ХЕРСОНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ХЕРСОНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІЩЕНКО ОЛЕНА ВОЛОДИМИРІВНА
УДК 677.862.55
РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ ЗАСТОСУВАННЯ
КАРБОКСИМЕТИЛЬОВАНОГО КРОХМАЛЮ В ДРУКУВАННІ І
ЗАКЛЮЧНІЙ ОБРОБЦІ ТЕКСТИЛЬНИХ МАТЕРІАЛІВ
05.19.03 – технологія текстильних матеріалів
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Херсон – 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Херсонському національному технічному університеті
Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент
Cумська Ольга Петрівна,
Херсонський національний технічний університет,
доцент кафедри хімічної технології та дизайну
волокнистих матеріалів
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Міщенко Г.В., Херсонський національний технічний університет, завідувач кафедри фізичної та неорганічної хімії;
кандидат технічних наук, доцент Кулаков О.І., Хмельницький національний університет, доцент кафедри хімічної технології.
Провідна установа:
Львівська комерційна академія, кафедра товарознавства непродовольчих товарів, Центральна спілка споживчих товариств України.
Захист відбудеться “7” червня 2006 р. о 13 00 годині на засіданні спеціалізованої
вченої ради Д 67.052.02 при Херсонському національному технічному університеті за адресою: 73008, м. Херсон – 8, Бериславське шосе, 24, корпус 1.
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Херсонського національного
технічного університету за адресою: 73008, м.Херсон – 8, Бериславське шосе, 24, корпус 1.
Автореферат розісланий “5” травня 2006 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради М.І. Валько
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Текстильна промисловість на початку нового сторіччя ввійшла в число передових галузей світової індустрії, що найбільш інтенсивно розвиваються. У той же час вітчизняна текстильна промисловість поступово втрачає раніше зайняті позиції, її доля в економіці країни складає 0,5 %, тому вона має потребу в корінній реорганізації та технічному переозброєнні. Їхньою основою повинні стати новітні ефективні й екологічно-безпечні технології, що дозволяють забезпечити випуск конкурентноздатної продукції високої якості і різноманітного асортименту. Виконання цієї задачі залежить від вирішення ряду проблем, пов’язаних з удосконаленням технологічного процесу опорядження текстильних матеріалів. Найбільш складною технологічною операцією опоряджувального виробництва є колористичне оформлення тканин, особливо способом друкування, що дозволяє суттєво розширити можливості художнього оформлення текстильних матеріалів із целюлозних волокон. Для друкування целюлозних тканин використовується широкий асортимент класів барвників: кубові, активні і пігменти. Активні барвники мають ряд переваг, але їх застосування для друкування обмежується, головним чином, дефіцитністю і дороговизною загусників на основі альгінатів. Вартість та якість загусника відчутно впливають на економічні показники опоряджувального виробництва і можуть складати від 10 до 42 % від загальних матеріальних витрат на друкування текстильних матеріалів. На закордонних фірмах вказана проблема вирішується шляхом використання модифікованих форм найбільш доступного полісахариду - крохмалю. В США щорічне виробництво модифікованих крохмалів перевищує 800 тис. т, а в Російській Федерації їх випуск становить 40 тис. т при потребі - 200 тис. т. Але імпорт таких препаратів економічно недоцільний при перевиробництві основної сировини - крохмалю. Тому виникла реальна потреба в створенні вітчизнянного виробництва модифікованого крохмалю, так як проблема вибору загусників друкарських фарб – одна з найбільш гострих для вітчизняної текстильної галузі.
Актуальність теми даної роботи визначається необхідністю створення загусників на основі карбоксиметилірованого крохмалю та розробки сучасної вітчизняної технології їх ефективного застосування в друкуванні текстильних матеріалів із натуральних і хімічних волокон активними та дисперсними барвниками. Крім використання в якості загусників, такі продукти також широко можуть використовуватись в якості препаратів для заключної обробки, що значно розширює можливості їх використання та дає змогу знизити їх собівартість.
Основні положення роботи та висновки сформульовані на основі аналізу науково-технічної літератури за темою дисертації та власних експериментальних даних.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Херсонському національному технічному університеті, відповідно до фундаментальних бюджетних тем: “Теоретичні дослідження фізико-хімічних основ отримання і застосування препаратів на основі водорозчинних полімерів для обробки текстильних матеріалів” (номер Державної реєстрації 0100U000401, протокол засідання Науково-технічної ради № 01 від 27.12.99 р.) та „Наукові основи створення та застосування препаратів для спеціальних видів енергоощадного оздоблення текстильних матеріалів” (номер Державної реєстрації 0103U001201, наказ № 633 МОН України від 05.11.02 р.).
Особистий внесок автора полягає в науковому обґрунтуванні та розробці технології застосування карбоксиметилірованого крохмалю в технологіях опоряджування текстильних матеріалів.
Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розширення асортименту текстильно-допоміжних речовин на основі карбоксиметилірованого крохмалю шляхом наукового обґрунтування технології їх застосування в друкуванні і заключній обробці текстильних матеріалів для випуску конкурентноздатної текстильної продукції.
