляемая аппликатором, [Вт];

Р„-полезная мощность, [Вт/м ];

Рт„ - тепловые потери, [Вт/м ]; 0

С - теплоемкость нагреваемого материала [Дж/кг- С];

''-плотность нагреваемого материала [кг/м ];

Л - коэффициент теплопроводности материала [Вт/м-°С]; 3 - толщина нагреваемого материала [м];

ЛТ . разница между начальной и конечной температурами на временном участке продолжительностью т[°С];

ATq- разница между температурами на оси и стенке пакета в фиксированный

момент времени (°С];

Rh - сопротивление нагрузки [Ом];

Лаг - выходное сопротивление генератора [Ом];

Pomp - отраженная мощность [отн.ед.];

Рпогя. - поглощенная мощность [отн.ед.];

КС В - коэффициент стоячей волны.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи, входящие в перечень ВАК

1. Циркина, О.Г. Влияние параметров поля токов высокой частоты на электрофизические характеристики тканей при реализации химико-текстильных процессов/ О.Г. Циркина, A.J1. Никифоров// Известия вузов. Технология легкой промышленности.-2014.-Т.23.- №1 .-С. 12-15.

2. Циркина, О.Г. Использование энергии поля токов высокой частоты для интенсификации процесса беления целпюлозосодержащих материалов /О.Г. Циркина, A.JI. Никифоров// Известия вузов. Технология легкой промышленности.—2014.—'Г.26.-№.4.—С.64-69.

3. Циркина, О.Г. Кластерный анализ показателей диэлектрических свойств текстильных материалов при изменении условий их обработки в отделочном производстве /О.Г. Циркина, М.В. Ермолаев, A.JI. Никифоров //Известия вузов. Химия и химическая технология. -2013.-№11.-С.79-81.

4. Циркина, О.Г. Расчет удельной мощности для процессов обработки текстильных материалов в поле токов высокой частоты /О.Г. Циркина, A.J1. Никифоров // Известия вузов. Технология текстильной промышленности-2013-№5.-С.60-64.

5. Циркина, О.Г. Влияние энергии электромагнитных колебаний на физико-механические характеристики текстильных материалов /О.Г. Циркина, А.Л. Никифоров // Известия вузов. Технология текстильной промышленности.-2013-№2.-С.85-90.

6. Циркина, О.Г. Кластерный анализ диэлектрических характеристик целлюлозосодержащих материалов при реализации процессов колорирования с использованием нагрева в поле ТВЧ /О.Г. Циркина, М.В. Ермолаев, A.JI. Никифоров //Известия вузов. Технология легкой промышленности.-2012.-Т.17.-№3.-С.113-115.

7. Циркина, О.Г. Применение диэлектрического нагрева для зреления тканей, напечатанных активными бифункциональными красителями /О.Г. Циркина, А.Л. Никифоров // Известия вузов. Технология легкой промышленности.- 2011 -Т. 14-№4.-С.24-26.

8. Циркина, О.Г. Исследование возможности применения диэлектрического нагрева для совершенствования технологических процессов получения ПВХ-покрытий /О.Г. Циркина, А.Е. Дрогун, А.Л. Никифоров // Известия вузов. Технология легкой промышленности.—2011.-Т. 11.-№1.-С,33-35.

9. /Ipoiyii, А.Е. Особенности протекания процесса желирования ПВХ-пластизолей в поле токов высокой частоты при формировании полимерных покрытий на текстильных материалах/ А.Е. Дрогун, О.Г. Циркина, А.Л. Никифоров //Известия вузов. Технология текстильной промышленности-2010-

№4.-С.67-70.

10. Циркина, О.Г. Прогнозирование воздействия поля ТВЧ на эффективность протекания химико-текстильных процессов отделочного производства/ О.Г. Циркина, Ермолаев М.Б. // Известия вузов. Технология текстильной промышленности.-2010.-№8.-С.51 -54.

11. Удалов, М.В. Использование энергии электромагнитных колебаний для фиксации активных бифункциональных красителей на целлюлозосодержащих материалах/ М.В. Удалов, О.Г. Циркина, A.JI. Никифоров// Известия вузов. Технология текстильной промышленности.-2010.-№2.-С.73-77.

12. Циркина, О.Г. Моделирование процессов диэлектрического нагрева полимерных материалов в ВЧ/СВЧ-полях/О.Г. Циркина, A.J1. Никифоров, М.В. Удалов // Известия вузов. Технология текстильной промышленности.-2010.-№1-С.68-72.

13. Циркина, О.Г. О согласовании системы «источник ВЧ/СВЧ-излучения -нагрузка» при реализации процессов диэлектрического нагрева полимерных материалов /О.Г. Циркина, A.J1. Никифоров, М.В. Удалов // Известия вузов. Технология текстильной промышленности.-2009.-№6.-С.60-63.

14. Владимирцева, E.JI. Заключительная отделка гидрофобных тканей. Решение проблем пропитки и фиксации аппрета / E.JI. Владимирцева, JI.B. Шарнина, О.Г. Циркина // Известия вузов. Технология текстильной промышленности.-2009.-№5.-С.45-48.

15. Никифоров, A.JI. Измерение мощности при высокочастотной обработке текстильных материалов/ A.JI. Никифоров, О.Г. Циркина // Известия вузов. Технология текстильной промышленности.-2009.-№1.-С.72-74.

16. Циркина, О.Г. Комплексная оценка диэлектрических характеристик текстильных материалов с целью определения энергетически выгодного режима их обработки / О.Г. Циркина, A.JI. Никифоров // Известия вузов. Технология текстильной промышленности.-2008.-№ 6.-С.85-88.

17. Кулыгин, Ю.Н. Особенности энергетики технологических процессов облагораживания целлюлозосодержащих тканей в ВЧ/СВЧ-полях / Ю.Н. Кулыгин, О.Г. Циркина, A.JI. Никифоров, Б.Н. Мельников // Известия вузов. Технология текстильной промышленности .-2007.-.Ks 2.-С.57-60.

18. Циркина, О.Г. Особенности конструкции ВЧ-аппликаторов для непрерывной обработки расправленных текстильных материалов и возможность оптимизации режимов их работы / О.Г. Циркина, A.JI. Никифоров, Б.Н. Мельников, Ю.Н. Кулыгин// Известия вузов. Технология текстильной промышленности.-2006.-№ 2.-С.58-61.

19. Никифоров, А. Л. Механизм активирующего воздействия электромагнитных колебаний на систему волокнообразующий полимер -технологическая композиция/ А.Л. Никифоров, Б.Н. Мельников, О.Г. Циркина// Известия вузов. Технология текстильной промышленности.-2005.-№ 6.-С.47-51. Патенты

1. Аппликатор для непрерывной обработки длинномерных диэлектрических материалов в электромагнитном поле высокой частоты / Циркина О.Г., Никифоров А .Л. // Патент РФ на полезную модель № 139953, БИ № 12, опубл. 27.04.2014.

2. Способ декорирования текстильных материалов / Циркина О.Г., Владимирцева Е.Л., Шарнина Л.В., Никифоров А.Л., Одинцова О.И., Владимирцев О.Ю.// Решение о выдаче патента на изобретение от 17.03.2015 (Заявка на изобретение № 2014120296 от 22.05.2014).

Подписано в печать 15.06.2015. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл.печ.л. 1,86. Уч.-изд.л. 2,06 Тираж 100 экз. Заказ 3908

Отпечатано на полиграфическом оборудовании кафедры экономики и финансов ФГБОУ ВПО «ИГХТУ» 153000, г. Иваново, Шереметевский пр., 7