автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Влияние поверхностно-активных веществ на капиллярность текстильных и нетканых материалов

ВВЕДЕНИЕ.

Общая характеристика работы.

ГЛАВА I. Обзор литературы.

1.1. Капиллярная структура волокнистых материалов.

1.2. Физико-химические основы капиллярных процессов.

1.2.1 Смачивание.

1.2.2. Капиллярное проникание в волокнисто—пористые материа- 29 лы.

1.3. Влияние поверхностно-активных веществ на смачивание.

1.4. Свойства смесей поверхностно-активных веществ.

1.5. Выводы по обзору литературы.

ГЛАВА II. Методики эксперимента и исследованные вещества.

2.1.Методики эксперимента.

2.1.1. Определение температуры растворения ПАВ.

2.1.2. Определение поверхностного натяжения растворов поверх- 55 ностно-активных веществ,.

2.1.3. Определение капиллярности текстильных материалов.

2.1.4. Определение удельной активной поверхности волокон ме- 57 тодом адсорбции красителя из водного раствора.

2.1.5. Подготовка смесовых тканей к исследованию.

2.1.6. Расшлихтовка суровой хлопчатобумажной ткани.

2.1.7. Методика щелочной отварки хлопчатобумажных тканей.

2.1.8. Мерсеризация хлопчатобумажной ткани.

2.1.9. Отбеливание хлопчатобумажной ткани.

2.2. Исследованные вещества.

2.3. Применение ПЭВМ для обработки экспериментальных дан

ГЛАВА III. Результаты эксперимента и их обсуждение.

3.1. Определение поверхностного натяжения растворов ПАВ и 64 расчет параметров молекул в насыщенном адсорбционном слое.

3.2. Расчет изотерм адсорбции красителя метиленового голубого 68 на волокнах тканей и нетканых материалов и удельной активной поверхности волокон.

3.3. Разработка метода определения капиллярных параметров тканей.

ЗАВыбор поверхностно-активных веществ и состава их смесей 75 для смачивания тканей и нетканых материалов.

3.5. Влияние обработки и состава тканей и нетканых материалов 80 на их капиллярные характеристики.

3.5.1. Влияние облагораживания хлопчатобумажной ткани на её 81 капиллярные характеристики.

3.5.2. Влияние состава смешанной ткани хлопок/полиэфир на ка- 84 пиллярные свойства.

3.5.3. Капиллярные свойства некоторых нетканых материалов.

3.6.Влияние концентрации растворов и состава смесей ПАВ на 90 смачивание нетканых и текстильных материалов.

3.6.1. Влияние состава концентрации растворов ПАВ на смачи- 90 вание нетканых материалов.

3.6.2. Влияние концентрации растворов ПАВ на смачивание тек- 92 стильных материалов.

3.6.3. Влияние состава смесей ПАВ на смачивание тканей.

3.7.0пределение адсорбции ПАВ по результатам исследования 98 капиллярности текстильных материалов.

Выводы.

В современных условиях использование поверхностно-активных и текстильно-вспомогательных веществ при изготовлении новых текстильных материалов приобрело широчайшее значение.

На капиллярных процессах, т.е. процессах переноса влаги в капиллярно -пористых телах, основаны такие важные технологические операции отделки, как расшлихтовка, отварка, беление и крашение и др. Капиллярность обуславливает гигиеничность материала и изготовленных из него изделий. Вместе с тем, механизм действия ПАВ на капиллярные свойства тканей до настоящего времени еще недостаточно ясен, особенно в той части, каким образом с помощью этих веществ можно интенсифицировать процесс пропитки текстильных материалов технологическими растворами.

Исследование капиллярности капиллярно-пористых тел, к которым принадлежат как ткани, так и нетканые материалы, привлекает пристальное внимание ученых и технологов. Это связано с тем, что именно капиллярность тканей характеризует их способность к поглощению воды и водных технологических растворов, что определяет качество облагораживания тканей, их гигиенические свойства, а у нетканых материалов - фильтрующую способность. Еще со времени Уошборна (Washburn E.W// Phys. Rev., 1921, v. 17, N 3, P.237), который получил уравнения для течения жидкостей через произвольно ориентированные капилляры, основанные на уравнении Пуазейля, многие исследователи использовали определение капиллярных свойств тканей для количественной характеристики их капиллярно-пористой структуры (Lange Н., Думанский А.В., Воюцкий С.С., Браславский В.А. и др.). Для такой характеристики необходимо экспериментальное определение максимальной высоты подъема жидкости по вертикальному образцу ткани, а это требует не только длительного времени, но и сопряжено с определенными трудностями, связанными с тем, что волокна многих тканей способны набухать в полярных жидкостях. Поэтому, чаще всего, для характеристики капиллярности тканей ограничиваются измерением высоты подъема воды за определенный промежуток времени.

