Содержание к диссертации
Введение
I. Современное состояние теории и практики высокочастотной интенсификации химико-текстильных процессов 19
1.1. Целлюлозные волокна 23
Особенности строения целлюлозы 24
Химические свойства целлюлозы 30
Действие гидроксидов щелочных металлов и комплексных соединений металлов 32
Действие щелочей 32
Действие на целлюлозу комплексных соединений d- металлов 34
Образование эфиров целлюлозы 35
Сложные эфиры целлюлозы и производство вискозного волокна 36
Эфиры целлюлозы с органическими кислотами 37
Простые эфиры целлюлозы 38
Действие окислителей 38
Термодеструкция 43
Биодеструкция целлюлозы 44
Действие воды и органических растворителей 44
Релаксационные характеристики системы целлюлоза - вода 45
«Целлюлоза в природе 47
Хлопок 48
Лен , 49
Загрязнения (примеси) природных волокон 49
Воскообразные вещества 50
Полисахариды нецеллюлозного характера 52
Пектиновые вещества 52
Гемицеллюлозы 53
Лигнин 53
Азотсодержащие вещества 54
Минеральные (зольные) вещества 55
Красящие вещества 55
1.2. Строение и физико-химические свойства полиэфирных волокон 56
1.3. Технологический цикл обработки текстильных материалов 61
Подготовка текстильных материалов 62
Беление текстильных материалов из природных целлюлозных волокон 64
Химизм беления солями хлорноватистой и хлористой кислот 71
Хлориты 73
Технология отбеливания целлюлозосодержащих тканей 74
Мерсеризация 76
Колорирование целлюлозосодержащих тканей 82
Взаимодействие активных красителей с целлюлозным волокном 83
Крашение активными красителями 87
Пигменты 90
Печатание тканей 92
Печатание активными красителями 93
Особенности пигментной печати 102
Заключительная отделка тканей из целлюлозных волокон 105
Характеристика способов нагрева полимерных материалов 114
Механизм и физические основы ВЧ-нагрева диэлектриков 116
Практическое использование ТВЧ нагрева полимерных материалов в текстильной и легкой промышленности 121
Применение токов высокой частоты для нагрева текстильных материалов 127
II. Методическая часть 130
Характеристика объектов исследования 130
Определение содержания активной формы в техническом красителе 133
Методика определения тепловых эффектов взаимодействия тканых материалов с водой 134
Методика определения водоудерживающей способности тканей 141
Методика сорбционных измерений 141
Описание методики и оборудования для крашения хлопчатобумажных
Описание методики и оборудования для печатания хлопчатобумажных тканей 142
Методика определения устойчивости текстильных материалов к физико-химическим воздействиям 145
Методика определения механических свойств текстильных материалов 145
Методика определения жесткости образцов ткани после печатания, разработанная вИвНИТИ 145
Методика определения диффузионных свойств активных красителей 145
Методика определения коэффициентов диффузии активных красителей в процессах крашения 145
Определение коэффициентов диффузии активных красителей в процессах печатания 146
Методика определения степени полезного использования активных красителей 147
Методика определения полноты протекания процессов пленко- и сеткообразования при пигментной печати 148
Методика определения и расчета диэлектрических потерь полимерных материалов 149
Методика оценки степени мерсеризации хлопчатобумажных тканей 151
Определение степени мерсеризации хлопчатобумажных материалов по поглощению гидроксида бария 154
Методики оценки качества пероксидного отбеливания целлюлозодержащих материалов 155
Методика оценки эффективности малосминаемой отделки целлюлозосодержащих тканей 156
III. Экспериментальная часть и обсуждение результатов 158
НІЛ. Математическое моделирование процесса высокочастотной Активации операций подготовки, колорнрования и заключительной отделки волокнистых материалов и анализ условий его оптимального осуществления 158
Ш.2. Особенности конструкции ВЧ/СВЧ-установок и методы оптимизации режимов их работы 170
Расчет параметров работы ВЧ-оборудования и их оптимизация 172
Лабораторная ВЧ-установка для непрерывной обработки расправленных материалов 176
Лабораторная ВЧ-установка для непрерывной обработки расправленных материалов шириной до 300 мм 178
Особенности конструкций аппликаторов ВЧ-установок для непрерывной обработки расправленных текстильных полотен 179
Лабораторная СВЧ-установка для непрерывной обработки расправленных материалов шириной до 300 мм 182
Промышленная экспериментальная СВЧ-установка для непрерывной обработки расправленных материалов шириной до 1200 мм 185
Разработка ВЧ-методов контроля за протеканием технологических процессов 196
Ш.З. Интенсификация процессов мерсеризации и беления целлюлозосодержащих тканей с помощью электромагнитных
колебаний высокой и сверхвысокой частот , 202
Мерсеризация хлопчатобумажных тканей в поле токов высокой
частоты 202
Использование электромагнитных полей для интенсификации процессов беления целлюлозосодержащих тканей 205
Ш.4. Использование энергии электромагнитных колебаний для интенсификации процессов колорирования целлюлозосодержащих тканей 213
ВЧ-интенсификация процессов крашения целлюлозосодержащих тканей растворами активных красителей 213
Экспериментальное определение диэлектрических характеристик хлопчатобумажных тканей и их зависимости от внешних факторов 213
Зависимость диэлектрических показателей от влажности ткани и частоты внешнего электромагнитного поля 213
Зависимость tg$ отсостава пропиточного раствора, поверхностной плотности и толщины тканей 219
Зависимость диэлектрических показателей от температуры исследуемого материала 224
Разработка ВЧ-технологии крашения хлопчатобумажных тканей активными красителями 225
Влияние поля ТВЧ на диффузионную проницаемость и физическое состояние целлюлозы 241
Влияние ВЧ - нагрева на прочностные характеристики текстильного материала 257
Зависимость tg6 от состава печатной композиции 258
Разработка ВЧ-способа фиксации активных красителей, нанесенных на хлопчатобумажные ткани методом прямой печати 260
Сравнение эффективности диффузии красителя в текстильный материал при различных способах тепловой обработки 264
Разработка ВЧ-способа закрепления пигментов на текстильных материалах...269 II 1.5. Высокочастотная активация процессов малосминаемои отделки целлюлозосодержащих тканей 281
Особенности диффузии предконденсатов термореактивных смол под действием ТВЧ 290
Влияние ВЧ-обработок на физическое состояние целлюлозного волокна 293
Зависимость диэлектрических показателей тканей от условий и длительности тепловых обработок 301
Влияние метода тепловой обработки на степень полимеризации и количество поперечных сшивок 307
Технологическая цепочка высокочастотной технологии малосминаемои отделки тканей 309
Основные результаты и общие выводы 313
Библиография
- Действие гидроксидов щелочных металлов и комплексных соединений металлов
- Определение содержания активной формы в техническом красителе
- Особенности конструкции ВЧ/СВЧ-установок и методы оптимизации режимов их работы
- Экспериментальное определение диэлектрических характеристик хлопчатобумажных тканей и их зависимости от внешних факторов
Введение к работе
Актуальность проблемы
Переход России к рыночной экономике затронул все отрасли народного хозяйства. Не стала исключением и текстильная промышленность. На фоне разукрупнения предприятий развернулась острая конкурентная борьба между отдельными производителями. К началу XXI века особо остро встали вопросы качества и художественно - колористического оформления тканей, а также снижения затрат энергоносителей и расходных материалов.