Для здійснення поставленої мети треба було вирішити наступні наукові й прикладні завдання:
- вивчити структурні перетворення крохмалю при його мерсеризації та карбоксиметилірованні із метою одержання низькоетерифікованого карбоксиметилірованого крохмалю (Na-КМК), що повністю розчинюється в воді;
- на основі дослідження фізико-хімічних властивостей Na-КМК визначити та обґрунтувати умови одержання в’язких систем з необхідними друкувально-технічними властивостями;
- вивчити і порівняти реологічні властивості Na-КМК з альгінатними загусниками та модифікованими на основі крохмалю імпортного виробництва;
- розробити спосіб стабілізації фізико-хімічних властивостей водних розчинів Na-КМК;
- запропонувати Na-КМК для використання в якості регулятора реологічних і друкувально-технічних властивостей друкарської фарби;
- науково обґрунтувати і розробити ефективну технологію друкування текстильних матеріалів на основі дослідження взаємодії Na-КМК з активними барвниками та удосконалити процес промивання надрукованих тканин;
- випробувати технологію застосування Na-КМК в друкуванні бавовняних тканин активними барвниками, тканин із хімічних волокон активними і дисперсними барвниками, в заключній обробці текстильних матеріалів;
- розрахувати економічну ефективність використання Na-КМК в якості загусника при друкуванні активними і дисперсними барвниками.
Об'єкт дослідження – процеси друкування та заключної обробки текстильних матеріалів.
Предмет дослідження – текстильно-допоміжні речовини на основі Na-КМК.
Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач використовувались наступні методи дослідження:
- рентгенографічний метод на установці “Дрон-3”, що дав можливість оцінити упорядкованість структури крохмалю та продуктів його модифікації;
- термохімічний метод для вивчення структурних перетворень крохмалю та його похідних;
- ІЧ-спекроскопію та аналітичні методи для якісного та кількостного визначення карбоксиметильних груп в крохмальному ефірі;
- віскозиметричний метод (віскозиметр “Reotest-2”, Німеччина) для оцінки реологічних властивостей загусників і друкарських фарб та метод Янсена для визначення їх тягучості ;
- експериментально-розрахункові методи визначення властивостей плівки друкувальної фарби в технологічному процесі одержання візерунку на тканині;
- спектрофотометричний методи (спектрофотометр “СФ-16”) та тонкошарову хроматографію (пластини „Silufol UA-254”) для оцінки взаємодії активних барвників із загусниками;
- спектрофотометричний метод (спектрофотометри “Texflash”, „Macbeth”) для оцінки інтенсивності забарвлення і колірних характеристик;
- методи, передбачені чинними Державними стандартами України для оцінки та аналізу фізико-хімічних та механічних характеристик готової текстильної продукції.
Обробку одержаних експериментальних даних проводили шляхом використання математичної статистики. Відповідно до вимог теорії ймовірності і математичної статистики визначалася помилка дослідів, для чого проводили паралельні досліди. Критерієм оцінки похибок служила вибіркова дисперсія ?х2 і довірчий інтервал ?х при рівні надійності ?=0,05. Точність вимірюваних величин приймалася відповідно до приведених у паспортах характеристик вимірювальних приладів. Точність величин, що розраховувалися, визначалася відповідно до закону накопичення похибок.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:
- вперше визначено умови утворення Na-КМК з необхідними властивостями для застосування в якості загусників при друкуванні та текстильно-допоміжних речовин в заключній обробці текстильних матеріалів;
- доведено, що процес карбоксиметиліровання здійснюється в кристалічній амілозі і ступінь заміщення залежить від кількості амілози в крохмалі;
- вперше визначено та математично описано механізм дії карбаміду в якості антикоагулянту концентрованих розчинів Na-КМК і встановлено області його оптимальних концентрацій для практичного використання;
- показано, що застосування Na-КМК не обмежується функціями загущення друкарської фарби і надання їй необхідних друкарсько-технічних властивостей, а дає можливість підвищити інтенсивність та колірні характеристики забарвлень, що дозволяє збільшити ступінь корисного використання активних барвників.
Автором отримані основні наукові та прикладні результати:
- з позиції утворення адитивних сполук лугу і води встановлено області ефективних концентрацій гідроксиду натрію 27-30 % в реакційній масі, для одержання повністю розчинних у воді низькоетерифікованих карбоксиметилірованих ефірів крохмалю;
- встановлено залежність в’язкості розчинів Na-КМК від концентрації основної речовини та наведено математичний опис універсальної кривої зміни ефективної в’язкості у широкому діапазоні швидкостей зсуву, які застосовуються в друкуванні та заключній обробці текстильних матеріалів;
- експериментально доведено, що Na-КМК має комплекс необхідних технологічних властивостей, які забезпечують підвищення ефективності процесу опорядження текстильних матеріалів та високу якість продукції, що випускається;
- науково обґрунтовано технологію застосування Na-КМК в друкуванні та заключній обробці текстильних матеріалів, що пройшла успішну апробацію у виробничих умовах і має перспективу для подальшого впровадження на текстильних виробництвах.
Практичне значення одержаних результатів. З практичної точки зору значення роботи полягає у комплексному вирішені двох проблем, що мають місце при друкуванні текстильних матеріалів: проблеми розширення асортименту загусників друкарських фарб і проблеми підвищення ефективності та зниження матеріало- та ресурсоємності процесу друкування тканин з целюлозних волокон активними барвниками. В заключній обробці текстильних матеріалів використання Na-КМК дозволить знизити енергоємність приготування апретів, у складі яких рекомендовано застосовувати крохмаль та забезпечити більш високу якість оздоблення тканин.
Рекомендовано спосіб забезпечення стабільності висококонцентрованих розчинів Na-КМК шляхом застосування в якості антикоагулянту карбаміду, що дає можливість їх постачання опоряджувальним підприємствам у вигляді пасти, і виключити із технологічного циклу виробництва найбільш неекономічний процес сушіння.
Одержані в дисертаційній роботі результати позитивно апробовані у виробничих умовах АТЗТ „Тіротекс”, м. Тирасполь (протокол виробничих випробувань від 20 квітня 2005 р., Рег. 00423 №29), АТЗТ „Черкаський шовковий комбінат” (довідка від 11 грудня 2003 р.) при друкуванні активними барвниками бавовняних тканин та тканин із віскозних волокон і дисперсними барвниками тканин з ацетатних волокон. Реалізація викладених в роботі нових технологій дозволить очікувати, в залежності від застосовуваних барвників та площі утвореного візерунку на тканині, економічний ефект 15,2-84,6 грн. при випуску 1000 м2 надрукованих тканин.