Настоящая работа посвящена разработке количественного метода характеристики капиллярно-пористой структуры тканей и нетканых материалов и исследованию влияния концентрации различных поверхностно - активных веществ и их смесей на впитывание водных растворов тканями и неткаными материалами. В качестве основной характеристики использовали значения предельной высоты подъема воды и водных растворов и косинус угла смачивания волокон, найденный после обработки кинетических кривых смачивания на ПЭВМ. Исследовались хлопчатобумажные ткани различной степени облагораживания, смешанные хлопчатобумажно-полиэфирные ткани и нетканые материалы из различных по химической природе волокон.

В связи с тем, что наибольшее влияние на различные процессы, в том числе и на облагораживание текстильных материалов, ПАВ оказывают при критической концентрации мицеллообразования, в работе проведено исследование коллоидно-химических свойств различных по природе поверхностно-активных и текстильно-вспомогательных веществ (15 образцов). В связи с жесткими требованиями к экологичности технологических процессов, при выборе ПАВ в качестве одной из основных характеристик использовалась их био-разлагаемость

Определены значения поверхностного натяжения водных растворов исследованных ПАВ. Найдены значения критических концентраций мицеллообразования для всех исследованных ПАВ. С помощью программы «Siqma» рассчитаны параметры молекул в адсорбционных слоях на поверхности водных растворов и изотермы адсорбции. Исследовано влияние концентрации и состава смесей ПАВ на капиллярное впитывание растворов, краевые углы смачивания и капиллярную структуру тканей и нетканых материалов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Обобщение литературных данных и исследования капиллярности тканей и нетканых материалов, проводившихся в различное время как на кафедре АФКХ, так и на кафедрах ХТВМ и нетканых материалов, показали недостаточность определения высоты подъема воды по вертикальным образцам за определенный промежуток времени в качестве характеристики капиллярной структуры тканей и нетканых материалов. Поэтому данная работа была направлена на разработку количественной характеристики капиллярной структуры тканей и нетканых материалов. Метод основан на обработке с помощью ПЭВМ кинетических кривых впитывания жидкостей вертикальными образцами тканей и нетканых материалов и позволяет исключить необходимость экспериментального определения максимальной высоты подъема жидкостей. Это позволяет резко сократить время, необходимое для проведения измерений с нескольких дней или даже недель до 30 минут и охарактеризовать капиллярное впитывание не только неполярных жидкостей, в которых волокна не набухают, но и воды и водных растворов.

Цель исследования. Цель диссертационной работы - создание количественного метода определения капиллярных характеристик тканей и нетканых материалов и исследование влияния различных поверхностно-активных веществ и их смесей на капиллярную пропитку тканей и нетканых материалов для определения оптимального состава смесей и их концентрации. Научная новизна. В работе:

- предложен метод обработки кинетических кривых капиллярного впитывания, позволяющий количественно охарактеризовать капиллярную структуру тканей и нетканых материалов и рассчитать косинус краевых углов смачивания волокон водой и водными растворами ПАВ и ТВВ, что ранее было недоступно;

- установлено, что используя синергетические смеси ПАВ можно регулировать скорость капиллярной пропитки тканей и нетканых материалов;

- установлено, что измеряя косинус краевого угла смачивания можно определить состав поверхности смешанной хлопчатобумажно - полиэфирной ткани;

- найдены оптимальные условия (на основе исследования влияния температуры, добавок смесей ПАВ, ТВВ) капиллярной пропитки тканей, которые могут представлять интерес для специалистов отрасли;

- установлено, что путем расчета косинуса краевых углов смачивания можно количественно характеризовать чистоту поверхности волокон, их гидрофиль-ность.