В связи с этим на различных уровнях был принят ряд мер по выходу из сложившегося положения. Так целевая комплексная научно-техническая программа развития текстильной промышленности на период до 2005 года предусматривает, в первую очередь, создание и освоение высокопроизводительных, энергосберегающих технологий и оборудования для отделки тканей [1].
Большинство процессов подготовки, колорирования и заключительной отделки связано с воздействием тепловой энергии на волокнистый материал, пропитанный технологическим раствором. Традиционно для тепловой обработки текстильных полотен используют конвективные и контактные способы подвода тепла, источниками которого выступают водяной пар, горячий воздух или разогретые поверхности металлических валов. Ограниченно используется так называемый радиационный нагрев, в основе которого заложен принцип волнового нагрева объектов обработки при воздействии на них электромагнитного излучения инфракрасного диапазона
Перечисленные способы тепловой обработки во многом не удовлетворяют требованиям современного производства, так как конвективный и контактный методы подвода тепла к объекту обработки обладают значительной инерционностью и низким КПД, а ИК-нагрев характеризуется высоким потреблением электроэнергии. Кроме этого использование перечисленных способов нагрева приводит к возникновению в обрабатываемом материале существенных градиентов температурных полей и концентрационно - влажностных перепадов, что требует дополнительных затрат на организацию мероприятий, направленных на устранение негативного воздействия данных явлений на качество готовых изделий.
В связи с вышесказанным наиболее актуальной задачей, стоящей перед текстильной промьшшенностью, является поиск путей снижения затрат энергоносителей, а также ігоиннипиально новых источников энергии.
На сегодняшний день наиболее перспективным способом тепловой обработки изделий из натуральных и синтетических полимеров является диэлектрический нагрев, отличающийся высокими скоростями, равномерностью тепловыделения, полным отсутствием теплоносителя - тепло генерируется внутри полярного диэлектрика под воздействием внешнего электромагнитного поля высокой (ВЧ) или сверхвысокой (СВЧ) частот, малыми габаритами оборудования и беспрецедентно высоким показателем К.П.Д. - 75 - 85 %.
Однако данный метод не нашел пока широкого применения в текстильной промышленности - в России известны лишь экспериментальные установки. Связано это с малой изученностью механизмов воздействия электромагнитных полей на волокнообразующие полимеры, пропитанные технологическими составами, а также отсутствием разработок полномасштабных производственных технологических процессов и соответствующего оборудования. Для решения данной проблемы необходимо проведение комплексных экспериментальных исследований, а также систематического анализа процессов, пгхугекающих в системе волокнистый материал - технологический раствор под действием наложенного электромагнитного поля и разработка на этой основе высокоэффективных энфпх^ерегающих технологий подготовки, колориро-вания и заключительной отделки текстильных изделий. Крайне важной задачей является создание математической модели нагрева полимеров в поле токов высокой частоты, а также выработка на данной основе критериев подобия, необходимых для оптимизации, разработки, масштабирования и инженерного проектирования новых технологических процессов и оборудования. Все вопросы, рассмотренные выше, позволяют сделать вывод о том, что проблема снижения затрат энергоносителей, текстильных вспомогательных ве- ществ (ТВВ) и красителей, а также повышения качества готовых тканей за счет внедрения перспективных источников энергии, высокоэффективных технологий и соответствующего оборудования является актуальной и имеет важное народнохозяйственное значение. Данный аспект нашел свое отражение в докладе президента России В.В. Путина перед учеными Новосибирска, где особо была подчеркнута важность наукоемких и принципиально новых разработок в области энергетики и других отраслях промышленности.
Для решения указанной проблемы очевидна необходимость и своевременность систематического теоретического и экспериментального анализа возможностей использования энергии электромагнитных полей высокой и сверхвысокой частот для интенсификации химико-текстильных процессов и разработки на этой основе экономичных и эффективных способов повышения качественных показателей тканей, а в дальнейшем требуется осуществить перевод химико-текстильного производства на новый уровень построения технологических процессов, основанный на использовании ВЧ/СВЧ-электротермии.