Особистий внесок здобувача полягає у постановці й обґрунтуванні задач дослідження, у критичному аналізі науково-технічної та патентної літератури з проблем вибору загусника для друкування активними барвниками тканин з целюлозних волокон і способів модифікації крохмалів, в одержанні експериментальних даних та їх аналізі, у формулюванні висновків роботи, участі у виробничих випробуваннях.
Основний внесок автора полягає у виявленні механізму виготовлення карбоксіметилірованого крохмалю високої розчинності, визначенні оптимальних концентрацій в’язких розчинів Na-КМК і стабілізації їх фізико-хімічних властивостей за допомогою карбаміду для використання в друкуванні та заключній обробці текстильних матеріалів, науковому обгрунтуванні технології застосування Na-КМК в друкуванні та заключній обробці текстильних матеріалів.
У наукових публікаціях із співавторами і керівником роботи авторові належить отримання і аналіз експериментальних даних, формулювання основних наукових положень та висновків.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались і обговорювались:
- на наукових семінарах кафедри хімічної технології та дизайну волокнистих матеріалів Херсонського національного технічного університету, 2002, 2004, 2005, 2006 рр., м. Херсон;
- на Всеукраїнській науковій конференції молодих вчених і студентів “Наукові розробки молоді на сучасному етапі”, м. Київ, Київський національний університет технологій та дизайну, квітень 2002 р.;
- на II міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні технології й устаткування для одержання і переробки полімерів, полімерних композиційних матеріалів і хімічних волокон”, м. Київ, Київський національний університет технологій та дизайну, березень 2003 р.;
- на II Всеукраїнській науковій конференції молодих вчених і студентів “Наукові розробки молоді на сучасному етапі”, м. Київ, Київський національний університет технологій та дизайну, квітень 2003 р.;
- на технічній раді фарбувально-опоряджувального виробництва АТЗТ „Черкаський шовковий комбінат, грудень 2003 р., м. Черкаси;
- на конференції “Проблеми легкої і текстильної промисловості України”, м. Херсон, Херсонський державний технічний університет, квітень 2004 р.;
- на технічній раді опоряджувальної фабрики АТЗТ “Тіротекс”, квітень 2005 р., Придністровська Молдавська республіка, м. Тирасполь;
- на міжнародній науково-практичній конференції “Техніка для хімволокон”, м. Чернігів, травень 2005 р.;
- на ювілейній міжнародній конференції “Інноваційні технології – майбутнє України”, м. Київ, Київський національний університет технологій та дизайну, жовтень, 2005р.;
- на науковому семінарі кафедри технології полімерів і хімічних волокон, м. Київ, Київський національний університет технологій та дизайну, січень, 2006 р.;
- на науковому семінарі кафедри товарознавства непродовольчих товарів Львівської комерційної академії, 2006 р.
Публікації за темою дисертаційної роботи нараховують 15 найменувань, у тому числі: 7 статей у наукових фахових журналах, 3 – патенти, 5 – тези доповідей у збірниках матеріалів наукових конференцій.
Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків.
Дисертаційна робота містить 161 сторінку машинописного тексту, 41 таблицю, 35 рисунків, 145 найменувань літературних джерел. Обсяг додатків - 28 сторінок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі охарактеризовано сучасний стан розвитку текстильної промисловості, роль активних барвників для друкування тканин із целюлозних волокон, проблеми щодо асортименту загусників для друку активними барвниками. Відмічено, що проблема загусників друкувальних складів – одна з найбільш гострих у текстильній галузі.
У вступі також сформульовані актуальність, мета і задачі дисертаційної роботи, що визначають необхідність розробки нових технологій застосування карбоксіметилірованого крохмалю в друкуванні активними та дисперсними барвниками і заключній обробці тканин.
У першому розділі розкрито ситуацію, що склалася у текстильній галузі. Зокрема проведено аналіз сучасного стану виробництва волокон, який показує, що у теперішній час ситуація характеризується не тільки підвищенням обсягів виробництва тканин з хімічних волокон, але й з бавовни, яка ще багато десятиріч буде використовуватися для виробництва текстильних матеріалів різного асортименту. Показано, що подальшому широкому виробництву тканин з целюлозних волокон буде сприяти розробка сучасних методів колорирування – насамперед, способом друкування активними барвниками. Використання відповідних загусників друкарських фарб, дає можливість надавати готовим виробам забарвлення і властивості відповідно до вимог замовника. Розглянуто основні тенденції застосування різноманітних видів загусників, які використовуються в друкуванні текстильних матеріалів в світовій та вітчизняній текстильній промисловості. Представлено огляд теоретичних та практичних праць з модифікації природного крохмалю.
В цьому плані розглянуто основні властивості крохмалю - найбільш поширеного представника полісахаридів, який успішно використовується для виготовлення загусників та апретів, сучасний стан та проблеми застосування продуктів модифікації крохмалю в друкуванні та заключній обробці. Наведено відомості про світовий стан виробництва та використання барвників, розглянута проблема вибору загусників при друкуванні активними барвниками. Зроблено огляд випускних форм модифікованих крохмалів закордонних фірм для друкування різних текстильних матеріалів.
У другому розділі наведено відомості про загусники, барвники, субстрати і викладено основні методи дослідження.