Практическая значимость. Предложены оптимальные синергетические смеси неионогенных и анионактивных ПАВ, которые хорошо растворяются при низких температурах и устойчивы в водных растворах при повышении температуры, позволяют повысить качество пропитки тканей технологическими растворами, что позволит повысить качество обработанных тканей. Научно-обоснованные рекомендации по использованию новых композиций ПАВ и целевых добавок для повышения качества пропитки тканей при облагораживании хлопчатобумажных тканей, могут представлять интерес для специалистов отрасли.

Апробация работы. По материалам исследования были сделаны доклады: на Международной конференции «Актуальные проблемы химии и химической технологии (Химия-97), Иваново, 1997 г.; на научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГТА им. А.Н^Косыгина, Москва, 1998г.; на Международной конференции «Струк-турообразование и межфазовые явления в системах жидкость-жидкость», РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва, 2001г.; Международной конференции «Современные проблемы органической химии, экологии и биотехнологии». Секция «Экология и рациональное природопользование». Луга, КГУ. 2001г.; на

Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и молодых исследователей «Поиск 2002», Иваново. ИГТА, 2002 г.; на Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» «Прогресс 2002», Иваново, ИГТА, 2002 г.

Выводы.

1. Предложены графический и аналитический методы обработки кинетических кривых капиллярного впитывания воды и водных растворов поверхностно-активных веществ, позволяющие рассчитать предельную высоту подъема жидкости по образцам текстильных материалов, краевые углы смачивания поверхности волокон и размер капилляров.

2. Исследовано влияние состава тканей и некоторых нетканых материалов на их капиллярные свойства. Установлено, предложенный способ обработки кинетических кривых впитывания жидкостей образцами тканей позволяет количественно охарактеризовать чистоту их поверхностей.

3. Проведен экологически обоснованный выбор поверхностно-активных веществ, исследованных в работе в качестве смачивателей.

4. Исследовано влияние концентрации растворов ПАВ на эффективность смачивающего действия растворов. Установлено, что наиболее эффективной является концентрация растворов, соответствующая критической концентрации мицеллообразования.

5. Исследовано влияние состава смесей ПАВ на смачивание текстильных материалов. Выявлен оптимальный состав смесей по наименьшей величине поверхностного натяжения растворов. Установлено, что этот состав является также наиболее оптимальным для смачивания текстильных материалов.

6. Предложен метод расчета динамической адсорбции ПАВ на поверхно сти волокон по результатам капиллярного впитывания растворов.

Установлено, что динамическая адсорбция существенно ниже равновесной и не может служить причиной снижения скорости впитывания растворов.

Основные материалы диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Волков В.А., Забродская Е.Н., Щукина E.JL Исследование влияния условий облагораживания на капиллярные свойства хлопчатобумажной ткани. Депонир. статья № 3937-ЛП от 16.06.00, МГТУ.

2. Волков В.А., Семенова Т.В., Щукина E.JL. Влияние состава смесей поверхностно-активных веществ на капиллярное впитывание растворов хлопчатобумажной тканью. Тез. докл. 1-Международной конф. Актуальные проблемы химии и химич. технологии (Химия-97), Иваново, 1997 г., С. 122.

3. Волков В.А. Семенова Т.В. Щукина E.JI. Влияние природы и состава смесей ПАВ на капиллярные свойства х/б ткани Тез. докл. Научн. конф. проф-препод. состава научн. сотр. и аспир. МГТА. М. 1998. С.58.

4. Булушев Б.В., Агеев А.А., Волков В.А., Штанько С.П., Щукина E.JI. Структура поверхностных слоев неионогенных ПАВ. В сб. науч. трудов «Структуро-образование и межфазовые явления в системах жидкость-жидкость». РХТУ им. Д.И. Менделеева. М., 2001, с. 234.248.

5. Булушев Б.В., Волков В.А., Щукина E.J1. Применение биологически мягких поверхностно-активных веществ для смачивания текстильных материалов. Сообщение 1. Взаимосвязь биологического разрушения со структурой молекул ПАВ. В сб. трудов конф. «Современные проблемы органической химии, экологии и биотехнологии». Том 2, часть 1. «Экология и рациональное природопользование». Луга, КГУ. 2001 г. С. 42. .43.

6. Булушев Б.В., Волков В.А., Щукина Е.Л. Применение биологически мягких поверхностно-активных веществ для смачивания текстильных материалов. Влияние концентрации поверхностно-активных веществ на свойства растворов (Сообщение 2.). Там же. С.44. .45.