Работа выполнена по планам НИР Ивановского государственного химико-технологического университета 1984-2003 гг., а также в соответствии с научно-исследовательскими программами:
Программа важнейших научно-исследовательских работ на 1981-1985 гг. по проблеме 037 М (ГКНГ СССР); «План мероприятий по максимальному сокращению закупок химической продукции номенклатуры Минхимпрома (Союзхимволокно) в капиталистических странах» (Минхимпром, 1985-1990 гг.); «Высокоэффективные технологии развития социальной сферы» (Мин. Науки, 1991-1997 гг.);
ГНТП «Текстиль» по проблеме «Разработка теоретических основ и создание нового поколения технологий отделки текстильных материалов на базе использования эффективных интенсификаторов, комбинированных физико-химических воздействий, моделирования и оптимизации технологических процессов» (1991 -1996 гг.);
Ь- «Университеты России» по проблеме «Разработка алгоритмов расчета закономерностей переноса красителей и отделочных препаратов в волокно и создание на этой основе эффективных и экономичных технологий крашения и заключительной отделки текстильных материалов» (Государсгаенная программа, 1992-1997 гг.).
Федеральная Научно-техническая Программа «Новые материалы», 1998-2000 гг.
Грант Минобразования РФ за 1999 год « Фундаментальные исследования в области проблем легкой промьшшенности». Раздел 2 : «Технология и оборудование текстильной промьипленности». Тема: «Теоретическое обоснование и практическое использование перспективных источников энергии в химико-текстильных процессах».
ХУД тем: "Разработка теоретических основ и создание нового поколения технологий отделки текстильных материалов на базе использования эффективных ин-тенсификаторов, комбинированных физико-химических воздействий, моделирования и оптимизации технологических параметров"; "Разработка высокоэффективных химико-технологических процессов обработки текстильных материалов на базе использования низкотемпературной плазмы, ВЧ - полей, механохимического воздействия"; м.v - "Создание прогрессивных технологий обработки текстильных материалов на основе биопрепаратов и нетрадиционных методов физико-химического активирования волокнистых материалов и рабочих сред".
Единого заказ-наряда N1 по теме: "Выявление физико-химической сущности процессов, гфогекающих при механохимической активации рабочих растворов и обработке текстильных материалов низкотемпературной плазмой, ВЧ и СВЧ полями, потоками ионизирующих частиц".
Цели и задачи исследования
Основные цели работы заключались в выявлении новых источников тепловой энергии, определении принципов ее подвода к обрабатываемому изделию и создании математической модели диэлектрического нагрева полимеров, а также в разработке новых высокоэффективных энергосберегающих технологий и соответствующего оборудования для подготовки, коло-рирования и заключительной отделки текстильных материалов, основанных на использовании энергии высоких и сверхвысоких частот.
Для решения указанной проблемы выполнены следующие научные и технические разработки:
Комплексное изучение диэлектрических свойств текстильных материалов в зависимости от их температуры и влажности, частоты внешнего электромагнитного поля, а также от состава и концентрации пропиточных ванн;
Исследование закономерностей кинетики нагрева полимерных материалов в поле токов ВЧ и СВЧ;
Выявление активирующего воздействия электромагнитных полей как на волокнообразующий полимер, так и на красители, химические препараты и реагенты, использующиеся на различных стадиях обработки текстильных материалов;
Анализ эффективности использования энергии ВЧ и СВЧ полей для интенсификации химико-текстильных процессов, а также теоретическое обоснование оптимальных режимов обработки тканей на различных стадиях технологического процесса;
Разработка математической модели диэлектрического нагрева полимерных материалов и априорных методов прогнозирования эффективности разрабатываемых процессов;
Определение общих принципов построения технологических процессов обработки расправленных текстильных полотен и полимерных пленок в поле токов ВЧ и СВЧ и создание опытных образцов универсального оборудования для реализации данных процессов на практике; Разработка технологических процессов мерсеризации, беления, колориро-вания и малосминаемой отделки цеоілкшозосодержащих тканей на основе использования интенсифицирующих воздействий ВЧ/СВЧ полей; Реализация развитых подходов в экономичных высокоэффективных технологиях обработки полимеров, обеспечивающих комплексное повышение показателей качества готовых изделий; * Теоретическое обоснование и экспериментальная проверка работоспособности методов неразрушающей диагностики полимеров, основанной на контурно-резонансных методах исследования изменения свойств материалов в процессах их обработки.
Общая характеристика объектов и методов исследования В качестве основных объектов исследования использовали суровые и подготовленные хлопчатобумажные, льняные, полиэфирные и смесовые ткани различного строения и поверхностной плотности. При решении методических вопросов в качестве вспомогательных и модельных соединений применяли полимерные пленки различного химического состава. В ходе экспериментальных исследований текстильные материалы пропитывались водными растворами различных текстильно-вспомогательньгх веществ и красителей различной концентрации, а также на них наносились загущенные печатные композиции на основе белящих агентов, красителей и пигментов.
При выполнении работы использовались современные физические и физико-химические методы исследования: математическое моделирование процессов массо- и теплопереноса; рентгенсчлруктурный анализ, ИКч;пектроскопия и спектрофотомет-рия; световая и растровая электронная микроскопия; газовая и жидкостная хроматография; калориметрия; контурно-резонансные методы определения диэлектрических характеристик тканей в зависимости от температуры, влажности, химиче- ской структуры и природы исследуемого объекта, а также от состава и концентрации пропиточных растворов; инструментальные методы оценки степени мерсеризации, белизны, несминаемое, колористических и прочностньгх хагзактеристик тканей. Физико-химические и физико-механические показатели тканей определяли в соответствии со стандартными методиками и действующими ГОСТ.
В работе применялись стандартные, модернизированные и специально сконструированные установки. Обработку результатов измерений проводили методами математической статистики.