Основні дослідження виконано з карбоксиметилірованим крохмалем (торгова назва “Карбоксикрин С”), одержаним дією на крохмаль, оброблений лугом, монохлороцтовою кислотою (монохлорацетатом натрію):
Для одержання загустки до сухого загусника при перемішуванні додавали холодну воду і його вміст складав 10ч12%. Паралельно для порівняння використовували найкращі зразки імпортних загусників, що використовуються для друкування активними і дисперсними барвниками. Досліджено реологічні властивості розчинів Na-КМК у широкому діапазоні швидкостей зсуву.
Вивчена упорядкованість структури крохмалю та його похідних за допомогою рентгеноструктурного аналізу це дало можливість пояснити механізм карбоксиметиліровання крохмалю і одержання з нього високорозчинних продуктів у воді. За допомогою аналітичних методів та ІЧ-спектрів визначали кількість карбоксиметильних груп і ступінь заміщення етерифікованого крохмалю. Вплив загусників на ступінь взаємодії з активним барвником оцінювали методами тонкошарової хроматографії та забарвлення плівок.
Для оцінки якості друкування визначена інтенсивність забарвлень за функцією Гуревича-Кубелки-Мунка, а також характеристики забарвлень, у системі CIELab координати кольорності, світлоту L, чистоту С, кольоровий тон Н і загальну кольорову різницю ?Е. Зазначені показники розраховували за допомогою автоматичної системи об’єктивного вимірювання кольору.
Аналіз надрукованих тканин та міцність забарвлень оцінювали за ДСТУ 9733.083 – 9733.27.83. Міцність до горіння текстильних матеріалів оцінювали за ДСТУ 15530-93.
Результати експериментальних досліджень обробляли методами математичної статистики.
У третьому розділі викладено експериментально-теоретичну частину роботи, що включає три підрозділи, в яких послідовно викладаються результати: дослідження механізму утворення карбоксиметилірованого крохмалю; дослідження фізико-хімічних властивостей Na-КМК, необхідних для утворення в’язких систем; дослідження дії Na-КМК (карбоксикрина С) в якості регулятора реологічних та друкувально-технічних властивостей друкарських фарб.
У підрозділі 3.1 викладено результати дослідження надмолекулярної структури крохмалю, мерсеризованого крохмалю і карбоксиметилірованого крохмалю. Одержані рентгенодифрактограми показують, що вихідний крохмаль має аморфно-кристалічну структуру, але після обробки лугом та карбоксиметиліровання він повністю аморфізується (рис.1).
Маючи низький вміст високомолекулярної амілози і високий вміст амілопектину з низьким ступенем полімеризації, крохмаль характеризується середнім ступенем полімеризації 120-150. До унікальних властивостей полісахаридів належить здатність сорбції вологи. За допомогою рівняння ГАБ (Гаггенхейма, Андерсона и Де-Боєра) описано ізотерми сорбції вологи у всьому інтервалі відносної вологості і розрахункові дані співпадають з експериментальними. Дані із сорбції вологи крохмалем мають практичне значення для коректування оптимальних параметрів лугу при мерсеризації і підтримування певного рівня вологи у реакційній суміші при карбоксиметиліруванні.
Вміст у крохмалі упорядкованих структур визначається вмістом у ньому кристалічної амілози, що підтверджується рентгеноструктурним та термохімічним методами аналізу. Тому структурні перетворення важкодоступної для реагентів амілози в процесі хімічної обробки крохмалю впливають на його властивості і визначають його розчинність у воді та здатність взаємодіяти з барвниками різних класів.
Запропонований наступний механізм карбоксиметилірування крохмалю. Утворення лужного крохмалю, що відбувається при обробках гідроксидами металів (МеОН) проходить в дві стадії: стадію утворення адитивних сполук в амілозі на першому етапі, а потім алкоголятів - на другому за наступною схемою:
С6Н7О2(ОН)3 + МеОН = С6Н7О2(ОН)3·МеОН·nКН2О
С6Н7О2(ОН)3·МеОН·nКН2О = С6Н7О2(ОН)2·Оме + (nК + Н2О)
Наявність трьох молів води в кристалізаційній решітці амілози в алкоголятній формі дає можливість після їх інклюдування розташовуватися в ній одній молекулі монохлороцтової кислоти (МХОК) з інкриментом об’єму ?мхок ? 3?Н2О, яка вводиться в реакційну масу для утворення карбоксиметилірованого крохмалю. Карбоксиметилірування амілози, що протікає в її кристалічній решітці, призводить до утворення ефіру крохмалю з ступенем заміщення ?=100, що повністю розчинюється в воді. Таким чином, достатньо провести етеріфікацію кристалічної частки крохмалю для того, щоб одержати водорозчинний крохмаль для подальшого використання у виготовленні загусток різного призначення. Встановлено, що найбільш сприятливі для мерсеризації крохмалю області концентрацій лугу становлять 27-30% NaOH. За допомогою ІЧ-спектрів (рис.2.) отримані дані про приєднання карбоксиметильних груп та розрахована ступінь заміщення (рис.3).
У підрозділі 3.2 досліджено реологічні властивості розчинів Na-КМК залежно від концентрації сухої речовини в умовах зсувової деформації в порівнянні з іншими зразками загусників, що мають необхідні для друкування властивості. Реологічні криві течії наведені на рис.4.
log г(c-1)
Рис. 4. Криві течії розчинів Na-КМК різної концентрації:
1 - 3%, 2 – 7%, 3 -12%, 4 – 15%.
Розрахована початкова в’язкість (?0) Na-КМК від концентрації сухої речовини (С) за наступним рівнянням:
?0 = КС?, К = 19,5·10-4 і ? = 3,35
Наведені рівняння для розрахунку його ефективної в’язкості (?е) в залежності від швидкості зсуву (?, с-1) і початкової в’язкості (?0), в межах, визначених технологічними умовами використання загусток:
?е= ?0/[1 + 0,036(?о·?)0,74] (коефіцієнт кореляції R = 0,929) для концентрації 10-15 %;
?е= ?0 / [1 + 1,79(?о·?)0,47] (коефіцієнт кореляції R = 0,918) для концентрації 3%.