7. Булушев Б.В., Волков В.А., Щукина Е.Л. Применение биологически мягких поверхностно-активных веществ для смачивания текстильных материалов. Влияние состава смесей ПАВ на свойства растворов (Сообщение 3.). Там же. С. 46. .47.

8. Щукина Е.Л., Волков В.А. Об определении параметров капиллярности тканей. В сб. тез докл. Межвузовской Научно-технич. конф. аспирантов и молодых ученых «Поиск 2002», Иваново, ИГТА, 2002 г., С. i?.

9. Щукина Е.Л., Волков В.А. Влияние состава смеси волокон хлопок/полиэфир на капиллярные свойства тканей. Там же. С.

10. Волков В.А., Щукина E.JI. Адсорбция неионогенных ПАВ на поверхности волокон текстильных материалов. Тез. докл. междунар. Науч.-технич. конф.

Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности». «Прогресс 2002», Иваново, ИГТА, 2002 г., С.

11. Волков В.А., Щукина E.JI. Влияние концентрации растворов ПАВ на смачивание текстильных материалов. Там же. С.

1. Воюцкий С.С. Физико-химические основы пропитывания и импрегнирова-ния волокнистых материалов дисперсиями полимеров. J1., "Химия", 1969, с.22-28.

2. Аксельруд Т.А., Альтшуллер М.А. Введение в капиллярно-химическую технологию. М., "Наука", 1983, 264 с.

3. Браславский В. А. Капиллярные процессы в текстильных материалах. М., "Легпромбытиздат", 1987, 110с.

4. Верников Я.Н., Андросов В.Р. Обработка текстильных изделий в водных растворах CMC. М., 1986, 144 с.

5. Херл Д.В., Петере Р.Х. Структура волокон. М., 1969, с.400

6. Берестнев В.А., Флекслер Л.А., Лукьянова Л.М. Макроструктура волокон и элементарных нитей и особенности их разрушения. М., 1982, 248с.

7. Перепелкин К.Е. Структура и свойства волокон. М., 1985, 208 с.

8. Дубинин М.М. Поверхность и пористость адсорбентов // Основные проблемы теории физической адсорбции. М., 1970, с. 251-269

9. Дубинин М.М. О рациональных параметрах пористой структуры промышленных активных углей // Адсорбенты, их получение, свойства и применение. Л., 1970, с.4-9

10. Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания. М., 1976, 232 с.11 .Воюцкий С.С., Ябко Я.М. Текстильная промышленность № 2, 22 (1950)

11. Панич P.M., Воюцкий С.С. Труды МИТХТ им.М.В.Ломоносова, вып. III, 1952.

12. K.Schultce, Koll-Z, 90, 268 (1970)

13. Н.В. Чураев. Физико-химия процессов массопереноса в пористых телах.1. М.: Химия, 1990,- 272 С.

14. Браславский В.А. Метод определения капиллярных свойств волокнистопористых материалов. "Текстильная промышленность", 1994, № 7-8, с.51

15. Fischer, Gans, Ann N.Y. Acad. Sci., 46, 389 c. (1986)

16. Noble R.J., Latex in Industry, N.Y., 1936

17. Geuin G., Chemie et technologie du latex de caoutchouc, Paris, 1964

18. Flint C.F., The Chemistry and Technology og Rubber Latex, London, 1968

19. Bartholome E., Schaefer K., Melliand-Textilberichte, 31, 487 (1950)

20. Swanston K., Palmer R.C. J.Soc. Dyers Colorists, 66, 632 (1960)

21. Lange H., Koll.-Z, 121, № 3, 130 (1971)

22. Grundfest I.J. Text. Res. J., 21, 861 (1971)

23. Yoneda Morihino, Niwa Masako // Sent gakkaishi Fiber/Japan) - 1998 - 48, № 6, c.288-298 / Яп., Ред. англ. Измерение поверхностно-капиллярной воды в тканях.

24. Браславский В.А., Перепелкин К.Е. Вопросы изучения капиллярных процессов в текстильных материалах. "Текстильная промышленность", 1985, № 12, С. 36.39

25. Перепелкин К.Е., Браславский В.А. Особенности капиллярного впитывания жидкости текстильными полотнами. "Текстильная промышленность", № 12, 1992, с.53-54

26. Плетнев М.Ю. Успехи коллоидной химии, Л., Химия, 1991, с. 60.