Научная новизна Развиты теоретические основы и разработаны высокоэффективные способы повышения качественных показателей текстильных материалов за счет целенаправленной интенсификации химико-текстильных процессов методом высокочастотной электротермии, а также предложены математическое описание и модель теплового процесса, протекающего в полимерном материале, помещенном в электромагнитное поле высокой или сверхвысокой частот. При этом впервые получены следующие результаты:
Разработана математическая модель процесса нагрева полимерных диэлектриков в элекфомагнитньгх полях высокой и сверхвысокой частот; Теоретически и экспериментально обоснованы расчетные методы оптимизации технологических процессов обработки целлюлозосодержащих тканей;
Разработаны принципиально новые методы физического воздействия на текстильный материал, позволившие в несколько раз повысить скорости и полноту протекания химических реакций в технологических процессах обработки полимерных материалов;
Показана целесообразность использования диэлектрического нагрева и диэлектрических методов неразрушающего контроля в текстильной и легкой промьппленности;
Теоретически обоснована и экспериментально доказана перспективность замены традиционных методов подвода тепла к текстильному материалу на диэлектрический нагрев;
Выявлены основные закономерности интенсификации химико-текстильных процессов с помощью внешних ВЧ и СВЧ электромагнитных полей;
Показана высокая эффективность использования диэлектрического нагрева практически во всех процессах, связанных с тепловой обработкой текстильных материалов и полимерных пленок;
Установлено, что токи ВЧ и СВЧ наряду с тепловым воздействием на полярные диэлектрики вызывают в последних интенсивную колебательную активацию полярных групп, что, в конечном счете, сказывается на общей эффективности протекания химико-текстильных процессов; На основании полученных данных разработан полный технологический цикл подготовки, колорирования и заключительной отделки целлюлозо-содержащих тканей, основанный на использовании токов высоких и сверхвысоких частот, как перспективного источника тепловой энергии; Предложены конструкции аппаратов, ориентированных на непрерывную обработку листовых диэлектриков (пленок, тканей), допускающих как самостоятельное использование, так и агрегацию с существующими технологическими линиями;
Предложен способ неразрушающего экспресс - контроля текстильных материалов в процессах мерсеризации, основанный на различии диэлектрических свойств целлюлозы-1 и целлюлозы-П;
Определены корреляционные зависимости между баритовым числом и диэлектрическими характеристиками хлопчатобумажных и смесовых хлопкополиэфирных тканей.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Результаты работы представляют интерес для ученых и инженеров, занимающихся разработкой высокоэффективных методов физической и физико-химической интенсификации технологических процессов.
Разработанные процессы в кратчайшие сроки и с минимальными затратами могут бьпъ реализованы в фабричных условиях, что не только позволит повысить качественные показатели готовой продукции и снизить затраты на производство, но и сделать его более компактным и мобильным.
Высокочастотная с>бработка тканей на различных этапах технологического процесса, а также устройства для его осуществления и контроля (А.с. СССР №1464047 от 08.11.88 и №1352244от 15.07.87, Патенты РФ №2023264 и №2142102) использованы при составлении совместно с ОАО «Глуховский текстиль» исходных требований на проектирование и изготовление экспериментального образца многофункциональной СВЧ установки для отделки тканей шириной до 140 сантиметров. Предложенный способ обеспечивает возможность уменьшения размеров оборудования для тепловой обработки расправленных текстильных полотен, снижения потребления энергоносителей, улучшения скоростных характеристик и управляемости процессов нагрева при переходе от традиционных технологических линий к линиям обработки тканей укомплектованных универсальными ВЧ/СВЧ термокамерами.
Экономический эффект составляет приблизительно 826 тыс. руб. в год на одну линию (в ценах 1999г.).
Испытания разработанных технологий и оборудования, проведенные в производственных условиях ситцепечатной и опьтіо-зкспериментальной фабрик, входящих в состав ОАО «Глуховский текстиль» (г. Ногинск, Московской обл.) и отделочного производства ОАО «Егорьевский ХБК» (г. Егорьевск, Московской обл.) показали, что использование предлагаемых разработок позволяет на 15 -30% снизить кошдентрацию отдельных ТВВ в рабочих растворах по сравнению с ходовой технологией, в несколько раз сократить площади, занимаемые технологическим оборудованием при одновременном повышении ско- роста обработки в 5 - 15 раз и улучшении ряда качественных показателей готовой продукции. Разработанная технология позволяет отказаться от стадии промежуточной сушки материала после его пропитки рабочими растворами ТВВ и красителей, совместив ее с процессами фиксации.
Совместное использование математической модели ВЧ-нагрева волокнистых материалов и комплексных исследований их диэлектрических параметров предназначено для снижения затрат ручного труда и времени на оптимизацию технологических режимов новых процессов минуя стадию экспериментальных проверок.
Автор защищает:
Математические модели процессов нагрева диэлектриков в поле токов высокой частоты;
Комплекс экспериментальных и расчетных данных, подтверждающих высокую эффективность процессов подготовки, колорирования и заключительной отделки текстильных материалов, основанных на использовании электромагнитных ВЧ и СВЧ колебаний;
Установленные взаимосвязи между эффективностью ВЧ/СВЧ - нагрева и диэлектрическими свойствами обрабатываемого материала и параметрами наведенного электромагнитного поля;
Теоретическое обоснование выводов о причинах активации химико-текстильных процессов, протекающих в объеме текстильного материала, помещенного во внешнее электромагнитное поле;
Выявленные закономерности кинетики нагрева полимерных диэлектриков, имеющих различную природу и химическое строение, в поле токов высокой частоты;
Обоснование эффективности перехода от традиционных способов подвода тепловой энергии к обрабатываемому изделию к принципиально новым методам нагрева, полностью исключающих использование каких либо теплоносителей;
Разработанные технологии подготовки, колорирования и заключительной отделки текстильных материалов, а также желирования ПВХ - пластизолей и сварки полимерных пленок в поле токов высокой частоты;
Новые подходы к повышению экономичности процессов тепловой обработки полимерных материалов;
Расчетные методы оптимизации параметров ВЧ/СВЧ оборудования для непрерывной обработки расправленных текстильных полотен и технологических режимов их обработки;
Результаты теоретического и экспериментального анализа закономерностей воздействия электромагнитных полей на систему волокнообразующий полимер - технологический раствор;
Комплекс разработанных приемов ВЧ/СВЧ активации технологических процессов обработки текстильных материалов и полимерных пленок, не-разрушающих способов контроля качества готовых изделий, а также устройств и конструкций для реализации данных технологий на практике.