Важливою властивістю в’язких систем, що використовуються в текстильних технологіях, є тягучість. Встановлено, що Na-КМК при концентрації 10 - 13% має тягучість, близьку до тягучості загусток на основі альгінату натру (манутекс RS). Виявлено, що коефіцієнт розтікання Na-КМК концентрацією 10-13 % за абсолютною величиною близький значенням коефіцієнта розтікання манутексу RS–3,5 % і сольвітози С5 – 7 %.
Розроблено спосіб стабілізації фізико-хімічних властивостей водних розчинів карбоксиметилірованих крохмалів. Встановлено, що карбамід в межах концентрацій 2-5 % (рис.5) в концентрованих розчинах Na-КМК можна використовувати в якості антикоагулянту, що дає можливість підвищити їх фізико-хімічну стійкість за рахунок зростання ступеню дисперсності та зменшення асоціації макромолекул розчинених речовин. Наведено рівняння розрахунку початкової в’язкості водного розчину Na-КМК (0к) від концентрації карбаміду (Ск) і в’язкості водного розчину Na-КМК без карбаміду (00):
0к = 00(1 + 0,27Ск)/(1 + 0,82Ск – 0,06Ск2)
(коефіцієнт кореляції R = 0,99, S = 0,03)
Ск, %
Рис. 5. Змінення співвідношення початкових в’язкостей Na-КМК в залежності від концентрації карбаміду.
Віскозиметричним методом здійснено оцінку сумісності суміші крохмалю та Na-КМК за критерієм Зелінгера-Хейдінгсфельда. Виявлено, що вказані полімери є термодинамічно несумісними, але при цьому існує можливість зміни технологічних властивостей композиції в бажаному напрямку. Показано, що композиція на основі крохмалю та Na-КМК може бути ефективно використана в широкому діапазоні співвідношення масових часток крохмалю і Na-КМК. Одержані дані дозволяють визначити і розширити область застосування Na-КМК у текстильній промисловості у випадку потреби удосконалення властивостей загустки на основі крохмалю при необхідності друкування активними барвниками.
У четвертому розділі викладено експериментальну і теоретичну частини роботи, що включає три підрозділи, в яких послідовно викладаються результати: дослідження взаємодії Na-КМК з активними барвниками в процесі друкування текстильних матеріалів; дослідження і удосконалення процесу промивання тканин, надрукованих з використанням в якості загусника Na-КМК; апробація технології застосування Na-КМК.
У підрозділі 4.1 досліджено взаємодію Na-КМК з активними барвниками, представлені кількісні дані ступеня хімічної взаємодії з активними барвниками різноманітних полісахаридів (табл. 1).
Встановлено зниження ступеня хімічної взаємодії (приблизно в 2 рази) в порівнянні з крохмалем, яке пояснюється тим, що в Na-КМК зменшується енергія взаємодії неетерифікованих активних груп крохмалю з активними барвниками, внаслідок збільшення його електронегативних потенціалів. Враховуючи одержані результати, досліджено вплив карбаміду на ступінь хімічної взаємодії активних барвників з крохмалем та показано позитивний вплив цієї текстильно-допоміжної речовини при її використанні.
Таблиця 1
Оцінка взаємодії активного барвника з активними
групами загусників
Загусник
| Активний яскраво-червоний 6С
Ступінь хімічної взаємодії
барвника, % | Стійкість
забарвлення до прання №3, бали | Стійкість
забарвлення до тертя, бали
Методика
забарвлення плівок | Методика
тонкошарової
хроматографії
Манутекс RS | 6,3 | 5,7 | 5/5 | 5/5
Кімітекс LL | 7,0 | 6,5 | 5/4 | 5/4
Сольвітоза С 5 | 7,3 | 7,5 | 4/4 | 5/5
Na-КМК | 6,7 | 7,0 | 5/4-5 | 5/5
Крохмаль
кукурудзяний | 14,4 | 15,6 | 4/3 | 4/4
Крохмаль
картопляний | 15,2 | 16,4 | 4/3 | 4/4
У підрозділі 4.2 наведені результати дослідження процесу промивання тканин, надрукованих з використанням карбоксикрину С. Надана оцінка впливу манутексу RS, кімітексу LL, Na-КМК, сольвітози С5, крохмалю на повноту та швидкість десорбції активних барвників 3-4 групи відмиваємості при промиванні надрукованих тканин. Одержані результати для активного монохлортриазинового барвника третьої групи відмиваємості в порівнянні з загусткою на основі манутексу RS наведені в табл. 2. Досліджено вплив на процес промивання надрукованих тканин широкого ряду поверхнево-активних речовин та виявлено, що для промивання тканин, надрукованих із застосуванням Na-КМК і кімітексу LL, немає потреби в селективному підборі композиційного миючого засобу. Таким чином, встановлено, що використання в якості загусника Na-КМК дозволяє легко видалити його з надрукованих тканин за класичним способом промивання, при цьому забезпечуються високі колористичні показники забарвлень і необхідна, згідно державних стандартів, стійкість забарвлень до прання та тертя. Застосування Na-КМК (торгова марка „Карбоксикрин С”) в друкуванні бавовняних тканин є доцільним з економічної точки зору, через те, що немає потреби у повторному проведенні технологічного процесу промивання надрукованих тканин на прохідному промивному апараті, як це здійснюють у випадку промивання тканин, надрукованих з використанням крохмальної загустки.