27. Волков В.А. Поверхностно-активные вещества в синтетических моющих средствах и усилителях химической чистки. М.: Легпромбытиздат, 1985, 200с.

28. Волков В.А., Сучков В.В. Сульфатированные неионогенные поверхностно-активные веществ. М.: НИИТЭХим, 1976, 75 с.

29. Волков В.А., Данюшин Г.В., Семенова Т.В. Лабораторные работы по коллоидной химии. М.: МГТУ, 2001, 200 с.

30. Сафонов В.В. Облагораживание текстильных материалов. М.: Легпромбыт-издат, 1991,288 с.

31. Сафонов В.В., Атрепьева А.В., Волков В.А. М., Химическая промышленность, 1990, № 2, с. 79-81.

32. Поверхностно-активные вещества. Справочник. / под ред. А.А.Абрамзона и Г.М.Гаевого / Л.: Химия, 1979, 376 с.

33. Волков В.А. Коллоидная химия. М.: МГТУ, 2001, 650 с.

34. Плетнев М.Ю. Косметико-гигиенические моющие средства. М.:Химия, 1990, 272 с.

35. Браславский В.А. Использование капиллярных свойств волокнистых материалов в производственных процессах. "Текстильная промышленность" № 1, 1992, с.28-29

36. Kawase Toruzo, Sekoguchi Sakiko, Fiejii Tomiko, Miganawa Motoi. "Text. Res. J." Распределение жидкостей в текстильных материалах. Часть I. Капиллярное распределение жидкостей. 1996, 56, № 7, с.409-414

37. Бочаров В.В. Коллоидно-химические и санитарно-гигиенические характеристики ПАВ./В сборнике: Поверхностно-активные вещества и сырье для их производства. М.:1989.

38. Волков В.А. Методические указания по коллоидной химии в технологических процессах производства химических волокон, текстильных и нетканых материалов. М., МГТА им. А.Н. Косыгина, 1998, 47 с.

39. Бочаров В.В., Коренев К.Д., Перегудин Ю.Ф. и др. В сб. тез. докл. VII Все-союзн. конф. «Поверхностно-активные вещества и сырье для их произдводетва». Секция «Экологические аспекты и вопросы промсанитарии». Шебекино, 1988, с.46.

40. Бочаров В.В., Перегудин Ю.Ф., Рабинович H.JI. и др. там же с. 47.

41. Сумм Б.Д., Рауд Э.А. Успехи коллоидной химии и физико-химической механики. М. : Наука, 1992, с. 31.

42. Сумм Б.Д., Соболева О.А. Смачивание в системах твердое тело/ вода/ органическая жидкость. В сборнике: Структурообразование и межфазные явления в системах жидкость/ жидкость. М., 2001, с. 57-74.

43. Жиронкин А.Н., Волков В.А. Коллоидный журнал. 1996, Т.54, 831-835 с.

44. Е. Rybicki, S. Paryjczak. Tenside Detergents. 1984, Bd.21, S. 185. 189.

45. Волков B.A., Леонов Д.Л., Кузнецов M.E., Ордин В.Н. Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности. М., 1994, № 1, 58-61 с.

46. Волков В.А., Кузнецова М.Е. Ордин В.Н. Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности. М., 1994, № 2, 54-58 с.

47. Волков В.А., Васева А.Ю. Ордин В.Н. Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности. М., 1994, № 3, 36-41 с.

48. Волков В.А., Васева А.Ю. Ордин В.Н. Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности. М., 1994, № 4, 36-39 с.

49. Волков В.А., Слеткина Л.А., Сорокина Л.А. Журнал прикладн. химии, 1994г., Т.67, вып. 10, С. 1719. .1723

50. Волков В.А., Жиронкин А.Н., Елеев А.Ф.,Ермолов А.Ф. Известия Вузов. Технология легкой пром-сти. 1992, N2, С.30.33.

51. Волков В.А., Буканова О.Л., Жиронкин А.Н. и др. Труды международ, конф. "Rubber-94" М.\ 1994, Т.4, С.579.585.

52. Волков В.А. В сб. «Успехи коллоидной химии». Л.: Химия, 1991, с.185-198.

53. Гордеев А.Н., Волков В.А., Жиронкин А.Н. Известия Вузов. Технология легкой пром-сти. 1991, N6, С.31.36