Апробация работы Основные материалы диссертации доложены, обсуждены и получили положительную оценку специалистов на следующих научных форумах:
Научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников ИГХТУ, Иваново, 1984-1998 гг.;
Международных и областных научно-технических конференциях «Прогресс», Иваново, 1988 - 2002 гг.;
Международных научно-технических конференциях «Физика и механика металлов и полимерных систем», Гомель, 1987 -1990,1996,1998;
Международных научно-технических конференциях «Лен», Кострома, 19%, 1998,2000;
1 Региональной конференции «Химия-96», Иваново, 1996;
П Международном конгрессе Российского союза хикшков-текстильщиков и колористов, Иваново, 1996;
Всероссийских научно-технических конференциях «Текстиль», Москва, МГТАЛ996,1997,2003;
I и П Международных научно-технических конференциях «Химия-97» и «Химия-99» Иваново, 1997,1999;
I Всероссийской научной конференции «Физико-химия процессов переработки полимеров», Иваново, 1999;
Международной научно-технической конференции «Текстильная химия-2000», Иваново, 2000;
Публикации
Основные результаты выполненных исследований представлены 84 работами, включающими 1 монографию, 31 статью и 47 тезисов докладов, а также 2 авторских свидетельства на изобретения и 3 Патента РФ +1 направленная заявка на предполагаемое изобретение.
Структура и объем диссертационной работы
Работа состоит из введения, литературного обзора, обоснования направлений и целей исследования, методической части, обсуждения результатов, выводов, списка цитируемой литературы из 322 наименования, списка авторских публикаций, перечня рисунков и таблиц, а также приложений. Основная часть диссертации содержит 355 страницы машинописного текста, в число которых входят 87 рисунков и 40 таблиц.
Личное участие автора в получении изложенных в диссертации результатов
Постановка проблемы, вькэор методов и направления исследований, обсуждение и обобщение полученных результатов, научные положения и выводы диссертации, а также предложенные новые технологические процессы обработки текстильных материалов с использованием энергии электромагнитных колебаний высокой и сверхвысокой частот принадлежат лично автору. Разработка и создание научного оборудования, проведение экспериментальных исследований выполнены автором лично или непосредственно под его руководством.
Действие гидроксидов щелочных металлов и комплексных соединений металлов
Сложные эфиры целлюлозы - продукты ее взаимодействия с минеральными и органическими кислотами.
Целлюлоза способна образовывать эфиры с такими минеральными кислотами, как азотная (нитраты), серная (сульфаты), фосфорная (фосфаты).
Практический интерес представляют эфиры минеральной дитиоуголь-ной кислоты - ксантогенати целлюлозы, являющиеся промежуточным продуктом в производстве гидратцеллюлозных вискозных волокон.
Обычно для получения вискозного волокна используют древесную целлюлозу со степенью полимеризации 400-500.
Ксантогенаты целлюлозы получают действием на щелочную целлюлозу сероуглеродом CS2, который является ангидридом дитиоугольной кислоты.
При степени этерификации примерно равной 50 ксантогенат полностью растворяется и образует вязкие растворы, пригодные для производства искусственного гитратцеллюлозного вискозного волокна.
Ксантогенаты, как сложные эфиры, способны гидролизоваться. Так минеральные кислоты, например соляная, легко разлагают ксантогенат до исходной целлюлозы и сероуглерода по реакции: Целл(ОН)2(ОС ) + НС1 —Целл(ОН)з + CS2 +NaCl SNa Получаемая таким образом целлюлоза по своему химическому составу эквивалентна природной (древесной) целлюлозе, а по физической структуре отличается от нее и носит название регенерированной гидратцеллюлозы [9,100].
Это свойство ксантогенатов целлюлозы положено в основу производства искусственных гидратцеллюлозных вискозных волокон.Для этого вязкие растворы продавливаются через фильеры в осадительную ванну, содержащую кислоту под действием которой происходит превращение ксантоге-нантной нити в гидратцеллюлозную.
Вискозные волокна выпускаются в разнообразных формах (штапельное, филаментное, кордное и т.д.) и имеют очень широкое практическое применение в производстве текстильных материалов, как в чистом виде, так и в смесях с хлопком, полиэфирным и шерстяными волокнами. Наиболее широкое применение находят штапельные вискозные волокна, так как вискозные-штапельные ткани платьевого ассортимента по своим эстетическим, колористическим свойствам превосходят хлопчатобумажные и приближаются к шелковым. Классические вискозные волокна имеют более высокую сорбци-онную способность чем хлопок - поэтому интенсивнее накрашиваются и лучше сорбируют влагу из атмосферы, более комфортны в носке [106,107]. Однако по ряду показателей, таких, как механическая прочность волокна во влажном состоянии, вискозные волокна уступают хлопку, что создает определенные проблемы их обработки в отделочном производстве.
В последние годы появилось новое поколение гидратцеллюлозных волокон, которое выгодно отличается от классических вискозных волокон. Примером таких волокон могут служить лиоцел - волокна, которые по своим прочностным свойствам и ровноте накрашиваемости практически не уступают природному хлопку. [100-102,106].
Эфиры целлюлозы с органическими кислотами Реагируя с органическими кислотами (муравьиной, уксусной и др.) или их ангидридами целлюлоза образует соответствующие эфиры: целл-ОН + RCOOH -— целл-OOCR + Н20 Наибольшую практическую значимость из всех реакций целлюлозы с органическими кислотами имеет реакция с уксусной кислотой, приводящая к образованию ацетатов целлюлозы, являющихся основой искусственных ацетатных волокон.