Таблиця 2
Вплив природи загусника на колористичні показники забарвлень,
одержаних при друкуванні активним яскраво-червоним 6С
Загусник | dE | dL | dC | dH | ВФС, %
Na-КМК | 2,07 | 0,65 | -0,24 | 0,79
жовтіше | 116,9
Сольвітоза С5 | 6,26 | 4,62 світліше | -0,18 | -4,22
синіше | 81,1
Кімітекс LL | 2,39 | -1,72 темніше | 0,22 | 1,64
жовтіше | 121,8
Крохмаль | 3,37 | -1,85 темніше | -1,18 тупіше | 2,56
жовтіше | 104,6
У підрозділі 4.3 викладено результати апробації основних положень десертаційної роботи у виробничих умовах, а саме, АТЗТ „Тіротекс” (м.Тирасполь) та АТЗТ „Черкаський шовковий комбінат”. Результати друкування бавовняної тканини арт. 4799/166/150 активними барвниками в умовах опоряджувальної фабрики АОЗТ “Тіротекс” в порівнянні з використовуваним на виробництві загусником – манутексом RS наведені в табл.3. Результати свідчать про те, що карбоксикрин С забезпечує високі колористичні показники друкування. Стійкість забарвлень, одержаних з використанням карбоксикрину С до прання та тертя, була на рівні показників, які забезпечені використанням в друкуванні манутексу RS.
Таблиця 3
Результати виробничих випробувань Na-КМК („Карбоксикрин С”)
в друкуванні активними барвниками
Барвник | dE | dL | dC | dH | OKC,%
Бецактив червоний Р-8BN | 2,49 | -1,87 (темніше) | 0,98 | 1,38 | 107,7
Бецактив синій V-RSP | 6,64 | -5,99 (темніше) | 0,97 | 2,69 | 154,7
Бецактив чорний V-GRA | 0,87 | 0,75 | -0,43 | 0,05 | 96,3
В умовах Черкаського шовкового комбінату була проведена позитивна апробація застосування карбоксикрина С з метою заміни дорогого імпортного загусника ламальгіну G 5 в друкуванні тканин з бавовняних та віскозних волокон активними барвниками та тканин з ацетатних волокон дисперсними барвниками. Була досліджена кінетика вологопоглинання плівки загусника з Na-КМК на волокні, що дозволило пояснити покращення колористичних характеристик забарвлень в порівнянні с ламальгіном G5 за рахунок здатності більше поглинати та утримувати вологу в умовах запарювання надрукованої тканини внаслідок наявності карбоксильних груп у плівці друкувальної фарби, а не тільки за рахунок набрякання плівки в розчинах сечовини. При аналізі результатівлабораторно-виробничих випробувань процесу друкування віскозної тканини активними барвниками та подальшому проведенні досліджень було встановлено, що в умовах промивання тканин на “ЧШК” необхідно пом’якшувати технічну воду додаванням триполіфосфата натрію концентрацією 3 г/л.
Визначено витрати за статтею “Хімічні матеріали і барвники” у порівнянні зі складами на основі альгінатного загусника (ламальгіну G5) від впровадження карбоксикрину С.
Витрати на 1 кг складу для друкування наведено у табл. 4.
Таблиця 4
Вартість 1 кг друкарської фарби
Компоненти друкарської фарби | Типовий склад | Новий склад
Вит-рати,
г/кг | Ціна, грн./кг | Вартість
1 кг друкарської фарби,
грн. | Вит-рати, г/кг | Ціна, грн./кг | Вартість
1 кг друкарської
фарби, грн.
Активний
Барвник | 30,0 | 75,00 | 2,25 | 25,5 | 75,00 | 1,91
Сечовина | 100,0 | 1,20 | 0,12 | 100,0 | 1,20 | 0,12
Бікарбонат нат-рію | 20,0 | 2,50 | 0,05 | 20,0 | 2,50 | 0,05
Ламальгін G5 | 30,0 | 27,00 | 0,81 | - | - | -
Карбоксикрин С | - | - | - | 60,0 | 3,50 | 0,21
Вартість
1 кг фарби | 3,23 | 2,29
Розраховано очікуваний економічний ефект за рахунок зміни складу для друкування за формулою:
Е = (Вт – Вн)*Нв ,
де Вт та Вн – вартість 1 кг складу для друкування типового і нового відповідно, грн.;
Нв – норма витрат друкарської фарби на 1000 м2 тканини, кг.
Витрати друкарської фарби при друкуванні ґрунтовим рисунком складають 90 кг на 1000 м2 , при друкуванні білоземельним – 20 кг.
Егр = (3,23-2,29)*90 = 84,6 грн.
Ебз. = (3,23-2,29)*20 = 18,8 грн.
Очікуваний економічний ефект тільки за рахунок змін у складі для друкування від застосування карбоксикрину С при друкуванні активними барвниками складає 18,8ч84,6 грн. на 1000 м2 тканин залежно від площі утвореного візерунку, при друкуванні дисперсними барвниками 15,2ч68,4 грн. на 1000 м2 тканин залежно від площі утвореного візерунку.
У підрозділі 4.4. Виконано дослідження, результати яких дозволили рекомендувати застосовувати „Карбоксикрин С” в заключній обробці текстильних матеріалів для надання тканинам антимікробних та вогнестійких властивостей. Технологія, яка рекомендується, передбачає застосовування карбоксикрину С і бактерицидного агенту - четвертинної амонієвої сполуки - етонію для отримання текстильних матеріалів з антимікробними властивостями, одержаний бактерицидний ефект яких може бути пояснений типом зв’язку між функціональними групами карбоксикрину С и етонію. Було апробовано використання карбоксикрину С замість крохмалю в складі апрету для надання якісної вогнестійкої обробки. Встановлено діапазон концентрацій карбоксикрину С у вогнестійкому апреті, що дозволяє отримати високу якість обробки і технологічну простоту приготування апрету.