Ацетаты целлюлозы общей формулы [целл(ОН)п(ОСОСНз)п ] могут быть получены как при действии самой уксусной кислоты, так и ее ангидрида (СНзСО О и других реагентов в присутствии катализаторов.
Основное практическое направление использования ацетатов целлюлозы заключается в производстве тканей, пленок и пластмассовых изделий на ее основе.
Простые эфиры целлюлозы
Целлюлоза как многоатомный спирт способна образовывать простые эфиры, ассортимент которых весьма разнообразен. Как и в случае образования эфиров на базе низкомолекулярных спиртов, простые эфиры целлюлозы образуются в реакциях последней с алкилирующими агентами (алкилсульфаты, алкилгалогениды, эпоксиды, этилендиамины и др.).
Образование простых эфиров целлюлозы называют реакцией О-алкилирования, т.е. образования эфира общей формулы ЦЕЛ-О-АЛК.
Условия синтеза и свойства получаемых простых эфиров целлюлозы зависят от природы алкильного радикала.
Существует очень широкий набор синтезированных простых эфиров целлюлозы, но практическое применение в текстильной промышленности нашли в основном карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), а также метил-(МЦ) и этил- целлюлоза, которые используются в качестве текстильных вспомогательных веществ (ТВВ) на различных этапах производства и отделки готовых тканей [9,51].
Определение содержания активной формы в техническом красителе
Если способ обработки термопластов предполагает контакт с электродами, то особые требования предъявляются к качеству рабочей поверхности электрода, материалу, из которого он изготовлен и его температуре [263-270]. Предпочтение отдается электродам из немагнитных материалов, обладающих хорошей теплопроводностью и низкими значениями удельного сопротивления. Электрод должен иметь гладкую полированную поверхность. Для избежания излишней концентрации силовых линий поля на краях электрода они делаются закругленными.
Температура электрода - важный технологический элемент, т.к. определяет характер распределения температуры внутри диэлектрика. При сварке и дублировании материалов лицевая поверхность материала не должна нагреваться до температур, вызывающих деформацию - поэтому электроды искусственно охлаждают, либо делают массивными, что обеспечивает активное рассеивание тепла на границе раздела материал-электрод. В ряде случаев электрод искусственно подогревают - это необходимо при сварке полимеров с низкими значениями фактора потерь, а также закреплении красителей и аппретов на текстильных материалах. Нагрев приводит к увеличению потерь в материале и, как следствие, к увеличению выделяющейся в нем мощности. Равномерное распределение температуры в материале необходимо также для устранения миграции красителя [255-257].
Анализ работ, посвященных оптимизации процессов ТВЧ-нагрева [261,284-287], показал, что выбор параметров, обеспечивающих надежное протекание процесса и качество изделия, проводится исследователями эмпирическими методами и не может охватить большие группы диэлектриков. Это связано с отсутствием измерительных приборов, способных работать в высокочастотном диапазоне. В первую очередь необходимы сведения о мощности, передаваемой в нагрузку, и напряжение на электродах. Подобного рода средства контроля известны и описаны в литературе [261,297]. Однако, большинство устройств сложны в изготовлении и ненадежны в работе. На наш взгляд наиболее простым устройством для оценки передачи мощности от генератора в нагрузку и степени их согласования является измеритель коэффициента стоячей волны (КСВ). При реализации процессов ТВЧ-нагрева на практике кроме характеристик оборудования необходимо знать диэлектрические параметры обрабатываемых полимеров в зависимости от различных факторов.
Многие исследователи не придают этому серьезного значения, в результате чего происходит торможение, а порой отказ от внедрения ТВЧ-технологии в производство. Методики исследования диэлектрических параметров известны, широко применяются и очень хорошо освещены в литературе [262,298]. Знание диэлектрических свойств различных материалов позволило создать аппаратуру для осуществления контроля за ходом процессов [262,299].
Аналогичные устройства могут быть использованы для бесконтактного неразрушающего контроля за процессами желирования пластизолей, сушки тканей и термофиксации красителей. Для этого необходимо лишь проведение работ, связанных с использованием изменения диэлектрических показателей материалов в широком диапазоне температур и частот.
Применение токов высокой частоты для нагрева текстильных материалов В качестве основных преимуществ ВЧ-нагрева текстильных материалов по сравнению с традиционными видами тепловой обработки в литературе [5-7,284-303] отмечены следующие: - равномерность нагрева; - многократное ускорение тепловых и массопереносных процессов; - избирательность; - тепловая безинерционность; - саморегулируемость. Суммируя приведенные в литературе [285,293,304-309] данные следует выделить следующие преимущества способов крашения, основанные на использовании для фиксации красителей энергии ВЧ- и СВЧ-колебаний: - исключение опасности миграции красителя и, соответственно, нерав яоты окраски вследствие равномерного нагрева материала по всему объему; - увеличение скорости фиксации красителей по сравнению с сущест вующими запарными и термическими способами от 3 до 100 раз; 127 - упрощение технологической схемы крашения благодаря исключению таких операций как сушка и предварительный нагрев; - сокращение расхода красителей и химреактивов; - благоприятное воздействие на физико-механические свойства тек стильных материалов; - сокращение габаритов оборудования.
В настоящее время за рубежом широкое применение находят аппараты периодического и непрерывного действия, предназначенные для сушки и крашения текстильных материалов в поле токов высокой частоты. Имеются сведения о разработке экспериментальных ВЧ-установок периодического действия для крашения объемных изделий. При этом процесс крашения волокнистого материала, пропитанного красильным раствором, производится в специальной камере [256,310-314].
Авторы изобретения [256] предлагают устройство для крашения волокон, состоящее из генератора ВЧ-колебаний, блока управления и рабочей камеры, снабженной регулируемым электронным устройством. В межэлектродное пространство помещается емкость, выполненная из радиопрозрачного материала, которая заполняется красильным раствором и окрашиваемым волокном. Фиксация красителя волокнообразующим полимером достигается в результате объемного равномерного прогрева текстильного материала при воздействии ТВЧ.