Таким чином, враховуючи результати досліджень структури Na-КМК, теоретичні та практичні аспекти його утворення, запропоновано науково-обгрунтовану технологію застосування цього препарату в друкуванні та заключній обробці текстильних матеріалів.
ВИСНОВКИ
1. Запропоновано науково-обгрунтовану технологію застосування Na-КМК (торгова назва ”Карбоксикрин С”) в друкуванні та заключній обробці текстильних матеріалів та показано, що цей препарат володіє комплексом необхідних технологічних властивостей, що забезпечує підвищення ефективності процесу опорядження текстильних матеріалів та сприяє випуску високоякісної конкурентноздатної продукції.
2. Виконано кількісну оцінку структурного стану крохмалю і показано, що його упорядкована структура визначається вмістом кристалічної амілози. Дані про надмолекулярну структуру крохмалю, які було одержано рентгенодифракційним методом, порівняно з результатами термохімічних досліджень інтегральної теплоти змочування водою і сорбції водяної пари, що дало можливість довести необхідність підтримувати певний рівень вологи при карбоксиметилірованні крохмалю.
3. Проведено аналіз змін надмолекулярної структури крохмалю в процесі його мерсеризації та карбоксиметилірування. Із позицій утворення адитивних сполук запропоновано механізм утворення Na-КМК, який пояснює високу розчинність у воді карбоксиметилірованого крохмалю при досить низькому ступені заміщення ? = 21-30. В технологіях виробництва повністю розчинного у воді Na-КМК рекомендовано області концентрацій гідроксиду натрію 27-31 % в реакційній масі.
4. На основі реологічних досліджень встановлено залежність початкової в’язкості розчинів від концентрації Na-КМК. У випадку концентрованих розчинів, які застосовують при друкуванні текстильних матеріалів, в’язкість розчинів Na-КМК зростає дуже інтенсивно. Математично описана зміна ефективної в’язкості від швидкості зсуву для концентрованих та низькоконцентрованих розчинів модифікованого крохмалю. Одержані результати дозволили визначити області застосування Na-КМК в опорядженні текстильних матеріалів.
5. Розроблено спосіб стабілізації фізико-хімічних властивостей розчинів КМК у воді шляхом використання карбаміду. Математично описано механізм дії карбаміду у водних розчинах Na-КМК різної концентрації. Встановлено концентрації карбаміду (2-5 %) при яких він виконує роль антикоагулянту концентрованих розчинів Na-КМК, що дозволило рекомендувати випускну форму Na-КМК у вигляді пасти.
6. Виконано оцінку сумісності суміші крохмалю та Na-КМК за крите-рієм Зелінгера-Хейдінгсфельда. Встановлено, що термодинамічна несумісність полімерів, яку було визначено при інтерпретації даних, може свідчити про можливість змін технологічних властивостей композиції в бажаному напрямку. Показано, що композицію на основі крохмалю та Na-КМК може бути ефективно використано в самому широкому діапазоні співвідношення масових часток крохмалю і Na-КМК.
7. Науково обґрунтовано технологію застосування Na-КМК в друкуванні текстильних матеріалів активними та дисперсними барвниками. Методами тонкошарової хроматографії та забарвлення плівок визначено значне зниження ступеню хімічної взаємодії активних барвників із Na-КМК в порівнянні з крохмалем (в середньому у 2 рази). Використання в якості загусника карбоксикрину С дозволяє легко видалити його та незафіксований барвник з надрукованих тканин за класичним способом промивання.
8. Експериментально і науково обґрунтовано технологію застосування Na-КМК в заключній обробці текстильних матеріалів з метою надання їм бактерицидних властивостей за рахунок утворення міцних хімічних між функціональними групами Na-КМК та катіонактивного бактерицидного препарату. Для надання якісної вогнестійкої обробки текстильним матеріалам в складі апрету запропоновано замінити крохмаль на Na-КМК та спростити таким чином технологію приготування і використання апрету.
9. В виробничих умовах текстильних підприємств з позитивним результатом випробувано технологію друкування текстильних матеріалів з застосуванням карбоксикрину С в порівнянні з технологією, де застосовується імпортний загусник на основі альгінату натрію. Встановлено, що технологія застосування карбоксикрину С забезпечує високу якість друкування та високі колористичні показники забарвлень тканин, що випускаються, при підвищенні ефективності технологічного процесу. Очікуваний економічний ефект за рахунок змін складу друкувальної фарби в залежності від площі утворення візерунка при друкуванні активними барвниками складає 18,8-84,6 грн на 1000 м2 тканин, при друкуванні дисперсними барвниками 15,2-68,4 грн на 1000 м2 тканин.
Рекомендації виробництву при застосуванні карбоксикрину С
1. Друкування текстильних матеріалів
1.1. Друкування активними барвниками:
- бавовняні, віскозні тканини;
- приготування 12 %-ої загустки при температурі цеху в реакторі об’ємом 250-2000 л при перемішуванні якірним змішувачем, в’язкість друкувальної фарби 70 Па, рН = 8,5 – 9;
- активні барвники – монохлортриазинові, вінілсульфонові (І-ІІІ групи відмивання), біфункціональні;
- ротаційні друкувальні машини з циліндричними шаблонами або гравірованими валами;
- термообробка – 1020С або 1350С протягом 5-7 хв.;
- промивання – пом’якшена вода, ряд аніоних або неіоних ПАР.