Устройство для периодической обработки рулонов ткани описано в работе [257]. Оно имеет цилиндрическую камеру для введения рулона ткани, навитой на ролик с внутренним электродом. Ролик с тканью, пропитанный красящим составом, приводится во вращение, при этом материал подвергается воздействию ВЧ-поля, создаваемого внутренним к наружным электродами. В установке предусмотрена система подачи в камеру водяного пара или горячего воздуха.
Особенности конструкции ВЧ/СВЧ-установок и методы оптимизации режимов их работы
Проведенный анализ научно-технической литературы дает возможность выделить несколько важных вопросов, решение которых позволит снять острые экономические проблемы, возникающие при обработке хлопчатобумажных тканей, а также вывести качество готовой продукции на принципиально новый уровень за счет придания текстильным материалам новых свойств, достижение которых традиционными способами невозможно.
Наиболее важной из всех проблем является тепловая обработка. Как показывает многолетний опыт, практически все процессы, связанные с подготовкой, колорированием и заключительной отделкой тканей протекают с использованием тепла. Традиционные (конвективный и контактный) способы подвода тепловой энергии к обрабатываемому изделию в сочетании с существующим оборудованием исчерпали свои возможности. Эти процессы характеризуются значительным потреблением энергоносителей, достаточно низким (не более 30%) К.П.Д., большой инерционностью и неравномерностью нагрева, что, в конечном счете, отражается на стоимости и качественных показателях готовых тканей. Другой важной проблемой является полнота и равномерность протекания химических реакций в объеме волокнистого материала. В данном случае тепловая энергия, ее источник и характер воздействия на систему волокнообразующий полимер - отделочный препарат также выступает важнейшей субстанцией, определяющей качество и стоимость готовой ткани. Конвективный и контактный нагрев создают градиент температурного поля по толщине обрабатываемого материала. Это приводит к тому, что верхние слои ткани в большей степени подвержены перегреву, нежели внутренние, следствием чего является перерасход и неэффективное использование пропиточных растворов: -на поверхности материала под действием повышенной температуры (для высокоскоростных процессов, инициируемых повышением температуры) или пролонгированным (по сравнению с внутренними слоями) действием рабочей температуры (для обычных процессов) будут неизбежно протекать деструктивные процессы, как волокнообразующего материала, так и химреагентов, входящих в состав технологических растворов. -в центре (на оси) текстильного материала существует вероятность неполного протекания химических процессов, что связано либо с более низкой, нежели рабочая, температурой, либо с недостаточной продолжительностью воздействия рабочей температуры на волокнистый материал.
То есть в обоих случаях имеет место нецелевое расходование отделочных препаратов и красителей.
Характерной особенностью распределения температуры по толщине ткани, нагреваемой конвективным или контактным способом является то, что в начальный момент времени температура на оси материала имеет более низкие значения, нежели на его поверхности. То есть нагрев внутренних слоев происходит с задержкой, продолжительность которой пропорциональна толщине нагреваемого объекта и его теплофизическим характеристикам и обратно пропорциональна температуре теплового источника.
Нагрев энергией высоких и сверхвысоких частот данного недостатка лишен - тепловыделение в объеме волокнообразующего полимера, помещенного в ВЧ-поле, происходит равномерно и со значительно более высокой скоростью (порядка 100С-с-1) нежели при конвективном и контактном способах подвода тепла. Данный метод тепловой обработки обладает наиболее высоким К.П.Д., равным 8(Ьь5%, а полное отсутствие теплоносителя позволяет на практике свести тепловые потери до минимума. Однако, несмотря на имеющиеся явные преимущества диэлектрического нагрева перед традиционными способами, распространения в текстильной промышленности он не получил. На наш взгляд это связано с рядом причин, главными из которых являются следующие: - отсутствие серийно выпускаемого ВЧ/СВЧ-оборудования для обработки текстильных материалов; - недостаточная технологическая проработка процессов подготовки, колорирования и заключительной отделки тканей, основанных на использовании энергии электромагнитных колебаний; большинство исследователей в этой области лишь показывали принципиальную пригодность данного метода для решения тех или иных задач, не рассматривая глубоко особенностей реализации предлагаемой технологии на практике;- консерватизм работников текстильной отрасли по отношению к принципиально новым технике и технологическим процессам.
Настоящая работа имела целью решение этих проблем, и, в первую очередь, разработку новых технологий и ВЧ/СВЧ установок для их реализации. Что касается последней проблемы, связанной в основном с человеческим фактором, го выход в данном случае один - создание доступных и понятных для понимания специалистами и работниками текстильных предприятий теоретических основ новых технологий и практических приемов эксплуатации соответствующего оборудования.
Следует особо отметить тот факт, что решение этих вопросов должно проводиться комплексно, без отрыва технологических процессов от разрабатываемого оборудования, которое наряду с принципиальной новизной должно сочетаться и комбинироваться с традиционными технологическими линиями.
Первый этап работы был посвящен разработке соответствующего технологического оборудования и средств диагностики, а также выбору рациональной конструкции отдельных узлов установок и выявление критериев подобия при их масштабировании. Расчет параметров работы ВЧ-оборудования и их оптимизация
Как уже отмечалось выше, в настоящее время в связи с возросшим интересом к использованию ВЧ-энергии для отделки тканей возникла насущная необходимость разработки и создания оборудования для осуществления технологий с применением токов высокой частоты, оптимизации параметров ВЧ-генератора и аппликатора, а также самого технологического процесса.
Неудачи многих исследователей, занимающихся разработкой технологических процессов отделки текстильных материалов с использованием энергии излучения радиочастотного диапазона, связаны с тем, что они пытаются реализовать процесс на имеющемся оборудовании, которое практически непригодно для нужд отделочного производства. Целью данного этапа работы явилась комплексная оценка возможностей использования токов высокой частоты для реализации всего спектра процессов обработки целлюлозосодержа-щих тканей.