1.2. Друкування дисперсними барвниками:
- ацетатні тканини;
- приготування 11 %-ої загустки при температурі цеху в реакторі об’ємом 250-2000 л при перемішуванні якірним змішувачем, в’язкість друкувальної фарби 65 Па, рН = 8,0;
- дисперсні барвники – антрахінонові, азо-;
- ротаційні друкувальні машини з циліндричними шаблонами або фотофільмдрукування;
- термообробка – відповідно затвердженим технологічним режимам;
- промивання – пом’якшена вода, перша промивна коробка – холодна вода.
2. Заключна обробка
2.1. Антимікробна обробка текстильних матеріалів:
- використання у складі апрету концентрацією 30 г/л в композиції з етонієм 5 г/л.
2.2. Вогнестійка обробка текстильних матеріалів:
- використання в складі апрету на заміну крохмалю концентрацією 5-15 г/л.
Список опублікованих праць за темою дисертації
1. Сумская О.П., Ищенко Е.В., Полищук С.А., Сарибеков Г.С. Карбоксикрин С – отечественный загуститель для печатания текстильных материалов // Вестник Херсонского государственного технического университета. – 2001. – №5 (12). – С.108-110.
Дисертант проводив експериментальні дослідження, узагальнював результати, формулював висновки.
Поліщук С.О., Сумська О.П. – проведено оцінку реологічних властивостей розчинів Na-КМК, друкарсько-технічних властивостей.
Сарібеков Г.С. – визначення напрямків для застосування в опоряджуванні текстильних матеріалів.
2. Ищенко Е.В., Сумская О.П. Исследование реологических свойств загущающих композицій на основе крахмала и карбоксикрина С // Вестник Херсонского государственного технического университета. – 2001. – № 4 (13). – С. 371-373.
Дисертант - одержання експериментальних даних та їх аналіз, виявлення переваг і недоліків від використання композиційної загустки в складах для друкування активними барвниками.
3. Ищенко Е.В., Сумская О.П. Исследование взаимодействия активних красителей с загустителями в печатании текстильних материалов // Вісник Київського національного університету технологій та дизайну. - 2003. – № 1. – С.53-58.
Дисертанту належить розробка методики дослідження, виконання екперименту аналіз результатів, виявлення ступеню взаємодії активних барвників з загустками на основі крохмалю, модифікованих крохмалів та альгінатів.
4. Салеба Л.В., Ищенко Е.В., Сумская О.П. Влияние загустителей и композиций ПАВ на процесс промывки текстильних материалов, напечатанных активними красителями // Проблемы лёгкой и текстильной промышленности Украины. – 2004. – № 1 (8). – С.239-244.
Дисертанту належить одержання експериментальних даних, визначення режиму промивання та складу промивного розчину.
5. Іщенко О.В., Логачова М.Є., Гвоздяк Р.І. Визначення антімікробної активності тканин, оброблених 1,2-етилен-біс-(N,N- диметилкарбде-цилоксиметилом)-амонію // Вісник Технологічного університету Поділля (Хмельницький національний університет) – 2004. – № 5. – С.160-163.
Дисертанту належить одержання експериментальних даних та їх аналіз, узагальнення результатів.
6. Ищенко Е.В., Ирклей В.М., Вавринюк О.С., Клейнер Ю.Я., Сумская О.П.
О некоторых свойствах крахмала и его карбоксиметилированных производных, применяемых в текстильной промышленности // Проблемы лёгкой и текстильной промышленности Украины. – 2004. – № 2(9). – С.107-112.
Дисертант проводив експериментальні дослідження, узагальнював резуль-
тати, формулював висновки.
Ірклей В.М., Вавринюк О.С., Клейнер Ю.Я. - наведено математичний опис
універсальної кривої зміни ефективної в’язкості.
Сумська О.П. – формулювання технологічних вимог до Na-КМК.
7. Ірклей В.М., Іщенко О.В., Вавринюк О.С., Клейнер Ю.Я. Розвиток текстильних волокон // Вісник Київського національного університету технологій та дизайну . – 2005. - № 1. – С. 113-116.
Дисертанту належить аналіз стану виробництва та перспектив використання целюлозних волокон в текстильній галузі.
Ірклей В.М., Вавринюк О.С., Клейнер Ю.Я. - аналіз світового стану та України в текстильній галузі, визначення проблем виробництв, що забезпечують її роботу.
8. Пат. (UA) 54196 А, МКИ D 06 М 15/00. Склад вогнестійкої обробки текстильних матеріалів / Смеречинська Н.Р., Романкевич О.В., Іщенко О.В., Поліщук С.О., Сарібеков Г.С., Сумська О.П. (Україна). - № 2002064665; Заявл. 07.06.2002; Опубл. 17.02.2003; Бюл. № 2.- 6 с.
Дисертанту належить виконання експериментальних досліджень та розробка технології приготування апрету.
Смеречинська Н.Р. – запропонована формула винаходу, здійснені виробничі випробовування.
Поліщук С.О., Сумська О.П. – визначені технологічні властивості карбоксикрину С, проведений патентний пошук.
Сарібеков Г.С., Романкевич О.В. – визначені перспективи для застосування в опоряджуванні текстильних матеріалів.
9. Пат. (UA) 71371 А, МКИ D 06 Р 1/48. Склад для друкування текстильних матеріалів з хімічних волокон / Сумська О.П., Іщенко О.В., Поліщук С.О., Сарібеков Г.С., (Україна). - № 20031212396; Заявл. 25.12.2003; Опубл. 15.11.2004; Бюл. № 11.- 6 с.
Дисертанту належить одержання експериментальних результатів.
Сумська О.П., Поліщук С.О. – запропонована формула винаходу, прототип.
Сарібеков Г.С. – визначені переваги Na-КМК.
10. Пат. (UA) 71372 А, МКИ D 06 Р 1/48. Склад для друкування текстильних матеріалів з натуральних волокон / Сумська О.П.,