Экспериментальное определение диэлектрических характеристик хлопчатобумажных тканей и их зависимости от внешних факторов
Подобранный таким образом на основе диэлектрических характеристик и полученных выкрасок оптимальный состав пропиточного раствора содержит следующее компоненты: активный краситель - 10 - 40 г/л ; хлорид натрия - 30 г/л; бикарбонат натрия -15 г/л; смачиватель ОП-10 - 1 г/л.
После подбора оптимальной рецептуры красильного раствора, была произведена серия выкрасок на лабораторной линии термозольного крашения "Вакаяма", находящейся на экспериментальной базе ИвНИТИ.
Высокочастотный метод сушки и фиксации сравнивали с традиционными способами сушки горячим воздухом (85С, 120 с). Для этого были использованы лабораторная цепная конвективная сушилка, работающая как в режиме сушки, так и в режиме термообработки и лабораторная запарная камера.
Эффективность воздействия электромагнитного поля на текстильный материал в процессах крашения оценивалась в сравнении с шгюсовочно-запарным и термофиксационным способами и характеризовалась следующи-ми показателями: - интенсивностью получаемых окрасок визуально и инструментально, путем измерения коэффициента отражения и определения абсолютного содержания красителя в волокне; - наличием миграции, определяемой как процентное отношение насыщенности окраски изнаночной стороны к лицевой; - степенью фиксации красителей, определяемой как процентное отношение содержания красителя на волокне до и после промывки; - устойчивостью окраски к физико-химическим воздействиям согласно ГОСТ 9733-00-27-83.
Данные, характеризующие влияние на качественные показатели окраски использования диэлектрического нагрева на стадии сушки и фиксации активных красителей, приведены в табл.Ш.4.2.
Согласно полученным данным (табл.Ш.4.2) при использовании красителя с высокой реакционной способностью независимо от массы окрашиваемой ткани, применение ВЧ-нагрева для фиксации позволяет получать окраски, не уступающие по качеству окраскам, достигаемым при крашении по плюсовочно-запарному способу. Использование токов высоких частот в качестве источника тепловой энергии позволяет исключить из технологического процесса стадию сушки. Окраски, полученные в этих условиях проведения процесса, отличаются хорошей степенью фиксации (72-84 %) и отсутствием миграции красителя. При этом наряду с исключением стадии сушки продолжительность фиксирующей обработки сокращается с 60 с до 4 - 12 с.
При крашении активным ярко-красным 5СХ не отмечено заметного влияния на накрашиваемость ткани ее влагосодержания перед высокочастотной фиксирующей обработкой. Так, содержание красителя на ткани, подвергнутой ВЧ-обработке в мокроотжатом состоянии с влажностью 80-110 % выше, чем у ткани, подсушенной до влажности 40-45 %, и эта разница не превышает 8 %.
Анализ аналогичных данных для активного оранжевого ЖТ данных показал, что диэлектрический нагрев с целью фиксации красителя, обладающего умеренной реакционной способностью, позволяет получить на сарже и "ави-зенте" окраски на уровне с традиционной фиксацией запариванием. На миткале полезный выход красителя несколько ниже (на 9,5-11 %), чем при обычном способе фиксации. Однако полученные окраски по степени фиксации и другим показателям удовлетворяют требованиям, предъявляемым к качеству готовых тканей .
За режим сравнения в данном случае принимали плюсовочно-запарной способ крашения с промежуточной сушкой, как наиболее приемлемый по технологическим параметрам при крашении винилсульфоновыми красителями.
Анализ показателей окрашенной по обычной и интенсифицированной технологии саржи показал некоторое расхождение данных, характеризующих интенсивность окраски и содержание красителя на волокне. Так, при невысокой относительной интенсивности окраски (67,80 %) выход красителя на волокне составил 94,6 %., что свидетельствует о более глубоком проникновении красителя с поверхности вглубь ткани при высокочастотной фиксации.
Необходимо отметить, что при крашении активными винилсульфоновыми красителями с повышением массы обрабатываемой ткани возрастает и миграция красителя при обработке в поле ТВЧ.
Также были проведены эксперименты по фиксирующей обработке ткани "миткаль" с малой поверхностной плотностью при прохождении через ВЧ-установку в три полотна внаклад.
Анализ полученных окрасок показал, что при крашении высокореакционными красителями результаты ВЧ-крашения при f = 40 МГц и t = 8 с равноценны окраскам, полученным по традиционным технологическим режимам. Миграция красителя в этом случае отсутствует.
При высокочастотной фиксации красителя с умеренной реакционной способностью близкие типовым по насыщенности окраски достигаются при фиксации при тех же параметрах, что и для высокореакционных красителей.
Однако в данном случае, имеет место большая миграция красителя с одной стороны ткани на другую, а также из одного полотна в другое. Увеличение длительности ВЧ-обработки с 4 до 8 с и понижение влажности обрабатываемой ткани с 80 до 40 % способствует уменьшению миграции красителя.
Устойчивость окрасок к физико-химическим воздействиям как для режимов с использованием ВЧ-нагрева, так и без него одинакова и соответствует группам ОПК (особо прочное крашение) и ПК (прочное крашение).
Однако полученные положительные результаты требуют от нас выявления основных механизмов интенсифицирующего воздействия электромагнитных излучений высокой частоты на систему волокнистый материал-технологический раствор. Особый интерес вызывает исследование влияния условий тепловлажно-стных обработок на процесс закрепления активных красителей на хлопчатобумажных тканях.
Скорость и глубина релаксационных процессов в целлюлозных волокнах при проведении тепловлажностных обработок определяются величиной уровня сегментальной подвижности как разность температуры обработки и температуры стеклования. Именно эта величина используется при анализе закономерностей фиксации активных красителей на хлопчатобумажных тканях, имеющих различную структуру и степень предварительной подготовки как в условиях запаривания насыщенным водяным паром, так и при использовании диэлектрического нагрева.
